Это понятие разъясняется так: образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления в ней. Разрывы жидкости, это конечно же пузырьки. Слово «кавитация» происходит от латинского слова cavitas, что означает пустота.

Временно поставим перед собой иную цель: ознакомимся с основной закономерностью, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке. Представим себе горизонтальную трубку переменного сечения, по которой течет жидкость. Там, где площадь сечения поменьше, жидкость течет быстрее, а там, где побольше, - медленнее. Согласно закону сохранения энергии, можно утверждать следующее. Над выделенным объемом текущей жидкости совершается работа сил давления, вынуждающих ее течение. Если жидкость не обладает вязкостью, то эта работа будет расходоваться только на изменение ее кинетической энергии. Закон сохранении энергии дает право приравнять работу сил давления изменению кинетической энергии жидкости. Из этого равенства следует уравнение Даниила Бернулли, которое выполняется в любом сечении трубки:

В этом уравнении - плотность жидкости, - скорость ее течения, - давление жидкости в потоке, а - величина постоянная. Прочесть ее можно так: сумма плотности кинетической энергии и давления в текущей жидкости остается неизменной.

Записанное уравнение является фундаментальным в науке о жидкости.

Всмотримся в формулу внимательно. Вот что формула гласит: чем уже сечение трубки, тем больше , чем больше, тем меньше, а это означает», что может оказаться настолько большим, что давление станет меньше некоторого критического. Газовые или паровые пузырьки, имеющиеся в движущейся жидкости и попавшие зону, где, начинают увеличиваться в объеме, жидкость «кавитирует», превращаясь в пенообразную среду. Перемещаясь вместе с потоком в область, где давление, пузырьки начинают схлопываться и исчезают.

Итак, мы с уверенностью предсказываем появление пузырьков в текущей жидкости, основываясь, как на фундаменте, только на законе сохранения энергии. Фундамент надежный и пузырьки искать следует.

В действительности кавитация может происходить и тогда, когда в жидкости по какой-либо причине возникают участки, в которых скорость ее движения различна. Например, вблизи вращающихся лопастей теплохода, или вблизи стержня, вибрирующего в воде.

«Капля камень точит»- это известно всем. А вот, что пузырек металл разрушает, - это кажется не общеизвестно. Зарегистрировано множество случаев разрушения гребных винтов быстроходных кораблей кавитационными пузырьками. Эти разрушения иной раз выводят винт из строя всего за несколько часов хода корабля. Кавитационная зона вблизи вращающегося гребного винта строителям кораблей тщательно исследуется с целью избрать оптимальную форму, при которой без ущерба для прочих характеристик корабельного винта его кавитационнная стойкость будет наибольшей. Это важный этап в конструировании и изготовлении корабля.

А вот еще один пример разрушающего воздействия кавитации. Если в воде будет вибрировать металлический стержень, его торцевая поверхность покроется очагами кавитационного разрушения: пузырьки металл разрушают.

Есть несколько предположений о механизме передачи летящего пузырька поверхности металла. Достигнув поверхности препятствия, пузырек может быстро схлопнуться, возбудить ударную волну, и это повлечет за собой удар воды по поверхности. Физики, подробно, изучавшие кавитационные разрушения металлов, убедились в том, что импульсные давления, воспринимаемые поверхностью, оказываются достаточными, чтобы пузырьки создавали и развивали очаги разрушений на поверхности металла. Например, так: многократно повторяющиеся импульсные напряжения приводят к локальным усталостным разрушениям.

Новый тип боеприпасов для стрелкового оружия, которыми можно эффективно вести огонь как на суше, так и под водой. Новые пули используют одно из физических явлений, с которым лучше всего знакомы моряки. Речь идет о кавитации - процессе образования и быстром схлопывании в жидкости пузырьков, заполненных паром. Изначально явление кавитации считалось вредным, способным только вредить кораблям. Но позднее ему нашли и полезное применение. Мы решили вспомнить, каким образом военные используют кавитацию себе на пользу.

Во второй половине XIX века начали появляться пароходы с гребными винтами, способные развивать скорость в несколько десятков узлов. Эти машины могли быстро перевозить пассажиров и вообще выгодно отличались от медлительных парусных судов. Однако вскоре моряки столкнулись с неприятным эффектом: поверхность гребных винтов через некоторое время эксплуатации становилась шершавой и разрушалась. Гребные винты тогда изготавливались из стали и сами по себе быстро корродировали в воде, поэтому их разрушение поначалу списывали на неблагоприятное воздействие морской воды. Но в конце XIX ученые, включая Джона Уильяма Стретта, лорда Рэли, описали явление кавитации.

Кавитация - физическое явление, при котором в жидкости позади быстро движущегося объекта возникают мельчайшие пузырьки, заполненные паром. Например, при вращении гребного винта такие пузырьки появляются позади лопастей и на их задней кромке. Появившись, эти пузырьки практически моментально схлопываются и образуют ударную волну. От каждого пузырька в отдельности она совсем незначительна, однако при длительной эксплуатации эти ударные микроволны, помноженные на количество пузырьков, приводят к разрушению конструкции винтов. Шершавые, растерявшие часть лопасти винты существенно теряют в своей эффективности.

Современные гребные винты изготавливаются из специального сплава - куниаля. Это сплав на основе меди с добавлением никеля и алюминия. Отсюда и название - куниаль (CuNiAl, Cuprum-Niccolum-Aluminium ). Сплав по прочности соответствует стали, но не подвержен коррозии; гребные винты из куниаля могут находиться в воде десятилетиями без какого-либо вреда. Тем не менее, даже эти современные гребные винты подвержены разрушению из-за кавитации. Но специалисты научились продлевать срок их службы, создав гидроакустическую систему. Она определяет начало кавитации, чтобы экипаж мог снизить частоту вращения винтов для предотвращения образования пузырьков.

В 1970-х годах для кавитации было найдено полезное применение. Научно-исследовательский институт ВМФ СССР разработал скоростную подводную ракету-торпеду «Шквал». В отличие от обычных торпед, использовавшихся тогда и стоящих на вооружении сегодня, «Шквал» может развивать колоссальную скорость - до 270 узлов (около 500 километров в час). Для сравнения, обычные торпеды могут развивать скорость от 30 до 70 узлов в зависимости от типа. При разработке ракеты-торпеды «Шквал» исследователи благодаря кавитации сумели избавиться от сопротивления воды, мешающего кораблям, торпедам и подводным лодкам развивать большие скорости.

Любой даже обтекаемый объект под водой имеет большое лобовое сопротивление. Это связано с плотностью и вязкостью воды - бóльшими, чем у воздуха. Кроме того, при движении под водой поверхности объекта смачиваются и на них появляется тонкий ламинарный слой с большим градиентом скорости - от нуля у самой поверхности объекта до скорости потока на внешней границе. Такой ламинарный слой создает дополнительное сопротивление. Попытка преодолеть его, например мощностью двигателей, приведет к увеличению нагрузок на гребные винты и быстрому износу корпуса подводного объекта из-за деформации.

Советские инженеры во время экспериментов выяснили, что кавитация позволяет существенно снизить лобовое сопротивление подводного объекта. Ракета-торпеда «Шквал» получила ракетный двигатель, топливо в котором начинает окисляться при контакте с морской водой. Этот двигатель может разгонять ракету-торпеду до большой скорости, на которой в носовой части «Шквала» начинает образовываться кавитационный пузырь, полностью обволакивающий боеприпас. Образованию кавитационного пузыря способствует специальное устройство в носовой части ракеты-торпеды - кавитатор.

Кавитатор на «Шквале» представляет собой наклоненную плоскую шайбу, в центре которой размещено отверстие для забора воды. Через это отверстие вода поступает в двигательный отсек, где происходит окисление топлива. На краях же шайбы кавитатора и образуется кавитационный пузырь. В этом пузыре ракета-торпеда буквально летит. Модернизированная версия «Шквала» может поражать корабли противника на дальности до 13 километров. По сравнению с дальностью обычных торпед (30–140 километров) это немного, и в этом заключается главный недостаток боеприпаса. Дело в том, что в полете ракета-торпеда издает сильный шум, демаскирующий позицию подлодки, запустившей ее. 13 километров «Шквал» покрывает очень быстро, но за это время подлодка не успеет уйти от ответного огня.

Ракета-торпеда, летящая в кавитационном пузыре, не может маневрировать. Это вполне понятно: в кавитационной полости боеприпас не может взаимодействовать с водой, чтобы изменить направление. Кроме того, резкая смена траектории движения приведет к частичному схлопыванию кавитационной полости, из-за чего часть ракеты-торпеды окажется в воде и на большой скорости разрушится. Изначально «Шквал» оснащался ядерной боевой частью мощностью 150 килотонн, которую позднее заменили обычной фугасной боевой частью с взрывчатым веществом массой 210 килограммов. Сегодня, помимо России, кавитирующие торпеды имеют на вооружении Германия и Иран.

Кавитатор ракеты-торпеды «Шквал»

One half 3544 / Wikimedia Commons

В 2014 году Технологический институт Харбина представил концепцию подводной лодки, способной перемещаться под водой на около- или даже сверхзвуковой скорости. Разработчики объявили, что такая подводная лодка сможет доплывать от Шанхая до Сан-Франциско (около десяти тысяч километров) примерно за один час и 40 минут. Перемещаться подлодка будет внутри кавитационной полости. Новый подводный корабль получит кавитатор в носовой части, который будет начинать работать на скорости более 40 узлов. Затем подлодка сможет быстро набрать маршевую скорость. За движение подлодки в кавитационной полости будут отвечать ракетные двигатели.

Скорость звука в воде составляет около около 5,5 тысячи километров в час при температуре 24 градуса и солености 35 промилле. Представляя свою концепцию, разработчики отметили, что прежде, чем создать новую подлодку, необходимо решить несколько проблем. Одной из них является нестабильность кавитационного пузыря, внутри которого должна лететь подлодка. Кроме того, необходимо найти надежный способ управлять кораблем, движущимся под водой со сверхзвуковой скоростью. В качестве одного из вариантов рассматривается возможность сделать рули, которые бы выдвигались за пределы кавитационной полости.

Между тем в начале 2000-х годов Центральное конструкторско-исследовательское бюро спортивного и охотничьего оружия тульского Конструкторского бюро приборостроения решило использовать явление кавитации при создании нового автомата для боевых пловцов. Речь идет об АДС (автомат двухсредный специальный) - автомате, способном одинаково эффективно вести огонь как на воздухе, так и под водой. Оружие выполнено по схеме булл-пап (ударно-спусковой механизм расположен в прикладе) и имеет интегрированный гранатомет. Масса оружия при длине 685 миллиметров составляет 4,6 килограмма.

Этот автомат использует для стрельбы под водой специальные патроны ПСП калибра 5,45 миллиметра. Они снаряжены стальной пулей в виде иглы длиной 53 миллиметра. Масса пули составляет 16 граммов. Снаряд утоплен в гильзу с пороховым зарядом на большую часть своей длины, благодаря чему общая длина патрона соответствует обычному автоматному боеприпасу калибра 5,45 миллиметра. Пуля патрона ПСП имеет на кончике плоскую площадку. При движении под водой эта площадка создает кавитационную полость вокруг снаряда. Благодаря такой особенности эффективная дальность стрельбы АДС под водой на глубине пяти метров составляет 25 метров.

Помимо специальных патронов, автомат способен вести огонь и обычными боеприпасами. АДС может быть оснащен глушителем. Скорострельность АДС на суше составляет 800 выстрелов в минуту, а прицельная дальность - 500 метров. Оружие оснащается отъемным коробчатым магазином емкостью 30 патронов. Автомат имеет переключатель режимов работы газоотводного механизма «вода/воздух». Он изменяет работу механизма перезарядки, адаптируя его для работы на воздухе или в воде. Без раздельных режимов механизм перезарядки в воде могло бы заедать.

Обычное современное оружие также способно вести огонь под водой, но для этих целей малопригодно. Во-первых, инерционное сопротивление жидкости и бóльшая, чем у воздуха, плотность воды не дает автоматике производить быструю перезарядку оружия, а иногда и вовсе делает ее невозможной. Во-вторых, материалы сухопутных автоматов и пистолетов изначально не предназначены для работы в водной среде и неустойчивы к длительному ее воздействию - быстро теряют смазку, ржавеют и выходят из строя из-за гидравлических ударов. При этом обычные пули, имеющие высокую точность на суше, в воде становятся абсолютно бесполезными.

Дело в том, что аэродинамическая форма обычной пули делает траекторию ее полета в воде малопредсказуемой. Например, на границе теплого и холодного водных слоев пуля может рикошетить, отклоняясь от продольной оси выстрела. Кроме того, из-за своей формы снаряд стрелкового оружия под водой быстро теряет свою энергию, а значит и убойность. В результате поражение цели из того же автомата Калашникова в воде становится практически невозможным даже на очень маленьком расстоянии. Наконец, обычные свинцовые пули с оболочкой из томпака (латунный сплав на основе меди и никеля) под водой быстро деформируются и даже могут разрушаться.

Проблему разрушающихся пуль норвежская компания DSG Technology. Она разработала новый тип боеприпасов CAV-X. Они имеют не классическую оживальную форму, как обычные пули, а коническую. Кончик пули уплощен и при попадании в воду начинает выполнять роль кавитатора, благодаря чему вокруг снаряда образуется кавитационная полость. В результате пуля практически не соприкасается с водой и дольше сохраняет кинетическую энергию. Кавитирующие пули CAV-X не намного длиннее обычных пуль такого же калибра, в отличие от российских пуль в патроне ПСП.

Кавитирующие пули сделаны из вольфрама и запрессованы в латунную гильзу. Сегодня они выпускаются в калибрах 5,56, 7,62 и 12,7 миллиметра. По данным DSG Technology, под водой кавитирующие пули этих калибров сохраняют убойное воздействие на дальности 14, 22 и 60 метров соответственно. При этом кавитирующими могут быть выполнены и боеприпасы других калибров вплоть до артиллерийских 155 миллиметров. Правда, целесообразность создания снарядов для подводной стрельбы весьма сомнительна. В каком именно оружии планируется использовать кавитирующие пули CAV-X, пока неизвестно. Обычное стрелковое оружие без специальной переделки для стрельбы под водой не подходит.

Впрочем, кавитирующие пули могут быть полезны при обстреле подводных целей с суши. Если стрелять, скажем, по боевому пловцу, находящемуся под водой, с берега из обычных пистолета или автомата, то, скорее всего, он уплывет целым и невредимым. Дело в том, что пули будут либо резко тормозиться, попав в воду, либо рикошетить от нее; это зависит от угла оси ствола к поверхности воды, под которым ведется стрельба. Кавитирующие же пули смогут, практически не отклоняясь, проходить поверхность воды и поражать подводную цель. Но с необходимостью стрелять по подводному противнику с суши военные сталкиваются не так часто, чтобы начать массовые закупки патронов с пулями CAV-X.

Хотя военные инженеры и смогли найти полезное применение кавитации, по большому счету их изобретения особой популярностью не пользуются. Ракеты-торпеды «Шквал» в бою никогда не применялись, а сегодня и вовсе не используются российским флотом - слишком шумными и недальнобойными оказались эти боеприпасы. Патроны для подводной стрельбы востребованы только боевыми пловцами и диверсантами и применяются довольно редко. В способность же китайских специалистов спроектировать кавитирующую подводную лодку верится с трудом. Так что, пожалуй, кавитация все еще остается физическим явлением, которого лучше стараться избегать.

Василий Сычёв

На сегодняшний день существует довольно много публикаций, посвященных проблеме кавитации и методам ее устранения, но лишь некоторые из них поясняют причины, по которым пузырьки оказывают такое разрушительное воздействие.

Появлению кавитации в центробежных насосах обычно предшествует кипение. Это вовсе не значит, что кипение само по себе представляет опасность, однако если образующиеся пузырьки не взрываются, то в этом случае они могут дать начало очень мощной силе. Кипение – это один из процессов, при котором происходит изменение состояния жидкости и переход в пар.

Вода в жидком состоянии и пузырьки водяного пара, образующиеся во время кипения, состоят из одних и тех же молекул. Главная разница между ними заключается в уровне энергии молекул и суммарного пространства, которое они занимают в результате полученной энергии. Молекулы пара имеют значительно более высокий уровень энергии. Для их быстрых и длинных перемещений требуется намного больше пространства, чем для молекул жидкости.

Кипение и образование пузырьков пара происходит, когда энергия молекул воды в жидком состоянии становится выше давления воды и атмосферного давления, действующего на ее поверхность. Обычно данный процесс поясняют с точки зрения нагревания, однако в насосной отрасли самое главное значение имеет изменение давления.

При атмосферном давлении на уровне моря 760 мм ртутного столба вода в котелке закипает при температуре 100ºС. Объем пузырька пара, который образуется при температуре кипения 100ºС, будет в 1673 раза больше, чем объем пузырька воды при такой же температуре. Когда он достигает поверхности воды, то взрывается, и высвобождается энергия тепла и давления. Основным источником энергии при этом все же является тепло. Взрывная волна, образующаяся при разрыве пузырька, имеет маленькую силу, поскольку давление в пузырьке составляет менее одной атмосферы, а энергия рассеивается во всех направлениях над поверхностью воды.

Если подогреть тот же котелок, например, в южной части Кисловодска, где высота над уровнем моря доходит до 1600 м, то вода в нем закипит уже при температуре 95ºС. Снижение точки кипения связано с более высоким положением над уровнем меря и более низким атмосферным давлением 632 мм ртутного столба. Когда давление на поверхность воды ниже, требуется меньше тепловой энергии, чтобы начался переход воды из одного состояние в другое. И по мере снижения давления будет требоваться все меньше тепла, и при уровне давления приблизительно 4,5 мм ртутного столба вода легко закипает при температуре замерзания.

Эта же закономерность работает и в обратном порядке: если увеличится давление на поверхность воды более чем на одну атмосферу, точка кипения тоже возрастет. Если давление становится выше во время кипения, то пузырьки пара не взрываются. Они схлопываются и возвращаются в исходное жидкое состояние.

Такой же процесс происходит в центробежном насосе во время кавитации. Кавитация всасывания, самая часто возникающая и легко прогнозируемая форма, возникает, когда давление эффективного положительного напора на всасывающей стороне насоса падает ниже давления пара воды, содержащейся во всасывающей части насоса (давление пара – это давление, необходимое, чтобы вода оставалась в жидком состоянии при заданной температуре). Наиболее восприимчивыми к воздействию этого типа кавитации оказываются те части лопастей крыльчатки, которые находятся в области самого низкого давления, то есть расположенные рядом с впуском. В этой части лопасти имеют максимальный изгиб, и когда вода их обтекает, давление на их поверхность становится ниже.

При достаточно низком давлении могут образоваться пузырьки (в результате кипения), которые схлопываются меньше чем за секунду, когда они попадают в область с чуть более высоким давлением. Высвобождаемая энергия при схлопывании пузырька водяного пара кардинально отличается от той, которая создается при его взрыве. В отличие от пузырька пара, который взрывается на поверхности воды, схлопнувшийся пузырек фактически возвращается обратно в жидкое состояние. Хотя во время этого процесса выделяется тоже тепло, но основным источником энергии в этом случае служат ударные волны, образующиеся в результате схлопывания пузырьков.

Ударные волны формируются при столкновении молекул воды, которые устремляются к месту схлопывания пузырька, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту. Сила ударной волны зависит при этом от нескольких факторов. Исследования показывают, что время существования пузырька (от момента образования до схлопывания) составляет три миллисекунды (0,003 секунды), поэтому этот процесс происходит очень быстро. Чем быстрее сталкиваются молекулы воды, тем больше выделяется энергии.

Размер кавитационного пузырька пара может быть значительно больше, чем того пузырька, который образуется во время стандартного процесса кипения при нормальном атмосферном давлении. Например, при температуре 20ºС (стандартная температура в насосе) пузырек пара, сформированный в результате кавитации, почти в 35 раз крупнее образовавшегося при температуре 100ºС! И чем крупнее размеры пузырька, тем большая масса воды участвует в столкновении.

Вместе эти факторы (скорость и масса) дают общую кинетическую энергию схлопывающегося пузырька (KE = ½ mv²). Высокая скорость, возникающая в результате быстрого схлопывания пузырька, и большая масса из-за размеров пузырька приводят к высвобождению огромной энергии. При этом, происходит еще более важный процесс, который усиливает разрушительную силу схлопывающегося пузырька.

На рисунке 1 представлена серия фотографий, на которых изображено постепенное схлопывание пузырька пара. На этапе 1 пузырек имеет почти круглую форму, которая начинает сплющиваться на этапе 2. Этот процесс продолжается до этапа 18, за которым следует полное схлопывание.

Рисунок 1. Из книги «Кавитация и динамика пузырька», написанной Кристофером Бренненом
и опубликованной в 1995 году издательством «Oxford University Press»

Следует отметить интересный момент, происходящий на этапе 7, во время которого начинает формироваться углубление в нижней части пузырька. Это образование под названием «входная микроструя» формируется на одной из плоских поверхностей и продолжает увеличиваться в размерах до этапа 13. На этапе 14 эта струя пробивается через верхнюю поверхность пузырька и направляет силу схлопывания в одном направлении.

Исследование также показало, что если пузырек схлопывается возле стенок твердых предметов (лопасти или защитного кожуха), действие микроструи практически всегда направлено на стенки. Иначе говоря, вся энергия схлопывания направляется на какую-то микроскопическую область поверхности крыльчатки, и в результате начинается разрушение металла.

Именно сочетание высококонцентрированной энергии и ее сфокусированности в одном направлении наделяет схлопывающийся пузырек такой разрушительной силой. И даже если пузырьки схлопываются далеко от поверхности крыльчатки, и не разрушается металл, ударные волны все равно вызывают сильную вибрацию, которая может привести к появлению других повреждений насоса.

Инженер компании
ООО "Промышленные насосы"
Сергей Егоров

4 Октября 2013

Кавитационная эрозия наблюдается на поверхности твердых тел при схлопывании пузырьков, т. е. в области высокого давления в системе. При гидродинамической кавитации это происходит не в той области, где образуются пузырьки, а при вибрационной кавитации положение области разрушения зависит от того, сопровождается ли вибрация течением жидкости (как, па-пример, в гидравлических насосах) или нет. Следовательно, область разрушения часто пространственно удалена от области, в которой возникают кавитационные пузырьки, и это нередко приводит к тому, что кавитационную эрозию путают с другим процессом (чаще всего с коррозией). Подробно различные источники механического разрушения описаны в главе Мёрча и более кратко - ниже.[ ...]

Кавитационные пузырьки наблюдались при ударе капли как на контактной поверхности, так и на задней поверхности капли . Возникновение пузырьков на задней поверхности капли было приписано отражению волны сжатия от свободной поверхности как волны растяжения, а на контактной поверхности - вееру волн растяжения, которые, как известно, сопровождают сферическую волну сжатия. Высказывалось также предположение, что некоторые каверны на поверхности представляют собой пузырьки воздуха, захваченные жидкостью при ударе. Наблюдалось схлопывание пузырьков как вдали от поверхности твердого тела, так и на самой поверхности (рис. 6). Кроме того, схлопывание пузырьков на поверхности может явиться одной из причин образования неглубоких впадин, которыми отмечено начало эрозионного разрушения металлов .[ ...]

Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков. При замыкании кавитационных пузырьков поверхность металла испытывает значительные по величине многократные микро-Ударные воздействия, приводящие к возникновению усталостного разрушения пластичных зон и выкрашиванию хрупких составляющих на рабочей поверхности детали. Присутствие коррозионно-активной среды интенсифицирует процессы микроусталостного разрушения и электрохимического растворения металла.[ ...]

В действительности кавитационные пузырьки содержат пар низкого давления, который конденсируется во время охлопывания каверны. Поэтому механика схлопывания скоплений каверн тесно связана с механикой схлопывания пузырьков газа в жидкостях, подвергающихся воздействию сильных ударных волн, хотя сами пузырьки газа вряд ли являются источниками ударных волн, как это имеет место при схлопывании кавитационных пузырьков.[ ...]

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 5 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. При интенсивной кавитации на площади 1 см2 в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн. кавитационных пузырьков. Воздействие на поверхность может быть столь значительным, что появляются глубокие каверны, впадины вследствие разупрочнения и перенаклепа материала с образованием очагов разрушения в виде микротрещин. Разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях -■ феррит; в чугунах - графитовые включения), затем может последовать выкрашивание и более прочных составляющих.[ ...]

В проведены измерения параметров кавитационных пузырьков в стадиях разрежения и сжатия. Так, в стадиях максимального роста диаметр образующихся пузырьков составляет величину d=80± 10 мкм (в ходе экспериментов фиксировались пузырьки от 50 до 120 мкм). Линейные размеры полости в стадии замыкания (сжатия) в 3,8 раза меньше.[ ...]

Эллис сфотографировал схлопывание скоплений кавитационных пузырьков, образовавшихся при акустической кавитации. Он создавал почти полусферические скопления каверн на поверхности оптически поляризованного материала путем возбуждения стоячих волн большой частоты в цилиндрическом сосуде, наполненном водой, и показал, что в каждом цикле колебаний развивается и схлопывается скопление каверн. Пользуясь для освещения поляризованным светом, Эллис смог установить по смещению интерференционных полос в материале, что при схлопывании скопления пузырьков возникает крайне высокое давление на относительно небольшую площадку поверхности вблизи центра скопления, где схлопывается последняя каверна, и в момент ее схлопывания возникает импульс давления.[ ...]

Кавитацию можно также применять, используя свойство кавитационных пузырьков развивать при схлопывании очень высокое давление, а также малые размеры пузырьков, благодаря которым высокое давление развивается в очень малой области. Это свойство можно использовать как при чистке крупных предметов, например труб, так и мелких, например зубов.[ ...]

Ни кипение, ни газовая кавитация не имеют отношения к эрозии. Кавитационная эрозия связана со схлопыванием кавитационных пузырьков. Они образуются там (или тогда), где (или когда) давление падает ниже некоторой критической величины, обычно несколько меньшей давления насыщенных паров жидкости. Такие снижения давления на практике возникают из-за сужения или искривления трубок тока (в случае гидродинамической кавитации) или из-за движения поверхности раздела между жидкостью и твердым телом в направлении нормали к поверхности (в случае вибрационной кавитации). В большинстве случаев эти минимумы давления возникают на твердых границах или вблизи них, где кавитация развивается из ядер, имеющихся в жидкости или на стенке, ограничивающей жидкость, но она может развиваться также и вдали от твердых стенок.[ ...]

Испытание с вращением образцов можно приспособить для изучения кавитационной эрозии: от отверстий на периферии диска отрываются кавитационные пузырьки, а образцы помещаются в точках схлопывания этих пузырьков .[ ...]

Открытие в 1991 г. явления устойчивого синхронного колебания одиночного кавитационного пузырька в фокусированном акустическом поле поставило ряд новых вопросов о природе кавитации. Одиночные кавитационные пузырьки можно наблюдать только в фокусированном сферическом или цилиндрическом поле. Резонансное поглощение акустической энергии одним кавитационным пузырьком вызывает высокую скорость (до 1300 м/с) движения его стенки. Эффекты, вызванные одиночным кавитационным пузырьком, значительно отличаются от ’’обычной" многопузырьковой кавитации . Если спектр сонолюминесценции "обычных" пузырьков имеет длину волны от 800 до 200 нм и по интенсивности может иметь несколько максимумов, то однопузырьковое свечение простирается от видимой до УФ-области. Его интенсивность непрерывно возрастает по мере уменьшения длины волны и напоминает свечение черного тела. Причем однопузырьковое свечение можно наблюдать неадаптированным глазом.[ ...]

Цель этой главы - дать читателю всестороннее представление о динамике кавитационных пузырьков и о гидромеханических проблемах, связанных с кавитацией. Значительное внимание уделено росту и схлопыванию одиночных пузырьков. Хотя во встречающихся на практике кавитационных явлениях редко возникают одиночные каверны, их динамика составляет основу для понимания всего явления в целом. Современное состояние знаний в этой области позволило сделать большой шаг в объяснении механики пузырьков, являющейся причиной кавитационной эрозии.[ ...]

Экспериментально доказано (рис. 12) , что характерное время конечной стадии сжатия кавитационного пузырька составляет по порядку величины 10-6-10-7 с. При этом скорость изменения стенки пузырька превышает 400 м/с, а радиус изменяется от 500 до 100 мкм за один кадр скоростной киносъемки (10 6 с). Минимальный радиус пузырька составляет 5-10 мкм, но на основании экспериментов по рассеянию света может быть сравним с длиной световой волны (-0,5 мкм).[ ...]

Одновременное схлопывание двух идентичных пузырьков, находящихся на расстоянии 2Ь друг от друга в неограниченной жидкости, аналогично схлопыванию одиночного пузырька, находящегося на расстоянии Ь от твердой стенки, и пузырьки образуют струи, направленные навстречу друг другу;. Однако в большинстве практических случаев взаимодействуют несколько каверн. Обычно они имеют неодинаковые размеры и, следовательно, различные времена схлопывания; кроме того, в большой группе схлопывание начинается неодновременно для всех каверн. Вследствие этого схлопывание группы каверн является очень сложным процессом, но кумулятивный эффект может быть намного сильнее, а время действия - намного больше, чем при схлопывании отдельных каверн. Хотя жидкости, содержащие пузырьки газа, широко исследовались , совместному схлопыванию групп кавитационных пузырьков уделяли мало внимания.[ ...]

Влияние сжимаемости и поверхностного натяжения учитывается в аналогичном исследовании схлопывания кавитационного пузырька в сжимаемых жидкостях, выполненном Айвени , который показал, что из-за учета этих явлений в уравнении движения появляются два масштабных параметра. Для серии значений каждого из этих параметров существует свое решение задачи о движении пузырька.[ ...]

Нолтинг и Непайрас выдвинули тепловую теорию "горячего пятна”, согласно которой при адиабатическом охлопывании кавитационного пузырька внутри него развивается температура порядка 10000 К. Возникающее при этом свечение является термически равновесным излучением черного тела.[ ...]

Следует отметить, что с качественной стороны влияние замедленной релаксации диполей по своему действию на динамику кавитационного пузырька аналогично действию вязких сил - быстрое сжатие требует гораздо больших затрат энергии, чем медленное.[ ...]

В качестве примера рассмотрим механизм коагуляции полистирольного латекса . Под воздействием флотационного эффекта пульсирующих кавитационных пузырьков частицы дисперсной фазы суспензии собираются у поверхности пузырьков, где на них воздействуют ударные волны, разрушающие сольватную оболочку на частицах. При этом частицы коагулируют, образуя достаточно прочную пространственную структуру. Пузырьки, находящиеся вне этой структуры, способствуют построению новых слоев до коагуляции всей массы латекса.[ ...]

Действительно, амплитуды возмущения ап растут от их начальных значений до постоянных значений, увеличивающихся с возрастанием п в процессе роста пузырька, но относительные амплитуды возмущения an/R проходят через максимум, а затем стремятся к нулю. Следовательно, в процессе роста кавитационные пузырьки стремятся принять сферическую форму.[ ...]

В спектре однопузырьковой сонолюминесценции воды, в отличие от многопузырьковой, отсутствуют ОН и рекомбинационные полосы Н +ОН. Наконец, в одиночном кавитационном пузырьке возникают температуры порядка 50000 К , 130000 К , 300000 К . Экспериментальные исследования однопузырьковой кавитации показали наличие ядер дейтерия, что свидетельствует о термоядерном процессе. Поэтому можно полагать, что кавитация в многопузырьковых системах принципиально отличается от однопузырьковой. Теоретические работы о механизме процессов, протекающих в одиночных кавитационных пузырьках, в настоящее время проводятся М. А. Маргулисом и в научной школе академика РАН Р. И. Нигматуллина.[ ...]

Большое число электрохимических измерений проводилось на металлах, исследуемых в условиях вибрационной кавитации с целью определения роли коррозии в кавитационной эрозионной коррозии. Кавитация также усиливает коррозионный ток меди при всех потенциалах в воде и в водном растворе хлорида двухвалентного железа . Такое смещение потенциала и увеличение коррозионного тока связывается с удалением пленок из продуктов коррозии под действием схлопывающихся кавитационных пузырьков.[ ...]

Существуют также представления в рамках так называемой «новой электронной теории» , в основе которой лежит явление образования двойного ионного слоя у поверхности кавитационного пузырька. По мнению авторов, заряд двойного ионного слоя имеет большую плотность и вызывает пробой газа в оторвавшемся малом пузырьке.[ ...]

В соответствии с этой теорией протекание химических процессов в водной среде при воздействии акустического поля объясняется следующим образом. Первичные элементарные процессы в кавитационном пузырьке приводят в конечном счете к образованию в ультразвуковом поле радикалов Н ОН (так же, как при радиолизе водных растворов). Радикалы частично рекомбинируют и после попадания в жидкую фазу реагируют с растворенными веществами по косвенному механизму. Независимо от состава водного раствора химизм процессов при воздействии ультразвуком определяют всего два компонента - проникающие в полость растворенные газы и пары воды. Они могут либо распадаться на радикалы Н и ОН’, либо передавать энергию возбуждения другим молекулам, либо реагировать с растворенным веществом. Таким образом, процессы, происходящие в кавитационном пузырьке, сводятся к возбуждению и ионизации молекул воды.[ ...]

Для объяснения химических эффектов в неводных системах М. А. Маргулисом выдвинуты две гипотезы. По первой гипотезе возникновение электрических разрядов внутри пульсирующих и "охлопывающихся кавитационных пузырьков в жидкости, выделение энергии в локальных микроскопических областях системы и последующее быстрое охлаждение реагентов могут привести к резкому локальному увеличению скорости химических реакций и последующей "закалке" получаемых продуктов. При этом не успевает осуществляться разложение целевых продуктов, и селективность процесса возрастает, поскольку вся жидкость остается практически холодной.[ ...]

При прохождении ультразвука большой интенсивности через жидкость, содержащую растворенные газы или твердые частицы, возникают значительные сжимающие и растягивающие усилия. При сжимающих усилиях кавитационные пузырьки захлопываются и образуется сильная ударная волна, которая является источником кавитационного разрушения, что и обусловливает диспергирующее"действие ультразвука. В зависимости от величины воздействий преобладает коагуляция или диспергирование.[ ...]

Помещая фотографическую пластину под наконечник вибрационного устройства, колеблющийся с ультразвуковой частотой, Ниборг и др. обнаружили более интенсивное потемнение пластины вокруг одиночного кавитационного пузырька, находящегося на пластине, которое связывается с микрозавихрениями жидкости вокруг пузырька. Этот эффект схематически представлен на рис. 4,а. В случае скопления пузырьков, создаваемого наконечником ультразвукового вибратора, отмечаются микрозавихрения вблизи края этого наконечника (рис. 4,6).[ ...]

Следовательно, с точки зрения специальных проблем эрозии для получения решающих результатов, по-видимому, необходимо, чтобы в будущих исследованиях усилия были сосредоточены на взаимодействии между кавернами в процессе схлопывания групп кавитационных пузырьков. Конкретными предметами исследования, представляющими большой интерес, являются ударные волны, возникающие при несферическом схлопывании каверн, их распространение и поглощение соседними кавернами.[ ...]

Согласно современным представлениям, возникновение и интенсификация химических реакций в поле акустических колебаний объясняются процессом кавитации. Явление кавитации основано на двух теориях - электрической (возникновение электрического разряда внутри кавитационного пузырька в результате накопления на его стенах электрических зарядов) и тепловой (возникновение высоких температур и давлений в результате адиабатического сжатия кавитационного пузыря) .[ ...]

Другое устройство вибрационного типа использовалось Плессетом и Эллисом , и его основной частью являлся кольцевой преобразователь, который был расположен в стакане с жидкостью (рис. 5, б). Испытуемый образец размещается на дне стакана по центру, где создается облако кавитационных пузырьков. Благодаря этому образец подвергается воздействию поля напряжений, подобного тому, которое создается колеблющимся наконечником. Это устройство не получило такого широкого распространения, как вибратор с наконечником, вероятно, потому, что последний имеется в продаже.[ ...]

Для деструкции органических соединений тяжелых металлов, в î числе ртути, в природных водах и рассолах применяется безреагентный тод обработки водных проб ультразвуковым облучением с част i 18-24 кГц и интенсивностью не менее 12.5-20 Вт/см2 . Возни: вение в ультразвуковом поле кавитационных пузырьков, их рост, пульс; л и схлопывание приводит к локальному концентрированию энергии и с зованию множества радикалов, эффективно разрушающих органиче е соединения . Эффективность ультразвукового метода проверена N дом добавок. Аналогичная методика применена при определении рт; почвах .[ ...]

Ультразвуковые колебания применяются при разнообразных технологических процессах с целью воздействия на вещество. Для этого обычно применяют низкочастотный ультразвук, используя его механический эффект. В жидкости он связан с явлениями кавитации. Гидравлические удары, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, обусловливают размельчающее и диспергирующее действие ультразвука, которые положены в основу многих технологических процессов, осуществляющихся с помощью ультразвука.[ ...]

Вейслер , Линдстром и Эльпинер обобщили данные о химических эффектах при ультразвуковой кавитации и нашли, что они подобны явлениям радиационной химии. При очень низких интенсивностях ультразвука, когда нет кавитации, нет и химических изменений. Однако при критической интенсивности ультразвука, т. е. при зарождении кавитационных пузырьков, образуется Н2О2, причем выход Н202 пропорционален содержанию растворенного кислорода в жидкости и интенсивности кавитации. БеЗО в 1,1 н. Н2304 в процессе ультразвуковой кавитации происходит окисление двухвалентных ионов железа в трехвалентные. Реакция окисления облегчается в присутствии кислорода, ослабляется при наличии водорода и полностью исключается при наличии гелия в растворе. Измеряя внутреннее трение, Джин и Мессино показали, что образцы тантала при выдержке в воде в условиях ультразвуковой кавитации поглощают атомы водорода, выделившиеся, по-видимому, при разложении молекул воды. Эти химические эффекты кавитации наблюдаются не только при ультразвуковой кавитации, но также в гидродинамических трубах и в гидравлических установках .[ ...]

На рис. 2.5 приведена обобщенная схема, описывающая работу по крайней мере трех устройств, предложенных в 1975--1976 гг. Е. Беком, К. Зенером и Дж. В основе способа преобразования энергии - подобие существующего в природе круговорота воды под действием солнечной радиации. Подъем воды на требуемый уровень осуществляется путем либо создания в столбе кавитационных пузырьков, либо вспениванием (эффекты аналогичные подъему жидкости с помощью эрлифта), либо созданием разрежения над ее поверхностью за счет образования тумана. Гидротурбина при этом может быть установлена и как показано на рис. 2.5, и непосредственно в трубопроводе теплой воды, забираемой с поверхности.[ ...]

В предыдущей главе показано, что кавитация является причиной деформации и эрозии материалов в самых разнообразных гидромеханических системах - как в текущих жидкостях (гидродинамическая кавитация), так и в жидкостях, подвергающихся воздействию пульсирующих импульсов давления (вибрационная кавитация). Целью этой главы является описание динамики одиночных кавитационных пузырьков и групп кавитационных пузырьков и выяснение механизмов, под действием которых может произойти наблюдаемая в технике эрозия. Кроме того, Плессет и Просперити опубликовали недавно обзор динамики кавитации и кавитационных пузырьков.[ ...]

С помощью существующих до настоящего времени теорий можно с определенными допущениями объяснить некоторые реакции, протекающие по радикальному механизму. Однако множество полученных экспериментальных данных по интенсификации химических реакций, протекающих не по радикальному , а по другим механизмам, нельзя объяснить электрическим разрядом, возникающим внутри кавитационных пузырьков, или созданием в них больших температур и давлений. Указанные условия должны непременно привести к разложению реагентов и снижению селективности целевых реакций.[ ...]

Реакцию проводили в ТГФ. Это свидетельствует о том, что в условиях акустического воздействия происходит поляризации связи 51-Х и отрыв галогена от кремния. Следует отметить, что без ультразвукового воздействия такая реакция не протекает. Процесс димеризации хлорсиланов значительно интенсифицировался при добавлении в реакционную массу небольшого количества антрацена. Молекулы антрацена не могут проникать в кавитационную полость и участвовать в процессах, которые описываются в ранее опубликованных теоретических работах различных исследователей. Однако они способны уменьшить скорость релаксационных явлений, протекающих вокруг кавитационного пузырька за счет их большого размера и увеличения вязкости жидкости, где протекают дипольно-ориентационные процессы.[ ...]

Более конкретная реализация описанного принципа с использованием парожидкостного тумана, образующегося над поверхностью теплой воды в том случае, когда конденсатор размещен значительно выше, поясняется рис. 2.6 (С. Риджуэй и А. Шомет, Калифорнийский университет). Парожидкостная смесь, с удельным объемом от 200 до 3000 см3/г, содержащая капельки воды размером около 200 мкм, поднимаясь в поле отрицательного градиента температур, выполняет работу по прокачиванию теплой поверхностной воды через турбину. Общая проблема при реализации подобных устройств в промышленных масштабах (лабораторные образцы уже осуществлены) - возможная нестабильность тумана, пены, кавитационных пузырьков .[ ...]

Чепмен и Плессет в предположении о постоянстве давлений р и роо выполнили исследование полной нелинейной задачи для двух случаев каверны, начальная форма которой отлична от сферической, а именно для вытянутого и сплющенного эллипсоидов в неограниченной жидкости. Они использовали численный метод, в котором схлопывание определялось малыми последовательными шагами по времени, на каждом из которых решали потенциальную задачу и находили скорость стенки каверны в большом числе точек. Рост возмущений приводил к столкновению противоположных участков стенки каверны друг с другом со скоростями в несколько сот метров в секунду еще до того, как средний радиус пузырька R обращался в нуль и происходило разрушение кавитационного пузырька. Оказалось, что в обоих случаях развитие начального возмущения сферической каверны и во втором приближении очень хорошо описывается линеаризованной теорией в той области, где она справедлива, но высшие гармоники, возникающие в результате нелинейных взаимодействий, существенно изменяют скорости стенок каверны в конце схлопывания по сравнению со скоростями, полученными по линеаризованной теории.[ ...]

Коррозия оказывает влияние на морфологию повреждений поверхности и скорость механической эрозии под действием кавитации. При измерениях остаточных напряжений указанные выше исследователи установили, что механическое повреждение, вызванное в поверхностном слое кавитацией, было значительно меньше, когда на металл накладывался анодный ток. Таким образом, представляется, что находящиеся в состоянии механического напряжения слои могут непрерывно удаляться приложенным током, и скопление кавитационных пузырьков будет воздействовать на свежую, нена-клепанную поверхность металла. С другой стороны, Хирс и Спекхардт наблюдали увеличение «механической» составляющей потери массы меди при наложении анодного тока. Однако область кавитации, вызванной неровностями поверхности металла, была в этих условиях более плоской и широкой. Это приписывалось преимущественному растворению гребней неровностей. Повреждения поверхности пассивных металлов (титана, алюминия и железа распределены неоднородно вследствие местного растрескивания пленки и ускоренной коррозии обнаженных участков. Местная коррозия (в особенности питтинг) усиливает механическую эрозию, так как шероховатая поверхность способствует образованию пустот в питтингах .[ ...]

Специфика эрозионного разрушения проявляется также в характере зависимости от времени скорости уноса массы при постоянных параметрах набегающего двухфазного потока. Существует начальный участок, инкубационный период, во время которого не происходит заметной потери массы. Затем наступает следующая стадия, во время которой скорость уноса массы, возрастая, достигает максимального значения. Отдельные кратеры от ударов частиц сливаются и покрывают всю поверхность преграды. На третьей стадии скорость уноса массы опять снижается и стремится к некоторому приблизительно постоянному значению. Все эти и многие другие смежные вопросы подробно освещены в предлагаемой книге, где обобщены результаты большого числа экспериментальных и теоретических исследований процессов соударения как твердых, так и жидких частиц, а также кавитационных пузырьков с поверхностями конструкционных материалов.[ ...]

Активное растворение может оказывать упрочняющее влияние на некоторые материалы. Иоффе показал, что при деформировании в воде кристаллы соли оказались до 25 раз более прочными и более пластичными, чем испытывавшиеся в воздухе. При растворении устраняются существующие надрезы и трещины на поверхности кристалла, и поэтому увеличивается усилие, требуемое для зарождения трещины в подобных хрупких материалах. Усталостную долговечность многих металлов можно увеличить промежуточными удалениями деформированных поверхностных слоев . Скорость разрушения стали вследствие кавитации уменьшается при наложении анодного тока на металл . Однако если растворение носит избирательный или локализованный характер, то анодная поляризация оказывает вредное влияние на механические свойства. Локальные неровности поверхности могут вызвать турбулентность протекающей жидкости и увеличение интенсивности механического разрушения в этих локальных зонах. Питерсон и Геринг показали, что при воздействии потока морской воды (31 м/с) образцы из углеродистой стали приобрели шероховатость в процессе испытаний, причем кавитационные пузырьки наблюдались у изъязвлений на поверхности; это приводило к возрастанию скорости массовых потерь со временем экспозиции в потоке воды.

Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.

Кавитация.

О кавитации в Wikipedia пишут:

При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

P - гидростатическое давление набегающего потока, Па;

P s - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

ρ - плотность среды, кг/м³;

V - скорость потока на входе в систему, м/с.

Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V c , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Χ >1,
• кавитационный - (двухфазный) поток при Χ ~1,
• пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ < 1,
• суперкавитационный - при Χ <<1.

Результат работы кавитации

Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.

Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком.Известно применение кавитации в военной технике.

Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:

ЭтоРоссийская подводная ракета "Шквал" способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.

Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,

Новой иранской торпеды.

В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.

Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler & Koch P11, которые стреляют стальными стрелами и используют эффект сверхкавитации.

Кавитационная "Ракето-торпеда"

Факторы сдерживающие применение кавитации и суперкавитации

Еще в декабре 2006 появилось сообщение:

Управление перспективных оборонных проектов Пентагона DARPA выбрало подрядчиков для проектирования так называемого "Подводного Экспресса" - сверхбыстрой перспективной подводной лодки, способной перемещаться под водой со скоростью до 100 узлов - свыше 150 км/ч. По сообщениям издания C4I Journal, компания Electric Boat (дочерняя фирма General Dynamics) и Northrop Grumman Electronic Systems получили контракты на общую сумму более $11 млн. (с опционным продолжением до $71 млн.). По заданию управления DARPA, разработчики должны обеспечить технический прорыв в области сверхкавитации – эффекта, связанного с обтеканием быстродвижущихся под водой тел пузырьками газа. По данным DARPA, сверхкавитация позволяет снизить сопротивление движению подводного объекта на 70%.

Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.

Попробуем разобраться

Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость - паро-газовая оболочка.

Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: - "нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 - 100 км/час".

Так ли это просто?

Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 - 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).

Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.

Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.

Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 - 1000 тыс. л.с.

Проблемы

Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.

Первая проблема

Это мощность двигательной установки.

Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.

Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.

Вторая и наиболее важная проблема

Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.

Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.

Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.

Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов - например ракетной торпеде Шквал.

Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.

Третья проблема

Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.

Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.

Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.

И самое последнее

Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата -> паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.

Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?

Смею утверждать - можно!

Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок - несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости - ведь законы физики отменить нельзя.

Не менее важно, чтобы они имели движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.

Вам это ничего не напоминает?

Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками - это дело не года - пяти, а существенно более дальних времен.

И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!