Главная > Развитие подводных лодок

В разных направлениях.

Чтобы достичь возможно меньшего сопротивления подводной лодки, необходимо в зоне возрастания давления предпринять специальные меры, направленные на предотвращение отрыва пограничного слоя и сохранение ламинарного режима обтекания корпуса. Именно в пограничном слое в результате возмущающего действия корпуса корабля происходит турбулизация обтекающего корпус потока воды и, как следствие, возрастание сопротивления формы.

Известный немецкий ученый Л. Прандтль еще в 1904 г. обратил внимание кораблестроителей на возможность ламиниризации пограничного слоя с помощью отсоса. Принцип отсоса заключается в удалении из пограничного слоя насосом частиц жидкости, заторможенных в области возрастания давления, прежде чем они успеют оторваться от корпуса. При этом обеспечивается устойчивость ламинарного режима обтекания и его переход в турбулентную форму как бы отодвигается в область больших скоростей.

Существует мнение, что отсос можно использовать и для того, чтобы значительно сократить удлинение корпуса подводной лодки с целью снижения его сопротивления за счет уменьшения смоченной поверхности. В этом случае удается избежать интенсивного вихреобразования и отрыва пограничного слоя даже за кормой короткого корпуса с тупыми обводами, а значит, и возрастания сопротивления формы. Достоинством отсоса является и снижение гидродинамического шума, вызываемого турбулентным режимом обтекания.

Отсос из пограничного слоя уже внедрили авиаторы. Эффективность этого способа подтвердилась во время натурных испытаний опытного участка крыла самолета с отсосом через узкие щели: его сопротивление с учетом затрат мощности на работу отсасывающего вентилятора снизилось почти на 80 %.

Несмотря на кажущуюся простоту, сложностей в реализации идеи отсоса более чем достаточно. Количество отсасываемой воды должно иметь рациональные пределы. При чрезмерном отсосе пограничный слой станет настолько тонким, что выступающие из ламинарного слоя бугорки и шероховатости на поверхности корпуса будут турбулизировать поток, нарушая ламинарный режим течения, а при недостаточном отсосе ламинарный режим просто не будет достигнут. В зависимости от скорости и условий плавания подводной лодки интенсивностью отсоса придется управлять. При этом закон регулирования будет весьма сложным. Одной из серьезных проблем станет обеспечение проходимости очень узких щелей, через которые будет происходить отсос, из-за находящихся в забортной воде планктона и морских обитателей, не говоря уже о механических примесях.

Внимание изобретателей на протяжении многих лет привлекает "воздушная смазка" - создание воздушной прослойки между корпусом корабля и забортной водой. Предлагались различные варианты изменения свойств пограничного слоя воды: нагрев в зоне, прилегающей непосредственно к корпусу, применение для обшивки корпуса различных покрытий, выделяющих при контакте с водой газовые пузырьки и др. Однако ни одна из этих идей даже на моделях себя не оправдала.

После второй мировой войны дело вроде бы сдвинулось с мертвой точки. Так, американский инженер Эйхенберг предложил подводную лодку с уменьшенным сопротивлением трения за счет создания между обшивкой корпуса и водой тонкой воздушной прослойки с замкнутой циркуляцией воздуха. За головной частью корпуса через щель отсасывается вода, чтобы не допустить формирование турбулентного пограничного слоя. Через следующую щель подается воздух для образования воздушной прослойки. Этой же цели служат и щели, расположенные на днище. Внутри прослойки воздух перемещается вверх, что влечет за собой неравномерное распределение толщины прослойки по обводам корпуса. Чтобы помешать перетеканию воздуха, на боковой поверхности корпуса с каждого борта имеются выступы, не соприкасающиеся с водой. Таким образом, корпус опирается на воду лишь носом и кормой, а вся его средняя часть обтекается тонким слоем воздуха. Для возможно большего снижения сопротивления изобретатель оговорил необходимость ламинарного течения воздуха. Задача эта очень сложная, так как прослойка воздуха должна измеряться долями миллиметра. Кроме того, как показали опыты, искусственно вентилируемые полости подобного типа при движении пульсируют и деформируются. Для устранения этих явлений потребуются какие-то дополнительные, возможно, весьма сложные технические решения.

В течение последних десятилетий кораблестроители интересуются способом управления пограничным слоем с помощью так называемых неньютоновских жидкостей. В очередной раз все решил случай. На одном из нефтеперерабатывающих заводов США ошибочно открыли вентиль, и некоторое количество гуара (полимер растительного происхождения - разновидность каучука) попало в нефть. Когда ее стали подавать по трубам в нефтехранилище, обслуживающий персонал обратил внимание, что насосы работают со сниженной нагрузкой. Явлением заинтересовались. Как принято в подобных случаях, анализировались события, имеющие какую-нибудь, даже косвенную аналогию. Вспомнили, что еще во время войны сопротивление напалма в трубах огнеметов снижалось при добавлении в него бензина - вещества высокополимерного. Вспомнили и о том, что иногда в районах морей с большими скоплениями планктона животного и растительного происхождения у кораблей и судов при неизменной мощности энергетической установки вдруг возрастала скорость, а затем, по прошествии некоторого времени, становилась прежней. Аналогичная картина наблюдалась в опытовых бассейнах при испытании моделей, когда через некоторый промежуток времени при повторном испытании одной и той же модели ее сопротивление значительно изменялось.

Первым загадочное явление обосновал английский химик Б. А. Томе, сообщивший в 1948 г. о результатах опытов с разбавленными растворами высокомолекулярных полимеров с линейной структурой молекул, в результате которых удавалось снижать сопротивление трения в турбулентном потоке до 50 %. Механизм явления, получившего название "эффект Томса", очень сложен и пока только предположителен, но в процессе его расшифровки кое-что удалось выяснить и обосновать. Так, установили причину резкого возрастания скорости кораблей и судов в районах с большим содержанием планктона. Оказалось, что морские водоросли и микроорганизмы в процессе жизнедеятельности выделяют высокомолекулярные соединения, которые даже при незначительном содержании в воде существенно снижают сопротивление движущегося в ней тела. Снижение сопротивления настолько ощутимо, что для исключения фиктивных результатов на испытаниях было признано необходимым нормировать содержание водорослей и микроорганизмов на мерных линиях и в опытовых бассейнах.

По закону Ньютона, сила, обусловленная касательными напряжениями между слоями ламинарного течения вязкой жидкости, пропорциональна площади, на которой действуют эти напряжения, градиенту скорости частиц жидкости в направлении, нормальном к плоскости действия касательных напряжений, и коэффициенту вязкости m. Для таких жидкостей, как вода, масло и им подобные, и, является величиной постоянной. Иначе ведут себя коллоидные системы, эмульсии, полимерные суспензии и некоторые органические соединения, названные "неньютоновскими жидкостями". У них отношение касательного напряжения к градиенту скорости, а следовательно, и коэффициент вязкости и, не являются постоянными и изменяются в зависимости от градиента скорости.

В первую очередь явлением заинтересовались ученые и инженеры, работающие в областях техники, связанных с гидродинамикой, и одними из первых - кораблестроители. По неполным данным, уже в 1970 г. за рубежом исследованиями полимерных добавок занимались более 30 научных учреждений. Выяснилось, что наибольший эффект дает полимер органического происхождения полиэтиленоксид (вещество, отличающееся очень большой длиной молекул), получивший название "полиокс". Опытным путем установлено, что сопротивление тела, движущегося в воде, содержащей даже мизерную добавку полиокса (0,002%), снижается на 30-40%. Проведенные в Англии опыты с моделью эсминца показали, что при добавлении полиокса в воду опытового бассейна сопротивление трения модели снижается на одну треть. В 1968 г. английское адмиралтейство перенесло опыты на тральщик, в обшивке которого в носу и корме прорезали два ряда щелей для подачи в пограничный слой раствора полиокса концентрацией около 0,001 %. Сопротивление трения корабля уменьшилось почти на 25 %, за счет чего при неизменной скорости мощность энергетической установки снизилась на 12 %.

Такой способ снижения сопротивления трения особенно заманчив для быстроходной подводной лодки, так как в отличие от надводного корабля сопротивление трения в подводном положении у нее составляет основную часть полного сопротивления. Правда, настораживает тот факт, что даже при указанных очень малых концентрациях раствора, расход полимера будет внушителен. Но вспомним немецкие подводные лодки с ПГТУ, которые в час расходовали 20-30 т высококонцентрированного раствора перекиси водорода. В этой связи обращают на себя внимание опыты, проведенные на подводных лодках США, знакомой нам экспериментальной Альбакор и атомной Поллак, оборудованных системой подачи полиокса в пограничный слой. По сообщениям печати, полученные результаты оценены положительно и с их учетом разработана аппаратура для подачи полимерных добавок, которой предполагалось оснастить одну из атомных лодок США типа Стерджен.