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
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.
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
Таинственный киногерой
В конце XIX века английский военно-морской флот должны были пополнить два совершенных для того времени корабля. "Дерингу" и "Турбинии" оставалось пройти последнее испытание - на быстроходность, которая, кстати, выдвигалась конструкторами как главное их преимущество. Увы, расчетной скорости достичь не удалось. Детальное исследование возможных причин неудачи показало: гребные винты на быстром ходу очень интенсивно изнашиваются, покрываясь выбоинами, кавернами, а виной всему - многочисленные паровоздушные пузырьки, возникающие на лопастях.
При таких обстоятельствах техника впервые познакомилась с кавитацией. Именно техника. Потому что науке это явление было известно уже двадцать лет. Его теоретически предсказал английский физик О. Рейнольдс. И будь конструкторы внимательнее к фундаментальным исследованиям своего соотечественника, возможно, не случилось бы конфуза.
Да, теоретик мог бы предостеречь инженеров от чрезмерных надежд. Но не более того. Если бы его спросили: как построить действительно сверхбыстроходный корабль, обойдя каким-либо образом кавитацию, у учёного вряд ли нашёлся бы ответ.
И по сей день, спустя больше века как открыта кавитация, наука, исследующая это явление, в долгу перед техникой. Даже сделать точный расчёт того порога, за которым наступает разрушительная для машины или конструкции кавитация, не всегда возможно. По прежнему крошит, изъявляет она металл гребных винтов, лопасти насосов и турбин, бетонные тела плотин, каналов, шлюзов.
Еще труднее - а заманчивые мысли об этом родились не вчера - превратить разрушительные силы кавитации и сделать их союзниками.
Почему пасует перед самыми главными секретами кавитации могучая современная наука?
Вначале давайте вспомним то, что она знает об этом явлении достаточно определённо. Кавитационные пузырьки возникают в жидкости, если в ней создать пониженное давление. Это бывает, например, при обтекании с большой скоростью какого-либо твердого тела или, что по сути, равнозначно, когда само тело быстро движется в жидкости. Звуковые и ультразвуковые волны, проходя через жидкость, так же создают области пониженного давления, вызывают кавитацию. Живут кавитационные пузырьки очень недолго. С огромной быстротой, за ничтожные доли секунды они схлопываются. Это схлопывание, подобно взрыву, порождает ударную волну. Пусть это всего лишь микровзрывы. В краткие мгновения их происходит сотни, тысячи. Они накладываются друг на друга, умножая свои силы. В разных точках жидкости температура мгновенно подскакивает до тысяч градусов, давление - до многих десятков атмосфер. У пузырьков могут возникать тончайшие лучи-жала, действующие на твердую поверхность подобно разящему броню кумулятивному снаряду! Вот откуда невероятные силы у невесомых пузырьков.
Чаще всего, к сожалению, эти силы разрушительные. Только в немногих случаях они начинают сегодня работать с пользой - например, очищают поверхность деталей, помогают выявить природный рисунок у отделочных камней, перемешивают "несовместимые" жидкости вроде бензина и воды. Чтобы лучше бороться с вредной, разрушительной кавитацией и полнее использовать её на благо, есть только один путь - глубже проникнуть в её тайны.
В чём отличие кавитационного пузырька от обычного? Что происходит внутри? По каким законам идет в нем превращение энергии? Знай сегодня ученые ответы на эти вопросы, глядишь, завтра реальными бы стали и сверхбыстроходные корабли. Но пока есть только многочисленные, спорящие между собой гипотезы. И, значит, инженер не в силах с нужной точностью рассчитать новую конструкцию или машину, в которой хотел бы запрячь силы кавитации.
Сколь недостаточны пока знания об этом явлении, говорит такой пример. Почти полвека назад открыли сонолюминисценцию - свечение жидкостей под действием ультразвука, а также звукохимические реакции, идущие только при облучении реагентов звуком. Оба этих явления очень энергоёмки, и вызвать их способна только кавитация. Эффекты и стали своеобразным тестом на кавитацию. Однако механизм, природа их до сих пор остается загадкой.
Почему же кавитация столь неприступна? Какие преграды стоят на пути к ее тайнам? Чтобы яснее представить происходящие С кавитационным пузырьком превращения, надо первым делом внимательно проследить за тем, как он рождается, движется, исчезает, словом, за всеми этапами его жизни.
Кавитационный пузырёк стал одним из главных героев научного кино. В десятках лабораторий мира он отснят на бесчисленных метрах киноплёнки. Но увы, за мгновениями его жизни не успевает даже сверхскоростная киносъёмка. Наш киногерой живёт всего лишь стотысячные или даже миллионные доли секунды! Надо ещё учесть: размеры пузырьков состовляют сотые, тысячные доли миллиметра. Наконец, кавитация - это не один и даже не тысяча рождающихся в одно мгновение пузырьков. В одне кубическом сантиметре так называемого кавитационного поля их пульсирует сразу около миллиарда! Не случайно одним из первых героев голографического кино, едва появилось оно в лабораторном, экспериментальном варианте, опять-таки стал кавитационный пузырек... А загадок не убавлялось.
Ежи в пробирке
В науке часто бывает так: для решения какой-либо сложной проблемы, над которой многие годы бьются лучшие умы, вооруженные самой совершенной техникой, не хватает какой-то очень простой идеи, какого-нибудь элементарного, почти школьного опыта. В проблеме кавитации этот, возможно, решающий шаг посчастливилось сделать ученым сектора химической физики из Всесоюзного научно-исследовательского института органического синтеза.
В то время как одни исследователи уповали на все более совершенную аппаратуру, новейшие методы решения необычайно сложных систем дифференциальных уравнений движения пузырьков, специалисты ВНИИОСа искали нелобовое, обходное решение. В чем состоял задуманный ими маневр? Рассуждали примерно так. Толком разглядеть кавитационные пузырьки мешает их мизерность и крайне малое время жизни. Зависит это от частоты колебаний, которыми возбуждают кавитацию. Сумей исследователи получить кавитацию, скажем, при частотах 10-100 Гц - пузырьки согласно расчетам могли бы жить уже десятые доли секунды и иметь размеры до сантиметра. Вот тогда мы бы увидели своего киногероя действительно крупным планом.
Неужели эта нехитрая идея никому прежде не приходила в голову? Разумеется, приходила. Попыток было много. Статья с результатами последней из них, которую предприняли американские исследователи, лежала на столе заведующего сектором М. А. Маргулиса. И в ней ничего утешительного. В который раз получено подтверждение привычной точки зрения: кавитация - явление пороговое, то есть возникает начиная с определенной частоты, и частота эта исчисляется, увы, килогерцами... И все-таки что-то заставило воспроизвести заведомо неудачный опыт. К этому подталкивали и хорошая злость на неподдающуюся проблему, и исследовательский азарт, упорство, интуиция.
Проделать эксперимент американцев не составляло особого труда. Схема его была проста: колеблющийся стержень опускают в сосуд с жидкостью, а спектрометр, если возникнет кавитация, должен зарегистрировать свечение. Все сделали как надо - ничего похожего на кавитацию. Попробовали увеличить амплитуду колебаний стержня,- мол, возбуждение станет интенсивнее. Сверхчувствительный спектрометр "молчит". Бурление, турбулентность в жидкости усиливается, но растяжения нет как нет. Жидкость как бы слишком эластична, она хотя и завихряется, но все же успевает обтекать небыстро колеблющийся стержень. А ведь надо, чтобы она воспринимала колебания стержня словно удары. Как этого достичь?
Достаточно было исключить обтекание колеблющегося стержня, и низкочастотная кавитация открыта
Новый эксперимент поставили с аппаратурой, какая, наверное, найдется даже в школьном кабинете физики: пробирка, штатив, выточенный из оргстекла стержень, 25-ваттный динамик, старенький ламповый усилитель... Единственная его тонкость - колеблющийся стержень в виде поршня изготовили так, что зазор со стенками пробирки составлял всего десятую долю миллиметра. При этом жидкость уже не могла столь легко, как прежде, обтекать стержень.
Звуковой генератор включен на частоте 90 Гц. О том, что происходило дальше, М. А. Маргулис рассказывает:
С минуту ничего особенного мы не замечали. Затем на небольшом участке у стенки пробирки, заполненной жидкостью, под колеблющимся поршнем возникли мелкие сферические пузырьки. Число их быстро нарастало. Они образовывали крупный сгусток, внешне напоминающий ежа. Этот еж заметно пульсировал. Стали постепенно прибавлять частоту. При 200 Гц и выше можно было создать уже двух и даже больше необыкновенных ежей. Они рождались в разных частях пробирки. Время от времени они устремлялись друг к другу, сливались и тут же с треском разлетались. Сразу же бросалось в глаза, что ежи не похожи на конгломераты - скопления отдельных пульсирующих пузырьков, а представляют собой крупные, причудливой формы пузырьки...
Но не все успевал схватывать невооруженный взгляд. Ученые воспользовались привычным своим инструментом - скоростной киносъемкой. Прокрутили отснятый ролик, но... никаких ежей не обнаружили. Протуберанцы, довольно толстые отростки, затейливо изогнутые щупальца, которые словно бы выстреливались из тела крупного пузырька, никак не походили на иголки симпатичного обитателя леса. И ученые дали этому необычному созданию более прозаическое имя - большой деформированный пузырек (сокращенно БДП). На экране удалось разглядеть, как от БДП отрывались, а затем устремлялись обратно мелкие прозрачные пузырьки сферической формы.
Что это было? Кавитация, порождающая тысячеградусные температуры, колоссальные давления? Или, быть может, какое-то новое, впервые наблюдаемое явление? Для проверки, как мы уже знаем, есть особые тесты, своеобразные лакмусовые бумажки, выявляющие кавитацию - звукохимические реакции и свечение жидкостей.
Разрушая преграды
В первом же проверочном эксперименте низкочастотный звук легко запустил цепную реакцию превращения малеиновой кислоты в фумаровую. Сомнения еще оставались - реакция эта хотя и слывет у химиков сложной и капризной, но для инициирования требует сравнительно небольшой энергии. Но когда в лабораторной пробирке двухвалентное железо превратилось в трехвалентное, когда молекулы воды стали расщепляться в ней, словно орехи под ударом молотка, двух мнений быть уже не могло - возбуждена самая настоящая кавитация. Сами исследователи поначалу с трудом верили своиv же результатам. Однако многократные проверки подтверждали: звукохимические реакции можно вести уже при частоте звука в 7 Гц, а некоторые растворы начинали светиться при 30 Гц.
Мы ведем рассказ об открытии, которое можно назвать горячим. Исследования низкочастотной кавитации еще только начались.
Однако уже с первых дней они приносят интереснейшие результаты. Например, едва ученые увидели БДП своими глазами и убедились, что они кавитируют, как рухнула одна из самых авторитетных теорий кавитации. Считалось, что на поверхности рождающегося кавитационного пузырька возникают разноименные заряды. В определенный момент наступает электронный пробой. Отсюда - большое энерговыделение, свечение, инициирование труднейших химических реакций. Единственное условие для такого хода вещей - кавитационный пузырек должен быть... безукоризненно правильной линзообразной формы. На экране же, как мы знаем, исследователи увидели скорее какое-то фантастической формы растение.
"Досталось" не только электрической, но и другой - тепловой теории кавитации. Она гласила: в процессе быстрого сжатия и схлопывания кавитационного пузырька парогазовая смесь нагревается до тысячеградусных температур. При этом она, естественно, начинает светиться подобно нити накаливания обычной электролампочки, а плазменная температура расщепляет молекулы, инициирует самые невероятные химические реакции. Однако теперь в результате тщательнейших исследований установлено: сонолюминесценция - это такое же холодное свечение, как у мерцающих в ночи светляков.
Почти каждый новый эксперимент показывал привычную уже кавитацию с неожиданной стороны, открывал необыкновенные ее способности. Скажем, разрушительная сила высокочастотной кавитации была хорошо известна. Гладкую поверхность металлов она в считанные минуты могла превратить в шероховатую, выкрашивая довольно крупные частицы. Низкочастотная кавитация оказалась, напротив, орудием тонким, деликатным. Ей не составляло труда сгладить, отполировать самую шершавую поверхность, выкалывая лишь микроскопические частички металла.
Низкочастотная кавитация легко и быстро готовила эмульсии из несмешивающихся в обычных условиях жидкостей, дробила погруженные в жидкость гранулы твердого вещества, запускала самые энергоемкие химические реакции... Конечно, все это умеет и ультразвуковая, высокочастотная кавитация. Но чтобы создать ее, как известно, необходима особая аппаратура, генераторы. Теперь же подключай источник колебаний в сеть, какая питает домашний радиоприемник, и все полезные способности кавитации - к твоим услугам. Допустим, надо с предельной тщательностью и быстротой перемешивать вещества в химическом реакторе емкостью в несколько железнодорожных цистерн. Задача эта - самая рядовая, обычная для химической, фармацевтической, микробиологической промышленности. Традиционное решение: в качестве мешалки берут нечто вроде пропеллера или винтового шнека, изготовленные из самых дорогих, химически стойких сплавов. А можно вмонтировать в реактор несложный источник колебаний, включить его в розетку обычной сети - эффект, как свидетельствуют расчеты, будет еще лучший.
Вряд ли кто сможет сегодня предсказать разнообразные практические приложения "второго" открытия кавитации. Пока оно лишь расчищает дорогу для более глубокого понимания этого интереснейшего явления, опрокидывает барьеры, многие десятилетия стоявшие на пути исследователей. Понимание подлинного механизма кавитации, как и откуда возникают ее необычайные силы, еще впереди. А за ним, как всегда бывает в науке,- новые возможности для инженера, конструктора, технолога, которые сегодня невозможно и предвидеть.
Л. ГАЛАМАГА, инженер-физик
Рисунки А. МАТРОСОВА
Содержание статьи
КАВИТАЦИЯ, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.
Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.
Закон Бернулли.
Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством
где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.
Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.
В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.
Кавитационный коэффициент.
Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s , который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением
где p v – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.
Типы кавитации.
На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.
Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.
Кавитация и техника.
Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.
Эрозия.
Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными – от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.
Вибрация.
Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.
КПД и скорость.
Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.
Шум.
Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.
Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.