ΥΠΟΒΡΥΧΙΑ ΠΟΥ ΚΙΝΟΥΝΤΑΙ ΜΕ 200 ΧΙΛΙΟΜΕΤΡΑ ΤΗΝ ΩΡΑ; Η εντυπωσιακή φυσική της υπερσπηλαίωσης Θα μπορούσε ένα υποβρύχιο να κινηθεί κάτω από το νερό με 200 χιλιόμετρα την ώρα; Η απάντηση είναι ότι η...

Original Post

Πλήρες Κείμενο:

Δεν έχει όμως επιτευχθεί από ένα κανονικό, επανδρωμένο και πλήρως επιχειρησιακό υποβρύχιο.

Το μυστικό βρίσκεται σε ένα εντυπωσιακό υδροδυναμικό φαινόμενο: την υπερσπηλαίωση.

Το μεγάλο εμπόδιο: η αντίσταση του νερού Το νερό έχει περίπου 800 φορές μεγαλύτερη πυκνότητα από τον αέρα.

Έτσι, ένα σώμα που κινείται γρήγορα μέσα στο νερό αντιμετωπίζει τεράστια υδροδυναμική αντίσταση.

Η δύναμη αντίστασης προσεγγίζεται από τη σχέση: F = ½ ρ C A v² όπου ρ είναι η πυκνότητα του νερού, C ο συντελεστής αντίστασης, A η μετωπική επιφάνεια και v η ταχύτητα.

Η αντίσταση αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας.

Εάν ένα υποβρύχιο αυξήσει την ταχύτητά του από 50 σε 200 χιλιόμετρα την ώρα, δηλαδή την τετραπλασιάσει, η αντίσταση γίνεται περίπου: 4² = 16 φορές μεγαλύτερη.

Η απαιτούμενη ισχύς είναι: P = Fv και επομένως αυξάνεται περίπου με τον κύβο της ταχύτητας.

Στο προηγούμενο παράδειγμα γίνεται: 4³ = 64 φορές μεγαλύτερη.

Στα 200 χιλιόμετρα την ώρα, δηλαδή στα 55,6 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, η δυναμική πίεση του νερού είναι περίπου: q = ½ ρv² ≈ 1,55 εκατομμύρια Pa ή περίπου 15,5 bar.

Το πρόβλημα λοιπόν δεν είναι απλώς να κατασκευαστεί ένας ισχυρότερος κινητήρας.

Πρέπει να μειωθεί δραστικά η επαφή του οχήματος με το νερό.

Τι είναι η σπηλαίωση; Όταν το νερό ρέει πολύ γρήγορα γύρω από ένα σώμα, η τοπική του πίεση μπορεί να πέσει κάτω από την πίεση ατμών του.

Τότε ένα μικρό μέρος του νερού μετατρέπεται σε ατμό και δημιουργούνται φυσαλίδες.

Αυτό είναι το φαινόμενο της σπηλαίωσης.

Όταν οι φυσαλίδες μετακινηθούν σε περιοχή υψηλότερης πίεσης, καταρρέουν απότομα.

Η κατάρρευσή τους δημιουργεί μικροσκοπικούς πίδακες, κρουστικά κύματα, θόρυβο και διάβρωση.

Για τον λόγο αυτό η συνηθισμένη σπηλαίωση είναι ανεπιθύμητη σε έλικες, αντλίες και υδροστροβίλους.

Στην υπερσπηλαίωση, όμως, οι μηχανικοί δεν προσπαθούν να εξαφανίσουν τη σπηλαίωση.

Προσπαθούν να τη μεγαλώσουν και να την ελέγξουν.

Μια τεράστια κοιλότητα ατμού ή αερίου δημιουργείται γύρω από σχεδόν ολόκληρο το όχημα.

Έτσι, το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειάς του δεν έρχεται πλέον σε άμεση επαφή με το νερό αλλά με αέριο πολύ μικρότερης πυκνότητας.

Η αντίσταση τριβής μειώνεται θεαματικά.

Πώς δημιουργείται η υπερκοιλότητα; Στη μύτη του οχήματος τοποθετείται ένας ειδικός σχηματισμός που ονομάζεται cavitator ή δημιουργός κοιλότητας.

Συνήθως έχει τη μορφή δίσκου ή κώνου.

Ο cavitator εκτρέπει βίαια το νερό και δημιουργεί πίσω του μια περιοχή πολύ χαμηλής πίεσης.

Εάν η ταχύτητα είναι αρκετά μεγάλη, σχηματίζεται μια μακριά κοιλότητα ατμού που περιβάλλει το όχημα.

Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι: Φυσική υπερσπηλαίωση, κατά την οποία η κοιλότητα δημιουργείται κυρίως από την πτώση της πίεσης λόγω της μεγάλης ταχύτητας.

Αεριζόμενη υπερσπηλαίωση, κατά την οποία διοχετεύεται επιπλέον αέριο πίσω από τον cavitator.

Με τον τρόπο αυτό η κοιλότητα μπορεί να σχηματιστεί σε μικρότερες ταχύτητες ή σε μεγαλύτερα βάθη.

Ο αριθμός σπηλαίωσης Η δυνατότητα σχηματισμού της κοιλότητας περιγράφεται από τον αδιάστατο αριθμό σπηλαίωσης: σ = (p∞ − pc) / (½ρv²) όπου p∞ είναι η πίεση του νερού μακριά από το όχημα και pc η πίεση μέσα στην κοιλότητα.

Όσο μικρότερος είναι ο αριθμός σ, τόσο ευκολότερα σχηματίζεται μεγάλη κοιλότητα.

Η αύξηση της ταχύτητας μειώνει τον αριθμό σ και ευνοεί την υπερσπηλαίωση.

Αντίθετα, η αύξηση του βάθους αυξάνει την εξωτερική πίεση και δυσκολεύει τη διατήρηση της κοιλότητας.

Για παράδειγμα, στα 200 χιλιόμετρα την ώρα η δυναμική πίεση είναι περίπου 15,5 bar.

Σε βάθος 10 μέτρων η υδροστατική πίεση είναι σχετικά μικρή και η φυσική δημιουργία μεγάλης κοιλότητας είναι ευκολότερη.

Σε βάθος 100 ή 300 μέτρων απαιτείται πολύ περισσότερη διοχέτευση αερίου και ενέργεια.

Η τορπίλη Shkval Το γνωστότερο παράδειγμα είναι η σοβιετική τορπίλη VA-111 Shkval.

Η δημόσια τεχνική βιβλιογραφία της αποδίδει ταχύτητα περίπου 200 κόμβων, δηλαδή περίπου: 200 κόμβοι ≈ 370 χιλιόμετρα την ώρα. Η Shkval χρησιμοποιεί υπερσπηλαίωση και πυραυλοκινητήρα.

Με άλλα λόγια, δεν κινείται όπως μια συμβατική τορπίλη με έλικα.

Επιταχύνεται έντονα, δημιουργεί μια υπερκοιλότητα γύρω από το σώμα της και προωθείται μέσα σε αυτή με πυραυλική ώση.

Οι ακριβείς επιχειρησιακές επιδόσεις στρατιωτικών συστημάτων παραμένουν, φυσικά, δύσκολο να επαληθευτούν ανεξάρτητα.

Τα 200 χιλιόμετρα την ώρα αντιστοιχούν σε περίπου 108 κόμβους.

Επομένως, δεν αποτελούν ακραίο θεωρητικό όριο για ένα μικρό υπερσπηλαιούμενο όχημα.

Είναι όμως τεράστια ταχύτητα για ένα κανονικό υποβρύχιο.

Γιατί δεν έχουμε επανδρωμένα υποβρύχια τέτοιας ταχύτητας; Το πρώτο πρόβλημα είναι η πρόωση.

Μια συμβατική έλικα πρέπει να βρίσκεται μέσα στο νερό για να λειτουργεί.

Εάν το όχημα περιβάλλεται από αέριο, απαιτείται πυραυλοκινητήρας, υδροαντιδραστικός κινητήρας ή κάποια άλλη μορφή πρόωσης που δεν εξαρτάται από μια κανονική έλικα.

Το δεύτερο πρόβλημα είναι η ευστάθεια.

Μέσα στην κοιλότητα το κύριο σώμα δεν δέχεται τις συνηθισμένες υδροδυναμικές δυνάμεις.

Η άνωση μειώνεται και το όχημα μπορεί να ταλαντωθεί ή να χτυπήσει με το πίσω τμήμα του το τοίχωμα της κοιλότητας.

Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται συχνά tail slap και μπορεί να δημιουργήσει πολύ μεγάλα στιγμιαία φορτία.

Το τρίτο πρόβλημα είναι η στροφή.

Για να αλλάξει κατεύθυνση, κάποια πτερύγια πρέπει να βγουν έξω από την αέρια κοιλότητα και να αγγίξουν το νερό.

Στα 200 ή 300 χιλιόμετρα την ώρα, ακόμη και ένα μικρό πτερύγιο δέχεται τεράστιες δυνάμεις.

Μπορεί επίσης να διαταράξει ή να καταστρέψει ολόκληρη την υπερκοιλότητα.

Το τέταρτο πρόβλημα είναι η πλοήγηση.

Η κοιλότητα αερίου, οι φυσαλίδες, ο πυραυλοκινητήρας και οι ταλαντώσεις δημιουργούν έντονο υδροδυναμικό και ακουστικό θόρυβο.

Αυτό δυσκολεύει σημαντικά τη χρήση sonar και καθιστά το όχημα εύκολα ανιχνεύσιμο.

Αριθμητικές μελέτες δείχνουν ότι η παλμική κίνηση και η κατάρρευση των φυσαλίδων παράγουν χαρακτηριστικό θόρυβο σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων.

Το πέμπτο πρόβλημα είναι η αυτονομία.

Ένας πυραυλοκινητήρας μπορεί να προσφέρει τεράστια ώση, αλλά καταναλώνει γρήγορα καύσιμο.

Μια τορπίλη χρειάζεται να διατηρήσει την ταχύτητα μόνο για μικρό χρονικό διάστημα.

Ένα επανδρωμένο υποβρύχιο πρέπει να ταξιδεύει για εκατοντάδες ή χιλιάδες χιλιόμετρα, να στρίβει, να επιβραδύνει και να εκτελεί αποστολές με ασφάλεια.

Το έκτο πρόβλημα είναι η μετάβαση.

Το όχημα πρέπει να ξεκινήσει ως συμβατικό υποβρύχιο, να επιταχύνει, να σχηματίσει σταθερή κοιλότητα και στη συνέχεια να επιβραδύνει χωρίς η κοιλότητα να καταρρεύσει βίαια επάνω στο κέλυφός του.

Υποβρύχιο ή υποβρύχιος πύραυλος; Ένα υπερσπηλαιούμενο όχημα υψηλής ταχύτητας μοιάζει περισσότερο με κατευθυνόμενο υποβρύχιο πύραυλο παρά με παραδοσιακό υποβρύχιο.

Το σχήμα του πρέπει να είναι λεπτό και σχεδόν αξονοσυμμετρικό.

Η διαθέσιμη εσωτερική χωρητικότητα είναι περιορισμένη.

Οι μεγάλες στροφές είναι δύσκολες, η ακουστική παρατήρηση προβληματική και η κατανάλωση καυσίμου πολύ υψηλή.

Όσο μεγαλώνει το όχημα, τόσο δυσκολότερο γίνεται να διατηρηθεί μια ενιαία, σταθερή υπερκοιλότητα γύρω από ολόκληρο το σώμα.

Η τεχνολογία επομένως κλιμακώνεται πολύ δυσκολότερα από μια τορπίλη μήκους λίγων μέτρων σε ένα επανδρωμένο υποβρύχιο δεκάδων ή εκατοντάδων μέτρων.

Θα υπάρξουν στο μέλλον; Μικρά μη επανδρωμένα υπερσπηλαιούμενα οχήματα είναι πολύ πιο ρεαλιστικά από ένα μεγάλο επανδρωμένο υποβρύχιο.

Θα μπορούσαν να χρησιμοποιούνται για σύντομες διαδρομές υψηλής ταχύτητας, αναχαίτιση, μεταφορά αισθητήρων ή στρατιωτικές αποστολές.

Ένα κανονικό υποβρύχιο που θα ταξιδεύει επί ώρες με 200 χιλιόμετρα την ώρα, θα στρίβει ελεύθερα, θα χρησιμοποιεί sonar και θα μεταφέρει πλήρωμα δεν έχει ακόμη παρουσιαστεί δημόσια ως επιχειρησιακό σύστημα.

Η φυσική δεν το απαγορεύει.

Η μηχανική όμως επιβάλλει τεράστιο τίμημα σε ισχύ, θόρυβο, αυτονομία, έλεγχο και ασφάλεια. Συμπέρασμα Ναι, ένα υποβρύχιο όχημα μπορεί να ξεπεράσει τα 200 χιλιόμετρα την ώρα.

Για να το πετύχει, όμως, πρέπει ουσιαστικά να σταματήσει να «κολυμπά» μέσα στο νερό και να κινηθεί μέσα σε μια τεχνητή κοιλότητα ατμού και αερίου.

Η υπερσπηλαίωση μετατρέπει το νερό από αξεπέραστο εμπόδιο σε λεπτό περίβλημα γύρω από μια φυσαλίδα.

Δεν δημιουργεί κίνηση χωρίς αντίσταση, ούτε καταργεί τους νόμους της υδροδυναμικής.

Μεταφέρει απλώς το πρόβλημα από την τριβή του κύτους στη δημιουργία, σταθεροποίηση και καθοδήγηση μιας ασταθούς κοιλότητας αερίου.

Και αυτή ακριβώς είναι η μεγάλη πρόκληση: δεν αρκεί να δημιουργήσεις τη φυσαλίδα.

Πρέπει να καταφέρεις να οδηγήσεις το όχημα μέσα της. Βιβλιογραφία Kim, M.-J. et al. (2021), ‘Cavitator Design for Straight-Running Supercavitating Torpedoes’, Applied Sciences, 11, 6247. doi:10.3390/app11146247. Yang, D., Xiong, Y.L. and Guo, X.F. (2017), ‘Drag Reduction of a Rapid Vehicle in Supercavitating Flow’, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 9, pp. 35–44. doi:10.1016/j.ijnaoe.2016.07.003. Ye, J. et al. (2023), ‘A Numerical Investigation of Supercavitation Vehicle’s Hydrodynamic Noise’, Journal of Marine Science and Engineering, 11, 1004. doi:10.3390/jmse11051004.

University of Minnesota, St Anthony Falls Laboratory, ‘Ventilated Supercavitation’, Cavitation and Bubbly Flows Research Group. Friedman, N. (2006), The Naval Institute Guide to World Naval Weapon Systems, Naval Institute Press.

Η επιλογή των posts/links γίνεται με ένα στατιστικό μοντέλο και μπορεί να μην απεικονίζει επακριβώς τη σειρά δημοτικότητάς τους