Twoja wyszukiwarka

MARCIN JÓZWIAK
PODWODNE BŁYSKAWICE
Wiedza i Życie nr 7/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 7/2001

Torpedy poruszające sięz prędkością dźwięku, podwodne hydroloty pokonujące międzykontynentalne trasy prawie tak szybko jak samoloty. Ta wizja jest coraz bardziej realna, a wszystko to za sprawą zjawiska kawitacji.

Kiedy w roku 1947 Chuck Yeager, amerykański pilot samolotu doświadczalnego X-1 Bell, przekroczył barierę dźwięku rozpoczęła się nowa era w lotnictwie. Pół wieku później, 24 lipca 1997 roku, w Navy Wire Service, internetowym serwisie Biura Informacji Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, w lakonicznej notatce poinformowano, że naukowcy z oddziału Naval Undersea Warfare Centre w Newport R. I. ustanowili rekord prędkości pocisku pod wodą: około 1500m/s. Uzyskanie tak niewiarygodnej prędkości było możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska superkawitacji. Tym samym nastała nowa era w hydrodynamice. Jednak poza jednym płomiennym artykułem w brytyjskim tygodniku New Scientist1 oraz komentarzami w biuletynach i wydawnictwach fachowych ta informacja przeszła prawie bez echa.

W połowie sierpnia 2000 roku, kiedy zatonął uczestniczący w manewrach na Morzu Barentsa rosyjski podwodny okręt atomowy Kursk, w mediach spekulowano na temat przyczyn katastrofy. Pojawiła się wówczas hipoteza, że w czasie manewrów testowano nowy typ torpedy, która eksplodując w czasie odpalenia, spowodowała detonację kolejnych torped na pokładzie i w rezultacie katastrofę. Co prawda teoria ta na razie nie znalazła potwierdzenia, ale przy tej okazji zrobiło się głośno o torpedzie Szkwał. Ten rozgłos powiększyła jeszcze afera szpiegowska, w której główną rolę grał amerykański biznesmen Edmond Pope. Został on aresztowany w Moskwie za próbę kupienia planów superszybkiej torpedy. Opinia publiczna dowiedziała się wtedy, że ta torpeda może poruszać się pod wodą z prędkością 140 m/s.

Zmora czy sprzymierzeniec

W jaki sposób obiekt podwodny osiąga takie prędkości? Co z odwiecznym wrogiem ruchu - oporem hydrodynamicznym? Dlaczego zwykły pocisk może pokonać w wodzie zaledwie kilka metrów, zaś pocisk kawitacyjny lub superkawitacyjny wielokrotnie większą odległość i w dodatku z tak wielką prędkością? Na czym polega różnica między nimi?

Każdy obiekt poruszający się w ośrodku materialnym napotyka opór. Jest on tym większy, im większa jest gęstość i lepkość otaczającego ośrodka. Oto powód, dla którego pocisk wystrzelony z tą samą prędkością pokona w powietrzu niewspółmiernie większą drogę niż w wodzie. Jednym ze źródeł oporu jest tarcie powierzchniowe. Przy małych prędkościach w szczególnych okolicznościach możemy mieć do czynienia z tak zwanym przepływem laminarnym, czyli uwarstwionym, w którym opór powierzchniowy zależy bezpośrednio od lepkości cieczy. Zazwyczaj mamy jednak do czynienia z przepływami turbulencyjnymi, czyli burzliwymi, w których nie obserwuje się już uwarstwienia prędkości cieczy poruszającej się w pobliżu styku z powierzchnią ciała. Powstają natomiast różnego rodzaju zawirowania. Ruch cieczy staje się chaotyczny. Siłę przeciwdziałającą ruchowi w takich warunkach nazywamy oporem turbulencyjnym, a obszar jego oddziaływania warstwą graniczną. Siła potrzebna do przezwyciężenia powstającego wówczas oporu hydrodynamicznego jest proporcjonalna do sześcianu prędkości, z jaką porusza się obiekt. W związku z tym inżynierowie stwierdzili, że dalsze doskonalenie technologii tradycyjnego napędu mija się z celem, gdyż ta bariera wydawała się nie do pokonania. Czy rzeczywiście? Michaił Mierkułow z Instytutu Hydrodynamiki w Kijowie we wczesnych latach sześćdziesiątych uświadomił sobie, że rozwiązania problemu oporu wody należy szukać w zjawisku zwanym kawitacją. Była to jak na owe czasy śmiała idea, ponieważ ludzie morza zawsze traktowali kawitację bardziej jako zmorę niż potencjalnego sprzymierzeńca.

Przeciętnemu człowiekowi kawitacja może kojarzyć się z "muzyką" rur wodociągowych lub centralnego ogrzewania zakłócającą spokój w mieszkaniach. Pojawia się ona tam, gdzie występują lokalne opory przepływu, w zwężeniach rur, kranach lub w starych instalacjach ze złogami kamienia. Jednak największe problemy kawitacja stwarza w urządzeniach mechanicznych pracujących w wodzie, takich jak pompy, turbiny i śruby napędowe. Powstające w przypadku zjawiska kawitacji bąble gazu (para wodna) mogą zniekształcać linie przepływu, co zmniejsza wydajność urządzeń. Lokalne fale uderzeniowe i wibracje mogą uszkadzać urządzenia oraz powodować erozję powierzchni wirników czy łopatek. Określenie "zmora" wydaje się jak najbardziej odpowiednie. W jaki sposób kawitacja może więc ułatwić torpedzie ruch w wodzie?

Bąbel załatwia sprawę

Przy dużych prędkościach i odpowiedniej krzywiźnie nosa torpedy linie przepływu wody w okolicy jej czubka mogą ulec gwałtownemu odchyleniu od pozostałej części pocisku. Wskutek nagłego spadku ciśnienia woda natychmiast paruje, wytwarzając jednolitą szczelinę bąbel wokół torpedy, która jest wypełniona rozrzedzoną parą wodną. Właśnie to zjawisko określa się mianem superkawitacji. Żeby mogło ono w ogóle wystąpić, torpeda powinna jednak poruszać się z prędkością co najmniej 50 m/s - kilkakrotnie szybciej niż zwykłe podwodne obiekty. Bardzo ważny jest przy tym kształt jej nosa. Powinien on być bardziej płaski niż opływowy. To powoduje, że przy dużych prędkościach ciecz jest zmuszana do opływania torpedy z taką prędkością i pod takim kątem, że woda nie może się już zetknąć z jej powierzchnią.

Samo zjawisko superkawitacji ma skomplikowaną naturę i jeszcze nie zostało dokładnie poznane przez mechaników cieczy, ale to dzięki niemu osiąganie wielkich prędkości pod wodą stało się możliwe.

Który z dowódców podwodnego okrętu nie chciałby mieć broni pozostawiającej torpedy przeciwnika "w blokach startowych" i niszczącej wrogi obiekt, zanim jego załoga zdąży w ogóle zareagować? Taka torpeda to już rzeczywistość.

W latach sześćdziesiątych, w czasach wyścigu zbrojeń, Związek Radziecki wykorzystywał względnie wolne, tradycyjne torpedy, nie odbiegające od standardów z tamtego okresu. Jednak zamiast udoskonalać tradycyjną technologię, Rosjanie zdecydowali się wykorzystać superkawitację do skonstruowania szybkiej torpedy. Problemem był napęd. Ponieważ w takiej torpedzie tylko jej nos styka się z wodą, zastosowanie konwencjonalnego napędu śrubowego nie wchodziło w rachubę. Jedynym możliwym rozwiązaniem był silnik rakietowy.

Chociaż sam pomysł jest prosty, jego realizacja stwarzała poważne trudności. W szczególności pojawiły się problemy ze znalezieniem wystarczająco mocnego materiału, który wytrzymałby naprężenia w obszarze nosa torpedy, poddawanego potężnym ciśnieniom. Także przy możliwych do osiągnięcia prędkościach szczelina kawitacyjna mogłaby nie obejmować całej torpedy. Zaprojektowano ją więc tak, aby powstawała sztuczna szczelina gazowa, wentylowana przez część gazów odlotowych z silnika rakietowego. W rezultacie prawie cała torpeda nie miała kontaktu z wodą, co jeszcze bardziej zmniejszało opory ruchu. Prace nad prototypem prowadzono w latach osiemdziesiątych w Moskiewskim Instytucie Lotnictwa im. Sergo Ordżonikidze. Prawdopodobnie w 1994 roku Rosjanie wyprodukowali pierwszą torpedę superkawitacyjną Szkwał. Mówi się, że może ona osiągać prędkość około 140 m/s. Ma kształt cygara o długości ponad 8 m i średnicę ponad 0.5 m. Może atakować cele z maksymalnej odległości 12 km, zanurzone do 400 m. Jest katapultowana z wyrzutni, najprawdopodobniej za pomocą strumienia sprężonego gazu, z prędkością wystarczającą do wytworzenia szczeliny kawitacyjnej.

Podstawowym problemem jest sterowanie taką torpedą. Wykorzystanie płetw czy sterów nie jest możliwe, gdyż powoduje powstawanie dodatkowych oporów. Z kolei sterowanie wektorem ciągu może doprowadzić do destabilizacji szczeliny kawitacyjnej i w efekcie spowodować zniszczenie torpedy.

Rosjanie zastosowali rozwiązanie najprostsze i zarazem najbardziej niezawodne: Szkwałem nie można sterować. Ma on jednak urządzenia stabilizujące ruch, co umożliwia jego poruszanie się w linii prostej. Jednak po odpaleniu kierunek ruchu torpedy pozostaje poza kontrolą. Zważywszy ogromną prędkość, z jaką się ona porusza, nie jest to problem: okręt zaatakowany z odległości 1500 m praktycznie nie ma możliwości wykonania uniku.

Odpowiedź Wuja Sama

We wczesnych latach dziewięćdziesiątych Stany Zjednoczone stworzyły własny program badawczy nad kawitacją. Na początku skoncentrowano się na wystrzeliwaniu podwodnych pocisków, które same nie miały napędu. Konwencjonalne pociski wystrzeliwane do wody mogą pokonywać w niej kilka, może kilkanaście metrów. Ale pociski superkawitacyjne powinny poradzić sobie z oporem wody. Amerykanie udowodnili to w 1997 roku, ogłaszając, że ich pocisk przekroczył prędkość dźwięku w wodzie. Co prawda nie mający własnego napędu pocisk zwalniał gwałtownie, ale prędkość wciąż była wystarczająco duża, aby wystąpiło zjawisko superkawitacji.

Nawet bez tak zawrotnych prędkości pociski superkawitacyjne mogą okazać się przydatne, np. do niszczenia min morskich. Strzelano by nimi z helikoptera. Zwykłe pociski nie nadają się do tego ze względu na zbyt mały zasięg pod wodą. Dlatego naukowcy próbują wokół nich "nadmuchiwać bąble".

Superkawitacyjne torpedy i pociski są już faktem. Czy można wyobrazić sobie, że kiedyś skonstruujemy również takie okręty podwodne lub hydroloty? Naukowcy wojskowi niechętnie dyskutują na ten temat. Przeważają opinie, że technikę tę można wykorzystać w pojazdach załogowych. Oczywiście pojawi się mnóstwo przeszkód, takich jak konieczność skonstruowania napędu o dużej mocy i małych rozmiarach, ale nie są to przeszkody nie do przezwyciężenia.

Rakiety napędzane sproszkowanym glinem to jedna z propozycji rozwiązania problemu napędu. Używałyby one wody jako utleniacza, co nie wymagałoby zbiorników na tlen. Problem jednak tkwi w samym spalaniu aluminium. Pokrywa się ono bowiem bardzo szybko ochronną warstwą tlenku, co bardzo spowalnia lub wręcz uniemożliwia spalanie. Żeby tego uniknąć, sproszkowany glin mógłby być wstrzykiwany bezpośrednio w wir wodny, który podtrzymywałby palące się, stopione kropelki metalu.

Tego typu napęd miałby sens jedynie na krótkich dystansach. A co z podróżami na duże odległości? Do tego prawdopodobnie lepszy byłby napęd nuklearny, w którym mały reaktor stanowiłby dostateczne źródło mocy. Odrębnym, wcale nie mniejszym problemem będzie zapewnienie możliwości sterowania takimi okrętami. Naukowcy pracują nad tym, m.in. w Instytucie Termofizyki, w oddziale Rosyjskiej Akademii Nauk w Nowosybirsku, ale na razie nie chcą ujawniać szczegółów.

1"Faster than a speeding bullet", New Scientist z 22 lipca 2000 roku.

Czytelnikom zainteresowanym torpedami kawitacyjnymi polecamy artykuł pt. "Podwodny ślizg", opublikowany w Świecie Nauki nr 7/2001.