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.
Фото: 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 решила 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.
Источник: N+1
