Superkavitacija: kelionė povandeniniame burbule

Su­per­ka­vi­ta­ci­jos tech­no­lo­gi­ja, su­kur­ta dar Šal­to­jo ka­ro įkarš­ty­je, il­gus de­šimt­me­čius dū­lė­jo mok­slo ir tech­ni­kos pro­gre­so ša­li­ke­lė­je. Ta­čiau už­mirš­ties pe­rio­das, pa­na­šu, bai­gė­si – ki­nų moks­li­nin­kai pra­ne­šė apie tik­rą trans­por­to re­vo­liu­ci­ją ga­lin­tį su­kel­ti pro­ver­žį.

Kokių tik perspektyvų mūsų metui nepiešė rašytojai fantastai! Jei pamiršime tarpžvaigždines keliones ir nusileisime ant žemės, galima prisiminti traukinius, lėktuvus ir netgi suborbitines keleivines raketas, turėjusias keleivius iš vieno Žemės pusrutulio taško į esantį priešingoje pusėje per kelias minutes.

Paskutinis stambus proveržis žemiškojo transporto srityje įvyko, ko gero, su pirmuoju viršgarsinio keleivinio lėktuvo skrydžiu – 8-ojo dešimtmečio viduryje. Ir ši technologija nepateisino lūkesčių: tiek sovietinių „Тu-144“, tiek bendro anglų ir prancūzų „Concorde“ eksploatacija ir gamyba buvo nutraukta.

Nuo tada skraidome praktiškai tokiais pat „boeingais“, važinėjam beveik tokiais pačiais traukiniais, plaukiojam mažne tais pačiais laivais. „Nežemiškojo“ transporto situacija, beje, irgi niekuo ne geresnė – Mėnulio paviršių 1969 m. pasiekęs „Apollo“ iki šiol yra žmogaus galimybių kosmose riba.

Ir tik pastaraisiais metais atsirado naujos, išties inovatyvios tendencijos: aeromobilių projektai, beprecedentė vakuuminio vamzdžio transporto „Hyperloop“ koncepcija. Privačios kosmoso kompanijos rungiasi, kuri pirmoji pasauliui pateiks efektyviausią suborbitinį keleivinį lėktuvą.

Bet nauja transporto revoliucija, gali būti susijusi su netikėta perspektyva – jūros transportu: visam laikui visuomeninio transporto veidą gali pakeisti ne skraidančios mašinos ir netgi ne vakuuminiu vamzdžiu keleivius gabenančios kapsulės, o senas geras povandeninis laivas. Karo aidas

1977-aisiais, po 17 metų tobulinimų ir bandymų, sovietinio Karinio jūrų laivyno ginkluotėje atsirado nauja greitaeigė povandeninių laivų naikinimui skirta torpeda „Škval“. Nuo bet kurios kitos torpedos – tiek tada, tiek išimtinai retais atvejais ir dabar – ji išsiskiria unikalia konstrukcija, leidžiančia išvystyti iki 500 km/h greitį (priklausomai nuo vandens tankio). Toks fantastinis rezultatas pasiektas, panaudojus vadinamąjį superkavitacijos efektą.

Kavitaciją, tiesą sakant, žino visi. Ji pasireiškia atsirandant slėgių skirtumui skysčio viduje, o būtent, kai vandens slėgis pasidaro mažesnis už sočiųjų garų slėgį. Tada vandenyje ištirpusios dujos stumia jį į išorę, taip sukurdamos dujų burbuliukus.

Kavitacija pasižymi tiek neigiamu, tiek naudingu technologiniu potencialu. Labiausiai neigiamas tas, kad grįždami į aukštesnio slėgio zoną, burbuliukai susitraukia ir sukuria miniatiūrinę smūginę bangą, galinčią pažeisti laivų sraigtų mentes – juk būtent greitai besisukančios mentys ir sukuria kavitacijos atsiradimui būtiną slėgių skirtumą. Nemalonu ir tai, kad vandenyje ištirpęs deguonis paprastai būna labiau prisotintas, nei ore, todėl atsirandančiuose kavitacijos burbuliukuose dujos būna chemiškai aktyvesnės.

Superkavitacija, arba superkavitacijos režimas, atvirkščiai, technologiškai labai perspektyvus. Superkavitacija atsiranda, kai mažesnio vandens slėgio sritis tampa santykinai didele ir vietoje mažų burbuliukų atsiranda didelė garais užpildyta kavitacijos ertmė – iš esmės, tūkstančiai susijungusių smulkesnių burbuliukų.

Torpeda „Škval“ būtent tai ir išvystydavo nepasiekiamą įprastinėms torpedoms greitį, kad po vandeniu judėjo raketos plokščios nosies kuriamos ir reaktyvinio variklio dujomis palaikomos tam tikrose ribose, kavitacinės ertmės viduje. Kadangi beveik visas „Škvalas“ (išskyrus nosį) būdavo povandeniniame dujų burbule, labai sumažėdavo vandens pasipriešinimas ir povandeninės raketos greitis smarkiai padidėdavo.

Tuo metu tai buvo absoliuti inovacija, ir iki pat antrojo tūkstantmečio pradžios niekam nepavyko nė priartėti prie „Škvalo“ užregistruotų rekordų (apie 375 km/h).

Greitaeigė povandeninė raketa „Škvalas“ iš pradžių buvo užtaisyta 150 kilotonų branduoliniu užtaisu – dėl nevaldomumo ir žemo tikslumo, nepataikymo tikimybė buvo didelė, ir pažeidimo plotą nutarta daryti kuo didesnį. Tačiau vėliau branduolinę galvutę pakeitė įprastiniu užtaisu.

Nauja pradžia

Žodžiu, nepaisant neregėto greičio, superkavitacinėms raketoms įprastų torpedų pakeisti nebuvo lemta. Reikalas tas, kad judėjimas kavitacinėje ertmėje turi rimtą apribojimą – tokią raketą paleidus, jos nebeįmanoma efektyviai pasukti.

Bet koks bandymas pakeisti kursą susijęs su staigiu greičio sumažėjimu, ir čia pasireiškia antras svarbus apribojimas – būtino dydžio superkavitacinio burbulo palaikymui reikia judėti atitinkamu greičiu, o būtent – ne lėčiau, nei 75 km/h. Be to, superkavitacinė raketa labai triukšminga, o taip demaskuojama tiek pati raketa, tiek ją paleidęs povandeninis laivas, ir jos veikimo radiusas mažas (7–13 km).

Žodžiu, superkavitacinio burbulo pagrindo torpedų technologija buvo užmesta tiek SSRS, tiek JAV. Jau po SSRS žlugimo, 1992 m. Rusija išleido eksportinę torpedos versiją, neišmoningai pavadintą „Škval - E“, ir tuo visuomenei prieinama superkavitacinių tyrimų istorija Rusijoje kol kas baigėsi.

Nors amerikiečiai superkavitacinių torpedų projekto atsisakė, 1994 m. JAV KJL vyriausybė palaimino ypatingų superkavitacinių kulkų kūrimą, kaip dalį RAMICS (Rapid Airborne Mine Clearance System) projekto, skirto jūrinių minų nukenksminimui. Superkavitacinės kulkos būdavo sudedamos į karinių sraigtasparnių kulkosvaidžių apkabas. Kulkų konstrukcija leido joms efektyviai iki 45 m gylio naikinti minas, sukeliant jų detonaciją.

Nauja kryptimi jos pradėtos vystyti Vakaruose. 2001 metais pasirodė Kalifornijos technologijų instituto studentės Victoria'os Sturgeon straipsnis apie superkavitaciją, kuriame daromos drąsios prielaidos ne apie superkavitacines raketas, o apie visaverčius superkavitacinius povandeninius laivus, kurie po vandeniu judėtų viršgarsiniu greičiu ir transatlantinę kelionę atliktų greičiau, nei per valandą. Straipsnyje taip pat keliama hipotezė apie ateities povandeninius laivus, iškeisiančius „slaptumą“ į superkavitacinio burbulo suteikiamą greitį.

2005 metais nuosavą superkavitacinę torpedą parodo Vokietija. Vokiečių kompanijos Diehl BGT Defence sukurta torpeda gali išvystyti didesnį, nei 400 km/h greitį ir galiausiai sumušė sovietinio-rusiško „Škvalo“ rekordą.

2006 metais JAV Perspektyvių gynybos tyrimų agentūra (DARPA) pradėjo Underwater Express kūrimo projektą – superkavitacinio burbulo pagrindu veikiančio nedidelio povandeninio laivo, kuriuo būtų galima greitai išvežti reikalingus žmones iš karštųjų taškų.

2009 metais DARPA atstovai paskelbė, kad yra pasirengę inovacinio povandeninio laivo bandymams, tačiau nuo to laiko apie projektą absoliučiai nieko nesigirdi – galbūt kas nors nepavyko, o gal projektą įslaptino.

Šių metų gegužę apie turimas superkavitacines torpedas pareiškė Iranas. Pasklido gandai, jog taip nutiko, Rusijai perdavus raketas „Škval“ Iranui, tačiau RF URM ministras Sergejus Lavrovas tai neigia.

Kinų proveržis

Greitai apie superkavitacija vėl prabilta – visai ne dėl DARPA ar Irano. 2014 rugpjūčio 24 d. laikraštyje South China Morning Post pasirodė straipsnis „Iš Šanchajaus į San Franciską per 100 minučių kinišku viršgarsiniu povandeniniu laivu“.

Straipsnyje buvo kinų mokslininkų iš Harbino technologijų instituto pareiškimai apie tai, kad jiems pavyko išspręsti dvi pagrindines superkavitacinio transporto problemas – valdymo ir greičio. Konkrečiau, Li Fengchen vadovaujama inžinierių grupė paskelbė sukūrusi ypatingą skystą membraną. Povandeninio laivo nosis šia membrana turi aplieti visą laivo plotą, taip sumažindama trintį ir padidindama greitį.

Mokslininkai pažymi, kad drauge su superkavitacija tai leis jiems sukurti pirmąjį valdomą transportą, po vandeniu judantį kavitaciniame burbule. Jis bus valdomas dirbtinai sukuriama membranos pasiskirstymo asimetrija.

Inžinieriai užsiminė ir apie savo technologijos įgyvendinimo problemas – pavyzdžiui, kad jų povandeninio laivo superkavitacinis variantas kol kas neturi variklio.

Dėl Li Fengcheno komandos atradimo tuoj pat užvirė diskusija. The Wired leidinio autorius Jordanas Golsonas šią idėją įvertino labai skeptiškai. Pripažindamas superkavitacinių kelionių teorines ir įgyvendinimo galimybes, ji sako, kad esančios superkavitacijos problemos pernelyg rimtos, kad jas būtų galima išspręsti „membrana“. Taip, jo žodžiais tariant, būtino 75 km/h greičio išvystymui reikia sukurti specialų variklį. Vien jau tai gali sustabdyti drąsius mokslininkų planus.

Be superkavitacinių povandeninių laivų, Li Fengchen komanda taip pat pasiūlė sukurti superkavitacijos pagrindu sukurti ypatingą plaukiojimo kostiumą. „Jei kostiumas galėtų sukurti ir išlaikyti daugybę dujų burbuliukų, smarkiai sumažėtų vandens pasipriešinimas, ir plaukiojimas žmogui taptų toks pat paprastas, kaip laisvas skrydis“, – pareiškė Li Fengchen.

Golsonas cituoja Rogerį Arndtą iš Minesotos universiteto, dirbantį superkavitacijos tyrimų skyriuje: „Tai tiesiog milžiniškas šuolis – viršgarsinio povandeninio laivo sukūrimas. Tai, ką jie (Kinijos mokslininkai– NS) demonstruoja, nesuteikia jokio supratimo apie tai, kokią technologiją jie turi iš tiesų“. Beje, ir kinų inžinieriai ir amerikiečiai mokslininkai sutaria dėl vieno: superkavitacijos projektus vykdo daug šalių, ir kiekvienos jų progresą sekti gan sudėtinga – juk šie duomenys dažnai būna tiesiog įslaptinti. Beje, ne tik Rusijoje, bet ir Kinijoje, ir JAV, kas nemažai sako apie šių tyrimų svarbą ir perspektyvumą.

Taigi, pusantros valandos kelionė superkavitaciniame burbule iš Vladivostoko į Los Andželą iš tiesų gali tapti realybe – tik neaišku, kada tai įvyks.