Введение.

Недавно прочел статьи о ружьях для охоты на тунца, разработанныхДжеком Продановичем [1]. Там в частности отмечено, что размерырассматриваемых подводных ружей близки к максимально возможным. Ихувеличение приведет к тому, что ружьями будет очень неудобнопользоваться. Разгоняющее гарпун усилие также близко к максимальновозможному для подводных ружей с резиновым боем. Дальнейшее увеличениеколичества тяг и роликов полиспастов или того и другого вместе такжесделает ружье неудобным в обращении. В тоже время очевидно, что весьмажелательно увеличение дальности боя. Поскольку возможности конструкцииружья практически исчерпаны, следует обратить внимание на снижениегидродинамического сопротивления гарпуна при выстреле.

На основании достижений современной гидроаэродинамики можнозначительно снизить гидродинамическое сопротивление гарпуна путемсоздания вокруг него удлиненной заполненной газом полости –искусственной каверны.В 1994 году российская фирма АДВ приступила к финансированиюпрограммы исследований, целью которых было определение возможностиповышения дальности и точности боя подводного ружья посредствомсоздания вокруг гарпуна искусственной каверны. Такая каверна изолируетот контакта с водой значительную часть поверхности гарпуна привыстреле, вследствие чего происходит снижение его сопротивлениядвижению и изменение условий обтекания его хвостовой части. Эти факторыи приводят к повышению дальности и точности боя подводного ружья.Как и всегда в подобных случаях, первоначально выполнен сбор ианализ результатов выполненных на тот момент исследований близкихвопросов. Анализ этих результатов и достижения современнойгидродинамики позволили сделать вывод о перспективности работ.К настоящему времени получены результаты соответствующих расчетныхи экспериментальных исследований, позволяющие сделать вывод о высокойэффективности использования воздушных каверн для повышения дальности иточности боя различных подводных ружей. Фирмой созданы различныеэкспериментальные наконечники гарпуна подводного ружья. При испытаниях,которые проводились в естественной акватории, получено увеличениедальности боя в два раза и это не предел.Кроме того, разработан проект специального стенда для отработкиподобных наконечников и пригодного для исследования динамики гарпуновразличных подводных ружей. Спроектированы и частично изготовленыприборы для этого стенда.

Немного истории.

Кавитация, т.е. образование в жидкости заполненных паром или газомполостей — каверн, как физическое явление обнаружено и изучается сконца XIX века. Согласно Биркгофу и Сарантонелло впервые каверны,заполненные воздухом, изучались Вортингтоном около 1900 г. С ихпредположением о том, что эти работы выполнялись из чисто научногоинтереса, сложно согласиться. Тогда же появились первые подводныелодки, способные существенно повлиять на ход войны на море. Для борьбыс ними потребовалось специально для этой цели разработанное оружие.Одним из видов этого оружия стал ныряющий снаряд, предсказаниеповедения которого требовало изучения образующихся при его движении вводе каверн.Примерно в то же время были замечены каверны на лопастях гребныхвинтов некоторых быстроходных кораблей. Это обстоятельство приводило кснижению скорости хода, избежать которого было невозможно безсоответствующих знаний о кавитации.Подобно любому известному физическому явлению, применительно ккавитации определились и решаются до сих пор две задачи: исключение еевредного воздействия и ее использование для получения каких — либопреимуществ. Применительно к кавитации эти две задачи впервыепоставлены около века назад и уже получен ряд весьма интересныхтехнических решений.В настоящей статье рассказывается о разработке устройства,создающего вокруг гарпуна подводного ружья каверну. Гарпун, оснащенныйэтим устройством, должен иметь дальность боя, существенно превышающуюдальность боя традиционного гарпуна, иначе каверна не имеет смысла.Таким образом, рассматривается вторая задача: кавитацияиспользуется для увеличения дальности боя гарпуна подводного ружья. Дляэтого сопротивление движению гарпуна с каверной должно быть гораздоменьше сопротивления движению традиционного гарпуна. При созданиивокруг гарпуна удлиненной осесимметричной каверны часть его поверхностиизолируется от трения о воду, что и приводит к снижению сопротивлениядвижению. Безусловно, форма гарпуна с присоединенной каверной отличнаот формы гарпуна без каверны, что влечет соответствующее изменениесопротивления движению. Необходимо добиться таких характеристиккаверны, которые обеспечивали бы преимущество гарпуна с нею.К настоящему времени успешно используются основанные на такомпринципе устройства. Разработанный в 70-х годах прошлого века в СССРподводный автомат АПС стреляет специальными пулями, при движениикоторых под водой вокруг них создается каверна. Согласно данным журнала«Военный парад» (Январь – февраль 1994 г, стр 87) движение такой пули скаверной в воде устойчиво, а на воздухе полет такой пули нестабилизируется. Следует отметить устройства для создания снижающихсопротивление движению искусственных каверн, т.е. каверн, для созданияи поддержания которых используется подаваемый в них газ, на днищетихоходных судов и барж и глиссирующих судов. Устройством, наиболееблизким к интересующему гарпуну является торпеда «Шквал», при движениикоторой вокруг нее создается осесимметричная искусственная каверна.Скорость этой торпеды во много раз превышает скорость современныхтрадиционных торпед. Следует также заметить, что эта торпеда являетсяединственным видом оружия, где используется искусственная каверна икоторое в настоящий момент находится на вооружении. Разрабатывается жееще множество ракет и торпед, ныряющих снарядов и подводныхартустановок, использующих это явление. Пуля автомата АПС более похожана гарпун подводного ружья, но ее скорость настолько велика, что дляподдержания каверны подавать в нее газ не требуется. Подводное ружьетак сильно гарпун разогнать не может и там нужна искусственная каверна.Так получилось, что в России иногда прототипом видов охотничьегооружия служит оружие боевое. К сожалению, согласно традиции временСССР, какие – либо технические достижения, полученные ВПК, крайне редкоиспользуются в гражданских отраслях промышленности. Сейчас принято этутрадицию нарушать, но непонятно почему применительно к рассматриваемомувопросу это не сделано.

Предварительный анализ результатов ранее выполненных исследований вопроса.

Обнародованные характеристики автомата АПС, торпеды «Шквал» иприведенные в книге [1] параметры удлиненных осесимметричных каверн,полученных в кавитационных трубах, позволяют сделать два вывода.Первый о том, что создание вокруг гарпуна каверны, изолирующей оттрения о воду значительную часть его поверхности, принципиальновозможно. Второй вывод о том, что каверна должна быть искусственной.Это означает, что для создания такой каверны необходимо подавать в неегаз, расход которого подлежит определению. Что особенно важно, в книге[2] приведены данные о сопротивлении различных кавитаторов сприсоединенными кавернами.Достижения современной гидродинамики позволяют с приемлемойточностью определить сопротивление движению гарпуна без каверны, аданные о сопротивлении движению гарпуна с каверной целесообразноопределить на основании приведенных в [2] материалов. Согласно этимматериалам каверна имеет форму эллипсоида вращения, длина и диаметркоторого зависят от скорости и глубины, на которой движется гарпун иформы наконечника — кавитатора. Этот наконечник — кавитаторпредставляет собой диск, конус или параболоид, ось симметрии которогосовпадает с направлением движения.Для расчета параметров искусственных каверн в рассматриваемомслучае необходимо знать начальную скорость гарпуна при выстреле. Этаскорость определялась расчетным путем на основании данных о конструкцииружья и усилии зарядки. Для проверки точности такого расчетавыполнялась ускоренная киносъемка разгона гарпуна при выстреле, т.е.результаты этого расчета проверялись экспериментально и оказалисьприемлемыми.Последним параметром, который следует определить, является расходподаваемого в каверну газа. Книгой, содержащими информацию о величинахэтого расхода, являются [2] и [3]. К сожалению, там приведены данные,относящиеся к искусственным кавернам, имеющим меньшее желательногоотношение длины каверны к ее диаметру.В итоге, анализ всех обнаруженных материалов позволяет сделатьвывод о том, что создание осесимметричных искусственных каверн,существенно снижающих сопротивление движению гарпуна подводного ружья,в принципе возможно. Однако для уточнения расхода необходимо проведениеспециальных исследований.

Разработка экспериментальной установки и подготовка и проведение эксперимента.

Для достижения отмеченной выше цели работы было разработаноустройство, создающее вокруг гарпуна осесимметричную искусственнуюкаверну, обеспечивающую снижение сопротивления по сравнению страдиционным гарпуном. Для получения соответствующих характеристиккаверны следует определить во — первых геометрию смоченной поверхностиносика — кавитатора и во — вторых расход подаваемого в каверну газа.Эти параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечиватьснижение сопротивления в по возможности более широком диапазонескоростей, поскольку гарпун движется по инерции.Первый этап разработки наконечника представляет собой анализ иобобщение результатов выполненных ранее исследований удлиненныхосесимметричных каверн. Разумеется, наибольшего внимания заслуживаютописания экспериментальных исследований искусственных каверн.Далее на основании результатов были примерно определены значенияпараметров каверн, рассмотренных ранее, и определено соответствующееснижение сопротивления гарпуна. Эти данные использованы при подготовкеэксперимента и предварительной оценки эффективности разрабатываемогоустройства.При подготовке эксперимента параметром, информация о котором быламинимальна, был расход подаваемого в каверну газа. Посколькуэксперимент необходимо проводить, то очевидно целесообразно подобратьне только расход, но и форму кавитатора для получения максимальновозможной эффективности устройства. Для этого требуется получить формукаверны и сопротивление кавитатора, несколько отличающиеся отприведенных в упомянутых книгах. С помощью теории были рассчитаныхарактеристики каверны и геометрические характеристики кавитатора,обеспечивающие минимальное сопротивление гарпуна с каверной. Надежду науспех увеличивал полученный экспериментально применительно к другимкавернам результат, состоящий в следующем. При формировании иподдержании каверны с помощью обтекания твердого тела со специальнойгеометрией и подачи в нее газа изменение расхода в некоторых пределахпрактически не влияет на характеристики каверны и сопротивлениекавитатора. Важно, что нижняя граница этого диапазона расходов являетсяминимальным расходом, при котором каверна существует.Таким образом, целью экспериментальных исследований являлосьокончательное определение геометрических характеристик кавитатора ирасхода подаваемого в пространство позади него газа, которыеобеспечивают создание каверны вокруг гарпуна, существенно увеличивающейдальность боя подводного ружья. При подготовке эксперимента дляопределения качественной картины течения использовались расчетныеданные. На основании результатов расчетов для увеличения длины каверныпри по возможности минимальном увеличении ее диаметра был уменьшен уголпри вершине кавитатора.

Рис.1 – Схема установки.

Собственно эксперимент представлял собой стрельбу из горизонтальнорасположенного подводного ружья гарпуном, оснащенным специальнымнаконечником. Схема установки представлена на рис.1. Ружье (1)фиксировалось на специальном кронштейне (2), благодаря чему достигалосьнеизменное положение ружья относительно дна водоема при каждомвыстреле. При выстреле гарпун (5) со специальным наконечникомразгонялся, открывался клапан, и воздух из ресивера поступал впространство позади кавитатора. В результате всего этого иобразовывалась искусственная каверна вокруг гарпуна. Гарпун при помощьюлиня (4) соединялся с грузом (3), который мог передвигаться по желобу(6). При прохождении гарпуном расстояния, равного длине линя, линьнатягивался и груз начинал передвигаться по желобу. Величинаперемещения груза и характеризует кинетическую энергию гарпуна. Послеэтого производился выстрел тем же гарпуном при длине линя, превышающейдальность боя. В этом случае измерялось расстояние от ружья до лежащегона дне гарпуна. Дно было практически горизонтальным. Клапан былсконструирован таким образом, что позволял менять расход подаваемого вкаверну газа простым поворотом специального кольца. При этом менялосьпоперечное сечение каналов, по которым выходил воздух из ресивера. Прикаждом выстреле визуально фиксировалось расстояние, при прохождениикоторого из ресивера выходил воздух. Сделать это оказалось несложновопреки ожиданиям, поскольку скорость всплытия пузырьков воздуханевелика. Зная его, соотношение кинетических энергий гарпуна с кавернойи без нее , давление и объем газа в ресивере до выстрела и начальнуюскорость гарпуна при выстреле можно рассчитать соответствующий расходгаза.Для каждого кавитатора при каждом из рассматриваемых расходов газа,т.е. при каждом выстреле усилие зарядки, а значит и разгоняющее гарпунусилие при выстреле, было постоянным. Стреляя гарпуном со специальным иобычным наконечниками и сравнивая перемещения груза, мы и получалисоотношения кинетических энергий гарпунов при использовании каверны ибез нее. Варьированием кавитаторов и расходов подаваемого в кавернугаза были получены оптимальные с точки зрения силы и дальности бояпараметры геометрии кавитатора и расход подаваемого в каверну газа.
Безусловно, с помощью такой примитивной установки можно получитьтолько приближенные значения дальности боя и соотношения кинетическихэнергий гарпунов и вообще невозможно определить величину кинетическойэнергии гарпуна при прохождении им определенного расстояния привыстреле. Однако с практической точки зрения представляет интересвесьма значительное, т.е. в разы, увеличение силы и дальности боя. Длятого, чтобы это зафиксировать такая установка вполне пригодна.Используется обычное серийное подводное ружье, что позволяетпараллельно с отработкой каверны оценивать качество агрегатов и узлов исобирать информацию, необходимую для разработки серийногосуперкавитирующего гарпуна. Здесь же следует отметить возможностьиспользования установки в естественной акватории. Дополнительнымипреимуществами установки являются также ее очень низкая стоимость,низкая стоимость ее использования и то обстоятельство, что онапрактически не изнашивается и не требует источников энергии. В итогепреимущества такой установки на данном этапе разработки наконечникаочевидно компенсируют все ее недостатки.

Результаты разработки и некоторые перспективы их использования.

В итоге проведенной работы были определены геометрические параметрынаконечника и расход подаваемого в каверну газа, которые обеспечиваютдальность боя вдвое большую, чем дальность боя традиционного гарпуна.Изменение усилия зарядки позволило подобрать кавитаторы и расходы дляразличных начальных скоростей гарпуна.Во всех рассматриваемых случаях удалось достичь увеличениякинетической энергии при прохождении гарпуном 4 м примерно в 3.5 раза иувеличения дальности боя вдвое. Некоторые из полученныхэкспериментальных результатов и результаты соответствующих расчетовсвидетельствуют о том, что эфективность кавернообразующего наконечника,может быть существенно увеличена.Используемый при первоначальном эксперименте кавернообразующийнаконечник состоит из корпуса, он же ресивер с зарядным и управляемымклапанами и носика — кавитатора в носовой части. Для зарядкииспользуется специальное зарядное устройство. Оно надевается наприкрепленный к гарпуну наконечник и при зарядке ружья используется какэргономическая заряжалка и одновременно подает воздух высокого давленияв ресивер наконечника через зарядный клапан. При выстреле прикрепленныйк передней части ружья зацеп обеспечивает срабатывание управляемогоклапана в начале разгона гарпуна.К настоящему времени разработаны серийный наконечник и зарядноеустройство к нему. Наконечник невелик по размерам, прост в изготовлениии надежен в использовании. Носик — кавитатор оставлен сменным,поскольку он может быть поврежден об камни. Зарядное устройство носитсяна руке и не затрудняет плавание. Наконечник изготовлен дляпневматического ружья длиной 0.85 м и может быть использован для всехружей такой же или меньшей длины и ружей с резиновым боем длинойпримерно до 1.4 м.Использование этого наконечника применительно к названным ружьямувеличит их дальность боя вдвое. Запаса сжатого воздуха достаточно дляпримерно 25 выстрелов. Все детали наконечника и зарядного устройстванесложные и изготовлены из устойчивых к коррозии в морской водематериалов. Применительно к пневматическим ружьям длиной около 0.5 м именее соответствующий наконечник можем быть примерно на 30% меньше подлине, а запас воздуха высокого давления в зарядном устройстве можнодовести примерно до 40 — 50 выстрелов.При разработке серийного кавернообразующего наконечника и зарядногоустройства учтены несколько дополнительных моментов. Использованиеочищенного воздуха высокого давления при очень незначительной доработкезарядного устройства превращает его в миниатюрный акваланг.Минимальное давление в ресивере кавернообразующего наконечника, прикотором каверна еще образуется, достаточно велико. При таком давлении вбаллоне зарядного устройства воздуха в нем достаточно для двух — трехвдохов на глубине 10 м. В принципе возможно увеличение объема баллоназарядного устройства, но оно тогда станет некоторой помехой плаванию.Следующий этап эксперимента предполагал разовых баллончиков суглекислотой. Их носимый запас может быть существенно большим, чем на25 выстрелов, но от возможности использования зарядного устройства вкачестве миниатюрного акваланга придется отказаться. В случае «одинвыстрел – один баллончик» наконечник состоит из примерно 8-10 деталей,изготовление которых не требует высокой или даже средней квалификациирабочих. Количество газа в баллончике в 2-4 раза превышает минимальнонеобходимое.Как уже было отмечено, кавернообразующий наконечник может бытьиспользован с гарпуном практически любого ружья. Однако наиболеецелесообразным представляется его использование при охоте,предполагающей плавание на большие расстояния и при охоте на крупнуюбыстроходную рыбу в водоемах с хорошей видимостью. При плавании набольшое расстояние или при необходимости преодоления максимальногорасстояния при нырке предпочтительнее ружье меньшего размера, с нимлегче плавать. Увеличение же дальности боя, обусловленное искусственнойкаверной, создаваемой наконечником, эквивалентно увеличению длины ружьяпримерно в 2.3 раза. Зарядное устройство или патронташ с баллончиками суглекислотой, как отмечалось выше, плавания практически не затрудняют.При охоте на рыбу, скорость которой всегда существенно превышаетскорость охотника, дальность боя имеет первостепенное значение. Тамнаверняка будет использоваться ружье максимально возможной длины. Вслучае ружья с резиновым боем применение наконечника будет эквивалентноувеличению количества тяг в 3 — 4 раза.К сожалению, найденное мною описание ружья для охоты на тунца исуперружья позволяют только приближенно определить параметры,необходимые для расчета кавернообразующих наконечников для них. Однакополученной информации достаточно для вывода о целесообразностиразработки кавернообразующих наконечников. Использование такогонаконечника позволит увеличить дальность и точность боя либоиспользовать ружье меньшей длины и веса при сохранении дальности боя.В заключении следует заметить, что на представленных в приложениифотографиях изображены наконечники, которые использовались приэкспериментах. Строго говоря, они создавались для соответствующихисследований, а не для охоты. Использование современных технологий иматериалов безусловно позволит создать более эффективные, эргономичныеи безопасные наконечники.1. Jack Prodanovich»s «Rollerguns»
An educational demonstration of design development
author — John Warren, 2/20/2001 (edited 12/16/02). http://rocknfish.com/Rollergun.html
Supergun, an Experimental Speargun
http://rocknfish.com/Vintage.html
Jack»s «Tuna Gun»
The Lapped, Tandem-Sling, Tuna Speargun of Jack Prodanovich
author — John Warren,1/25/2000 http://rocknfish.com/Jack%27s_Tuna_Gun.html

2. CAVITATION
Robert T. Knapp James W. Daily Frederick G. Hammit
McGRAW-HILL BOOK COMPANY 1970

3. А.Д. Перник. Проблемы кавитации.

4. С.И. Девнин. Сопротивление плохообтекаемых тел.

Приложение

Гарпун, наконечник и ружье.

Гарпун уже далеко

Момент испытаний. В этом опытовом бассейне ЦНИИ им. Крылова ужесняли почти все оборудование, но для такого простого эксперимента онеще годился.

Сергей Чалов,
Личная страничка http://armourer.sitecity.ru

Ответить

Обязательные поля отмечены *

Помощь сайту
Счетчики
Карта сайта: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39

© 2008-2012 вГлубине.ру. При заимстовании материалов с сайта прямая гиперссылка на http://vglubine.ru обязательна. По всем вопросам обращайтесь на info@vglubine.ru или по телефону в Санкт-Петербурге (812) 715-71-01.