Физическое поле корабля
Содержание
Типы физических полей мирового океана
Геофизические поля мирового океана
Типы полей, которые обусловлены наличием всей массы земли:
- магнитное поле
- гравитационное поле
- электрическое поле
- поле рельефа океана
Гидрофизические поля мирового океана
Типы полей, которые обусловлены наличием водных масс океана, к которым относятся:
- поле температуры морской воды
- поле солености морской воды
- поле радиоактивности морской воды
- гидродинамическое поле
- гидроакустическое поле
- гидрооптическое поле
- поле теплового излучения поверхности океана
Основные физические поля корабля
В настоящее время современная наука выделяет более 30 различных физических полей корабля. Степень применения свойств физических полей в проектировании технических средств обнаружения, средств слежения за кораблями, а также в неконтактных системах оружия различна. Самыми главными, на данный момент, физическими полями кораблей и подводных лодок, на основании знаний о которых ведется разработка специальных приборов, считаются: акустическое, гидроакустическое, магнитное, электромагнитное, электрическое, тепловое, гидродинамическое, гравитационное.
С учетом развития различных направлений физики и приборостроения, постоянно определяются новые физические поля морских объектов, например, ведутся исследования в области оптических, радиационных физических полей.
Главной задачей, которую решают инженеры, занимающиеся изучением свойств физических полей, является поиск и обнаружен кораблей и подводных лодок противника, наведения на них боевых средств (торпед, мин, ракет и др), а также детонация их безконтактных взрывателей. Во время Второй Мировой Войны широко использовались мины с электромагнитными, акустическими, гидродинамическими и комбинированными взрывателями, а также часто применялась гидроакустическая аппаратура обнаружения подводных лодок.
Акустическое поле корабля
1 — преобразователь эхолота; 2 — пост гидроакустиков; 3 — преобразователь гидролокатора; 4 — обнаруженная мина; 5 — обнаруженная подводная лодка.
Акустическим полем корабля называется область пространства, в которой распределяются акустические волны, образованные или собственно кораблем или отражающиеся от корабля.
Движущийся корабль является источником самых разнообразных по значению и характеру акустических колебаний, совокупное действие которых создает в окружающей водной среде достаточно интенсивный подводный шум в диапазоне от инфра- до ультразвуковых частот — первичного акустическое поле корабля. Характер его излучения и распространения определяются водоизмещением, обводами (обтекаемостью формы) корпуса и скоростью хода корабля, типом главных и вспомогательных механизмов. Основным источником подводного шума являются гребные винты
Поток веды при обтекании корпуса определяет гидродинамическую составляющую акустического поля. Главные и вспомогательные механизмы корабля определяют вибрационную составляющую, гребные винти -кавитационную (кавитация на гребном винте — это образование на его быстро вращающихся лопастях в водной среде разряженных газовых полостей, последующее сжатие которых резко увеличивает шумность).
Корпус корабля способен отражать акустические волны, излученные посторонним источником. Отражаясь от корпуса, они становятся вторичным акустическим полем корабля и, могут быть зарегистрированы приемным устройством. Использование вторичного акустического поля позволяет не только определить направление на корабль, но и дистанцию до него путем замера времени прохождения сигнала (скорость звука в воде составляет 1500 м/с).
Главными направлениями уменьшения акустического поля корабля являются: снижение шума гребных винтов (подбором форм лопастей, частоты вращения винта, увеличением числа лопастей), снижение шумности механизмов и корпуса (звукоизолирующая амортизация, акустические покрытия, звукопоглощающие фундаменты).
Скорость распространения звука зависит от упругих свойств среды (в воздухе 330 м/сек, в воде 1500 м/сек, в стали около 5000 м/сек). Скорость распространения звука в воде зависит, кроме того, от ее физического состояния, увеличиваясь с повышением температуры, солености и гидростатического давления.
Движущийся корабль является мощным источником звука, создающим в воде акустическое поле большой интенсивности. Это поле называют гидроакустическим полем корабля (ГАПК).
В соответствии с классификацией рассмотренной ранее, ГАПК подразделяется на:
— первичное ГАПК (шумность), которое формируется кораблем собственным источником акустических волн;
— вторичное ГАПК (гидролакационное), которое формируется в следствии отражающихся от корабля акустических волн излучаемых посторонним источником.
Гидроакустическое поле (шумность) корабля широко используется в стационарных, корабельных и авиационных системах обнаружения и классификации, а также системах самонаведения и неконтактных взрывателях минно-торпедного оружия.
Гидроакустическое поле корабля представляет собой совокупность наложенных друг на друга полей, создаваемых различными источниками, основными из которых являются:
1. Шумы, создаваемые движителями (винтами) при их вращении. Подводный шум корабля от работ гребных винтов разделяется на следующие составляющие:
— шум вращение гребного винта,
— вихревой шум,
— шум вибрации кромок лопастей винтов («пение»),
— кавитационный шум.
2. Шумы, излучаемые корпусом корабля на ходу и на стоянке как результат его вибрации от работы механизмов.
3. Шумы, создаваемые обтеканием корпуса корабля водой при его движении.
Уровни подводного шума зависят от скорости хода корабля и от глубины погружения (для ПЛ). На скоростях хода выше критической начинается область интенсивного шумообразования.
В процессе эксплуатации корабля шумность его по ряду причин может измениться. Так увеличению шумности способствует выработка технического ресурса корабельных механизмов, что приводит к их расцентровки, расбалансировки и увеличению вибрации. Колебательная энергия механизмов вызывает вибрации корпуса, что приводит к возмущениям в забортной среде, определяющим подводный шум.
Вибрации механизмов передаются на корпус:
— через опорные связи механизмов с корпусом (фундаменты);
— через неопорные связи механизмов с корпусом (трубопроводы, водопроводы, кабели);
— через воздух в отсеках и помещениях НК.
Насосы, связанные с забортной средой, передают колебательную энергию кроме указанных путей по рабочей среде трубопровода непосредственно в воду.
Шумность корабля характеризует не только его скрытность от гидроакустических средств обнаружения и степень защиты от минно-торпедного оружия вероятного противника, но и определяет условия работы собственных гидроакустических средств обнаружения и целеуказания, создавая помехи работе этих средств.
Шумность имеет большое значение для подводных лодок (ПЛ) так как она во многом определяет их скрытность. Контроль за шумностью и ее снижение является важнейшей задачей всего личного состава корабля и особенно ПЛ.
В целях обеспечения акустической защиты корабля проводится ряд организационно-технических и тактических мероприятий.
К данным мероприятиям относятся следующие:
§ улучшение виброакустических характеристик механизмов;
§ удаление механизмов от конструкций наружного корпуса, излучающего подводный шум, путём их установки на палубы, платформы и переборки;
§ виброизоляция механизмов и систем от основного корпуса с помощью звукоизолирующих амортизаторов, гибких вставок, муфт, амортизирующих подвесок трубопроводов и специальных шумозащищающих фундаментов;
§ вибропоглащение и звукоизоляция звуковых вибраций фундаментных и корпусных конструкций, систем трубопроводов с помощью звукоизолирующих и вибродемфирующих покрытий;
§ звукоизоляция и звукопоглащение воздушного шума механизмов за счет применения покрытий, кожухов, экранов, глушителей в воздуховодах;
§ применение в системах забортной воды глушителей гидродинамического шума.
Кавитационный шум снижается выполнением следующих мероприятий:
§ применение малошумных гребных винтов;
§ применение низкооборотных винтов;
§ увеличение числа лопастей;
§ балансировка гребного винта и линии вала.
Совокупность конструктивных мероприятий и действий личного состава направленных на снижение шумности, позволяют в значительной степени снизить уровень гидроакустического поля корабля.
Тепловое (инфракрасное) поле корабля
Тепловое поле корабля возникает при излучении кораблем инфракрасных лучей. Наиболее мощными источниками излучения являются дымовые трубы и газовые факелы от корабельной энергетической установки; корпус и надстройки в районе машинного отделения; факелы огня при артиллерийской стрельбе и запуске ракет. Тепловое поле позволяет обнаружить корабль на достаточно большом расстоянии с помощью инфракрасной аппаратуры.
Снижение интенсивности теплового излучения достигается специальными конструктивными мероприятиями. К ним относится: охлаждение дымовых труб и газового факела за счет увеличения скорости истечения газов: создание кожухов вокруг дымовых труб, в которых .происходит смешение холодного окружающего воздуха с отработанными газами: предварительное охлаждение отработанных газов. На некоторых кораблях осуществляется выхлоп отработанных газов в воду.
Основными источниками теплового поля корабля (инфракрасного излучения) являются:
— поверхности надводной части корпуса, надстроек, палуб, кожухов дымовых труб;
— поверхности газоходов и газовыхлопных устройств отработавших газов;
— газовый факел;
— поверхности корабельных конструкций (мачт, антенн, палуб и т. д.), находящихся в зоне действия газового факела, газовых струй ракет и летательных аппаратов при запуске;
— бурун и кильваторный след корабля.
Обнаружение надводных кораблей и подводных лодок по их тепловому полю и выдача целеуказания оружию производится с помощью теплопеленгаторной аппаратуры. Такая аппаратура устанавливается на самолетах, спутниках, надводных кораблях и подводных лодках, береговых постах.
Тепловыми (инфракрасными) устройствами самонаведения снабжаются также различные типы ракет и торпеды. Современные тепловые устройства самонаведения обеспечивают захват целей на расстоянии до 30 км.
Наиболее эффективным способом снижения теплового поля корабля является применение технических средств тепловой защиты.
К техническим средствам тепловой защиты относятся:
§ охладители отработавших газов корабельной энергетической установки (камера смешения, внешний кожух, жалюзийные окна приёма воздуха, насадки, системы водовпрыска и т. д.);
§ теплоутилизационные контуры (ТУК) корабельной энергетической установки;
§ бортовые (надводные и подводные) и кормовые газовыхлопные устройства;
§ экраны инфракрасного излучения от внутренних и наружных поверхностей газоходов (двухслойные экраны, профильные экраны с водяным или воздушным охлаждением, экранирующие тела и т. д.);
§ система универсальной водяной защиты;
§ покрытия для корпуса и надстроек корабля, в том числе и лакокрасочные, с пониженной излучающей способностью;
§ тепловая изоляция высокотемпературных корабельных помещений.
Тепловую заметность надводного корабля можно также уменьшить применением тактических приемов. К таким приемам относятся следующие:
§ использование маскирующего воздействия тумана, дождя и снега;
§ использование в качестве фона предметов и явлений с мощным инфракрасным излучением;
§ использование носовых курсовых углов по отношению к носителю теплопеленгаторной аппаратуры.
Тепловая заметность подводных лодок уменьшается при увеличении глубины их погружения.
Гидродинамическое поле корабля
Возникновение гидродинамического поле связано с движением корабля. При этом происходит изменение гидростатического давления воды под корпусом корабля (рис. 1.3). В районе оконечностей образуются зоны повышенного давления, а в средней части по длине корпуса — область пониженного давления.
До настоящего времени эффективных средств гидродинамической защиты корабля не создано. Некоторое снижение гидродинамического поля может быть достигнуто выбором оптимального водоизмещения корабля и формы его корпуса. Тактическим приемом защиты корабля является выбор безопасной скорости хода. Безопасной является такая скорость, при которой либо величина понижения давления под кораблём не превысит установленного порога срабатывания взрывателя мины, либо время воздействия на взрыватель области пониженного давления окажется меньше, чем установлено во взрывателе.
Гидродинамическим полем корабля (ГПК) называется область пространства, прилегающая к кораблю, в которой наблюдается изменение гидростатического давления, вызываемое движением корабля.
По физической сущности ГПК это возмущение движущимся кораблем естественного гидродинамического поля Мирового океана.
Если в каждом месте Мирового океана параметры его гидродинамического поля обусловлены в наибольшей степени случайными явлениями, учесть которые заранее очень трудно, то движущийся корабль вносит не случайные, а вполне закономерные изменения в эти параметры, учесть которые можно с необходимой для практики точностью.
При движении корабля в воде частицы жидкости, расположенные на определенных расстояниях от его корпуса, приходят в состояние возмущенного движения. При движении этих частиц меняется величина гидростатического давления в месте движения корабля, образуется гидродинамическое поле корабля определенных параметров.
При движении ПЛ под водой область изменения давления распространяется на поверхность воды так же, как и на грунт. Если движение осуществляется на небольших глубинах погружения, то на поверхности воды появляется визуально хорошо заметный волновой гидродинамический след.
Таким образом, гидродинамическое поле корабля создается при его движении относительно окружающей жидкости и зависит от водоизмещения, главных размерений, формы корпуса, скорости корабля, а также от глубины моря (расстояние до днища корабля).
Гидродинамическое поле корабля (ГПК) широко используется в неконтактных гидродинамических взрывателях донных мин.
Обеспечить гидродинамическую защиту корабля любого типа или существенным образом снизить параметры ГПК с помощью конструктивных средств очень трудно. Для этого необходимо создавать сложную форму корпуса, что приведет к увеличению сопротивления движению. Поэтому решение вопроса гидродинамической защиты осуществляется в основном организационными мероприятиями.
Для обеспечения гидродинамической защиты любого корабля необходимо и достаточно, чтобы параметры его ГПК по величине не превосходили параметров настройки неконтактного гидродинамического взрывателя.
Уровни гидродинамического поля уменьшаются при уменьшении скорости корабля. Снижение скорости корабля до безопасной является основным способом защиты кораблей от гидродинамических мин.
Графики безопасных скоростей корабля и правила пользования ими даются в инструкции по выбору безопасных скоростей корабля при плавании в районах возможной постановки гидродинамических мин.
Наряду с эксплуатационными физическими полями корабля, существуют также поля зависящие практически только от физических и химических свойств материалов из которых построен корабль. К таким физическим полям корабля относятся магнитное и электрическое поле.
Электромагнитное поле корабля
Электромагнитным полем корабля называется поле переменных по времени электрических токов, создаваемых кораблем в окружающем пространство. Основными источниками электромагнитного поля корабля являются: переменные гальванические токи в цепи «гребной винт — корпус», вибрация ферромагнитных масс корпусе в магнитном поле Земли, работа корабельного электрооборудования. Электромагнитное поле имеет четко выраженный максимум в районе гребных винтов, а на расстоянии в несколько десятков метров от корпуса практически затухает.
Электромагнитная защита корабля возможна за счет выбора неметаллического материала для гребных винтов: применения для них не электропроводных покрытий, применения на валопроводе контактно-щёточных устройств, шунтирующих переменное сопротивление масляного зазора в подшипниках; поддержания сопротивления изоляции вала от корпуса в пределах установленных норм. На кораблях с немагнитными и маломагнитными корпусами основное внимание уделяется вопросам снижения электромагнитного поля элементов электрооборудования.
Магнитное поле корабля
Магнитным полем корабля называется область пространства, в пределах которой обнаруживаются изменения магнитного поля Земли, обусловленные присутствием корабля (Рис. 1.1).
Магнитное поле корабля образуется как результирующее от наложения нескольких полей: постоянного (статического) и индуктивного (динамического) намагничивания.
Постоянное намагничивание приобретается кораблем под действием земного магнитного поля, главным образом в период постройки, и зависит:
— от расположения корабля относительно направления и величины линий напряженности магнитного поля Земли в месте постройки;
— магнитных свойств материалов, из которых строится корабль (остаточная намагниченность);
— соотношения главных размерений корабля, распределения и форм железных масс на корабле;
— технологий постройки корабля (количества клепаных и сварных соединений).
Для кораблей, построенных целиком из ферромагнитных материалов, периодически осуществляется контроль уровня их магнитного поля и при превышении допустимого уровня проводится размагничивание корабля. Существует безобмоточное и обмоточное размагничивание. Первое реализуется с помощью специальных судов или на станциях безобмоточного размагничивания, второе предусматривает наличие на самом корабле стационарных обметок (кабелей) и специальных генераторов постоянного Тока, которые вместе с аппаратурой управления и контроля составляют размагничивающее устройство корабля.
Магнитным полем корабля (МПК) называется область пространства, в котором естественное магнитное поле Земли искажено из-за присутствия или движения корабля, намагниченного в поле земли.
Магнитное поле корабля (МПК) широко используется в неконтактных взрывателях минно-торпедного оружия, а также в стационарных и авиационных системах магнитометрического обнаружения ПЛ.
Причины возникновения магнитного поля корабля заключаются в следующем. Любое вещество всегда магнитно, то есть изменяет свои свойства в магнитном поле, но степень изменения свойств, для различных веществ не одинакова.
Различают слабомагнитные вещества, (например алюминий, медь, титан, вода), и сильномагнитные, (такие как железо, никель, кобальт и некоторые сплавы). Вещества, способные сильно намагничиваться, получили название ферромагнетиков.
Для количественной характеристики магнитного поля служит специальная физическая величина — напряженность магнитного поля Н.
Другой важной физической величиной, характеризующей в первую очередь магнитные свойства материала является интенсивность намагничивания I. Кроме того существуют понятия остаточного намагничивания и индуктивного намагничивания.
Остаточным намагничиванием называется постоянное намагничивание корабля, которое сохраняется на достаточно длительный промежуток времени неизменным при изменении или отсутствии МПЗ.
Индуктивным намагничиванием корабля называется величина, которая непрерывно и пропорционально изменяется при изменении МПЗ.
Корабль, корпус которого построен из ферромагнитного материала, или имеющий другие ферромагнитные массы (главные двигатели, котлы, и т. д.) находясь в магнитном поле Земли намагничивается, то есть приобретает собственное магнитное поле.
Магнитное поле корабля в основном зависит от магнитных свойств материалов, из которых построен корабль, технологии постройки, размеров и распределения ферромагнитных масс, места постройки и районов плавания, курса, качки и некоторых других факторов.
Задача снижения магнитного поля корабля может решаться двумя путями:
— применение в конструкции корпуса, оборудования и механизмов корабля маломагнитных материалов;
— проведение размагничивания корабля.
Применения маломагнитных и немагнитных материалов для создания корабельных конструкций позволяет в значительной степени снизить магнитное поле корабля. Поэтому при строительстве специальных кораблей (тральщиков, минных заградителей) широко используются такие материалы как стеклопластик, пластмассы, алюминиевые сплавы и т. д. При строительстве некоторых проектов атомных подводных лодок применяется титан и его сплавы, который наряду с высокой прочностью является маломагнитным материалом.
Однако прочность и другие механические и экономические показатели маломагнитных материалов позволяют применять их при строительстве боевых кораблей в ограниченных пределах.
Кроме того, если даже корпусные конструкции кораблей выполнять из маломагнитных материалов, то целый ряд корабельных механизмов остается выполненным из ферромагнитных металлов, которые также создают магнитное поле. Поэтому в настоящее время основным способом магнитной защиты большинства кораблей является их размагничивание.
Электрическое поле корабля
Электрическое поле корабля обусловлено электрохимическими процессами, протекающими в подводной части корпуса (рис.1.2). Обычно корпус выполняется из стали, а винты и донная арматура из бронзы или латуни, обтекатели гидроакустических станций — из нержавеющей стали, протекторы коррозии — из цинка. В результате в подводной части корабля образуются гальванические пары и морской воде, как в электролите, возникают стационарные электрические токи. Эти токи между элементами корпуса с разными электрическими потенциалами образуют электрическое поле корабля.
Уменьшение уровня электрического поля корабля достигается изоляцией корпуса от морской воды с помощью окраски или использования защитных покрытий: разрывом металлического контакта между отдельными частями корабельных конструкций при помощи электроизоляционных фланцев и Прокладок; заменой отдельных деталей корабельных систем из разнородных материалов на пластмассовые изделия, облицовкой корабельных валов электроизоляционными покрытиями.
Следующим физическим полем корабля является электрическое поле. Из курса физики известно, что если в какой-либо точке пространства появляется электрический заряд, то вокруг этого заряда возникает электрическое поле.
Электрическим полем корабля (ЭПК) называют область пространства, в которой протекают постоянные электрические токи.
Основными причинами образования электрического поля корабля являются:
1. Электрохимические процессы между деталями, изготовленными из разнородных металлов и находящимися в подводной части корабля (гребные винты и валы, рулевые устройства, донно-забортная арматура, системы протекторной и катодной защиты корпуса и т. д.).
2. Процессы, обусловленные явлением электромагнитной индукции, которые заключаются в том, что корпус корабля при своем движении пересекает силовые линии магнитного поля Земли, в результате чего в корпусе корабля и близлежащих массах воды возникают электрические токи. Аналогично такие токи появляются в корабельных винтах при их вращении в МПЗ и МПК.
3. Процессы, связанные с утечкой токов корабельного электрооборудования на корпус корабля и в воду.
Основной причиной образования ЭПК являются электрохимические процессы между разнородными металлами. Около 99 % от максимальной величины ЭПК приходится именно на электрохимические процессы. Поэтому для снижения уровня ЭПК стремятся устранить эту причину.
Электрическое поле корабля значительно превосходит естественное электрическое поле Мирового океана, что позволяет использовать его для создания неконтактного морского оружия и средств обнаружения подводных лодок.
С целью снижения электрического поля корабля проводится ряд мероприятий, основными из которых являются следующие:
— применение неметаллических материалов для изготовления корпуса и деталей, омываемых морской водой;
— подбор металлов по близости значений их электродных потенциалов для корпуса и деталей, омываемых морской водой;
— экранирование источников ЭПК;
— разъединение внутренней электрической цепи источников ЭПК;
— покрытие источников ЭПК электроизолирующими материалами.
Типы физических полей корабля
Физические поля кораблей по месту расположения источников поля подразделяют на первичные (собственные) и вторичные (вызванные).
Первичными (собственными) полями кораблей называются поля, источники которых расположены непосредственно на корабле либо в сравнительно тонком слое воды, прилегающем к его корпусу.
Вторичным (вызванным), полем корабля, называется отраженное (искаженное) поле корабля, источники которого находятся вне корабля (в пространстве, на другом корабле и т. д.).
Поля, которые создаются искусственно с помощью специальных устройств, (радио-, гидролокационных станций, оптических приборов) называются активными физическими полями.
Поля, которые создаются естественно кораблем в целом как конструктивным сооружением, называются пассивными физическими полями корабля.
По функциональной зависимости параметров физических полей от времени их можно подразделить на статические и динамические.
Статическими полями являются такие физические поля, интенсивность (уровень или мощность) источников которых остается в течении времени воздействия полей на неконтактную систему постоянной.
Динамическими (переменными во времени) физическими полями называются такие поля, интенсивность источников которых изменяется в течении времени воздействия поля на неконтактную систему.
Области применения
Физические поля корабля в настоящее время широко используются по трем направлениям:
— в неконтактных системах различных видов оружия;
— в системах обнаружения и классификации;
— в системах самонаведения.
