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.
Акустическое поле корабля - область пространства, в которой распределяются акустические волны, образованные самим кораблем или отражающиеся от поверхности его корпуса.
Любой корабль, находящийся в движении, служит излучателем самых разнообразных по значению и характеру акустических колебаний, комплексное действие которых на окружающую водную среду создает достаточно интенсивный подводный шум в диапазоне от инфра- до ультразвуковых частот. Данное явление еще называют первичным акустическим полем корабля. Характер излучения первичного поля и его распространения определяются, как правило следующими параметрами корабля: водоизмещением, обводами (обтекаемостью формы) корпуса и скоростью хода корабля, типом главных и вспомогательных механизмов.
Поток воды при обхождении корпуса корабля 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).
В итоге, первичное гидроакустическое поле корабля(ГАПК) представляет собой совокупность наложенных друг на друга полей, создаваемых различными источниками, основные 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.
Уровень подводного шума зависит еще от скорости хода корабля, а также от глубины погружения (для ПЛ). Если корабль движется со скоростью выше критической. то в этом случае начинается процесс интенсивного шумообразования.
В процессе эксплуатации корабля, по мере износа основных узлов, шумность его может меняться. При выработке технического ресурса корабельных механизмов, происходит их расцентровка, расбалансировка и увеличение вибрации. Колебательная энергия изношенных механизмов провоцирует. в свою очередь, вибрации корпуса, что приводит к возмущениям в прилегающей водной поверхности.
Вибрации механизмов передаются на корпус в основном через: опорные связи механизмов с корпусом (фундаменты); неопорные связи механизмов с корпусом (трубопроводы, водопроводы, кабели); через воздух в отсеках и помещениях НК.
Корпус корабля, сам по себе, способен отражать акустические волны, которые излучает какой-либо другой источник. Это излучение при отражении от корпуса, превращается во вторичное акустическое поле корабля и, может быть обнаружено приемным устройством. Использование вторичного акустического поля позволяет не только определить направление нахождения корабля, но также позволяет вычислить дистанцию до него путем замера времени прохождения сигнала (скорость звука в воде составляет 1500 м/с). Дополнительно на скорость распространения звука в воде влияет ее физическое состояние(соленость, которая повышается с увеличением температуры, и гидростатическое давление).
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).
Шумность корабля влияет не только на его скрытность от различных средств обнаружения и степень защищенности от минно-торпедного вооружения вероятного противника, но также и влияет на условия работы собственных гидроакустических средств обнаружения и целеуказания, создавая помехи в работе этих приборов.
Шумность имеет колоссальное значение для незаметности подводных лодок (ПЛ) так как именно она во многом определяет этот параметр выживания. По этому на подводных лодках контроль за шумностью и ее снижение - одна из главных задач всего личного состава.
Основные мероприятиям обеспечения акустической защиты корабля:
- 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.
Отдельно кавитационный шум понижается за счет следующих работ:
- использование малошумных гребных винтов;
- использование низкооборотных винтов;
- повышение числа лопастей;
- балансировка гребного винта и линии вала.
Совокупность инженерных разработок, а также соответствующих действий личного состава, позволяют серьезно снизить уровень гидроакустического поля корабля.
Тепловое (инфракрасное) поле корабля
Тепловое поле - поле, которое появляется при излучении кораблем инфракрасных лучей. Самыми мощными источниками излучения тепловых полей 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. При использовании инфракрасной аппаратуры тепловое поле позволяет обнаружить корабль на достаточно большом расстоянии.
Главными 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 специальной теплопеленгаторной аппаратуры. Такая аппаратура обычно устанавливается на надводных кораблях и подводных лодках, самолетах, спутниках, береговых постах.
Дополнительно тепловыми (инфракрасными) устройствами самонаведения снабжаются также различные типы ракет и торпеды. Современные тепловые устройства самонаведения позволяют осуществить захват цели на расстоянии до 30 км.
Основные технические средства тепловой защиты кораблей:
- 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 следующих тактических приемов:
- применение маскирующего воздействия тумана, дождя и снега;
- применение в качестве фона предметов и явлений с мощным инфракрасным излучением;
- применение носовых курсовых углов по отношению к носителю теплопеленгаторной аппаратуры.
Для подводных лодок тепловая заметность снижается при увеличении глубины их погружения.
Гидродинамическое поле корабля
В районе оконечностей образуются зоны повышенного давления, а в средней части по длине корпуса — область пониженного давления.
Гидродинамического поле - поле возникающее в следствии движения корабля, за счет изменения гидростатического давления воды под корпусом корабля. По физической сущности гидродинамического поле - это возмущение движущимся кораблем естественного гидродинамического поля Мирового океана.
Если в каждом месте Мирового океана параметры его гидродинамического поля обусловлены, главным образом, 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, находящиеся на определенных расстояниях от его корпуса, приходят в состояние возмущенного движения. При движении этих частиц изменяется величина гидростатического давления в месте движения корабля, т.е. образуется гидродинамическое поле корабля определенных параметров.
При движении подводной лодки под водой область изменения давления распространяется на поверхность воды так же, как и на грунт. Если подводная лодка движется на небольшой глубине, то на поверхности воды можно визуально фиксировать хорошо заметный волновой гидродинамический след.
Свойства гидродинамического поля корабля часто используются при разработке неконтактных гидродинамических взрывателей донных мин.
До настоящего времени значимых эффективных средств гидродинамической защиты корабля не разработано. Частичное снижение гидродинамического поля достигается за счет расчета баланса между оптимальным водоизмещением корабля и формы его корпуса. Основным тактическим приемом гидродинамической защиты корабля является выбор безопасной скорости хода. Безопасной считается 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.
Существуют специальные графики безопасных скоростей корабля и правила пользования, которые даются в специальной инструкции по выбору безопасных скоростей корабля при плавании в районах возможной постановки гидродинамических мин.
Электромагнитное поле корабля
Электромагнитное поле корабля - поле переменных по времени электрических токов, создаваемых кораблем в окружающем пространстве. Главными излучателями электромагнитного поля корабля являются: переменные гальванические токи в цепи «гребной винт — корпус», вибрация ферромагнитных масс корпуса в магнитном поле Земли, работа корабельного электрооборудования. Электромагнитное поле имеет ярко выраженный максимум в районе гребных винтов, а на расстоянии в несколько десятков метров от корпуса практически затухает.
Электромагнитная защита корабля осуществляется 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 главное внимание уделяется вопросам снижения электромагнитного поля элементов электрооборудования.
Магнитное поле корабля
Магнитное поле корабля - область пространства, в пределах которой обнаруживаются изменения магнитного поля Земли, обусловленные присутствием или движением намагниченного корабля.
Магнитное поле корабля представляет собой результирующую величину наложения нескольких полей: постоянного (статического) и индуктивного (динамического) намагничивания.
Постоянное намагничивание формируется у корабля в основном в период постройки под воздействием земного магнитного поля, и зависит от:
— расположения корабля относительно направления и величины линий напряженности магнитного поля Земли в месте постройки;
— магнитных свойств самих материалов, из которых строится корабль (остаточная намагниченность);
— соотношения главных размерений корабля, распределения и форм железных масс на корабле;
— технологий, с помощью которых осуществлялась постройка корабля (числа клепаных и сварных соединений).
Для количественной характеристики магнитного поля используется специальная физическая величина — напряженность магнитного поля Н.
Другой физической величиной, определяющей в первую очередь магнитные свойства материала является интенсивность намагничивания I. Кроме того существуют понятия остаточного намагничивания и индуктивного намагничивания.
Применения маломагнитных и немагнитных материалов при строительстве корабля позволяет в значительной степени снизить его магнитное поле. Поэтому при строительстве специальных кораблей (тральщиков, минных заградителей) широко используются такие материалы как стеклопластик, пластмассы, алюминиевые сплавы и т. д., а 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. Существуют также и сильномагнитные материалы, к ним относятся: железо, никель, кобальт и некоторые сплавы. Вещества, способные сильно намагничиваться, получили название ферромагнетиков.
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 для кораблей, периодически осуществляется контроль уровня их магнитного поля и, при превышении допустимого значения, проводится размагничивание корпуса. Существует безобмоточное и обмоточное размагничивание. Первое осуществляется при помощи специальных кораблей 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.
Магнитное поле корабля (МПК) широко используется в неконтактных взрывателях минно-торпедного оружия, а также в стационарных и авиационных системах магнитометрического обнаружения ПЛ.
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.
