Устройство для снижения заметности кильватерного следа погруженных судов
DEVICE FOR REDUCING THE VISIBILITY OF THE WAKE OF SUBMERGED SHIPS

Изобретение относится к области судостроения и касается устройства и особой формы корпуса, снижающих гидродинамическое сопротивление погруженных водоизмещающих обтекаемых тел, и соответственно, вероятность их обнаружения по кильватерному следу.
В морском деле кильватерный след погруженного судна является одним из самых серьезных демаскирующих признаков. Кильватерная струя - это мощная полоса возмущенной воды, остающаяся за любым движущимся в воде или под водой объектом. След от сильной кильватерной струи необычайно устойчив, его можно наблюдать невооруженным глазом в течение нескольких часов, а при помощи приборов - и в течение суток. Движение воды в струе имеет выраженную турбулентность - скорость воды резко возрастает от состояния покоя и практически до скорости судна. И этот рост скорости происходит в узком ламинарном слое воды.
При движении судна повышается давление и уровень воды у носа и кормы, особенно значительно у крупных судов, возникают носовые и кормовые расходящиеся волны, а между ними образуются поперечные волны. По мере удаления от корпуса они затухают.
Жидкость, выведенная из равновесия динамически в носовой части, поднимается вследствие инерции на высоту, затем опускается и далее совершает колебательные движения, давая, таким образом, начало судовым волнам.
При увеличении скорости движения тела в жидкости появляются вихри, тормозящие движение: вследствие вязкости в области, прилегающей к поверхности тела, образуется пограничный слой частиц, движущихся с меньшими скоростями. В результате тормозящего действия этого слоя возникает вращение частиц, и движение жидкости в пограничном слое становится вихревым. Если тело не имеет обтекаемой формы, то пограничный слой жидкости отрывается от поверхности тела. За телом возникает течение жидкости, направленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся пограничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны.
Жидкость, вращающаяся в вихре, движется быстрее жидкости в стационарном потоке. Поэтому с задней стороны обтекаемого тела, где образовались вихри, давление становится меньше, чем с передней. Разность давлений впереди и позади движущегося тела и создает сопротивление движению тела.
Сила сопротивления зависит от формы тела. Придание телу специально рассчитанной обтекаемой формы существенно уменьшает силу сопротивления, так как в этом случае жидкость всюду прилегает к его поверхности и позади него не завихряется. Сопротивление зависит от скорости движения тела в жидкости, свойств жидкости, формы тела и его размеров. Важную роль в создании сопротивления играет форма задней стороны движущегося тела. Позади плоского тела возникает пониженное давление, поэтому сопротивление можно уменьшить, предотвратив срыв потока. Для этого телу придают обтекаемую форму. Поток плавно огибает тело и смыкается непосредственно за ним, не создавая области пониженного давления.
Известно, что для внутренних волн, идущих от корпуса, слои с резким градиентом плотности, по сути, являются волноводами, по которым возмущения распространяются на большие расстояния в поперечном направлении. В результате внутренние волны, создаваемые движением погруженного судна, проявляются и на свободной поверхности в виде поля поперечных скоростей в узком следе. При взаимодействии с умеренным ветровым волнением (до 4 баллов) этот след может быть обнаружен локационной аппаратурой, установленной на самолетах или спутниках.
Для снижения заметности в качестве движителя предпочтение отдается применению водометного движителя, который позволяет передачу большой мощности упора, недоступной гребному винту из-за чрезмерного возрастания его массы и габаритов. Кроме того, водометный движитель, смонтированный внутри корпуса подводного судна, благодаря применению средств звукоизоляции и звукопоглощения позволит снизить шумность. Размещение рабочего колеса насоса в цилиндрической трубе уменьшит неравномерность потока, что, в свою очередь, приведет к снижению степени его гидродинамической неуравновешенности - одной из главных причин вибрации корпуса погруженного судна, оснащенного гребным винтом.
Известен способ маскировки подводной лодки (патент RU 2507108, 2014 г.) при использовании устройств снижения сопротивления трения корпуса о воду за счет образования перед носовой частью корпуса движущегося аппарата и вокруг него газоводной среды. В качестве рабочего газа используется перегретый водяной пар. Выходящие из отверстий струи пара образуют по курсу движения судна облако взвешенных в забортной воде пузырьков, снижая плотность воды. После прохождения лодки пар охлаждается и, конденсируясь, смешивается с забортной водой, не выходя на поверхность.
Недостатком этого способа является то, что использование перегретого пара еще более повысит температуру воды в следе и будет являться демаскирующим фактором.
Известен способ маскировки следа подводного аппарата (RU 2564935, 2015 г.), включающий изменение плотности воды в следе аппарата, повышением ее солености. Изменение солености воды в следе осуществляют путем охлаждения силовой установки более соленой водой, чем забортная, и сброса ее в след.
Недостатком этого способа является то, что необходимо иметь на борту подводного аппарата запасы соли и специальную систему для подготовки и сброса более соленой воды в след.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство повышения эффективности движения погруженных судов (патент RU 2540357, 2016 г.), содержащее корпус в виде полого усеченного конуса, конус выполнен по размеру  корпуса судна и ориентирован большим сечением в сторону движения, в кормовой части установлен водометный движитель, закрепленный на подвижных соединениях с зазором между стенками корпуса конуса и водометного движителя.
Недостатком этого устройства является то, что за счет используемого корпуса в виде усеченного конуса ориентированного большим сечением в сторону движения, удается избежать развития носовых расходящихся и поперечных волн, но не удается нивелировать образование кормовых расходящихся и поперечных волн, форма корпуса способствует развитию завихрений водного потока вдоль корпуса судна.
Задачей изобретения является создание устройства, снижающего заметность кильватерного следа погруженных судов за счет уменьшения лобового сопротивления, сокращения динамического воздействия на жидкость, как в носовой части судна, так и вдоль всего корпуса, особенно в кормовой части корпуса, уменьшение кинетической энергии исходящего водного потока, акустической и тепловой заметности, управления движением с помощью направленного потока воды.
Требуемый технический результат достигается тем, что устройство для снижения заметности кильватерного следа погруженных судов содержит внешний (1) и внутренний корпуса (4) и водометный движитель (2), внешний корпус (1) выполнен в виде соединенных широкой частью двух полых усеченных конусов с небольшой разницей радиусов оснований, для придания корпусу плавных обводов при обтекании водной средой. Внутренний корпус (4) способен выдерживать давление, необходимое для подводной работы погруженного судна и может иметь любую форму для размещения механизмов, аппаратуры и экипажа. В кормовой части внешнего корпуса (1) установлен блок водоотводных направляющих (3) различного диаметра для разделения и закручивания водного потока из водометного движителя (2), который расположен внутри внешнего корпуса (1), водоотводные направляющие (6) выполнены разного диаметра с внутренними спиральными ребрами, закручивающие водный поток в разных направлениях и с разной интенсивностью. Большое количество разновеликих водных потоков сталкиваются после истечения и смешиваются в камере смешения (5), где поглощают кинетическую энергию друг друга, предотвращая образование единого мощного кильватерного следа. Система регулирования направления потока воды, позволяет управлять направлением движения судна, перекрывая и открывая нужные водоотводные направляющие, выходы (7) которых также расположены по периметру кормовой части внешнего корпуса (1).
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена схема устройства для снижения заметности кильватерного следа погруженных судов, где:
1 - внешний корпус;
2 - водометный движитель;
3 - блок водоотводных направляющих;
4 - внутренний корпус.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлена схема блока водоотводных направляющих, где:
5 - камера смешения;
6 - водоотводные направляющие;
7 - выходы потока воды, управляющие направлением движения судна.
Изобретение работает следующим образом: слой воды по ходу движения судна вырезается внешним корпусом (1), и водный поток направляется в межкорпусное пространство, омывая внутренний корпус (4).
Из-за особенностей формы внешнего корпуса (1), имеющего веретенообразную форму и сужение в кормовой части, и наличия внутри его внутреннего корпуса (4), вода сжимается и поступает на водометный движитель (2). Избыток забранной внешним корпусом (1) воды, не имеющий возможности быть прокаченным через движитель, выталкивается с ускорением через водоотводные направляющие (6), придавая дополнительное ускорение судну. Водометный движитель (2), представляющий собой насос, который всасывает воду через входное отверстие, разгоняет ее и выталкивает наружу через блок водоотводных направляющих (3), задавая скорость движения судну.
Водоотводные направляющие (3) имеют разное сечение и внутри оборудованы спиральными ребрами, закручивающими водный поток в разных направлениях и разной интенсивности. Эти потоки поступают в камеру смешения (5), где перемешиваются, взаимно влияя друг на друга, предотвращая образование единого мощного кильватерного следа.
Для изменения направления движения судна используется система регулирования направления потока воды, перекрывая и открывая нужные водоотводные направляющие (6), выходы потока воды (7), которые расположены по периметру кормовой части внешнего корпуса (1). Водоотводные направляющие (6) имеют задвижки, манипулируя которыми можно перекрывать поток воды через водоотводные направляющие (6) и направлять его на ту или иную группу выходов потока воды (7), управляющих направлением движения судна и глубиной погружения.
При необходимости торможения, остановки или заднего хода судна, водометный движитель (2) отрабатывает реверс, и при закрытых задвижках, вода поступает внутрь внешнего корпуса (1) с кормы и создает в носовой части ускорение, обратное направлению движения судна.
Расположение водометного движителя (2) и других механизмов движения и управления судном внутри внешнего корпуса (1) снижают акустическую заметность, а перемешивание потоков воды с разной температурой в камере смешения (5) снижает и тепловую заметность.