Новый тип боеприпасов для стрелкового оружия, которыми можно эффективно вести огонь как на суше, так и под водой. Новые пули используют одно из физических явлений, с которым лучше всего знакомы моряки. Речь идет о кавитации - процессе образования и быстром схлопывании в жидкости пузырьков, заполненных паром. Изначально явление кавитации считалось вредным, способным только вредить кораблям. Но позднее ему нашли и полезное применение. Мы решили вспомнить, каким образом военные используют кавитацию себе на пользу.

Во второй половине XIX века начали появляться пароходы с гребными винтами, способные развивать скорость в несколько десятков узлов. Эти машины могли быстро перевозить пассажиров и вообще выгодно отличались от медлительных парусных судов. Однако вскоре моряки столкнулись с неприятным эффектом: поверхность гребных винтов через некоторое время эксплуатации становилась шершавой и разрушалась. Гребные винты тогда изготавливались из стали и сами по себе быстро корродировали в воде, поэтому их разрушение поначалу списывали на неблагоприятное воздействие морской воды. Но в конце XIX ученые, включая Джона Уильяма Стретта, лорда Рэли, описали явление кавитации.

Кавитация - физическое явление, при котором в жидкости позади быстро движущегося объекта возникают мельчайшие пузырьки, заполненные паром. Например, при вращении гребного винта такие пузырьки появляются позади лопастей и на их задней кромке. Появившись, эти пузырьки практически моментально схлопываются и образуют ударную волну. От каждого пузырька в отдельности она совсем незначительна, однако при длительной эксплуатации эти ударные микроволны, помноженные на количество пузырьков, приводят к разрушению конструкции винтов. Шершавые, растерявшие часть лопасти винты существенно теряют в своей эффективности.

Современные гребные винты изготавливаются из специального сплава - куниаля. Это сплав на основе меди с добавлением никеля и алюминия. Отсюда и название - куниаль (CuNiAl, Cuprum-Niccolum-Aluminium ). Сплав по прочности соответствует стали, но не подвержен коррозии; гребные винты из куниаля могут находиться в воде десятилетиями без какого-либо вреда. Тем не менее, даже эти современные гребные винты подвержены разрушению из-за кавитации. Но специалисты научились продлевать срок их службы, создав гидроакустическую систему. Она определяет начало кавитации, чтобы экипаж мог снизить частоту вращения винтов для предотвращения образования пузырьков.

В 1970-х годах для кавитации было найдено полезное применение. Научно-исследовательский институт ВМФ СССР разработал скоростную подводную ракету-торпеду «Шквал». В отличие от обычных торпед, использовавшихся тогда и стоящих на вооружении сегодня, «Шквал» может развивать колоссальную скорость - до 270 узлов (около 500 километров в час). Для сравнения, обычные торпеды могут развивать скорость от 30 до 70 узлов в зависимости от типа. При разработке ракеты-торпеды «Шквал» исследователи благодаря кавитации сумели избавиться от сопротивления воды, мешающего кораблям, торпедам и подводным лодкам развивать большие скорости.

Любой даже обтекаемый объект под водой имеет большое лобовое сопротивление. Это связано с плотностью и вязкостью воды - бóльшими, чем у воздуха. Кроме того, при движении под водой поверхности объекта смачиваются и на них появляется тонкий ламинарный слой с большим градиентом скорости - от нуля у самой поверхности объекта до скорости потока на внешней границе. Такой ламинарный слой создает дополнительное сопротивление. Попытка преодолеть его, например мощностью двигателей, приведет к увеличению нагрузок на гребные винты и быстрому износу корпуса подводного объекта из-за деформации.

Советские инженеры во время экспериментов выяснили, что кавитация позволяет существенно снизить лобовое сопротивление подводного объекта. Ракета-торпеда «Шквал» получила ракетный двигатель, топливо в котором начинает окисляться при контакте с морской водой. Этот двигатель может разгонять ракету-торпеду до большой скорости, на которой в носовой части «Шквала» начинает образовываться кавитационный пузырь, полностью обволакивающий боеприпас. Образованию кавитационного пузыря способствует специальное устройство в носовой части ракеты-торпеды - кавитатор.

Кавитатор на «Шквале» представляет собой наклоненную плоскую шайбу, в центре которой размещено отверстие для забора воды. Через это отверстие вода поступает в двигательный отсек, где происходит окисление топлива. На краях же шайбы кавитатора и образуется кавитационный пузырь. В этом пузыре ракета-торпеда буквально летит. Модернизированная версия «Шквала» может поражать корабли противника на дальности до 13 километров. По сравнению с дальностью обычных торпед (30–140 километров) это немного, и в этом заключается главный недостаток боеприпаса. Дело в том, что в полете ракета-торпеда издает сильный шум, демаскирующий позицию подлодки, запустившей ее. 13 километров «Шквал» покрывает очень быстро, но за это время подлодка не успеет уйти от ответного огня.

Ракета-торпеда, летящая в кавитационном пузыре, не может маневрировать. Это вполне понятно: в кавитационной полости боеприпас не может взаимодействовать с водой, чтобы изменить направление. Кроме того, резкая смена траектории движения приведет к частичному схлопыванию кавитационной полости, из-за чего часть ракеты-торпеды окажется в воде и на большой скорости разрушится. Изначально «Шквал» оснащался ядерной боевой частью мощностью 150 килотонн, которую позднее заменили обычной фугасной боевой частью с взрывчатым веществом массой 210 килограммов. Сегодня, помимо России, кавитирующие торпеды имеют на вооружении Германия и Иран.

Кавитатор ракеты-торпеды «Шквал»

One half 3544 / Wikimedia Commons

В 2014 году Технологический институт Харбина представил концепцию подводной лодки, способной перемещаться под водой на около- или даже сверхзвуковой скорости. Разработчики объявили, что такая подводная лодка сможет доплывать от Шанхая до Сан-Франциско (около десяти тысяч километров) примерно за один час и 40 минут. Перемещаться подлодка будет внутри кавитационной полости. Новый подводный корабль получит кавитатор в носовой части, который будет начинать работать на скорости более 40 узлов. Затем подлодка сможет быстро набрать маршевую скорость. За движение подлодки в кавитационной полости будут отвечать ракетные двигатели.

Скорость звука в воде составляет около около 5,5 тысячи километров в час при температуре 24 градуса и солености 35 промилле. Представляя свою концепцию, разработчики отметили, что прежде, чем создать новую подлодку, необходимо решить несколько проблем. Одной из них является нестабильность кавитационного пузыря, внутри которого должна лететь подлодка. Кроме того, необходимо найти надежный способ управлять кораблем, движущимся под водой со сверхзвуковой скоростью. В качестве одного из вариантов рассматривается возможность сделать рули, которые бы выдвигались за пределы кавитационной полости.

Между тем в начале 2000-х годов Центральное конструкторско-исследовательское бюро спортивного и охотничьего оружия тульского Конструкторского бюро приборостроения решило использовать явление кавитации при создании нового автомата для боевых пловцов. Речь идет об АДС (автомат двухсредный специальный) - автомате, способном одинаково эффективно вести огонь как на воздухе, так и под водой. Оружие выполнено по схеме булл-пап (ударно-спусковой механизм расположен в прикладе) и имеет интегрированный гранатомет. Масса оружия при длине 685 миллиметров составляет 4,6 килограмма.

Этот автомат использует для стрельбы под водой специальные патроны ПСП калибра 5,45 миллиметра. Они снаряжены стальной пулей в виде иглы длиной 53 миллиметра. Масса пули составляет 16 граммов. Снаряд утоплен в гильзу с пороховым зарядом на большую часть своей длины, благодаря чему общая длина патрона соответствует обычному автоматному боеприпасу калибра 5,45 миллиметра. Пуля патрона ПСП имеет на кончике плоскую площадку. При движении под водой эта площадка создает кавитационную полость вокруг снаряда. Благодаря такой особенности эффективная дальность стрельбы АДС под водой на глубине пяти метров составляет 25 метров.

Помимо специальных патронов, автомат способен вести огонь и обычными боеприпасами. АДС может быть оснащен глушителем. Скорострельность АДС на суше составляет 800 выстрелов в минуту, а прицельная дальность - 500 метров. Оружие оснащается отъемным коробчатым магазином емкостью 30 патронов. Автомат имеет переключатель режимов работы газоотводного механизма «вода/воздух». Он изменяет работу механизма перезарядки, адаптируя его для работы на воздухе или в воде. Без раздельных режимов механизм перезарядки в воде могло бы заедать.

Обычное современное оружие также способно вести огонь под водой, но для этих целей малопригодно. Во-первых, инерционное сопротивление жидкости и бóльшая, чем у воздуха, плотность воды не дает автоматике производить быструю перезарядку оружия, а иногда и вовсе делает ее невозможной. Во-вторых, материалы сухопутных автоматов и пистолетов изначально не предназначены для работы в водной среде и неустойчивы к длительному ее воздействию - быстро теряют смазку, ржавеют и выходят из строя из-за гидравлических ударов. При этом обычные пули, имеющие высокую точность на суше, в воде становятся абсолютно бесполезными.

Дело в том, что аэродинамическая форма обычной пули делает траекторию ее полета в воде малопредсказуемой. Например, на границе теплого и холодного водных слоев пуля может рикошетить, отклоняясь от продольной оси выстрела. Кроме того, из-за своей формы снаряд стрелкового оружия под водой быстро теряет свою энергию, а значит и убойность. В результате поражение цели из того же автомата Калашникова в воде становится практически невозможным даже на очень маленьком расстоянии. Наконец, обычные свинцовые пули с оболочкой из томпака (латунный сплав на основе меди и никеля) под водой быстро деформируются и даже могут разрушаться.

Проблему разрушающихся пуль норвежская компания DSG Technology. Она разработала новый тип боеприпасов CAV-X. Они имеют не классическую оживальную форму, как обычные пули, а коническую. Кончик пули уплощен и при попадании в воду начинает выполнять роль кавитатора, благодаря чему вокруг снаряда образуется кавитационная полость. В результате пуля практически не соприкасается с водой и дольше сохраняет кинетическую энергию. Кавитирующие пули CAV-X не намного длиннее обычных пуль такого же калибра, в отличие от российских пуль в патроне ПСП.

Кавитирующие пули сделаны из вольфрама и запрессованы в латунную гильзу. Сегодня они выпускаются в калибрах 5,56, 7,62 и 12,7 миллиметра. По данным DSG Technology, под водой кавитирующие пули этих калибров сохраняют убойное воздействие на дальности 14, 22 и 60 метров соответственно. При этом кавитирующими могут быть выполнены и боеприпасы других калибров вплоть до артиллерийских 155 миллиметров. Правда, целесообразность создания снарядов для подводной стрельбы весьма сомнительна. В каком именно оружии планируется использовать кавитирующие пули CAV-X, пока неизвестно. Обычное стрелковое оружие без специальной переделки для стрельбы под водой не подходит.

Впрочем, кавитирующие пули могут быть полезны при обстреле подводных целей с суши. Если стрелять, скажем, по боевому пловцу, находящемуся под водой, с берега из обычных пистолета или автомата, то, скорее всего, он уплывет целым и невредимым. Дело в том, что пули будут либо резко тормозиться, попав в воду, либо рикошетить от нее; это зависит от угла оси ствола к поверхности воды, под которым ведется стрельба. Кавитирующие же пули смогут, практически не отклоняясь, проходить поверхность воды и поражать подводную цель. Но с необходимостью стрелять по подводному противнику с суши военные сталкиваются не так часто, чтобы начать массовые закупки патронов с пулями CAV-X.

Хотя военные инженеры и смогли найти полезное применение кавитации, по большому счету их изобретения особой популярностью не пользуются. Ракеты-торпеды «Шквал» в бою никогда не применялись, а сегодня и вовсе не используются российским флотом - слишком шумными и недальнобойными оказались эти боеприпасы. Патроны для подводной стрельбы востребованы только боевыми пловцами и диверсантами и применяются довольно редко. В способность же китайских специалистов спроектировать кавитирующую подводную лодку верится с трудом. Так что, пожалуй, кавитация все еще остается физическим явлением, которого лучше стараться избегать.

Василий Сычёв

Это понятие разъясняется так: образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления в ней. Разрывы жидкости, это конечно же пузырьки. Слово «кавитация» происходит от латинского слова cavitas, что означает пустота.

Временно поставим перед собой иную цель: ознакомимся с основной закономерностью, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке. Представим себе горизонтальную трубку переменного сечения, по которой течет жидкость. Там, где площадь сечения поменьше, жидкость течет быстрее, а там, где побольше, - медленнее. Согласно закону сохранения энергии, можно утверждать следующее. Над выделенным объемом текущей жидкости совершается работа сил давления, вынуждающих ее течение. Если жидкость не обладает вязкостью, то эта работа будет расходоваться только на изменение ее кинетической энергии. Закон сохранении энергии дает право приравнять работу сил давления изменению кинетической энергии жидкости. Из этого равенства следует уравнение Даниила Бернулли, которое выполняется в любом сечении трубки:

В этом уравнении - плотность жидкости, - скорость ее течения, - давление жидкости в потоке, а - величина постоянная. Прочесть ее можно так: сумма плотности кинетической энергии и давления в текущей жидкости остается неизменной.

Записанное уравнение является фундаментальным в науке о жидкости.

Всмотримся в формулу внимательно. Вот что формула гласит: чем уже сечение трубки, тем больше , чем больше, тем меньше, а это означает», что может оказаться настолько большим, что давление станет меньше некоторого критического. Газовые или паровые пузырьки, имеющиеся в движущейся жидкости и попавшие зону, где, начинают увеличиваться в объеме, жидкость «кавитирует», превращаясь в пенообразную среду. Перемещаясь вместе с потоком в область, где давление, пузырьки начинают схлопываться и исчезают.

Итак, мы с уверенностью предсказываем появление пузырьков в текущей жидкости, основываясь, как на фундаменте, только на законе сохранения энергии. Фундамент надежный и пузырьки искать следует.

В действительности кавитация может происходить и тогда, когда в жидкости по какой-либо причине возникают участки, в которых скорость ее движения различна. Например, вблизи вращающихся лопастей теплохода, или вблизи стержня, вибрирующего в воде.

«Капля камень точит»- это известно всем. А вот, что пузырек металл разрушает, - это кажется не общеизвестно. Зарегистрировано множество случаев разрушения гребных винтов быстроходных кораблей кавитационными пузырьками. Эти разрушения иной раз выводят винт из строя всего за несколько часов хода корабля. Кавитационная зона вблизи вращающегося гребного винта строителям кораблей тщательно исследуется с целью избрать оптимальную форму, при которой без ущерба для прочих характеристик корабельного винта его кавитационнная стойкость будет наибольшей. Это важный этап в конструировании и изготовлении корабля.

А вот еще один пример разрушающего воздействия кавитации. Если в воде будет вибрировать металлический стержень, его торцевая поверхность покроется очагами кавитационного разрушения: пузырьки металл разрушают.

Есть несколько предположений о механизме передачи летящего пузырька поверхности металла. Достигнув поверхности препятствия, пузырек может быстро схлопнуться, возбудить ударную волну, и это повлечет за собой удар воды по поверхности. Физики, подробно, изучавшие кавитационные разрушения металлов, убедились в том, что импульсные давления, воспринимаемые поверхностью, оказываются достаточными, чтобы пузырьки создавали и развивали очаги разрушений на поверхности металла. Например, так: многократно повторяющиеся импульсные напряжения приводят к локальным усталостным разрушениям.

Мощное звуковое поле в жидкости порождает маленькие парогазовые пузырьки, которые под действием этого поля могут расти захлопываться и вызывать такие эффекты, как химические реакции, эрозия, звуколюминесценция и излучение звука (шума) в широкой полосе частот. Эти эффекты характеризуют физическое явление, называемое акустической кавитацией. Гидродинамическая кавитация, или образование и захлопывание парогазовых пузырьков (полостей), или образование разрывов в жидкости в местах локального понижения давления при обтекании тел, течений в трубах, в кильватерной струе и т. д., отличается только способом возбуждения и имеет много общего с явлением акустической кавитации.

Важность исследования кавитации была понята в начале нашего века, когда судостроители столкнулись с быстрым разрушением корабельных винтов из-за кавитационной эрозии. Первое математическое описание поведения кавитационной полости в жидкости было дано Рэлеем в 1917 г. . Предложенная им модель сферической пустой полости, захлопывающейся в несжимаемой жидкости, помогла частично понять эрозионное действие кавитационных пузырьков. Дальнейшие исследования акустической кавитации были вызваны широким использованием звука и ультразвука в технологических процессах, где кавитация является одним из сильно действующих факторов, а также необходимостью повышения мощности акустических преобразователей в гидроакустике, где кавитация ставит предел максимальной интенсивности звука, излучаемого акустическими антеннами.

В общих чертах акустическую кавитацию можно представить себе следующим образом. В фазе разрежения звуковой волны на имеющихся в жидкости микропузырьках образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром и диффундирующим в нее растворенным газом. В фазе сжатия пар конденсируется, а имеющийся в полости газ подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент захлопывания давление и температура газа достигают больших значений, что порождает в близкой окрестности пузырька импульс высокого давления. Акустическая кавитация представляет собой эффективный механизм концентрации энергии. При кавитации относительно низкая средняя плотность энергии

звукового поля трансформируется в высокую плотность энергии в малом объеме внутри и вблизи захлопывающегося пузырька. Полная энергия захлопывающегося пузырька невелика, однако сферическая сходимость пузырька приводит к образованию очень больших локальных плотностей энергии, а следовательно, высоких температур и давлений.

Теория образования, роста и захлопывания газовых пузырьков (газовая кавитация) первоначально развивалась для несжимаемой идеальной жидкости для случая одиночного сферического пузырька. Далее были уточнены уравнения динамики пузырька с учетом сжимаемости, вязкости и теплопроводности, конечности амплитуды колебаний стенки пузырька. Наконец, в этой теории был произведен учет несферичности колебаний пузырька, в особенности вблизи его резонансных частот и при достаточно больших амплитудах звука. Было показано, что несферичность колебаний и возникновение струек жидкости у захлопывающихся пузырьков, если они находятся вблизи твердой поверхности, является одной из причин кавитационной эрозии твердых тел. Теоретические исследования далее стали развиваться применительно к динамике паровых пузырьков (паровая кавитация), которая имеет много общего с динамикой газового пузырька, однако имеются и существенные различия.

Большая часть теоретических работ посвящена теории движения одиночного пузырька, тогда как в экспериментальных исследованиях и приложениях приходится иметь дело главным образом с кавитационной областью, т. е. совокупностью большого числа взаимодействующих пузырьков, различающихся своими размерами.

Распространение звука в гетерофазных средах, таких, например, как жидкость с пузырьками газа или пара, кавитационная область, кильватерная струя, верхние слои океана, содержащие большое количество газовых пузырьков различного радиуса, криогенная жидкость, содержащая паровые пузырьки, и т. д., отличается особенностями: газовые, паровые или парогазовые пузырьки приводят к рассеянию звука, вызывают увеличение поглощения звука и дисперсию.

Акустическая кавитация и распространение звука в пузырьковой (и вообще гетерофазной) среде представляет собой большую и сложную область исследований, имеющую существенное прикладное значение. В этой главе будут затронуты только основные аспекты акустической кавитации: динамика газовых и паровых пузырьков, кавитационная область, кавитационая прочность жидкостей, явления, сопровождающие кавитацию, а также ряд вопросов распространения акустических волн в жидкости с пузырьками.

Содержание статьи

КАВИТАЦИЯ, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.

Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.

Закон Бернулли.

Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством

где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.

Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.

В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.

Кавитационный коэффициент.

Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s , который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением

где p v – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

Типы кавитации.

На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.

Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.

Кавитация и техника.

Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.

Эрозия.

Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными – от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.

Вибрация.

Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.

КПД и скорость.

Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.

Шум.

Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.

Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.

Кавитация как источник энергии

Кавитация в жидкости возникает как режим предкипения при нарушении (разрыве) ее сплошности. В образовавшиеся каверны поступает пар, в частности воды. Пузырьки пара вследствие малой кривизны поверхности имеют давление больше, чем жидкость, и поэтому растут. При некотором критическом размере, попадая в холодную зону пузырьки мгновенно схлопываются вследствие конденсации пара из-за мгновенного объединения вихрей электрино. В результате такого микровзрыва образуется сферическая ударная волна, распространяющаяся от эпицентра к периферии микрозоны взрыва. За фронтом ударной волны имеется зона разрежения, которая заполняет эту микрозону после ухода (вслед за уходом) ударной волны. Активированные на фронте волны молекулы воды попадают в зону разрежения и «лопаются» под действием разности давлений внутри и вне их, превышающей прочность молекул. Освободившиеся электроны сразу начинают свою работу по взаимодействию с положительными ионами: атомами кислорода, водорода и фрагментами воды – по генерации энергии – горению. Давление и температура в окружающей электрон сфере из ионов достигает предельных из известных в природе значений:

Р е = 1,459079 × 10 28 Дж/м 3 (Па);

Т е = 8, 563135 × 10 7 К.

Вполне естественны при этом процесс мгновенного нагревания воды в микрозоне за счет указанного выше, щадящего распада вещества на элементарные частицы, и процесс свечения потоков электрино – фотонов в оптическом диапазоне частот в микропламени кавитационных взрывов. При недостаточно интенсивной кавитации эти эффекты могут отсутствовать, но действие ударной волны в любом случае сохраняется, в том числе, как разрушающее различные материалы.

На кавитации основано действие известных водяных теплогенераторов, в которых количество полученной теплоты превосходит затраченную энергию в 10-15 и более раз за счет, по сути, атомной реакции воды.

При атмосферном давлении кавитация в воде начинается при 60-65 0 С (в среднем 63 0 С). С повышением температуры рост пузырьков пара интенсифицируется, они растут и лопаются (не схлопываются, а разрываются), давая начало режиму кипения, которое имеет развитый характер, как известно, при 100 0 С. Для получения тепловой энергии за счет кавитации, как видно, необходимо поддерживать режим именно кавитации как предкипения, не давая ему перерасти в развитое кипение, то есть отводить теплоту.

Кавитация при нагреве, например, вина до ~60 0 С дала в свое время возможность Пастеру уничтожить все бактерии за счет именно микровзрывов и ударных волн (вакуумные бомбы), а не за счет, как считают, термического действия, так как бактерии переносят и более высокие температуры. Впрочем, Пастер в то время этого понять не мог.

Кавитации способствуют звуковые и ультразвуковые колебания и волны. Однако, их механизм действия в свете традиционной науки остается не совсем ясным. Почему при движении источника колебаний порядка 1 м/с звуковая волна разгоняется в воздухе, например, до 300 м/с, а в воде – до 1400 м/с? Почему волна идет в направлении, заданном источником колебаний, а не от большего давления на фронте волны в сторону меньших давлений? Ответ на эти вопросы дан выше. Причиной распространения скорости звука, превышающей скорость движения источника колебаний (молекула, атом, стержень, поршень, язык и т.п.), является электродинамическое взаимодействие осцилляторов (молекул) источника колебаний с осцилляторами (молекулами) среды. При искусственном механическом сближении осцилляторов на некоторое расстояние меньше критического взаимодействие их электрических зарядов происходит с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Соответственно ускорение и скорость осцилляторов среды зависят от этой силы, а не от скорости источника колебаний (точнее – его стенки, торца…).

Сила взаимодействия осцилляторов зависит также от скоростей каждого в своей глобуле, которые не соизмеримы со скоростью источника. Например, скорость движения молекул воздуха в своих глобулах при нормальных условиях составляет величину порядка 47 км/с, что на 4 порядка больше скорости источника колебаний 1 м/с.

Взаимодействие осцилляторов при расстояниях, близких к критическому – электродинамическое, в том числе, при расстояниях равных или меньше критического – происходит с участием электрино – посредника и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах. Давление на фронте звуковой волны газа в результате взаимодействия осцилляторов возрастает и примерно в 4 раза превышает давление невозмущенной среды. Давление за фронтом волны в 3-4 раза меньше последнего. Температура на фронте волны соответствует давлению, то есть в 4 раза больше температуры невозмущенной среды.

В жидкости вследствие ее несжимаемости давление на фронте волны увеличивается примерно в 12 раз, а температура при звуковом течении – не меняется. Давление за фронтом волны как и в газе уменьшается в 3-4 раза. Причина разрежения за фронтом волны – каверна, в которую молекулы не успевают возвратиться мгновенно.

Рассмотрим физический механизм взаимодействия ударных осцилляторов: молекул – мишеней и молекул – снарядов. Из физики известно, что давление распространяется от большего к меньшему, и казалось бы, после возникновения большого давления на фронте волны оно будет распространяться в обе стороны от фронта: от большего к меньшему, и даже больше в область разрежения, то есть в сторону, обратную направлению движения волны. Но этого не происходит: волна движется все время в направлении, заданном источником колебаний. Почему?

При взаимодействии ударных осцилляторов источника колебаний с осцилляторами среды происходит деформация их глобул. Из сферических (при равномерном со всех сторон взаимодействии молекул с соседями) глобулы становятся выпукло-вогнутыми телами вращения, похожими, например, на каплю жидкости, деформированную гравитацией. Такая глобула среды в результате воздействия соседнего осциллятора – снаряда приобретает вогнутую поверхность (лунку) со стороны удара и – выпуклую поверхность с противоположной стороны. За счет большей скорости, полученной вследствие искусственного насильственного сокращения расстояния меньше критического, молекула – мишень газа в своей глобуле развивает, как указано выше, давление в 4 раза больше давления невозмущенной среды. Поэтому размер глобул соответственно уменьшается при сжатии их ударными молекулами – снарядами, что приводит к уплотнению среды на фронте ударной звуковой волны. На фронте волны деформированные глобулы молекул среды образуют цепочки как бы вставленных друг в друга тел, выпуклости которых входят в лунки впереди стоящих глобул (по ходу волны).

Скорость молекул в глобулах начинает увеличиваться сначала в первом ряду, граничащем с подвижной стенкой источника колебаний, молекулы – снаряды которой взаимодействуют с молекулами-мишенями среды этого, первого ряда. Затем таким же образом молекулы первого ряда, становясь снарядами, действуют на молекулы второго ряда и т.д. Возникает ударная звуковая волна, которая движется в сторону, определенную действием источника звука - малых возмущений. Молекулы в своих глобулах только передают это возмущение в среде, но сами глобулы остаются как бы неподвижными. Задние активированные молекулы электродинамически подталкивают неактивированные передние и далее по цепочке вперед. Отдав свою энергию, задние молекулы остаются в среде в своей глобуле, которая не бежит за волной, а тоже остается как бы на прежнем месте. На фронте волны давление повышенное, за волной - разрежение, обусловленное взаимодействием и вогнутой формой кормы глобулы молекул последнего ряда. В эту зону пониженного давления подтягиваются глобулы с молекулами из окружающей среды, в то время как само возмущение (волна) проходит вперед. Волна уходит в заданном источником звука направлении, а глобулы практически остаются на местах. В то же время молекулы в них движутся с повышенной скоростью и взаимодействуют с соседями с большими силами и ускорениями, причем практически в вакууме. Отсутствие сопротивления способствует прохождению волны на большие расстояния.

Большие молекулы воды, активированные на фронте волны, попадая в зону разрежения за волной лопаются, разрушаются под действием разности давлений внутри и вне их в случае, если разность давлений превосходит их прочность, прочность связей единичных молекул с соседями в большой молекуле. Разрыв сплошности среды приводит к появлению пузырьков пара и явлению кавитации.

Кавитацию различают как мягкую, жесткую и взрывную. Мягкая кавитация с образованием и схлопыванием пузырьков пара в жидкости происходит при обычном испарении воды с поверхности в паровое или газовое пространство /4, 5/. Жесткая кавитация происходит, например, в звуковых волнах, как описано выше. Значение разрежения за волной зависит от первоначального давления невозмущенной среды и поэтому – невелико. Кавитация происходит, как правило, в пучностях стоячих звуковых волн, то есть имеет локальный характер. Например, опускание в ультразвуковую ванну бумажного листа дает наглядное представление о регулярном построчном, как на разлинованном тетрадном листе, размещении пробитых взрывами пузырьков отверстий, ряды (строчки) которых отстоят друг от друга на расстояниях, равных половине длине волны. Малые разности давлений на фронте и за ним, частота и амплитуда колебаний, локальный (не объемный) характер возникновения пузырьков и, в целом, относительно слабые воздействия не позволяют образовываться крупным кавитационным пузырькам, схлопывание бы которых приводило бы к высоким давлениям, температурам и разрушению молекул воды, то есть – к взрывной кавитации, сопровождающейся описанным выше процессом горения воды – фазовым переходом высшего ряда (ФПВР) – энерговыделением за счет частичного атомного распада вещества на элементарные частицы.

При достаточно большом импульсном разрежении, создаваемом, например, поршнем в герметичном объеме, дросселируемой струей воды, на оси вращающегося потока воды, в дезинтеграторах и других устройствах для создания кавитации указанные недостатки звуковых волн исключаются. В таких устройствах многими исследователями получен режим взрывной кавитации с атомным процессом энерговыделения за счет приобретаемого водой незначительного дефекта (дефицита) массы, восполняемого в природных условиях и не влияющего на экологию окружающей среды. К сожалению в /10/ описана только жесткая, но не взрывная кавитация.

Все, что написано выше о воде, справедливо и для углеводородного топлива в связи с аналогичной структурой вещества в виде цепочек электронов, соединяющих отдельные молекулы между собой. Из этого следует, что топливо тоже можно разделить на две части (легкое и тяжелое топливо) и, применяя легкое, экономить топливо в 2 раза. Можно также топливо смешать на молекулярном уровне пополам с водой и тоже экономить в 2 раза, что подтверждено практически. Но, конечно, интереснее осуществлять горение воды непосредственно вместо топлива. Горение воды, наряду с другими процессами естественной энергетики /1, 2, 3/, позволит решить топливную и энергетическую проблему самыми чистыми и экономически эффективными способами.