Введение.

Недавно прочел статьи о ружьях для охоты на тунца, разработанных Джеком Продановичем [1]. Там в частности отмечено, что размеры рассматриваемых подводных ружей близки к максимально возможным. Их увеличение приведет к тому, что ружьями будет очень неудобно пользоваться. Разгоняющее гарпун усилие также близко к максимально возможному для подводных ружей с резиновым боем. Дальнейшее увеличение количества тяг и роликов полиспастов или того и другого вместе также сделает ружье неудобным в обращении. В тоже время очевидно, что весьма желательно увеличение дальности боя. Поскольку возможности конструкции ружья практически исчерпаны, следует обратить внимание на снижение гидродинамического сопротивления гарпуна при выстреле.

На основании достижений современной гидроаэродинамики можно значительно снизить гидродинамическое сопротивление гарпуна путем создания вокруг него удлиненной заполненной газом полости – искусственной каверны. В 1994 году российская фирма АДВ приступила к финансированию программы исследований, целью которых было определение возможности повышения дальности и точности боя подводного ружья посредством создания вокруг гарпуна искусственной каверны. Такая каверна изолирует от контакта с водой значительную часть поверхности гарпуна при выстреле, вследствие чего происходит снижение его сопротивления движению и изменение условий обтекания его хвостовой части. Эти факторы и приводят к повышению дальности и точности боя подводного ружья. Как и всегда в подобных случаях, первоначально выполнен сбор и анализ результатов выполненных на тот момент исследований близких вопросов. Анализ этих результатов и достижения современной гидродинамики позволили сделать вывод о перспективности работ. К настоящему времени получены результаты соответствующих расчетных и экспериментальных исследований, позволяющие сделать вывод о высокой эффективности использования воздушных каверн для повышения дальности и точности боя различных подводных ружей. Фирмой созданы различные экспериментальные наконечники гарпуна подводного ружья. При испытаниях, которые проводились в естественной акватории, получено увеличение дальности боя в два раза и это не предел. Кроме того, разработан проект специального стенда для отработки подобных наконечников и пригодного для исследования динамики гарпунов различных подводных ружей. Спроектированы и частично изготовлены приборы для этого стенда.

Немного истории.

Кавитация, т.е. образование в жидкости заполненных паром или газом полостей - каверн, как физическое явление обнаружено и изучается с конца XIX века. Согласно Биркгофу и Сарантонелло впервые каверны, заполненные воздухом, изучались Вортингтоном около 1900 г. С их предположением о том, что эти работы выполнялись из чисто научного интереса, сложно согласиться. Тогда же появились первые подводные лодки, способные существенно повлиять на ход войны на море. Для борьбы с ними потребовалось специально для этой цели разработанное оружие. Одним из видов этого оружия стал ныряющий снаряд, предсказание поведения которого требовало изучения образующихся при его движении в воде каверн. Примерно в то же время были замечены каверны на лопастях гребных винтов некоторых быстроходных кораблей. Это обстоятельство приводило к снижению скорости хода, избежать которого было невозможно без соответствующих знаний о кавитации. Подобно любому известному физическому явлению, применительно к кавитации определились и решаются до сих пор две задачи: исключение ее вредного воздействия и ее использование для получения каких - либо преимуществ. Применительно к кавитации эти две задачи впервые поставлены около века назад и уже получен ряд весьма интересных технических решений. В настоящей статье рассказывается о разработке устройства, создающего вокруг гарпуна подводного ружья каверну. Гарпун, оснащенный этим устройством, должен иметь дальность боя, существенно превышающую дальность боя традиционного гарпуна, иначе каверна не имеет смысла. Таким образом, рассматривается вторая задача: кавитация используется для увеличения дальности боя гарпуна подводного ружья. Для этого сопротивление движению гарпуна с каверной должно быть гораздо меньше сопротивления движению традиционного гарпуна. При создании вокруг гарпуна удлиненной осесимметричной каверны часть его поверхности изолируется от трения о воду, что и приводит к снижению сопротивления движению. Безусловно, форма гарпуна с присоединенной каверной отлична от формы гарпуна без каверны, что влечет соответствующее изменение сопротивления движению. Необходимо добиться таких характеристик каверны, которые обеспечивали бы преимущество гарпуна с нею. К настоящему времени успешно используются основанные на таком принципе устройства. Разработанный в 70-х годах прошлого века в СССР подводный автомат АПС стреляет специальными пулями, при движении которых под водой вокруг них создается каверна. Согласно данным журнала «Военный парад» (Январь – февраль 1994 г, стр 87) движение такой пули с каверной в воде устойчиво, а на воздухе полет такой пули не стабилизируется. Следует отметить устройства для создания снижающих сопротивление движению искусственных каверн, т.е. каверн, для создания и поддержания которых используется подаваемый в них газ, на днище тихоходных судов и барж и глиссирующих судов. Устройством, наиболее близким к интересующему гарпуну является торпеда "Шквал", при движении которой вокруг нее создается осесимметричная искусственная каверна. Скорость этой торпеды во много раз превышает скорость современных традиционных торпед. Следует также заметить, что эта торпеда является единственным видом оружия, где используется искусственная каверна и которое в настоящий момент находится на вооружении. Разрабатывается же еще множество ракет и торпед, ныряющих снарядов и подводных артустановок, использующих это явление. Пуля автомата АПС более похожа на гарпун подводного ружья, но ее скорость настолько велика, что для поддержания каверны подавать в нее газ не требуется. Подводное ружье так сильно гарпун разогнать не может и там нужна искусственная каверна. Так получилось, что в России иногда прототипом видов охотничьего оружия служит оружие боевое. К сожалению, согласно традиции времен СССР, какие – либо технические достижения, полученные ВПК, крайне редко используются в гражданских отраслях промышленности. Сейчас принято эту традицию нарушать, но непонятно почему применительно к рассматриваемому вопросу это не сделано.

Предварительный анализ результатов ранее выполненных исследований вопроса.

Обнародованные характеристики автомата АПС, торпеды "Шквал" и приведенные в книге [1] параметры удлиненных осесимметричных каверн, полученных в кавитационных трубах, позволяют сделать два вывода. Первый о том, что создание вокруг гарпуна каверны, изолирующей от трения о воду значительную часть его поверхности, принципиально возможно. Второй вывод о том, что каверна должна быть искусственной. Это означает, что для создания такой каверны необходимо подавать в нее газ, расход которого подлежит определению. Что особенно важно, в книге [2] приведены данные о сопротивлении различных кавитаторов с присоединенными кавернами. Достижения современной гидродинамики позволяют с приемлемой точностью определить сопротивление движению гарпуна без каверны, а данные о сопротивлении движению гарпуна с каверной целесообразно определить на основании приведенных в [2] материалов. Согласно этим материалам каверна имеет форму эллипсоида вращения, длина и диаметр которого зависят от скорости и глубины, на которой движется гарпун и формы наконечника - кавитатора. Этот наконечник - кавитатор представляет собой диск, конус или параболоид, ось симметрии которого совпадает с направлением движения. Для расчета параметров искусственных каверн в рассматриваемом случае необходимо знать начальную скорость гарпуна при выстреле. Эта скорость определялась расчетным путем на основании данных о конструкции ружья и усилии зарядки. Для проверки точности такого расчета выполнялась ускоренная киносъемка разгона гарпуна при выстреле, т.е. результаты этого расчета проверялись экспериментально и оказались приемлемыми. Последним параметром, который следует определить, является расход подаваемого в каверну газа. Книгой, содержащими информацию о величинах этого расхода, являются [2] и [3]. К сожалению, там приведены данные, относящиеся к искусственным кавернам, имеющим меньшее желательного отношение длины каверны к ее диаметру. В итоге, анализ всех обнаруженных материалов позволяет сделать вывод о том, что создание осесимметричных искусственных каверн, существенно снижающих сопротивление движению гарпуна подводного ружья, в принципе возможно. Однако для уточнения расхода необходимо проведение специальных исследований.

Разработка экспериментальной установки и подготовка и проведение эксперимента.

Для достижения отмеченной выше цели работы было разработано устройство, создающее вокруг гарпуна осесимметричную искусственную каверну, обеспечивающую снижение сопротивления по сравнению с традиционным гарпуном. Для получения соответствующих характеристик каверны следует определить во - первых геометрию смоченной поверхности носика - кавитатора и во - вторых расход подаваемого в каверну газа. Эти параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать снижение сопротивления в по возможности более широком диапазоне скоростей, поскольку гарпун движется по инерции. Первый этап разработки наконечника представляет собой анализ и обобщение результатов выполненных ранее исследований удлиненных осесимметричных каверн. Разумеется, наибольшего внимания заслуживают описания экспериментальных исследований искусственных каверн. Далее на основании результатов были примерно определены значения параметров каверн, рассмотренных ранее, и определено соответствующее снижение сопротивления гарпуна. Эти данные использованы при подготовке эксперимента и предварительной оценки эффективности разрабатываемого устройства. При подготовке эксперимента параметром, информация о котором была минимальна, был расход подаваемого в каверну газа. Поскольку эксперимент необходимо проводить, то очевидно целесообразно подобрать не только расход, но и форму кавитатора для получения максимально возможной эффективности устройства. Для этого требуется получить форму каверны и сопротивление кавитатора, несколько отличающиеся от приведенных в упомянутых книгах. С помощью теории были рассчитаны характеристики каверны и геометрические характеристики кавитатора, обеспечивающие минимальное сопротивление гарпуна с каверной. Надежду на успех увеличивал полученный экспериментально применительно к другим кавернам результат, состоящий в следующем. При формировании и поддержании каверны с помощью обтекания твердого тела со специальной геометрией и подачи в нее газа изменение расхода в некоторых пределах практически не влияет на характеристики каверны и сопротивление кавитатора. Важно, что нижняя граница этого диапазона расходов является минимальным расходом, при котором каверна существует. Таким образом, целью экспериментальных исследований являлось окончательное определение геометрических характеристик кавитатора и расхода подаваемого в пространство позади него газа, которые обеспечивают создание каверны вокруг гарпуна, существенно увеличивающей дальность боя подводного ружья. При подготовке эксперимента для определения качественной картины течения использовались расчетные данные. На основании результатов расчетов для увеличения длины каверны при по возможности минимальном увеличении ее диаметра был уменьшен угол при вершине кавитатора.

 
Рис.1 – Схема установки.

Собственно эксперимент представлял собой стрельбу из горизонтально расположенного подводного ружья гарпуном, оснащенным специальным наконечником. Схема установки представлена на рис.1. Ружье (1) фиксировалось на специальном кронштейне (2), благодаря чему достигалось неизменное положение ружья относительно дна водоема при каждом выстреле. При выстреле гарпун (5) со специальным наконечником разгонялся, открывался клапан, и воздух из ресивера поступал в пространство позади кавитатора. В результате всего этого и образовывалась искусственная каверна вокруг гарпуна. Гарпун при помощью линя (4) соединялся с грузом (3), который мог передвигаться по желобу (6). При прохождении гарпуном расстояния, равного длине линя, линь натягивался и груз начинал передвигаться по желобу. Величина перемещения груза и характеризует кинетическую энергию гарпуна. После этого производился выстрел тем же гарпуном при длине линя, превышающей дальность боя. В этом случае измерялось расстояние от ружья до лежащего на дне гарпуна. Дно было практически горизонтальным. Клапан был сконструирован таким образом, что позволял менять расход подаваемого в каверну газа простым поворотом специального кольца. При этом менялось поперечное сечение каналов, по которым выходил воздух из ресивера. При каждом выстреле визуально фиксировалось расстояние, при прохождении которого из ресивера выходил воздух. Сделать это оказалось несложно вопреки ожиданиям, поскольку скорость всплытия пузырьков воздуха невелика. Зная его, соотношение кинетических энергий гарпуна с каверной и без нее , давление и объем газа в ресивере до выстрела и начальную скорость гарпуна при выстреле можно рассчитать соответствующий расход газа. Для каждого кавитатора при каждом из рассматриваемых расходов газа, т.е. при каждом выстреле усилие зарядки, а значит и разгоняющее гарпун усилие при выстреле, было постоянным. Стреляя гарпуном со специальным и обычным наконечниками и сравнивая перемещения груза, мы и получали соотношения кинетических энергий гарпунов при использовании каверны и без нее. Варьированием кавитаторов и расходов подаваемого в каверну газа были получены оптимальные с точки зрения силы и дальности боя параметры геометрии кавитатора и расход подаваемого в каверну газа.
Безусловно, с помощью такой примитивной установки можно получить только приближенные значения дальности боя и соотношения кинетических энергий гарпунов и вообще невозможно определить величину кинетической энергии гарпуна при прохождении им определенного расстояния при выстреле. Однако с практической точки зрения представляет интерес весьма значительное, т.е. в разы, увеличение силы и дальности боя. Для того, чтобы это зафиксировать такая установка вполне пригодна. Используется обычное серийное подводное ружье, что позволяет параллельно с отработкой каверны оценивать качество агрегатов и узлов и собирать информацию, необходимую для разработки серийного суперкавитирующего гарпуна. Здесь же следует отметить возможность использования установки в естественной акватории. Дополнительными преимуществами установки являются также ее очень низкая стоимость, низкая стоимость ее использования и то обстоятельство, что она практически не изнашивается и не требует источников энергии. В итоге преимущества такой установки на данном этапе разработки наконечника очевидно компенсируют все ее недостатки.

Результаты разработки и некоторые перспективы их использования.

В итоге проведенной работы были определены геометрические параметры наконечника и расход подаваемого в каверну газа, которые обеспечивают дальность боя вдвое большую, чем дальность боя традиционного гарпуна. Изменение усилия зарядки позволило подобрать кавитаторы и расходы для различных начальных скоростей гарпуна. Во всех рассматриваемых случаях удалось достичь увеличения кинетической энергии при прохождении гарпуном 4 м примерно в 3.5 раза и увеличения дальности боя вдвое. Некоторые из полученных экспериментальных результатов и результаты соответствующих расчетов свидетельствуют о том, что эфективность кавернообразующего наконечника, может быть существенно увеличена. Используемый при первоначальном эксперименте кавернообразующий наконечник состоит из корпуса, он же ресивер с зарядным и управляемым клапанами и носика - кавитатора в носовой части. Для зарядки используется специальное зарядное устройство. Оно надевается на прикрепленный к гарпуну наконечник и при зарядке ружья используется как эргономическая заряжалка и одновременно подает воздух высокого давления в ресивер наконечника через зарядный клапан. При выстреле прикрепленный к передней части ружья зацеп обеспечивает срабатывание управляемого клапана в начале разгона гарпуна. К настоящему времени разработаны серийный наконечник и зарядное устройство к нему. Наконечник невелик по размерам, прост в изготовлении и надежен в использовании. Носик - кавитатор оставлен сменным, поскольку он может быть поврежден об камни. Зарядное устройство носится на руке и не затрудняет плавание. Наконечник изготовлен для пневматического ружья длиной 0.85 м и может быть использован для всех ружей такой же или меньшей длины и ружей с резиновым боем длиной примерно до 1.4 м. Использование этого наконечника применительно к названным ружьям увеличит их дальность боя вдвое. Запаса сжатого воздуха достаточно для примерно 25 выстрелов. Все детали наконечника и зарядного устройства несложные и изготовлены из устойчивых к коррозии в морской воде материалов. Применительно к пневматическим ружьям длиной около 0.5 м и менее соответствующий наконечник можем быть примерно на 30% меньше по длине, а запас воздуха высокого давления в зарядном устройстве можно довести примерно до 40 - 50 выстрелов. При разработке серийного кавернообразующего наконечника и зарядного устройства учтены несколько дополнительных моментов. Использование очищенного воздуха высокого давления при очень незначительной доработке зарядного устройства превращает его в миниатюрный акваланг. Минимальное давление в ресивере кавернообразующего наконечника, при котором каверна еще образуется, достаточно велико. При таком давлении в баллоне зарядного устройства воздуха в нем достаточно для двух - трех вдохов на глубине 10 м. В принципе возможно увеличение объема баллона зарядного устройства, но оно тогда станет некоторой помехой плаванию. Следующий этап эксперимента предполагал разовых баллончиков с углекислотой. Их носимый запас может быть существенно большим, чем на 25 выстрелов, но от возможности использования зарядного устройства в качестве миниатюрного акваланга придется отказаться. В случае «один выстрел – один баллончик» наконечник состоит из примерно 8-10 деталей, изготовление которых не требует высокой или даже средней квалификации рабочих. Количество газа в баллончике в 2-4 раза превышает минимально необходимое. Как уже было отмечено, кавернообразующий наконечник может быть использован с гарпуном практически любого ружья. Однако наиболее целесообразным представляется его использование при охоте, предполагающей плавание на большие расстояния и при охоте на крупную быстроходную рыбу в водоемах с хорошей видимостью. При плавании на большое расстояние или при необходимости преодоления максимального расстояния при нырке предпочтительнее ружье меньшего размера, с ним легче плавать. Увеличение же дальности боя, обусловленное искусственной каверной, создаваемой наконечником, эквивалентно увеличению длины ружья примерно в 2.3 раза. Зарядное устройство или патронташ с баллончиками с углекислотой, как отмечалось выше, плавания практически не затрудняют. При охоте на рыбу, скорость которой всегда существенно превышает скорость охотника, дальность боя имеет первостепенное значение. Там наверняка будет использоваться ружье максимально возможной длины. В случае ружья с резиновым боем применение наконечника будет эквивалентно увеличению количества тяг в 3 - 4 раза. К сожалению, найденное мною описание ружья для охоты на тунца и суперружья позволяют только приближенно определить параметры, необходимые для расчета кавернообразующих наконечников для них. Однако полученной информации достаточно для вывода о целесообразности разработки кавернообразующих наконечников. Использование такого наконечника позволит увеличить дальность и точность боя либо использовать ружье меньшей длины и веса при сохранении дальности боя. В заключении следует заметить, что на представленных в приложении фотографиях изображены наконечники, которые использовались при экспериментах. Строго говоря, они создавались для соответствующих исследований, а не для охоты. Использование современных технологий и материалов безусловно позволит создать более эффективные, эргономичные и безопасные наконечники. 1. Jack Prodanovich"s "Rollerguns"
An educational demonstration of design development
author - John Warren, 2/20/2001 (edited 12/16/02). http://rocknfish.com/Rollergun.html
Supergun, an Experimental Speargun
http://rocknfish.com/Vintage.html
Jack"s "Tuna Gun"
The Lapped, Tandem-Sling, Tuna Speargun of Jack Prodanovich
author - John Warren,1/25/2000 http://rocknfish.com/Jack%27s_Tuna_Gun.html

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

3. А.Д. Перник. Проблемы кавитации.

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

Приложение

Гарпун, наконечник и ружье.

 
Гарпун уже далеко

Момент испытаний. В этом опытовом бассейне ЦНИИ им. Крылова уже сняли почти все оборудование, но для такого простого эксперимента он еще годился.

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