Несмачиваемый водой корпус

Несмачиваемый водой корпус

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к судостроению и касается создания корпусов с уменьшенной поверхностью смачивания.

Известно применение ультрафобной поверхности для снижающей силу трения облицовки кузовов транспортных средств, фюзеляжей самолетов и корпусов судов [Заявка №2001120385, пункт 12 формулы изобретения].

Недостатком изобретения является сложная топография и сложный физико-химический состав поверхности корпуса.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является изобретение по заявке №94011550, в котором снижение трения воды о смоченную поверхность корпуса судна достигается существенным уменьшением величины смоченной площади корпуса за счет газовой прослойки. Газовая прослойка создается нагнетанием газа в корытообразное ограждение плоской части днища.

Недостатком известного изобретения, предусматривающего нагнетание газа в корытообразное ограждение плоской части днища, является то, что для достижения технического результата (снижение трения воды о смоченную поверхность корпуса судна) необходимо ламинарное течение газа. Задача эта сложная, так как прослойка газа между поверхностями корпуса и воды должна измеряться долями миллиметра. Кроме того, известно, что искусственно вентилируемые полости подобного типа (корытообразные) при движении пульсируют и деформируются. Для устранения этих явлений требуются дополнительные сложные технические решения [Заявка №2001126344], которые также не всегда позволяют достичь желаемого результата.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности устройства, имеющего цилиндрический или сигарообразный корпус, путем создания поверхности с уменьшенной степенью смачивания.

Техническая задача решается за счет того, что несмачиваемый водой корпус, снабженный каналами для нагнетания газа, согласно изобретению, выполнен наборным из элементов игольчатой формы с сохранением после скрепления этих элементов между собой каналов для нагнетания газа.

Суть изобретения в том, что снижение трения воды достигается максимальным уменьшением величины смоченной поверхности корпуса скоростного подводного аппарата за счет создания тонкой газовой пленки-прослойки из устойчивых соприкасающихся газовых пузырьков на внешней поверхности корпуса. Тогда вода будет скользить по поверхности газа, а не корпуса. Пузырьки газа образуются при нагнетании газа в каналы между игольчатыми элементами, представляющие собой заостренные с двух сторон цилиндрики. Устойчивость газовых пузырьков от смятия и схлопывания на внешней поверхности корпуса обусловлена поверхностным натяжением воды на поверхности пузырька газа и зависит обратно пропорционально от его размера (радиуса) при условии равенства давлений снаружи и внутри газового пузырька по известной формуле Лапласа:

где Р - давление внутри пузырька газа, 10⁵ Н/м²;

σ - поверхностное натяжение воды, 40×10^-3 Н/м;

R - радиус пузырька газа, м.

Чем меньше радиус пузырька газа, тем большее внешнее давление он способен выдержать. Устойчивость пузырька от смятия и схлопывания при давлении 10⁵ Н/м² обеспечена при радиусе R=(2·40·10^-3):10⁵=0,8·10^-6 м или 0,8 мм. Количество каналов между игольчатыми элементами равно количеству самих игольчатых элементов. Так как пузырьки газа касаются друг друга, то радиус плотно упакованных и скрепленных между собой игольчатых элементов, из которых набран несмачиваемый корпус, тоже равен 0,8 мм (они тоже касаются друг друга на одной и той же площади). С увеличением внешнего давления от скоростного напора встречного потока воды радиус устойчивых пузырьков газа на поверхности корпуса и связанный с ним напрямую радиус игольчатых элементов, из которых набран несмачиваемый корпус, надо уменьшать (рассчитать по формуле Лапласа).

Изобретательский уровень предлагаемой заявки обусловлен использованием первичного физического эффекта - поверхностным натяжением воды на поверхности газовых пузырьков, касающихся друг друга на всей поверхности корпуса скоростного подводного аппарата и образующих газовую пленку-прослойку, что обеспечивает несмачиваемость поверхности и снижение трения воды. Выстраивается цепочка причинно-следственных связей: набор корпуса из игольчатых элементов миллиметрового диаметра, как следствие, обеспечивает появление в корпусе таких же каналов для нагнетания газа, что, в свою очередь, обуславливает образование на поверхности корпуса соприкасающихся устойчивых пузырьков газа. Как следствие, устойчивые соприкасающиеся пузырьки газа образуют пленку-прослойку, что, в свою очередь, препятствует смачиванию корпуса и, как следствие, снижает сопротивление воды при движении скоростного подводного аппарата.

На чертеже изображен разрез набора корпуса скоростного подводного аппарата. Набор корпуса состоит из элементов игольчатой формы 1 (заостренные с двух сторон цилиндрики). Для набора корпуса имеется оправка 2. По бокам оправка 2 снабжена подвижными перегородками 3 для обжима по горизонтали элементов игольчатой формы 1. Оправка 2 имеет крышку 4 для выравнивания по высоте и придания необходимой кривизны поверхности из элементов игольчатой формы 1.

Пример конкретного выполнения. Предварительно по формуле Лапласа определяют радиус элементов игольчатой формы, который равен радиусу устойчивых пузырьков газа, нагнетаемого через каналы между игольчатыми элементами наборного корпуса. Для движения корпуса в воде при давлении 10⁵ Н/м² радиус элементов игольчатой формы принимают равным 0,8·10^-6 м=0,8 мм. Элементы игольчатой формы покрывают тонким слоем клея или припоя и помещают в оправку, дно и крышка которой имеют одинаковую кривизну и могут быть фигурными для изготовления по частям цилиндрических и обтекаемых поверхностей корпусов скоростных подводных аппаратов. Затем оправку помещают в постоянное электромагнитное поле, в котором элементы игольчатой формы ориентируются параллельно друг другу строго вдоль силовых линий магнитного поля. Если же элементы наборного корпуса игольчатой формы изготовлены из пластмассы, то для их ориентирования используют электростатическое поле. Далее с помощью крышки выравнивают (направление показано стрелкой) по высоте элементы игольчатой формы, придавая всему набору элементов необходимую форму (кривизну поверхности). Затем производят обжим по горизонтали набора элементов с боков подвижными перегородками (показано двумя стрелками). При этом элементы игольчатой формы фиксируются и удерживаются неподвижно в наборе силами трения. Электромагнитное поле выключают и, в зависимости от способа скрепления элементов наборного корпуса между собой клеем или припоем, оправку нагревают до необходимой температуры. Для скрепления элементов в наборе между собой используют также контактную сварку. Оправку разбирают и из наборов разной формы (с разной кривизной поверхности) собирают единый корпус скоростного подводного аппарата (мини-подводной лодки, торпеды, управляемой глубинной бомбы).

Использование предлагаемого устройства позволяет достичь технического результата (несмачиваемости корпуса) механическим путем, то есть результат не зависит от свойств среды или физико-химических свойств материала корпуса скоростного подводного аппарата.

Несмачиваемый водой корпус, снабженный каналами для нагнетания газа, отличающийся тем, что корпус выполнен наборным из элементов игольчатой формы с сохранением после скрепления этих элементов между собой каналов для нагнетания газа.