Гидрофизический нанофильтр

Hydrophysical nanofilter

По данным руководства ВМС Великобритании, российские субмарины регулярно несут дежурство в районе базы Фаслейн (Faslane) в Шотландии, чтобы перехватывать сигналы подлодок, оснащенных ракетами Trident. Руководство ВМС Великобритании признает, что в последнее время случаи обнаружения россий­ских подлодок британскими участились. Один из командующих британскими ВМС объяснил: "Русские в Северной Атлантике игра­ют с нами, с американцами и французами. Мы затратили много ресурсов для защиты ракет Trident, потому что нам ни в коем случае нельзя позволить, чтобы русские узнали акустические характеристики одной из наших АПЛ, так как это поставит под угрозу наши средства сдерживания". По некоторым данным, российская "Акула" несколько раз пыталась проследить за перед­вижениями Vanguard во время их патрулирования в Северной Атлантики. На защиту Vanguard была направлена противоло­дочная субмарина проекта Trafalgar.

Результаты уникальных новейших научных разработок Инс­титута Прикладной Океанографии Украинской Академии наук (ИПО УАН) позволяют утверждать, что разработанные с применением прорывных технологий технические средства "Aquaquantum" могут значительно улучшит показатели как обнаружения, так и полу­чения в полной объеме не только акустических характеристик подводных лодок противника, в особенности АПЛ, на дистанциях многократно превышающих в этом плане самые совершенные акустические средства. Самим же, при этом, оставаясь вне зоны действия средств освещения подводной обстановки противника. Это лишает противника возможности обнаружить наблюдателя.

При организации противотеррористической и противодивер­сионной обороны морских и прибрежных стратегических объектов основная сложность состоит в создании надежных средств осве­щения подводной обстановки боевых комплексов ближайшего ру­бежа охранения. Сложность эта обусловлена тем, что мобильные малошумные объекты природного и техногенного происхождения класса малых подводных форм (МПФ) создают в диапазоне (2÷3).10-3 Гц. при своем движении энергоемкие и информативные локальные аномалии среды – аквакванты в виде вытянутой карди­оиды вращения, которые уносят с собой существенную долю энергии (информации), запасенной в “области сжатия”, и начи­нают двигаться со скоростью, значительно превышающей ско­рость тела-осциллятора. В процессе взаимодействия аквакванта с окружающей средой во время движения он принимает идеально обтекаемую каплеобразную вытянутую в направлении движения форму. Это уже объемный солитон TDSWave, который с одной стороны довольно сильно отличается по многим характеристикам от известных солитонов, существование которых было описано Скотом Расселлом еще в 1834 году, а с другой стороны имеет с ними довольно много общего. В реальных условиях движения как аквакванта, так и солитона TDSWave происходят в среде нейтральной к их параметрам движения. Благодаря этому солитон TDSWave перемещается на большие расстояния. Так или прибли­зительно так формируются солитоны TDSWave. Задача определе­ния характеристик поля объемных солитонов в стратифициро­ванном океане относится к категории задач повышенной слож­ности. Этим обусловлен особый интерес к поиску путей создания сверхнизкочастотных элементов измерительных устройств, в час­тности гидрофизического нанофильтра (ГНФ) на основе капил­лярно–динамического преобразователя (КДП).

Конструктивно КДП [1] состоит (рис.1) из капиллярно-динамического тракта (КДТ) – 1, на одном торце которого распо­ложена камера – 2 (заполненная инертной жидкостью фазового состояния β) с воспринимающей мембраной –3. Этой же жид­костью пропитана часть полости тракта со стороны камеры – 2 на величину l_ß, рассчитываемую по формуле Жюрена

Рис.1

С открытого торца полость КДТ–1 пропитана на величину lα инертной жидкостью фазы α. Величину lα рассчитывают по той же формуле, но в индексации фазы α.

Падающая на вход одиночного КДП энергия акваквантов или объемных солитонов, обусловленная движением подводных тел природного и техногенного происхождения, создает над поверх­ностью Δα (двухслойная полупроницаемая мембрана с различным молекуля­рным составом, Δ–фазовое состояние внешней среды) пульсаци­онный ход давления, возбуждающий в фазе α продольный поток количества движения, скорость которого превышает скорость генератора внешних возмущений. Это в соответствии с выводами молекулярной теории капиллярности [2] эквивалентно введению трансформатора скоростей.

Свободное пространство рассматривается как однородный волновод, стороны сечения которого бесконечны.

Здесь необходимо заметить и запомнить: перед скачком плотности (Δα) в фазе α будут генерироваться возмущения лишь от медленно меняющихся во внешней среде процессов [2]. Процесс возбуждения упомянутым продольным потоком количес­тва движения потока массопереноса в фазе β эквивалентно введению трансформатора энергии по массопереносу. Фаза γ при таком подходе выполняет роль согласующего слоя с проме­жуточным значением волнового сопротивления Z_γ, который осуществляет передачу энергии от фазы α к фазе β с волновыми сопротивлениями Z_α и Z_β соответственно. При таком подходе фаза γ способствует составлению волноводного капиллярно-динамического фильтра (КДФ) из отдельных волноводных отрезков α и β между согласованными нагрузкой R_н и генератором Г с внутренним сопротивлением R_i (рис.2) .

Рис. 2

В этой схеме Г–ансамбль случайных всевозможных полей внешней среды неограниченного диапазона частот; R_i – волновое  сопротивление среды; Z = а²µl/S – полное характеристическое со­противление одиночного КДТ, а² = 2σ^αβ/mg(ρ_β-ρ_α) – волновод­ная постоянная, образующая подходящий масштаб волн, m - сре­дняя масса молекулы,  µ – коэффициент вязкости, l и S – длина и площадь поперечного сечения  КДТ соответственно.

Таким образом, одиночный КДП, полость которого пропитана двумя инертными жидкостями различных фазовых состояний, согласно методу электромеханических аналогий может быть представлен эквивалентной электрической схемой  RC–фильтра нижних частот.

Входная цепь эквивалентна трансформатору скорости Тр_v, входной импеданс КДП (неоднородность на входе)

Z_α²  = R_α² + X_α²,

где R_α – активная  составляющая волнового сопротивления фазы α за счет влияния внутреннего трения, которая при  µ = const является величиной постоянной;

Х_α = f(X_Lα; X_Сα) – реактивная  составляющая волнового сопротивления  фазы α, которая с ростом частоты ω возрастает.

Фаза γ эквивалентна трансформатору энергии по массопе­реносу Тр_w с активным сопротивлением Rγ, учитывающим потери в фазе γ (неоднородность в середине).

Выходной импеданс КДП (неоднородность на выходе)

Z_β²  = R_β² + X_β²,

где R_β и X_β – соответствующие активная и реактивная компоненты волнового сопротивления фазы β;.

Большее по сравнению с m_α значение m_β дает увеличение чувствительности за счет увеличения массы, что позволяет варьировать величиной τ_ср.

Суммарная упругость  измерительного блока  представляет собой в эквивалентной электрической схеме емкость С, величина которой определяется упругостью и геометрическими парамет­рами чувствительного элемента:

где l_g и S_g – длина  и  площадь  поперечного  сечения  чувствительного элемента;
E_ю – модуль упругости материала чувствительного элемента.

Волновое сопротивление фазы γ Z_γ = jωL_γ с ростом частоты ω возрастает, а совместно с  Z_α и Z_β позволяет исключить или значительно ослабить прохождение из внешней среды через КДФ к чувствительному элементу акустических и других сигналов с частотой выше заданной ω_ср. При изменении частоты от 0 до ω_ср сопротивление Z_от (рис.3) является действительным  и изменяет­ся от √R/C/_ω=0  до 0/_ω=ωср. В полосе непрозрачности (ω>ω_ср)  Z_от имеет индуктивный характер и растет от 0 до ∞ при измене­нии частоты ω от ω_ср  до ∞. В общем случае рассмотренная эквивалентная схема представляет собой пассивный линейный четырехполюсник с τ_ср = 1/RC. Выражение для частоты среза ω_ср одиночного КДФ запишется в виде:

Путем подбора соответствующих значений волноводной постоянной  а²  и  параметров  жидкости фазы β; при полностью из­вестных параметрах жидкости фазы  α  можно  управлять значением полосы пропускания одиночного КДФ–НЧ.

Одиночные КДФ могут быть конструктивно упакованы  в блоки-остовы ГНФ либо путем сверления капилляров в монолитном твердом материале, либо методом пакетирования отдельных "фильер". Предполагается, что остов изотропный и идеально упругий, пористость n_ф и проницаемость χ_ф его во всех сечениях одинаковы.

Конструкция остова ГНФ определяется исходя из следую­щих предпосылок и допущений:

• остов рассматривается как некоторый ограниченный (еди­ничный) объем, линейные размеры которого значительно ме­ньше длины локальных возмущений;
• физико–химическое взаимодействие между абсолютно жес­ткими стенками фильер и жидкостями, заключенными в их полостях, не происходит;
• направление потоков переноса совпадает с направлением ускоряющих градиентов.

Следовательно, гидрофизический нанофильтр представляет собой плотную низкопористую среду с изолированной системой строго ориентированных не сообщающихся (внутри) пор конечных размеров с совершенной связью между фазами и абсолютно жесткими стенками фильер.

Такая конструкция ГНФ обеспечивает без учета межмоле­кулярных взаимодействий в полостях фильер:

• ограничение частотного диапазона сверху;
• возможность определения скорости прохождения и погло­щения упругих волн (интегральные параметры) только фи­зическими свойствами и геометрическими характеристика­ми неоднородностей, составляющих остов;
• увеличение мощности потоков переноса путем формирова­ния квазикумулятивных потоков переноса на малых скорос­тях возбуждения.

Если ω_ф=ω_ср, то для сверхнизких частот ω локальных воз­мущений в силу закона Пуазейля движение потоков переноса в фильерах ГНФ носит ламинарный характер. При условии, что эффекты инерции не существенны, в соответствии с теорией по­ристых сред характеристическая частота ω_ф ГНФ определяется выражением:

При ω>ω_ф=ω_ср условие ламинарности потоков переноса нарушается, что приводит к увеличению вязких потерь.

Примером симметричного геометрического места точек приложения сил может быть кубическая (рис.4а) и гексагональ­ная (рис.4б) упаковка фильер.

Рис. 4

Для создания равномерного распределения сил по поверх­но­сти воспринимающего элемента потоки массопереноса, исте­ка­ющие из капилляров–фильер, должны быть направлены в точки, равномерно распределенные по его поверхности. (рис. 5, 6) 

Рис. 5Рис. 6

В полушаровой конструкции остова (рис.5) входы в филь­еры, выходы из них и точки приложения сил к воспринимающему элементу располагаются на концентрических полушариях с цент­ром в одной точке. Таким образом, фильеры имеют одинаковые размеры, выходы фильер расположены на равных расстояниях от соответствующих каждой их них точек приложения сил к вос­принимающему элементу, а его поверхности создаются симмет­ричные геометрические места точек приложения сил, направ­ленных воздействий, возникающих на выходах фильер.

Фильеры в полостях остовов с двух сторон воспринимаю­щего элемента должны иметь совпадающие постоянные времени. В этом случае при изменении рабочей глубины статические давления в обеих полостях будут выравниваться с одинаковой скоростью, что обеспечит надежный баланс чувствительного элемента.

Возможна конструкция гидрофизического нанофильтра, (рис.6) в которой фильеры выполнены  (рис. 7) в форме конуса с правильным волновым сопротивлением [3]. Это позволит дополни­тельно увеличить скорость истечения массопереноса из фильер.

Рис. 7

В плоскопараллельной конструкции остова (рис. 8) его передняя полость заполненна желеобразной массой фазы α, которая отделена от окружающей жидкой среды вялой разделительной мембраной. Задняя полость остова заполнена желеобразной массой фазы β и закрыта элементом, воспринима­ющим силы направленных воздействий, возникающих на выходах фильер. Полости фильер, как показано ранее для одиночного КДФ пропитываются подвижной жидкостью обеих фаз, между которыми образуется переходная фаза γ.

Рис. 8

Таким образом, выражение для ω_ф позволяет при извест­ных  параметрах  одиночного КДФ с наполнителями оценить ха­рактер упаковки и необходимое и достаточное количество фильер в ГФ, а также геометрические параметры остова.

Результаты экспериментальных исследований были рассмот­рены 22.02. 1989 г. на Научно–техническом совещании [4].

Литература:
1. Князюк А.Н., Тиняков В.Г. А.с. № 301970, 1988.
2. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. – М.: “Мир”, 1986. – 375 с.
3. Дрейзен И.Г. Электроакустика и звуковое вещание. – М.: Энергия, 1961.– 359 с.
4.  Протокол от 22.02.89 (дсп). – К.: НПО Квант, 1989.– 14 с.

Гидрофизический нанофильтр разработан в 1982 году, запатентован в 1988 а.с. № 301970 и опубликован в Альманахе "KNOW - HOW WORLDARENA", 05/06 2008. стр. 27-30