Utilizare
Cursuri: 0
Publicare RED: 0
Publicare articole în reviste: 460
Servicii AI: 0
Generator pentru unde de șoc dirijate
Spre deosebire de undele obișnuite, undele de șoc reprezintă fenomenul de propagare a unor perturbații mecanice sau electromagnetice produse printr-o schimbare bruscă, aproape discontinuă, a proprietăților mediului: presiune, densitate, temperatură, sarcină electrică, curent electric, câmp electromagnetic etc.
În general, undele de șoc se propagă prin medii fluide (gaze și lichide), cu precizarea că cele electromagnetice se pot propaga chiar și prin vid. Deși sunt de natură diferită, legile de reflexie și refracție pentru șocul mecanic și șocul electromagnetic sunt similare.
Pe lângă aplicațiile diverse în știință și tehnologie, undele de șoc pot fi utilizate în domeniul militar, având în vedere că șocul mecanic provoacă solicitări intense asupra unor obiective țintă, iar șocul electromagnetic afectează sistemele electrice și electronice prin fenomenul inducției electromagnetice.
În continuare, va fi analizat cu precădere șocul mecanic, cu scopul de a pune în evidență caracteristicile care permit realizarea unor sisteme tehnice de generare și transmitere dirijată a energiei prin medii fluide la viteze mai mari decât viteza sunetului.
Undele de șoc sunt procese ireversibile prin care entropia mediului crește, adică se manifestă prin creșterea gradului de dezordine la nivelul mișcării termice. Astfel de procese pot fi generate prin explozii puternice (unde de detonare), interacțiunea unor straturi de fluid cu presiuni diferite (șoc de mișcare), de plasarea unor corpuri la viteze supersonice etc. Un gaz aflat într-un flux supersonic poate fi comprimat prin unde de șoc, dar și prin comprimări izentropice, ca de exemplu comprimările Prandtl-Meyer.
Raportate la direcția de curgere a mediului fluid, undele de șoc pot fi orientate perpendicular (normale), la un unghi ascuțit (oblice) sau frontale – apar în fața unui obiect bont atunci când viteza de curgere depășește Mach 1.
Unda de șoc produsă în atmosferă poate fi auzită ca un zgomot puternic (boom sonic), care, pentru distanțe mai mari, se poate schimba din undă neliniară în undă sonoră obișnuită pe măsura disipării energiei prin efect termic.
Împreună cu fiul meu Sebastian am studiat și experimentat unde de șoc de mică intensitate, rezultatele obținute fiind finalizate prin CBI nr. 99-00627, pe care am înregistrat-o la OSIM cu titlul „Generator pentru unde de șoc dirijate”. Soluția tehnică novatoare se bazează pe generarea prin explozie sau descărcări electrice de mare intensitate a undelor de șoc, reflexia controlată a undelor, efectul de rezonanță și efectul Doppler.
Reflexia controlată a undelor mecanice se realizează prin intermediul unei componente de tip paraboloid de rotație care transformă fasciculul divergent - produs de o sursă de unde amplasată în focar - într-un fascicul aproximativ paralel cu axa de simetrie. Acțiunea undelor mecanice asupra unei ținte este maximă la rezonanță, atunci când frecvența acestora este apropiată sau chiar coincide cu frecvența proprie de oscilație a țintei.
Efectul Doppler constă în variația frcvenței undelor înregistrate de un receptor, atunci când sursa și receptorul se află în mișcare relativă, mai precis, frecvența undelor mecanice crește când sursa se apropie de receptor, respectiv scade, în caz contrar. De exemplu, o sursă sonoră în mișcare poate produce nu numai sunete, ci și ultrasunete sau infrasunete, în funcție de viteza, direcția și sensul de mișcare față de observator.
În particular, o sursă sonoră care se deplasează prin atmosferă la limita barierei sonice de 1 Mach ≈ 330 m/s emite unde de tip pocnet (zgomot puternic). Însă undele de șoc de mare intensitate pot fi produse mult mai simplu prin detonarea unor încărcături explozive care produc comprimări puternice și rapide ale aerului din jur, șocul de presiune propagându-se cu viteze mai mari decât viteza sunetului.
În prezent sunt cunoscute efectele distructive produse prin explozia bombelor nucleare (bombă nucleară cu fisiune, bombă termonucleară, bombă trifazică, bombă cu neutroni) care fac parte din categoria armelor de nimicire în masă, motiv pentru care sunt interzise prin reglementări internaționale stricte.
Utilizarea generatoarelor pentru unde de șoc dirijate în conflicte militare trebuie limitată la explozivi chimici și descărcări electrice de mare intensitate, cu efecte distructive reduse față de armele nucleare, atât ca intensitate cât și ca rază de acțiune, altfel spus nu intră sub incidența reglementărilor internaționale și pot fi utilizate ca echipamente defensive. Rolul lor principal în tactica și strategia militară este de a influența psihologic și de a descuraja inamicul, având un impact redus asupra mediului înconjurător, iar pierderile materiale și umane sunt minime.
Se prezintă în fig.1 schema constructivă pentru un generator de unde de șoc dirijate.
Fig. 1
Sistemul prototip se compune, în principal, din paraboloidul 1, dispozitivul 4, de tip arc elastic sau alt dispozitiv pentru amortizarea șocurilor mecanice, suporturile 6 și 7, axurile 5 și 8 pe care culisează lagărele 2 și 9.
Paraboloidul 1 este prevăzut cu opritorul 3, fixat pe axul 5, a cărui extremitate este poziționată în focarul paraboloidului și susține încărcătura explozivă E, de tip petardă, dinamită, C4 etc. Fixarea încărcăturii explozive E în focar se poate face prin intermediul unor plăcuțe magnetice sau prin diverse alte mijloace tehnice de prindere.
Componentele sistemului prototip trebuie dimensionate astfel încât să reziste șocului mecanic provocat de explozie. Dimensiunile paraboloidului se stabilesc și în funcție de lungimea de undă a fundamentalei din pachetul de unde rezultat în urma exploziei.
Amorsarea încărcăturii chimice E se face de la distanță prin impuls electric transmis prin conductoare de legătură sau prin impuls electromagnetic transmis de la telecomandă.
Undele mecanice provocate de explozie se reflectă pe fața interioară a paraboloidului 1, rezultând un fascicul paralel cu axa longitudinală de simetrie. Pentru stabilirea direcției de lovire a țintei, generatorul este prevăzut cu un dispozitiv laser, precum și cu un sistem de orientare, acționat manual sau de către servomotoare, direct sau prin telecomandă, elemente care nu au mai fost redate în fig.1, pentru simplificarea desenului, fiind cunoscute la nivelul tehnicii actuale.
Generatorul pentru unde de șoc dirijate poate fi dispus pe sol, pe platformele unor mijloace de transport sau pe acoperișurile cu înclinație redusă a unor clădiri înalte, dar este mult mai eficient dacă este amplasat pe aparate de zbor care se deplasează spre țintă cu viteze apropiate de cea a sunetului. Avioanele, elicopterele și rachetele purtătoare trebuie să fie robuste și să fie prevăzute cu echipamente pentru acționarea și controlul generatorului. În acest caz, pentru micșorarea rezistenței la deplasare, înainte de producerea exploziei, paraboloidul are deschiderea acoperită cu un înveliș casant de formă aerodinamică, ca de exemplu conică, semisferică, semielipsoidală etc.
În faza de experimentare a generatorului pentru unde de șoc, se folosește inițial o cantitate de explozibil de circa 0,5 kg echivalent TNT, care se mărește progresiv pentru a evalua efectele asupra tehnicii de luptă. Militarii care deservesc generatorul pentru unde de șoc dirijate trebuie să fie instruiți în prealabil și să poarte căști și echipamente de protecție împotriva undelor mecanice de mare intensitate.
Generatorul pentru unde de șoc dirijate poate fi adptat la armele actuale utilizate în domeniul artileriei. Armele de foc, de tipul puștii automate, pistolului-mitralieră, mitralierei, tunului, obuzierului, tancului devin mai eficiente dacă au țevile introduse într-un paraboloid printr-un orificiu practicat la partea posterioară a acestuia, astfel încât gura țevii să fie plasată în focar, având în vedere fenomenul rezonanței, atunci când frecvența tragerii coincide cu frecvența proprie a țintei, ca de exemplu frecvența de rotație a elicelor unui avion sau elicopter. Pe lângă muniția cu glonț și muniția oarbă (de manevră), se pot folosi și alte tipuri de muniție: cu alice, incendiară, de iluminare, șrapnel etc.
O nouă soluție tehnică pentru generarea undelor de șoc se bazează pe surse sonore (sirenă, fluier hidrodinamic, și altele) de mare intensitate , amplasată în focarul unui paraboloid, cu un mic orificiu practicat la partea posterioară, care sunt transportate de aparate de zbor supersonice. În timpul deplasării sursei, curentul de aer sub presiune provoacă sunete puternice, dar și ultrasunete și infrasunete, dirijate aproximativ într-un con de propagare a cărui axă de simetrie coincide cu cea a paraboloidului. La viteze ale sursei apropiate de viteza sunetului în aer, undele sonore sunt percepute ca pocnete de mare intensitate.
Pot fi concepute și generatoare pentru unde de șoc bazate pe descărcări electrice de mare intensitate în aer (de tip trăsnet) sau chiar descărcări într-un recipient umplut cu electrolit, care este amplasat în focarul paraboloidului și în care sunt introduși doi electrozi dispuși la o distanță reglabilă. Alimentarea cu energie electrică se poate face de la surse de tensiune continuă prin intermediul unor baterii de condensatoare de mare capacitate, iar în cazul în care energia electrică provine de la surse de tensiune alternativă, pe lângă condensatoare, sunt necesare transformatoare electrice și redresoare electronice.
Descărcarea electrică dintre electrozi provoacă evaporarea rapidă a electrolitului, dilatarea și creșterea rapidă a presiunii gazului din jur, având ca efect producerea de unde mecanice și unde electromagnetice intense.
Generatoarele pentru unde de șoc dirijate pot fi utilizate nu numai în domeniul militar, ci și civil, ca de exemplu distrugerea unor baraje de gheață care se formează pe râuri în sezonul rece, precum și la protecția împotriva avalanșelor, prin declanșarea controlată a acestora.
Se pot realiza diverse tipuri de generatoare pentru unde de șoc dirijate, care diferă prin forma, dimensiunile și modul de dispunere a părților componente, însă pentru simplificarea procesului de fabricație, este necesar ca acești parametri să fie standardizați.
Bibliografie
1. Bogoevici Nicolae, Electrotehnică și măsurări electrice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979
2. Bunget Ion și alții, Compendiu de fizică, Ed. Științifică și Enciclopedică, Bucureşti, 1988
3. Hristev Anatolie, Mecanică și acustică, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982
4. Tudor Vasile, Alma Lux, Editura Agora, Călărași, 2001
5. Tudose Cosma și alții, Mecanică fizică, acustică și căldură, Editura didactică și Pedagogică, București, 1976
6. Generator pentru unde de șoc dirijate, CBI nr. 99-00627, 1999
Ministerul Educaţiei