Evaluación de la posibilidad de crear medios de protección activa de las zonas acuáticas basados ​​en el uso del efecto electrohidráulico.

Evaluación de la posibilidad de crear medios de protección activa de áreas de agua basadas en el uso del efecto electrohidráulico.

ANTSELEVICH Mikhail Aleksandrovich, Doctor en Ciencias Técnicas
UDINTSEV Dmitry Nikolaevich, Candidato de Ciencias Técnicas

EVALUACIÓN DE LA POSIBILIDAD DE CREAR MEDIOS DE PROTECCIÓN ACTIVA DE ZONAS DE AGUA BASADA EN EL USO DEL EFECTO ELECTROHIDRÁULICO

En publicaciones anteriores [17, 18], se señaló la importancia de crear medios de protección activa de los objetos de las áreas de agua.

Los principales métodos para contrarrestar a los saboteadores submarinos (EE.UU.) siguen siendo los estudios de buceo y el lanzamiento preventivo de granadas. El análisis mostró la extrema escasez del arsenal de medios técnicos de detección en el agua y la casi total ausencia de medios técnicos para influir activamente en un intruso en el agua.

Actualmente, la forma principal y más eficaz de combatir la PD es una explosión submarina. La búsqueda de métodos de protección contra las ondas de choque (SW) ha permitido desarrollar medios que sólo debilitan su efecto. Pero el uso de métodos para proteger los objetos de la acción de los hidrocarburos, como el lanzamiento preventivo de granadas, es ineficaz.

Teniendo en cuenta que una característica de estos objetos es la presencia de una gran cantidad cantidad de electricidad (EE) relativamente barata, lo más aconsejable es influir en la PD directamente con ella o encontrar la forma más económica de convertirla en otro tipo. Por ejemplo, en mecánica.

La conversión de energía eléctrica en energía mecánica sin enlaces intermedios con una alta eficiencia (eficiencia) se puede realizar en base al efecto electrohidráulico (impacto). El efecto electrohidráulico es una descarga eléctrica pulsada en un líquido, en el que se produce una liberación rápida, casi instantánea, de energía en el canal de descarga. Como resultado, la presión en el canal de descarga excede significativamente la externa, el canal se expande rápidamente, lo que conduce a la aparición de una onda de choque y flujos de líquido.

Está documentado [16] que las descargas eléctricas en el agua se llevaban a cabo hace más de 200 años; los potentes impulsos hidrodinámicos resultantes no encontraban aplicación práctica en aquella época. El efecto descubierto fue olvidado durante mucho tiempo. Posteriormente, con el desarrollo de la ingeniería eléctrica, al crear potentes instalaciones eléctricas de alta tensión (transformadores, seccionadores, etc.), se volvieron a encontrar descargas eléctricas en los líquidos utilizados en estas instalaciones como dieléctricos. El efecto destructivo que se produce durante la ruptura eléctrica de líquidos dieléctricos ha formado una fuerte opinión sobre la inutilidad e incluso la nocividad de una descarga eléctrica en un líquido. Durante muchas décadas, esta opinión persistió entre científicos e ingenieros eléctricos.

En 1950, Los Ángeles. Yutkin [2] propuso utilizar en procesos tecnológicos pulsos hidrodinámicos que surgen de una descarga eléctrica en un líquido. Así se inventó el “Método para obtener presiones altas y ultraaltas”. Una descarga eléctrica en un líquido no es más que una explosión eléctrica. La alta presión generada durante una explosión eléctrica se transmite a través del líquido al medio ambiente. ofertas de Los Ángeles Yutkin sobre el uso del “efecto electrohidráulico”, como lo llamó el autor del invento, resultó muy oportuno y tuvo una demanda inmediata.

Durante el estudio de los procesos que ocurren durante la descarga eléctrica en líquidos y el uso aplicado de los efectos que lo acompañan, se defendieron más de 70 disertaciones y se realizaron cientos de inventos simultáneamente. Se vendieron licencias para una serie de tecnologías al Reino Unido, Hungría, Alemania, España, EE.UU., Japón y otros países.

Actualmente, este efecto ha encontrado su aplicación más amplia en la compactación y la trituración. del hormigón armado al reciclaje de residuos y procesamiento de metales [2, 3, 11, 13, 14].

Normalmente una instalación electrohidráulica consta de un NE dispositivo de almacenamiento de energía (Fig. 1), cargador Almacenamientoy un bloque tecnológico TB que contiene un determinado volumen de líquido, un sistema de electrodos SE, entre los cuales se emite un pulso Se crea la descarga y se procesa un objeto ubicado cerca del canal de descarga K. El dispositivo de almacenamiento de energía suele ser una batería de condensadores de impulsos de alto voltaje con una capacidad de C. La batería del condensador es conectado al sistema de electrodos en la unidad tecnológica a través de un vía de chispas R, cuya presencia le permite cargar la capacitancia С al voltaje requerido desde el cargador Cargador con un corriente relativamente pequeña. La unidad tecnológica puede estar ausente y en su lugar se puede utilizar un sistema de electrodos móviles, sumergidos en un orificio lleno de líquido o en un depósito.

 Fig. 1. Diagrama de bloques de la instalación electrohidráulica

Se ha establecido [16] que las descargas eléctricas en el agua se caracterizan por una tasa de liberación de energía significativamente menor que durante las explosiones de explosivos sólidos (HE). Así, las descargas eléctricas en el agua suelen producirse durante un período de decenas a cientos de microsegundos. El tiempo de liberación de energía durante una explosión explosiva varía desde varios microsegundos hasta varias decenas de microsegundos.

Como resultado de estudios previos [13, 14, 16], se estableció una conexión entre la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento y la energía liberada en el canal de descarga (en equivalente de TNT). Entonces, dependiendo de las condiciones de la descarga, 1 kWh o 3,6 MJ de energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento corresponde a la energía de 72? 300 g de TNT liberados en el canal de descarga:

W (kWh) = G/(0,072   0, 3 ) » 10G (1)

W(J) » 3,6x107xG, ( 2)

donde W es la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento, kWh o J;
G es la energía liberada en el canal de descarga (en kg de TNT).

La dependencia de la presión máxima en el frente de la onda de choque del equivalente TNT de la carga y la distancia al punto considerado está determinada por la relación [1, 12]:

, (3)

donde Р es la presión máxima en el frente de la onda de choque, kg /cm2;
R es la distancia al punto en cuestión, m.

Basado en la relación conocida (1) y (2) de la energía almacenada con la energía liberada y la dependencia (3) de la presión máxima en el frente de la onda de choque del equivalente TNT de la carga y la distancia al punto en cuestión se obtuvieron las relaciones (4) y (5), conectando la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento con la presión máxima en el frente de la onda de choque y la distancia al punto considerado.

(4)

(5)

La fisiología del impacto de una explosión submarina en los humanos es un área bastante estudiada [3, 4, 5, 6, 7]. Se ha establecido que el HC causa el daño más grave a aquellos órganos humanos que tienen una densidad desigual de sus componentes o que contienen aire: pulmones, estómago, intestinos, senos óseos y oídos. En los pulmones, con una fuerte exposición a los rayos UV, se detectan roturas del tejido pulmonar. Los intestinos sufren graves daños en aquellos lugares donde se acumulan las burbujas de aire individuales.

El análisis y generalización de los resultados de los estudios realizados hasta la fecha [3, 4, 5, 6, 7] permitieron fundamentar los valores de presión en el frente de choque correspondientes a varios umbrales del impacto fisiológico de una explosión submarina en una persona. Entonces, con un exceso de presión de 0,2 — 0,3 kg/cm2, una persona comienza a sentir una onda de choque (Tabla 1). El umbral del dolor se produce entre 1 y 1,5 kg/cm2. Para un intruso equipado con un traje de buceo ligero, la presión de choque que provoca el choque corresponde a 4 kg/cm2. 20 kg/cm2 – presión de hidrocarburos que provoca la muerte. Cuando se utiliza un traje antiexplosión, 16 kg/cm2 y 40 kg/cm2, respectivamente.

Tabla 1. Umbrales para los efectos fisiológicos de una explosión submarina en una persona

Del que se muestra en la Fig. 2 gráficos muestran que para daños en un radio de 10 metros desde el punto de descarga de PD en un traje antiexplosivo, son suficientes 9 kWh de energía eléctrica almacenada en el dispositivo de almacenamiento.

 
Fig. Dependencia de la presión máxima en el frente de la onda de choque de la energía almacenada en el dispositivo de almacenamiento y de la distancia al punto considerado

Para justificar la posibilidad de crear medios de protección activa de las zonas de agua basados ​​en el uso del efecto electrohidráulico, es necesario evaluar los indicadores de peso y tamaño de la instalación y sus características energéticas.

El elemento de la instalación electrohidráulica que influye decisivamente en sus indicadores de peso y tamaño es la batería de condensadores que actúa como dispositivo de almacenamiento de energía. Capacidad de la batería de condensadores:

C=2Wi/U2, F (6)

donde Wi es la energía de un solo impulso, J ;
U – tensión de funcionamiento de la instalación, V.

La potencia consumida por la instalación de la red es igual a la potencia del cargador:

, ( 7)

donde h es la eficiencia de la instalación;
f es la frecuencia de repetición de pulsos, Hz.

Por ejemplo, una instalación con una tensión de funcionamiento de 10 kV y una frecuencia de repetición de impulsos de f = 0,01 Hz, capaz de crear un efecto de choque en 1000 m3 de agua, tiene una capacidad de almacenamiento C = 8200 μF. Su masa, cuando se realiza sobre condensadores de impulsos de alto voltaje K41I-7 [10], es de 4920 kg con un volumen de aproximadamente 3 m3. Potencia del cargador 7 kW.

Como ejemplo, comparemos el costo actual de matar a nadadores submarinos con los medios existentes y propuestos. Una de las granadas de mano RGD-5 utilizadas para el lanzamiento profiláctico de granadas tiene un radio de destrucción de un nadador equipado con un traje de neopreno antiexplosivo de 5 m. Su coste es de unos 70-80 rublos. Para garantizar un efecto similar cuando se utiliza un choque electrohidráulico, es suficiente 1 kWh de energía eléctrica, lo que cuesta entre 0,15 y 0,3 rublos por 1 kWh, lo que es más de 200 veces más barato. Una estimación aproximada del costo de dicho equipo técnico, los costos de su mantenimiento, por un lado, y los costos de capacitación y mantenimiento del personal, la obtención y almacenamiento de municiones, por el otro, sugiere que los costos no se pueden recuperar en más de 10 años.

Se ha recibido una patente para un medio de protección activa de áreas de agua basado en el uso del efecto electrohidráulico [15].

Para reducir los costos de energía, mejorar el peso y indicadores de tamaño y ampliar la funcionalidad de un medio de protección activa de áreas de agua basado en el uso del efecto electrohidráulico, es necesario desarrollar:

• metodología para calcular el retroceso de un intruso por impacto electrohidráulico;
• metodología cálculo diseños de partes lineales que permiten concentrar la energía en la dirección deseada;
• métodos de integración con medios de detección;
• soluciones de diseño de circuitos para la fuente y convertidor de EE de la parte lineal de este medio.

En conclusión, los autores expresan su agradecimiento al académico T.M. por la asistencia de consultoría brindada.

Literatura

1. Salamahin T.M. Fundamentos físicos de la acción mecánica de una explosión y métodos de determinación de cargas explosivas. Libro de texto — M.: VIA, 1974. 255 págs.
2. L.A. Yutkin. Efecto electrohidráulico. — M.: Mashgiz, 1955.51 p.
3. Yakovlev B.E., Maslennikov V.A. Explosión bajo el agua. — M.: Voenizdat, 1963. 80 p.
4. Merenov I.V., Smolin V.V. Manual del buzo.-L.: Construcción naval, 1985. 384 p.
5. Kuznetsov I.I. Guía del buceador. – M.: Editorial de Transporte Acuático, 1954. 180 págs.
6. Entrenamiento de buzos de tropas de ingenieros. – M.: Editorial Militar, 1980.
7. Manual del especialista del servicio de salvamento de emergencia de la Armada. Parte III. Buceo y fisiología especial. Trabajo técnico submarino — M.: Voenizdat, 1968.
8. Sedov L.I. Métodos de semejanza y dimensión en mecánica. 8ª edición revisada. – M.: Nauka, 1977. 440 págs.
9. Anufriev I.E. Manual de autoinstrucción MatLab 5.3/6.x — San Petersburgo: BHV-Petersburg, 2003. 736 págs.
10. Manual de condensadores eléctricos/M.I. Diakonov, V.I. Karabanov, V.I. Prisnyakov y otros; bajo general ed. I.I. Chetvertakov y V.F. Smirnova — M.: Radio y Comunicaciones, 1983. 576 págs.
11. Método de protección de peces Ya.Ya. Tochilova. Patente de invención N° 1692184. Fecha de publicación: 27/03/1995
12. Cole R.G. Explosiones submarinas — M.: Editorial de Literatura Extranjera, 1950.
13. Yassievich G.N. Estudio de un método de fabricación de pilotes perforados mediante el efecto electrohidráulico y su funcionamiento bajo carga vertical. Disertación de KTN. — L.: LISI, 1977. 225 p.
14. Kutuzov B.N. Trabajos de voladura.-M.: Nedra, 1980. 392 p.
15. Udintsev D.N. Maloguko L.A. Medio de protección activa de zonas acuáticas basado en el uso del efecto electrohidráulico. Patente de modelo de utilidad N° 33291. Prioridad de 26 de junio de 2003
16. K.A. Naugolnykh, N.A. Roy. Descargas eléctricas en agua. M.: Nauka, 1971. 155 págs.
17. Udintsev D.N. Creación de medios de protección activa de objetos ubicados cerca de zonas de agua. Aspecto fisiológico.//Equipamiento especial, 2003, 3, p. 21 – 24.
18. Udintsev D.N. Monitoreo de un volumen limitado de espacio acuático.//Equipos especiales, 2003, 2, p. 16 – 19.