miniatura|300x300px|Un objecte (negre) troba un líquid (blau) a alta velocitat. La pressió del fluid darrere de l'objecte es redueix per sota de la pressió de vapor del líquid, formant una bombolla de vapor (una cavitat) que envolta l'objecte i redueix l'arrossegament.
En enginyeria hidrodinàmica, la supercavitació és la generació artificial d'una bombolla de cavitació per reduir la fricció superficial d'un objecte submergit i permetre un desplaçament a alta velocitat. Les aplicacions inclouen torpedes i hèlixs, però en teoria, la tècnica es podria estendre a tot un vaixell submarí.miniatura|1. Cavitacions generades 2. Cavitacions a la part posterior de l'hèlix 3. Les cavitacions desapareixen de l'hèlix 4. Gir 5. Direcció de navegació del vaixell 6. Corrent d'aigua basat en una hèlix
Principi físic La cavitació és l'ebullició interna d'un líquid causada per un flux ràpid al voltant d'un objecte. El flux de fluids al voltant de cantonades afilades requereix gradients de pressió molt grans, i en particular pressions molt baixes "més enllà de la cantonada". En aquestes zones, la pressió pot caure per sota de la pressió de vapor, punt en què el líquid bull.
El potencial de cavitació es mesura pel nombre de cavitació adimensional, que és igual a la diferència entre la pressió local i la pressió de vapor, dividida per la pressió dinàmica. A profunditats (o pressions de canonada) creixents, el potencial de cavitació és menor perquè la pressió local és molt més lluny de la pressió de vapor.
La cavitació es considera normalment una molèstia en l'enginyeria hidrodinàmica, ja que les bombolles de cavitació alliberades de la superfície implosionen posteriorment. La implosió genera petits impulsos concentrats que poden danyar superfícies com les hèlixs dels vaixells i els impulsors de les bombes.
Un objecte supercavitant és un objecte submergit a alta velocitat que està dissenyat per iniciar i mantenir una bombolla de cavitació al seu nas. La bombolla s'estén (sigui de manera natural o augmentada amb gas generat internament) més enllà de l'extrem posterior de l'objecte i evita el contacte entre els costats de l'objecte i el líquid. Aquesta separació redueix substancialment la fricció superficial de l'objecte supercavitant.
Una característica clau de l'objecte supercavitant és el nas, que normalment té una vora afilada al voltant del seu perímetre per formar la bombolla de cavitació. El nas pot estar articulat i tenir la forma d'un disc pla o con. La forma de l'objecte supercavitant és generalment esvelta, de manera que la bombolla de cavitació envolta l'objecte. Si la bombolla no és prou llarga per envoltar l'objecte, especialment a velocitats més lentes, la bombolla es pot ampliar i estendre injectant gas a alta pressió a prop del nas de l'objecte.
La velocitat molt alta necessària per a la supercavitació es pot assolir temporalment mitjançant projectils disparats subaquàticament i projectils que entren a l'aigua. Per a una supercavitació sostinguda, s'utilitza la propulsió de coets, i el gas de coet d'alta pressió es pot dirigir cap al nas per millorar la bombolla de cavitació.
La principal dificultat d'enginyeria en el disseny de supercavitació és l'estabilitat: com que un vehicle supercavitant completament encapsulat en una bombolla ja no està submergit, no experimenta cap força de flotació. Una alternativa només conté parcialment el vehicle a la bombolla, suportat per una part posterior submergida, però aquestes situacions equilibren entre el suport i l'augment de la resistència aerodinàmica.
En principi, els objectes supercavitants es poden maniobrar mitjançant diversos mètodes, inclosos els següents: Aletes d'arrossegament que es projecten a través de la bombolla cap al líquid circumdant Un nas d'objecte inclinat Gas injectat asimètricament a prop del nas per distorsionar la geometria de la cavitat Vectorització de l'empenta del coet a través del gimbal per a un sol broquet Empenyiment diferencial de múltiples broquets
Aplicacions Les principals aplicacions de la supercavitació són les hèlixs supercavitacionals i el torpede supercavitacional.
Les hèlixs supercavitacionals s'instal·len en vaixells militars, vaixells de regates d'alt rendiment i vaixells de regates en miniatura. Estan dissenyades per forçar la cavitació a tota la cara davantera a alta velocitat. La cavitat s'esfondra molt per darrere de la pala, evitant l'espalació que s'observa quan les hèlixs convencionals caviten accidentalment.
Els torpedes supercavitatoris s'han utilitzat com a mínim a les marines soviètica (i russa), nord-americana, alemanya i iraniana. A petita escala, la munició supercavitatòria s'usa amb armes de foc submarines alemanyes i russes i altres armes similars.
La Marina Soviètica va desenvolupar el primer torpede supercavitacional a gran escala, el VA-111 "Shkval". El Shkval utilitza propulsió de coet per aconseguir una velocitat màxima de , superant la velocitat dels torpedes convencionals per almenys un factor de cinc. Va començar el desenvolupament el 1960 amb el nom en clau "Шквал" (Tempesta). El VA-111 Shkval ha estat en servei (exclusivament a la Marina Soviètica, aleshores russa) des del 1977, i la producció en massa va començar el 1978. Es van desenvolupar diversos models, sent el més reeixit l'M-5, completat el 1972. Del 1972 al 1977, es van dur a terme més de 300 llançaments de prova (el 95% dels quals al llac Issyk Kul).
El 1994, la Marina dels Estats Units va començar el desenvolupament del Sistema de Neteja de Mines Rapida a l'Aire (RAMICS), un sistema de neteja de mines al mar inventat per C Tech Defense Corporation. C Tech va proposar un projectil supercavitacional estable tant a l'aire com a l'aigua. L'any 2000 a Aberdeen Proving Ground, els projectils RAMICS disparats des d'un vaixell de combat Sea Cobra en suspensió van destruir amb èxit una sèrie de mines submarines vives. El març de 2009, Northrop Grumman va completar la fase inicial de proves RAMICS per a la seva introducció a la flota.
Els EUA també van publicar informació sobre torpedes antibuc supercavitatoris el 2004,Supercavitating Torpedo - A rocket torpedo that swims in an air bubble (2004) PopularScience cosa que va fer que diverses marines els seguissin ràpidament. El 2006, el fabricant d'armes alemany Diehl BGT Defence va anunciar el seu propi torpede supercavitatori, el Barracuda, ara oficialment anomenat (). Segons Diehl, arriba a velocitats superiors a . El mateix any, l'Iran va afirmar haver provat amb èxit el seu primer torpede de supercavitació, l'Hoot (Balena), els dies 2 i 3 d'abril de 2006. Algunes fonts han especulat que es basa en el torpede de supercavitació rus VA-111 Shkval, que viatja a la mateixa velocitat. El ministre d'Afers Exteriors rus, Sergey Lavrov, va negar haver subministrat la tecnologia a l'Iran.
El 2004, la DARPA dels EUA també va anunciar el programa Underwater Express, un programa de recerca i avaluació per demostrar l'ús de la supercavitació per a una aplicació d'embarcacions submarines d'alta velocitat. L'objectiu final de la Marina dels EUA és una nova classe d'embarcacions submarines per a missions litorals que puguin transportar petits grups de personal de la marina o càrrega militar especialitzada a velocitats de fins a 100 nusos. La DARPA va adjudicar contractes a Northrop Grumman i General Dynamics Electric Boat a finals del 2006, tot i que Electric Boat va tenir dificultats per construir fins i tot un model a escala. El 2014, Juliet Marine Systems tenia un prototip de vaixell anomenat Ghost, un catamarà supercavitatori, cosa que va impulsar la Marina xinesa a intentar construir el seu propi. Dos anys més tard, l'R+D va continuar als EUA.
El 2025, l'ADD sud-coreà va començar les proves del seu propi vehicle submarí de supercavitació.
Referències
Categoria:Dinàmica de fluids