Лабораторное исследование влияния морской пены на рассеяние радиолокационного сигнала.

Доклад посвящен серии лабораторных экспериментов по исследованию переноса импульса в пограничном воздушном слое в присутствии пены на поверхности воды, а также ее влияния на обратное рассеяние радиолокационного сигнала.
Эксперименты проводились на Высокоскоростном ветро-волновом канале Большого термостратифицированного бассейна ИПФ РАН. Канал имеет поперечное сечение 0,4 м x 0,4 м над поверхностью воды и длину 10 м, диапазон скоростей воздушного потока на оси канала составляет 3-25 м/с. Измеренное значение коэффициента поверхностного натяжения составляет 0,0 Н/м. Для создания устойчивой пены с фиксированной плотностью на поверхности воды использовалось специально разработанное устройство (пеногенератор). Устройство состоит из двух диффузоров (трубок длиной 35 см диаметра 1 см с боковыми отверстиями диаметром 2 мм с шагом 7 мм), соединенных боковыми поверхностями друг с другом, обернутых в поролон. Устройство располагалось горизонтально, перпендикулярно каналу, с заглублением верхней части на 2.5 см. Расстояние от начала канала - 1.2 м. Через один из диффузоров под давлением высоты уровня 1.5 м поступает раствор пенообразующего вещества (основной компонент лаурилсульфат натрия), через второй диффузор подается сжатый воздух (1.5 атм) для продавливания раствора пенообразующего вещества через слой поролона. В результате на поверхности воды образуется мелкодисперсная пена. В ходе экспериментов уровень раствора вещества и давления сжатого воздуха поддерживались постоянными, что обеспечивало постоянный расход пены. Специальная серия измерений, направленных на оценку влияния пеногенератора на поверхностное волнение в случае, когда в систему подается только сжатый воздух, показала, что изменения параметров поверхностного волнения по сравнению с полностью отключенной системой пеногенерации незначительны.
Характеристики волнения в канале измерялись антенной их трех волнографов резистивного типа, расположенными в углах треугольника равной стороны со стороной 2,5 см, частота дискретизации данных составляла 100 Гц. Такая система позволяет восстанавливать пространственно-временные спектры поверхностных волн: от частоты волны, волнового числа и угла относительно направления ветра. Верхний предел спектра волновых чисел определяется расстоянием между волнографами в антенне и равен 1,25 рад/см.
Анализ результатов показал, что наличие пены изменяет спектры поверхностных волн. Самым ярким эффектом является подавление эффекта снижения пиковых частоты и волнового числа с увеличением скорости ветра. Было показано, что присутствие пены вызывает заметное уменьшение энергии поверхностных волн. Этот эффект увеличения диссипации поверхностных волн в присутствии пены подтверждается зависимостями значимой высоты волны от скорости трения ветра. В сочетании со снижением пикового волнового числа это приводит к сильному уменьшению среднеквадратичного уклона. Следовательно, наличие пены на поверхности воды должно приводить к уменьшению нелинейности поля поверхностных волн и уменьшению сопротивления формы. Однако, несмотря на уменьшение сопротивления формы волны, коэффициент сопротивления поверхности увеличивается, когда пена присутствует на поверхности воды, так как присутствие пены вызывает дополнительную шероховатость, не связанную с волнами.
Микроволновые измерения проводились с помощью когерентного допплеровского скаттерометра Х-диапазона с длиной волны 3,2 см с последовательным приемом линейных поляризаций. Антенна скаттерометра представляла собой пирамидальный рупор с квадратным сечением 224 мм x 224 мм и длиной 680 мм, который был оснащен разделителем ортогональных поляризаций (ОМТ) с разделением поляризаций более чем 40 дБ; ширина диаграммы направленности составляла 9 градусов. Абсолютное значение эффективной площади рассеяния (ЭПР) взволнованной поверхности воды определялось путем сравнения рассеянного сигнала с сигналом, отраженным от калибратора с известным значением ЭПР – металлического шарика диаметром 6 см. Окно наблюдения имело размеры 40 см x 40 см, угол падения составлял 30, 40 и 50 градусов в направлении навстречу ветру, расстояние до цели выбиралось равным 3,16 м, крышка рабочей части была изготовлена из радиопрозрачного материала (тефлона) толщиной 8 мм.
По результатам радиолокационных измерений был сделан вывод, что наличие пены снижает УЭПР взволнованной водной поверхности. Пенные образования концентрируются в основном на гребнях и передних склонах ветровых волн, которые вносят основной вклад в рассеяния радиоволн. Это может объяснить эффект уменьшения суммарной УЭПР: пена, обладающая меньшими отражающими свойствами, маскирует основные рассеиватели на взволнованной водной поверхности. Второй механизм, связан с влиянием пены на короткие волны, по аналогии с пленками ПАВ.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 18-35-20068 и гранта Президента МК-144.2019.5.