НОСОВАЯ ОКОНЕЧНОСТЬ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

Изобретение относится к подводному судостроению, но может использоваться и в аэродинамике. Известна конструкция носовой оконечности (НО) подводной лодки (ПЛ), содержащая конформную антенну (КА) гидроакустического комплекса (ГАК) и ее звукопрозрачный обтекатель (патент РФ 2151712).

Известны также конструкции ПЛ, НО которых для обеспечения минимальных гидроакустических (ГА) помех выполняется эллиптической формы (Быховский И.А. Атомные подводные лодки. - Л.: Судпромгиз, 1963, с.15,40) - прототип изобретения.

Для обводов НО ПЛ с точки зрения минимальных гидродинамических помех наиболее оптимальной считалась форма вытянутого вдоль ПЛ полуэллипсоида вращения с отношением полуосей (удлинением) формообразующего эллипса a/b не менее 2, а лучше 4-5.

Для КА ГАК, установленных в НО ПЛ, наиболее оптимальной формой рабочей поверхности является сегмент сферы, круговой бочки, сопряженный с двумя бортовыми цилиндрами.

При попытке совместить эти оптимумы оказывается, что в носовой части оконечности образуется весьма значительная зона с существенно увеличенным расстоянием между рабочей поверхностью КА и внутренней поверхностью обшивки ее звукопрозрачного обтекателя (см. фиг.1).

В этой зоне происходит многократное переотражение звука различной природы (шумы моря, судоходства, ненаблюдаемых целей и пр.), образующее значительное, т. н. "боковое поле" (ореол характеристики направленности (ХН), резко снижающее помехоустойчивость и эффективность КА, особенно по малошумным целям. В этом случае существенно уменьшается и рабочая поверхность КА.

Попытка избавиться от "бокового поля" приближением эллиптического обтекателя к поверхности антенны приводит к приполнению обводов (уменьшению удлинения a/b) и росту гидродинамической турбулентной помехи, а приближением антенны к обтекателю - к существенному уменьшению апертуры и площади рабочего пятна КА, в особенности в наиболее важных носовых углах обзора.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить эти противоречия и создать такую образующую тела вращения в НО ПЛ, которая позволила бы при наиболее оптимальной форме рабочей поверхности КА и без ее уменьшения не привести к росту гидродинамической турбулентной помехи при обтекании тела вращения потоком жидкости.

Это достигается тем, что оконечность выполнена в виде тела вращения, образующая которого представляет собой результат нелинейной Х-инверсии окружности с радиусом поперечного сечения наружного корпуса ПЛ в его цилиндрической части.

На фиг. 1 в плане по оси корпуса изображена известная (прототип) НО эллиптической формы с КА ГАК.

На фиг.2 изображена предлагаемая НО.

На фиг.3 пунктиром показано линейное преобразование окружности радиуса R - линейная Х-инверсия окружности; сплошной линией показана предлагаемая нелинейная Х-инверсия той же окружности.

Предлагаемая носовая оконечность ПЛ (см. фиг.2) включает конформную антенну 1 и ее звукопрозрачный обтекатель 2 и выполнена в виде тела вращения, образующая которого представляет собой результат нелинейной Х-инверсии окружности.

В известном решении (см. фиг.1) причиной роста гидродинамической турбулентной помехи является появление в точке сопряжения носовой образующей обвода (полуэллипса) с цилиндрической частью корпуса ПЛ резкого скачка радиуса кривизны образующей - линий тока по поверхности тела вращения. Так, например, радиус кривизны эллиптической образующей в точке ее сопряжения с цилиндрической частью корпуса для эллипса с a/b=2 будет равен 4b с резким скачком к радиусу, равному бесконечности (у образующей цилиндрической части корпуса). При этом создаются условия для отрывного обтекания, что подтверждается экспериментами в кавитационной трубе.

Вывод о причине роста помехи подтверждается также исследованиями, выполненными в 20-х годах в ЦАГИ К.К.Федяевским (будущим академиком) в "Материалах по аэродинамическому расчету воздушных кораблей" (Труды ЦАГИ, вып. 151, ч.I; вып.178, ч. II; вып.225), где содержаться, в частности, такие рекомендации:
- радиус кривизны образующей тела вращения должен увеличиваться или, по крайней мере, оставаться постоянным от носа к корме;
- в местах сочленения двух кривых их радиусы должны быть равны.

Предлагается максимально возможное, существенное увеличение радиуса кривизны образующей тела вращения при ее подходе к цилиндрической части корпуса ПЛ.

Сущность предлагаемой нелинейной Х-инверсии окружности наиболее просто может быть показана путем сопоставления с известным линейным преобразованием (линейной Х-инверсией) той же окружности при использовании эллиптической образующей тела вращения в НО ПЛ.

Известно, что эллипс может быть представлен в виде растянутой в одном направлении окружности, т. е. если абсциссы всех точек окружности будут увеличены в "n" раз, а ординаты останутся без изменения, то исходная окружность будет преобразована в эллипс (см. фиг.3).

Исходная окружность радиуса R с центром в точке О. При линейном преобразовании (инверсии) окружности по оси X абсциссы точек окружности увеличиваются в "n" раз (n=OA/R; ОА=ОВ). Отрезок OВ является при этом графиком линейного преобразования (инверсии) окружности в эллипс (а=ОА; в=R) - показано пунктиром.

Дуга OВ радиуса R_н, построенная на ОВ, как на хорде, является графиком нелинейного преобразования (инверсии) окружности.

При увеличении R_н до бесконечности, график нелинейной инверсии превращается в хорду OВ, т.е. в график линейной инверсии.

Геометрическое место центров R_н - перпендикуляр через середину отрезка OВ. При нахождении центра R_н на оси X дуга OВ будет графиком максимальной Х-инверсии данной окружности для принятого удлинения образующей.

Построение точек образующей, полученной путем нелинейной Х-инверсии окружности радиуса R, показано сплошными линиями (см. фиг.3).

Из фиг. 3, выполненной в относительном масштабе, видно, что радиус кривизны предложенной образующей в точке сопряжения с цилиндрической частью корпуса ПЛ существенно больше радиуса кривизны эллипса того же удлинения.

Плавный характер изменения кривизны полученной образующей обеспечивается монотонным изменением графика нелинейной инверсии (без разрывов, перегибов и экстремумов).

Таким образом, предложенная нелинейная Х-инверсия окружности позволяет решать задачу приполнения в широком геометрическом диапазоне обводов НО ПЛ с оптимизацией гидродинамической турбулентной помехи для обеспечения размещения и работы КА, а также других систем и устройств в НО ПЛ.