Результат интеллектуальной деятельности: Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта

Изобретение относится к области подводного судостроения, а точнее к способам и системам регулирования рысканья подводных устройств, и может применяться для управления рысканьем буксируемых подводных объектов.

Известно техническое решение «Буксируемое подводное устройство с горизонтальной стабилизацией» (патент RU №2148003, В63В 21/66, опубл. 27.04.2000, Бюл. №12). Буксируемое подводное устройство с горизонтальной стабилизацией, содержит подводный носитель аппаратуры, снабженный носовым обтекателем и хвостовым стабилизатором и закрепленный на буксирующем кабель-тросе, в носовой и хвостовой частях подводного носителя установлены разгружающие поплавки, а на кабель-тросе размещены отягощающие грузы, компенсирующие выталкивающие силы поплавков.

К недостаткам данного способа стабилизации можно отнести малый диапазон скоростей буксировки, низкую маневренность самой подводной буксируемой системы, за счет того, что заглубитель и подводный объект соединены между собой.

Наиболее близким по технической сущности является «Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта» (патент RU №2657701 С1, опубл. от 14.06.2018). Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта, заключается в расположении узла крепления гибкой связи в верхней части подводного объекта, в выравнивании положения гидродинамическими силами путем компенсирования изменения кабрирующего момента при изменении скорости буксировки, при этом для выравнивания положения подводного объекта в носовой части буксируемого подводного объекта горизонтально располагают вал с возможностью изменения угловой скорости вращения в зависимости от скорости буксировки, при этом в погруженном состоянии осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки с помощью гидродинамических сил, возникающих при обтекании вращающегося вала и направленных перпендикулярно к потоку жидкости, которые направляют в сторону, противоположную направлению кабрирующего момента, а угловую скорость вращения вала изменяют в соответствии с изменением скорости буксировки.

К недостаткам данного технического решения можно отнести ограниченную маневренность подводного буксируемого объекта вследствие вращения вала, расположенного горизонтально в носовой части, только по часовой стрелке, что вызывает появление однонаправленной подъемной силы.

Решаемой технической проблемой является создание высокоэффективного способа управления рысканьем буксируемого подводного объекта, позволяющего повысить путевую устойчивость в большом интервале скоростей буксировки, а также увеличить маневренность буксируемого подводного объекта.

Технический результат изобретения заключается в повышении путевой устойчивости буксируемого подводного объекта в большом интервале скоростей буксировки, а также в снижении сопротивления движению подводного объекта со стороны обтекающей его жидкости, в увеличении маневренности подводного объекта.

Технический результат достигается тем, что за счет расположения узла крепления гибкой связи в верхней части подводного объекта на одной вертикали с центром отрицательной плавучести создают момент гидродинамической силы, положение подводного объекта при буксировке выравнивают возникающей при обтекании вращающегося вала подъемной силой, ориентированной по нормали к потоку жидкости, которую направляют в сторону, обратную направлению момента рысканья, при этом для выравнивания положения буксируемого подводного объекта в его носовой части устанавливают вращающийся вал, положение подводного объекта выравнивают установленным вертикально в носовой части вращающимся валом, с возможностью изменения циклической частоты и направления вращения вала, циклическую частоту вращения вала изменяют в зависимости от скорости движения подводного объекта, направление вращения вала изменяют в зависимости от того, в какую сторону необходимо направить подъемную силу. Тем самым повышается управляемость рысканьем в большом интервале скоростей буксировки, создается высокоэффективный способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта, также увеличивая его маневренность.

Для пояснения технической сущности к описанию прилагаются следующие чертежи:

- фиг. 1. Чертеж подводного объекта с указанием схемы сил и моментов;

- фиг. 2. График зависимости для приведенного в примере буксируемого подводного объекта.

Предлагаемое техническое решение основано на решении задачи управления рысканьем с возможностью использования известного физического явления, называемого эффектом Магнуса, возникающего при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа и вызывающего появление подъемной силы, воздействующей на вращающееся тело и обращенной по нормали к направлению потока. В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость набегающего потока, направление и циклическая частота вращения, направление и возникающая сила. Данная взаимосвязь для цилиндра задается следующей формулой (1):

(1), где:

;

Sв - площадь цилиндра (вала);

- циклическая частота вращения цилиндра;

ρ - плотность среды;

- относительная скорость набегающего потока.

Подъемной силой компенсируется гидродинамическая сила , определяющая момент рысканья, которая определяется следующей зависимостью (2):

(2), где:

- коэффициент лобового сопротивления;

- скорость потока жидкости;

- площадь сечения по миделю.

Момент рысканья определяется следующим равенством (3):

(3), где

Момент от подъемной силы можно найти следующим образом (4):

(4), где

.

Исходя из равенства момента рысканья и момента от подъемной силы имеем равенство (5):

(5)

или

Если представить как , а , то равенство (6) примет вид (7):

(7), после преобразования (7) получаем (8):

(8)

Сущность предлагаемого технического решения поясняется эскизом, приведенным на фиг.1, где:

1 - подводный объект;

2 - вращающийся вал;

3 - узел крепления с буксирующим тросом.

Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта реализуют следующим образом:

В носовой части подводного объекта 1 вертикально устанавливают вращающийся вал 2. При буксировке на низких скоростях путевую устойчивость подводного объекта обеспечивают благодаря тому, что точку закрепления А буксирующего троса 3 располагают на одной вертикали с центром отрицательной плавучести (точка О) (т.е. центром приложения равнодействующей силы веса G и водоизмещения) и над ним. При увеличении скорости буксировки повышается момент рысканья , стремящийся увести за собой переднюю часть подводного объекта вправо/влево. В то же время с увеличением скорости буксировки возрастает подъемная сила , уводящая носовую часть влево/вправо. При заданном соотношении циклической частоты вращения вала и направления его вращения подъемная сила уравновешивает момент рысканья и позволяет подводному объекту держаться заданной траектории (по рысканью). При существенном повышении скорости буксировки для выравнивания подводного объекта по рысканью, для увеличения подъемной силы , компенсирующей момент, увеличивают циклическую частоту вращения вала w и, при изменении направления момента рысканья, изменяют направление вращения вала 2. Все это позволяет повысить управляемость по рысканью в большом диапазоне скоростей буксировки, тем самым сделав способ управления путевой устойчивостью буксируемого подводного объекта высокоэффективным, а также увеличив маневренность подводного объекта.

Пример 1.

Пример выполнения ориентации буксируемого подводного объекта рысканью для ПО с размерами 1×1×1 м. Закрепление троса в средней верхней части буксируемого подводного объекта (с плечом гидродинамической силы =0,5 м). Для компенсирования посередине носовой части располагают вал с приводом от электродвигателя с возможностью регулирования оборотов и направления вращения. Пусть вал имеет размеры: длина =1м, радиус =0,1 м. Для случая установки вала в средней части плечом .Циклическую частоту вращения вала ω, необходимую для уравнивания момента по рысканью определяют из равенства =, то есть,исходя из формулы (8) получают зависимость (9):

(9).

При подстановке численных значений плеч (=0,5 м и ), длины вала (=1 м) и =1.5 получим зависимость (10) циклической частоты вращения вала, необходимой для поддержания путевой устойчивости подводного объекта от скорости его буксировки:

(10)

Зависимость для приведенного в примере буксируемого подводного объекта представлена на фиг. 2.

В результате имеется возможность путевого управления буксируемого подводного объекта с узлом крепления троса в верхней части в большом интервале скоростей буксировки, без увеличения гидродинамического сопротивления, т.к. изменение положения буксируемого подводного объекта по рысканью происходит только в результате изменения угловой скорости и направления вращения вала. Кроме того, появляется возможность оперативного воздействия на рысканье буксируемого подводного объекта, подстраивания буксируемого подводного объекта под изменения курса буксирующего объекта, повышается маневренность буксируемого подводного объекта.

По сравнению с известными аналогами, заявляемое техническое решение способа позволяет управлять рысканьем подводного объекта в большом диапазоне скоростей буксировки в результате выравнивания положения буксируемого подводного объекта за счет уравнивания изменений момента рысканья при изменении скорости буксировки, путем изменения направления вращения вала и изменения циклической частоты вращения вала в соответствии с изменением направления момента рысканья и скорости буксировки, что обеспечивает высокую эффективность «Способа управления рысканьем буксируемого подводного объекта».