Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта
Владельцы патента RU 2757516:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (RU)
Изобретение относится к области подводного судостроения и касается регулирования рысканья подводных устройств. Предложен способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта, заключающийся в том, 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. Технический результат заключается в повышении путевой устойчивости буксируемого подводного объекта, в снижении сопротивления движению подводного объекта, в повышении маневренности подводного объекта. 2 ил.
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».
Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта, заключающийся в том, 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, отличающийся тем, что 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.
