СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛАВУЧЕСТИ ПОДВОДНОГО АППАРАТА
UNDERWATER VEHICLE BUOYANCY CHANGING SYSTEM

Изобретение относится к подводной технике и предназначено для использования на автономных подводных аппаратах для изменения их плавучести.
Известна уравнительная система подводных аппаратов, в которой изменение плавучести осуществляется с помощью заместительной емкости (Авторское свидетельство СССР №329752, опубликовано 07.02.85. бюллетень №5).
Система включает в себя заместительную емкость, гидравлический насос с приводом и газогидравлический аккумулятор. Заместительная емкость выполнена в виде навитой на прочный корпус трубы, один конец которой соединен с помощью насоса с газогидравлическим аккумулятором, а другой сообщен с забортной водой, причем в трубу вмонтирован подвижный поршень в качестве разделителя сред. Изменение плавучести осуществляется путем перекачивания с помощью гидравлического насоса рабочей жидкости от газогидравлического аккумулятора в трубу и наоборот.
Однако данная система обладает следующими недостатками:
1) Наличие подвижного поршня в изогнутой трубе снижает надежность системы и не позволяет ее использовать в подводных аппаратах небольшого диаметра.
2) Необходимость герметизации подвижного поршня в трубе приводит к появлению значительных сил трения при его перемещениях, что снижает коэффициент полезного действия системы и делает нецелесообразным применение системы в автономных подводных аппаратах на больших глубинах.
3) Включение реверсивного гидравлического насоса с электрическим приводом как при увеличении, так и при уменьшении плавучести аппарата не обеспечивает высокого быстродействия системы изменения плавучести и приводит к большому расходу электроэнергии, что является препятствием для использования системы в автономных подводных аппаратах.
Наиболее близким техническим решением (прототип) является система изменения плавучести подводного зонда (Авторское свидетельство СССР №1125575, опубликовано 23.11.84, бюллетень №43).
Система содержит емкость с рабочим телом, ресивер, одна часть полости которого связана с внешней средой, а вторая, выполненная герметичной, соединена магистралью с емкостью, при этом в магистраль встроен обратный клапан. Система отличается тем, что с целью увеличения времени автономной работы и увеличения предельной глубины погружения подводного зонда в него введены вторая магистраль с встроенным в нее электрогидроклапаном, соединяющая герметичную полость ресивера с емкостью, прибор управления системой изменения плавучести подводного зонда, содержащий датчик давления и электронную схему, насосная станция, встроенная в первую магистраль между емкостью и обратным клапаном, при этом цепи питания электрогидроклапана и насосной станции соединены с электронной схемой прибора управления, а в качестве рабочего тела используется жидкость.
Однако данная система имеет следующие недостатки:
5
1) Для создания отрицательной плавучести (для погружения) открывается электрогидроклапан и рабочая жидкость перетекает из ресивера в емкость с рабочим телом под давлением окружающей водной среды (1…2)·10 Па, что соответствует глубине 10…20 м. В связи с этим система не может быть использована в автономных подводных аппаратах, периодически всплывающих на поверхность воды.
2) Для создания положительной плавучести (для всплытия) включается насосная станция, которая, преодолевая гидростатическое давление, перекачивает рабочую жидкость в герметичную полость ресивера. Этот процесс требует больших затрат времени, что снижает быстродействие системы изменения плавучести, а для автономного подводного аппарата увеличивает риск его потери в аварийной ситуации. Быстродействие системы может быть повышено путем увеличения производительности насосной станции и мощности ее электропривода. При этом увеличиваются масса, габариты и шумность насосной станции, а также ток потребления от источника питания. Следует также учитывать, что малогабаритные источники питания большой электрической емкости имеют существенные ограничения на максимальный ток потребления. Все это препятствует применению данной системы в подводных аппаратах, предназначенных для длительной автономной работы и многократных погружений на большие глубины.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия системы изменения плавучести подводного аппарата, увеличение продолжительности его автономной работы и обеспечение возможности его работы во всем диапазоне глубин погружения - от нуля до максимума.
Технический результат достигается тем, что в систему изменения плавучести подводного аппарата, содержащую емкость с рабочим телом, ресивер, одна часть полости которого связана с внешней средой, а вторая выполнена герметичной и соединена магистралью с емкостью с рабочим телом, насосную станцию, вход которой подключен к емкости с рабочим телом, прибор управления системой изменения плавучести, содержащий датчик давления и электронную схему, а в качестве рабочего тела используется жидкость, введены пневмогидравлический аккумулятор и четыре электрогидроклапана, один из которых включен в магистраль, соединяющую емкость с рабочим телом с ресивером, второй включен в магистраль, соединяющую выход насосной станции с ресивером, третий включен в магистраль, соединяющую выход насосной станции с пневмогидравлическим аккумулятором, четвертый включен в магистраль, соединяющую пневмогидравлический аккумулятор с ресивером, причем управляющие входы всех электрогидроклапанов и насосной станции соединены с соответствующими выходами электронной схемы прибора управления плавучестью, а емкость с рабочим телом выполнена герметичной и состоит из двух частей, разделенных гибкой мембраной, причем одна часть вакуумирована, а другая часть подключена к гидравлической магистрали.
Структурная схема системы изменения плавучести изображена на рис. 1 и содержит следующие функциональные узлы:
1 - ресивер, одна часть полости которого связана с внешней средой, а вторая выполнена герметичной и соединена с гидравлической системой, причем две части полости ресивера разделены гибкой мембраной;
2 - емкость с рабочей жидкостью, одна часть полости которого выполнена герметичной и вакуумирована, а вторая также выполнена герметичной и соединена с гидравлической системой, причем две части полости емкости разделены гибкой мембраной;
3 - пневмогидравлический аккумулятор;
4 - насосная станция с электроприводом;
5, 6, 7, 8 - электрогидроклапаны, обеспечивающие работу гидравлической системы в различных режимах;
9 - датчик давления окружающей среды;
10 - электронная схема, представляющая собой программируемый микроконтроллер;
11 - источник питания.
Система изменения плавучести подводного аппарата функционирует следующим образом. Пневмогидравлический аккумулятор 3 предварительно заряжен воздухом (или азотом) до давления, превышающего гидростатическое давление, соответствующее заданной максимальной глубине погружения.
Когда аппарат находится на поверхности, все электрогидроклапаны закрыты, насосная станция 4 выключена, а большая часть рабочей жидкости находится в ресивере 1. При этом аппарат имеет положительную плавучесть.
Для начала погружения электронная схема 10 формирует управляющий сигнал, который открывает электрогидроклапан 6. При этом атмосферное давление вытесняет рабочую жидкость из ресивера 1 в вакуумную емкость 2. Аппарат приобретает отрицательную плавучесть и начинает погружение в воду. Глубина и скорость погружения оцениваются по выходному сигналу датчика гидростатического давления 9. Когда скорость погружения достигает заданной величины, электрогидроклапан 6 закрывается, а погружение продолжается с заданной скоростью.
Во время погружения по команде, формируемой электронной схемой 10, открывается электрогидроклапан 5 и включается насосная станция 4. При этом рабочая жидкость перекачивается из емкости 2 в пневмогидравлический аккумулятор 3. Следует отметить, что в этом режиме не требуется высокая производительность насосной станции и в ней может быть использован маломощный электропривод. По окончании перекачки рабочей жидкости в пневмогидравлический аккумулятор 3 электрогидроклапан 5 закрывается, а насосная станция 4 выключается.
При достижении подводным аппаратом заданной глубины погружения по команде, формируемой электронной схемой 10, открывается электрогидроклапан 8, рабочая жидкость под давлением газа в пневмогидравлическом аккумуляторе 3 быстро вытесняется в ресивер 1, подводный аппарат получает положительную плавучесть и переходит от погружения к всплытию. При достижении заданной скорости подъема по команде, формируемой электронной схемой 10, электрогидроклапан 8 закрывается, подводный аппарат всплывает на поверхность.
Следует отметить, что в аварийной ситуации, когда необходимо обеспечить максимальное быстродействие системы изменения плавучести, одновременно открываются электрогидроклапаны 7 и 8 и включается насосная станция 4. При этом рабочая жидкость из емкости 2 и пневмогидравлического аккумулятора 3 перекачивается в ресивер 1 с максимальной скоростью и подводный аппарат быстро переходит к всплытию.
При работе подводного аппарата на малых глубинах целесообразно применить экономичный режим, в котором не используется пневмогидравлический аккумулятор 3. При подходе аппарата к максимальной заданной глубине заблаговременно открывается электрогидроклапан 7 и включается насосная станция 4. Рабочая жидкость перекачивается из емкости 2 непосредственно в ресивер 1, увеличивая плавучесть аппарата.
Таким образом, описанная система изменения плавучести подводного аппарата обладает функциональной гибкостью и позволяет реализовать различные алгоритмы управления плавучестью в разных ситуациях и режимах работы аппарата, в том числе в аварийных. Данная система изменения плавучести позволяет работать во всем диапазоне глубин погружения - от нуля до максимума, обладает высоким быстродействием и большой продолжительностью автономной работы.
В экспериментальном образце описанной системы изменения плавучести подводного аппарата были применены следующие основные узлы: пневмогидравлический аккумулятор ZILMET INOX-PRO емкостью 1 л, ресивер и вакуумная емкость с резиновыми разделительными мембранами, насосная станция, состоящая из гидравлического насоса Caproni ООА(С) 0,25Х032 производительностью 0,25 мл на оборот и шагового электродвигателя FL 42STH47-0406A, электрогидроклапаны YCSM3101GBV. В качестве рабочей жидкости в гидравлической системе использовано масло, в вакуумной емкости создано разряжение с давлением порядка 30 кПа, а в пневмогидравлический аккумулятор закачан азот под давлением 15 МПа.
Экспериментальный образец системы изменения плавучести был установлен на автономном подводном аппарате, натурные испытания которого были проведены летом 2014 года в акватории Саратовского водохранилища р. Волги в районе г. Самары. Испытания подтвердили работоспособность системы во всех режимах работы, ее высокое быстродействие и целесообразность ее использования в подводных аппаратах, предназначенных для длительной автономной работы на различных глубинах.