МАЛОШУМНЫЙ САМОДВИЖУЩИЙСЯ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ
LOW-NOISE SELF-PROPELLED UNDERWATER VEHICLE

Изобретение посвящено решению проблемы снижения шума, возникающего при движении подводных аппаратов, что необходимо для затруднения их обнаружения при приближении к цели, а также для снижения помех работе бортовой акустической аппаратуры.
Современные подводные лодки в крейсерском подводном режиме движения имеют следующие основные источники акустического излучения: 1) - шум силовой установки, 2) - шум ходовых винтов, 3) шум турбулентности обтекающего аппарат потока воды, 4) шум из за вихреобразования в спутном следе, возникающего из за срыва потока обтекания в пограничном слое диффузорной части обводов корпуса, 5) - волновое акустическое излучение, обусловленное конечной скоростью распространения звуковой волны в воде, 6) шум от кавитации при малых глубинах погружения.
Известные меры борьбы с указанными шумами отражены в научной статье: В.Н. Пархоменко, В.В. Пархоменко «Снижение шумности отечественных подводных лодок в период с 1965 по 1995 г.», журнал «Фундаментальная и прикладная гидродинамика», 2012 г., том 5, №2, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, С. Петербург. Они сводятся к совершенствованию составных частей поводного судна, а именно - к уменьшению вибраций и виброизоляции силовой установки, к оптимизации формы числа и расположения ходовых винтов, к совершенствованию формы обводов корпуса судна, к уменьшению излучательной способности корпуса судна, например за счет повышения его жесткости путем отказа от двойного корпуса, и др. (см. «Метод акустического проектирования подводных лодок» на стр. 56, фиг. 5 вышеуказанного источника).
Недостатком вышеприведенных мер снижения шумности является то, что совершенствование системы осуществляется лишь за счет совершенствования отдельных ее элементов без изменения структуры самой системы. Эффективность таких мер оценивается суммой эффективности акустического совершенствования отдельных элементов с получением суммарного результата. И результат этот недостаточно высок, т.к. качество двигателя, винтов и гидродинамических форм допускает лишь небольшое усовершенствование, не превосходящее нескольких процентов по уровню шумности. Для достижения явного тактического превосходства требуется радикальное - кратное снижение уровня шумности. А этого невозможно добиться без изменения структурной схемы подводного аппарата в целом. Т.е. требуется новое - изобретательское решение.
Целью предлагаемого изобретения является радикальное снижение шумности самодвижущегося подводного аппарата.
Предлагается малошумный самодвижущийся подводный аппарат, содержащий обтекаемый корпус с расположенной внутри него силовой установкой, соединенной с движителем. Цель изобретения достигается тем, что поверхность корпуса покрыта гибкими лентами, уложенными вдоль направления движения аппарата и имеющими взаимное перекрытие в поперечном направлении. Причем указанные ленты выполнены в виде колец, которые замыкаются посредством роликов через специальный тоннель, сообщающийся по давлению с окружающей средой и проложенный внутри корпуса аппарата, а также соединяются с двигателем, предназначенным для синхронной перемотки лент во время движения. Если ленты перематывать со скоростью движения воды, обтекающей аппарат, то на большей части поверхности скорость движения воды относительно поверхности лент будет нулевая. Следовательно исчезнет градиент скорости в пограничном слое. Т.е. исчезнет вязкостное трение. При этом исчезнут также и условия, необходимые для перехода ламинарного режима обтекания в турбулентный. Это условие нарушается только на некоторых участках длины корпуса в носовой и кормовой частях. Однако длина этих участков сравнительно невелика, и на большей их части разность скоростей потока и лент также невелика. Поэтому в этих участках обтекания также удается избежать выполнения всех условий, необходимых для развития турбулентности и для отрыва пограничного слоя от поверхности аппарата. Все это означает, что при данной скорости движения аппарата лобовое сопротивление обуславливается только ламинарным течением потока в носовой и кормовой частях, которое заведомо многократно меньше нормального гидродинамического сопротивления, большая часть которого обусловлена турбулентным механизмом передачи импульса, а также вихреобразованием, в спутном следе, возникающим из за отрыва пограничного слоя в кормовой части. Многократное снижение лобового сопротивления аппарата, в свою очередь, позволяет многократно уменьшить мощьность двигателя для поддержания крейсерского режима движения аппарата с соответствующим снижением мощности. Соответственно снижению мощности будут снижены шумы силовой установки и вихреобразование винта, который будет поддерживать крейсерскую скорость движения аппарата, находясь в режиме, близком к флюгерному, который также характеризуется кратным снижением шумности, по сравнению с режимом нормальной тяги.
Изобретение поясняется нижеследующим детальным описанием примера выполнения и двумя фигурами.
На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого аппарата в разрезе.
На фиг. 2 изображено увеличенное поперечное сечение аппарата, проходящее через плоскость А-А, показанную на фиг. 1.
Предлагаемый подводный аппарат содержит обтекаемый корпус 1, поверхность которого на большей части площади покрыта эластичными лентами 2. Ленты 2 располагаются на наружной поверхности корпуса 1в продольном направлении и с взаимным винтообразным перекрытием в поперечном направлении (см. фиг. 2).
В носовой и кормовой частях корпуса имеются щели 3, через которые ленты 2 входят внутрь корпуса. При этом за счет расположенных у щелей 3 роликов 4 ленты 2 направляются в тоннель 5, который сообщается с окружающим подводным пространством. Посредством тоннеля 5 ленты 2 замыкаются в кольцо. На фигуре 1 показано только два таких кольца. При этом у щелей 3 ролики 4 располагаются кольцеобразно и соединяются между собой посредством эластичных муфт 6, а также соединяются с двигателем 7, служащим для синхронной перемотки лент 2. Вспомогательные ролики 8 служат для проводки лент 2 по тоннелю 5. Причем у роликов 4 имеются реборды 9, которые входят в продольные канавки 10, выполненные на внутренней стороне каждой из лент 2. Все ленты 2 могут быть замкнуты через общий тоннель 5 и с совмещением части вспомогательных роликов 8. В другом варианте возможно каждое кольцо замкнуть через отдельный тоннель, сделав т.о. конструкцию симметричной.
В кормовой части аппарата установлен ходовой винт 11, соединенный с двигателем 12. Профиль лопастей винта 11 оптимизирован на минимум гидродинамического сопротивления при числе оборотов, соответствующих флюгерному режиму (т.е. режиму нулевой тяги).
Функционирует предлагаемый подводный аппарат следующим образом. С помощью ходового винта 11, или с помощью стартового ускорителя, аппарату сообщают требуемую скорость перемещения под водой. Одновременно включают перемотку лент 2 со скоростью, равной скости движения аппарата. Затем снижают обороты винта 11 до режима, соответствующего уменьшенной тяге в крейсерском режиме. Требуемая тяга при постоянной скорости движения определяется гидродинамическим сопротивлением аппарата. На тех участках поверхности аппарата, где скорость движения набегающего потока воды равна скорости перемотки лент 2, гидродинамическое сопротивление аппарата на единицу площади поверхности равно нулю. Получить такое равенство скоростей можно на цилиндрическом участке «а» корпуса, площадь которого обычно является преобладающей. На носовом и переходном участках «б» и «в» скорости будут немного отличаться. Однако обтекание в этих зонах ламинарное, т.к. турбулентность не успевает развиться. А поскольку скорость обтекания поверхности здесь возрастает, отсутствуют и условия для отрыва пограничного слоя от поверхности. Поэтому сопротивление в этих участках соответствует исключительно силе вязкости, которая для воды невелика (порядка 1 миллипаскаль*сек). Так при скорости движения 30 м/сек (т.е.около 100 км/час) и толщине сдвига сдвига 0,1 м время единичного сдвига, т.е. сдвига на угол с тангенсом, равным единице, составит 0,1 м/ 30 м/ сек=3,3 миллисекунды. Следовательно тангенциальное напряжение сдвига составит 1 миллиПа/3,3/миллисек=0,3 Па, т.е. 0,3 Н/м кв. поверхности обтекания. Соответствующая мощность составит 0,3Н * 30 м/сек=9 вт/м кв. т.,е. очень малую величину.
Учитывая, что в кормовой части в зоне сужения «г» скорость обтекания также будет отличаться от скорости ленты, также возникает трение. Однако при угле конусности не более 30 град, разность скоростей невелика. Поэтому будет длительно сохранятся ламинарный режим. Что касается отрыва пограничного слоя, то он обуславливается диффузорностью, т.е. расширением потока. Однако существенная диффузорность в кормовой части свойственна главным образом одномерному потоку (например на задней части профиля крыла). Здесь же мы имеем трехмерный пототок, в котором диффузорность в значительной части компенсируется конусностью потока. Учитывая это, т.е. малое различие скоростей относительно ленты и малую диффузорность, здесь отсутствуют условия для отрыва пограничного слоя. Т.о. оценка силы трения и удельной мощности привода для кормовой части будет примерно та же, что приведена выше для носовой части.
Следует также учесть гидродинамическое сопротивление движению лент 2 в тоннеле 5. В виду того, что тоннели узкие, в них имеется режим течения, близкий к течению воды по трубам. Удельное трение при этом может превышать выше приведенные оценки для внешнего сопротивления. Однако даже много кратное превышение составит мощность порядка несколких десятков Вт/м.кв. Мощьность потерь в заостренной концевой части корпуса и в ходовом винте 11, работающем в режиме, близком к флюгерному, мало изменит сделанную выше оценку потребной мощности привода, т.к. эти элементы составляют малую часть общей площади, а вихреобразование винта во флюгерном режиме невелико. Остается оценить мощьность трения лент о корпус при перемотке. Если учесть не герметичность прилегания лент 2к корпусу, то гидродинамический перепад на ленте 2 отсутствует, и мощность трения оценивается, как потери в трансмиссии при использовании трения скольжения, которое составляет порядка 10% от передаваемой мощности.
Таким образом требуемая мощность привода оценивается несколькими десятками ватт на метр квадратный поверхности аппарата при скорости 30 м/сек (примерно 100 км/час).
Эта мощность может обеспечиваться режимом малой тяги ходового внта 11 путем небольшого увеличения числа оборотов относительно флюгерных оборотов.
В другом варианте можно компенсировать гидродинамические потери небольшим увеличением скорости перемотки лент по сравнению со скоростью обтекания корпуса. При этом, если также для разгона аппарата до крейсерской скорости использовать стартовый ускоритель и не менять скорость, что характерно для торпеды, то необходимость в ходовом винте отпадает. Это дополнительно уменьшает потери и устраняет шум вихреобразования, создаваемый винтом;
Таким образом, в крейсерском режиме движения устраняются или кратно уменьшаются все главные источники акустических шумов подводного аппарата: от силовой установки, от ходового винта, от турбулентности обтекания корпуса и от вихревого спутного следа, создаваемого отрывом пограничного слоя. Заодно, кратно увеличивается дальность перемещения аппарата в подводном положении.