Корпус обитаемого аппарата для глубоководного погружения
BODY OF THE HABITABLE APPARATUS FOR DEEP-SEA DIVING

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для плавания под водой и погружающимся на большие глубины.
Существующие устройства глубоководного погружения - имеют обычно два цилиндрических в поперечном сечении корпуса: наружный и внутренний [1].
Внутренний корпус - для размещения экипажа и соответствующих устройств - изготавливается из особого материала, способного выдерживать значительные внешние воздействия. Наружный корпус служит для предохранения от механических повреждений различного рода коммуникаций, находящихся между внутренним и наружным корпусом. При этом наружный корпус проницаемый и давление воды на внешнюю и внутреннюю поверхности наружного корпуса одинаково. Кроме этого наружный корпус придает дополнительную жесткость внутреннему корпусу.
Другим примером является батискаф (Диомидов М.Н., Дмитриев А.Н. Подводные аппараты. Ленинград.: Судостроение. 1966.). Он состоит из легкого корпуса - поплавка, заполненного более легким, чем вода, наполнителем (бензином) и стального шара - гондолы, в которой размещается экипаж, аппаратура управления, система регенерации воздуха и т.д. В поплавке находятся также цистерны с балластом и аккумуляторные батареи. Плавучесть батискафа регулируется сбрасыванием твердого балласта и выпуском бензина из маневровой цистерны.
Недостатком существующей конструкции является ограниченная глубина погружения. Для увеличения глубины погружения необходимо либо:
а) уменьшить диаметр внутреннего корпуса (при этом ухудшается тактико-технические данные и устройство не сможет выполнять возложенные на него задачи);
б) увеличить толщину внутреннего корпуса (увеличение толщины стенки свыше 100 мм невозможно по техническим причинам);
в) поиск новых материалов с большим значением модуля сдвига G и малым значением коэффициента Пуассона μ (пока эти показатели у применяемых твердых сплавов не очень высоки по сравнению с обычной сталью).
Заявляемый объект содержит непроницаемый корпус, выполненный предварительно напряженным на растяжение внешними по отношению к нему устройствами.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого объекта, заключается в уменьшении сжимающих напряжений, появляющихся в непроницаемом корпусе при глубоководном погружении.
Ограничительные признаки: наружный проницаемый корпус и внутренний непроницаемый корпус.
Отличительные признаки: внутренние проницаемые оболочки с натяжными устройствами на внутренний непроницаемый корпус.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
С помощью канатной системы, связывающей внутренний и наружный корпуса или проницаемых оболочек, имеющих диаметр больший, чем внешний диаметр непроницаемого корпуса, создается напряженное состояние растяжения определенной величины, которое, при погружении подводного аппарата, уменьшает сжимающие напряжения, вызываемые в капсуле внешним давлением окружающей воды. При необходимости может быть использована система из оболочек большего диаметра, чем первая, растягивающая последнюю при помощи аналогичных болтовых соединений, и, тем самым, увеличивающих растягивающее усилие поверхности капсулы.
На фиг. 1, 2 изображены схемы устройств и результаты численных расчетов. На фиг. 1а приведена внешняя схема устройства с одной проникающей опорной оболочкой; на фиг. 1б - фрагмент поверхности в продольном направлении; на фиг. 1в - крепление проникающей опорной оболочки к корпусу капсулы; на фиг. 1г - схема расчета устройства. На фиг. 2 приведена схема растяжения внутреннего корпуса канатной системой (фиг. 2а) и результаты расчетов (фиг. 2б).
Корпус для глубоководного погружения обитаемого аппарата состоит из внутреннего непроницаемого корпуса 1, проницаемой опорной оболочки 2 (нескольких оболочек или канатной системы), наружного проницаемого корпуса 3, натяжных элементов 4 (фиг. 1, 2).
Работа устройства.
Непроницаемый корпус 1 упруго растягивается натяжными элементами 4 через опорную проницаемую оболочку 2, создающими предварительно напряженное состояние растяжения в стенках капсулы.
При погружении глубоководного аппарата вода проникает через наружный корпус 3 и оболочки 2 к непроницаемому корпусу 1, оказывая в стенках корпуса всестороннее сжатие. Но, так как стенки корпуса предварительно имели напряженное состояние растяжения, то величина сжимающих напряжений в стенках корпуса будет меньше, чем, если бы подводный аппарат не имел предварительного нагружения растяжения, а, следовательно, можно осуществлять безаварийное погружение на большую глубину. Проницаемой опорной оболочкой могут быть обручи различной ширины, расположенные на расчетном расстоянии вдоль капсулы, если она цилиндрической формы.
3
3
31
32
13х
23
33
3
ij
ij
Приведем пример расчета корпуса субмарины в случае применения проницаемой опорной оболочки. Ввиду симметрии, рассмотрим в поперечном сечении часть кольца с центральным углом α (фиг. 1г), имея ввиду, что следующий болт в сечении находится на расстоянии, соответствующему углу 2α, будем полагать, что перемещение вдоль х отсутствует, то есть рассматривается плоское деформированное состояние, в соответствие с которым U=0, σ=σ=0; ε=ε=ε=0, где U3 - перемещение по координате х, σ - напряжения; ε - деформации. На фиг. 1г: I - оболочка непроницаемого корпуса, II - область залитая водой, в которой давление равно внешнему, III - опорная проницаемая оболочка.
В соответствие с линейной теорией упругости в Эйлеровой системе координат запишем следующие уравнения:
1. Уравнение равновесия
2. Уравнение состояния (закон Гука)
3. Уравнение сохранения массы
где G - модуль сдвига, k - коэффициент объема сжатия, σ - гиростатическое напряжение; приняты тензорные обозначения (суммирование по повторяющимся индексам i, j;
Граничные условия (фиг. 1г)
0
1
2
9
3
11
2
3
11
Здесь Р - давление в обитаемом аппарате, Р - давление воды, Р - давление на S, Р - давление на S. Давление Р формализуем как давление растяжения, оказываемое на корпус через болтовое соединение 4 (фиг. 1в), Р - давление гайки болтового соединения (фиг. 1в) на поверхность S проницаемой опорной оболочки.
Решение системы (1, 2, 3) с учетом граничных условий (4) осуществлялось численным методом по алгоритмам [2] и программам [3].
Результаты решения задачи.
1
2
б
ш
Принято: R=5000 мм; Н=70 мм; Н=20 мм; Δ=5 мм; d=40 мм; d=80 мм; α=2,9°. Глубина погружения 1000 м.
1
2
б
ш
2
Здесь R - внутренний радиус непроницаемой оболочки, H - толщина непроницаемой оболочки, Н - толщина проницаемой опорной оболочки, Δ - зазор между оболочками 1 и 3, d - диаметр болта, d - диаметр шайбы, материал (сплав «АК-32»): G=18000 кг/мм, k=0,0139.
Для простоты принято, что непроницаемый корпус, проницаемая оболочка и болт выполнены из одного материала.
б
2
б
1
3
ш
1
2
По нижней границе примем, что при затяжке в сечении болта напряжение растяжения будет σ=5 кг/мм, тогда на шайбу, при заданных размерах будет среднее давление в 3 раза меньше. Значит, получим: Р=σ-P; P=σ+Р;
0
1
2
3
2
2
2
2
На фиг. 2б представлены некоторые результаты расчета при Р=0,01 кг/мм, Р=1 кг/мм, Р=4 кг/мм, Р=2,6 кг/мм.
22
22
2
2
Наибольшим сжимающим напряжением является σ. Пунктирной линией показана эпюра σ по сечению непроницаемой оболочки, когда субмарина имеет только наружный и внутренний корпуса (как в прототипе). Оно примерно одинаково по всему сечению и составляет 43 кг/мм (цифры на фиг. 2б приведены в кг/мм).
22
22
Сплошными линиями на фиг. 2б приведены эпюры σ по сечению корпуса при наличии опорной проницаемой оболочки. Видим, что сжимающие напряжения σ намного меньше (по абсолютной величине) по предлагаемому способу с применением проницающей оболочки, чем по способу и устройству прототипа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Барабанов Н.В. Конструкция корпусов судов: Судостроение, 1985. - 540 С.
2. Одиноков В.И., Каплунов Б.Г., Песков А.В., Баков А.А. Математическое моделирование сложных технологических процессов. М.: Наука, 2008. - 176 С.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012661389. ОДИССЕЙ // Одиноков В.И., Прокудин А.Н., Сергеева A.M., Севастьянов Г.М. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 13.12.2012.