ПУСКОВАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ
SUBMARINE LAUNCHER

Изобретение относится к области подводного кораблестроения, а именно к внутриотсечным пусковым установкам, предназначенным для постановки-запуска средств радиоэлектронной борьбы и гидроакустического противодействия и других приборов различного назначения (далее - изделий) и может быть использовано при создании специализированных комплексов морского базирования для постановки-запуска изделий с подводных лодок.
Известно устройство для выпуска индивидуальных патронов сигнализации (ВИПС) (Корабельные устройства подводных лодок, СПб ГМТУ, СПб., 2002 г. стр. 57), обеспечивающее постановку одиночных приборов из прочного корпуса на средних глубинах. Устройство ВИПС содержит пусковую трубу, наружную и внутреннюю крышки с приводами, привод наружной крышки, вспомогательную гильзу, систему заполнения, осушения, уравнивания давления и систему стрельбы. Вспомогательная гильза включает корпус с наружными уплотнениями, перепускной клапан, поршень. Устройство ВИПС представляет собой стандартный пневмогидравлический аппарат, загрузка изделий в устройство осуществляется вручную.
Недостатком являются ее ограниченные функциональные возможности, а именно, низкая скорость зарядки и перезарядки, связанная с наличием вспомогательной гильзы, отсутствием автоматизации процесса стрельбы, использование сжатого воздуха, приводящее к высокой шумности выстрела, низкая универсальность устройства.
Известна пусковая установка подводной лодки (RU, п. №2648912, опубл. 28.03.2018 г), принятая за прототип и содержащая пусковую трубу с верхней забортной и нижней внутриотсечной крышками и их приводами, выводы для подключения магистралей вентиляции, заполнения, осушения и уравнивания давления. Соосно с пусковой трубой установлен дополнительный наружный корпус с образованием между ними в верхней забортной части замкнутого кольцевого объема, в котором установлен линейный электродвигатель. Статор линейного электродвигателя выполнен в виде единой конструкции с наружным корпусом и изолирован от водяной среды полимерным материалом. Ротор выполнен в виде кольцевого поршня-кингстона с обратным клапаном с возможностью линейного управляемого перемещения в кольцевом объеме и установлен по посадке во внутреннем диаметре статора с уплотнением на внешней поверхности пусковой трубы с возможностью герметизации внутреннего объема пусковой установки от забортной воды при своем нижнем положении. При этом в нижней внутриотсечной части наружный корпус установлен к пусковой трубе с образованием кольцевого зазора и герметично закрыт нижней крышкой с возможностью подтока воды из кольцевого зазора в нижнюю часть пусковой трубы.
Недостатками прототипа являются:
Нахождение линейного электродвигателя постоянно в водной среде отрицательно сказывается на его надежности и приводит к увеличению коэффициента трения между поверхностями движущихся частей из-за биологического обрастания.
Наличие в линейном электродвигателе помимо осевой силы, радиальной электромагнитной силы между статором и ротором, работающей на «разрыв» ротора, снижает надежность электродвигателя и требует увеличения его жесткости и прочности. Радиальная электромагнитная сила приводит к увеличению силы трения между поверхностями ротора и статора, что приводит к повышению потерь мощности при дальнейшем повышении мощности линейного электродвигателя.
Выполнение ротора линейного электродвигателя в виде поршня и установка ротора в виде поршня между статором и пусковой трубой в одном кольцевом пространстве не позволяет оптимизировать габаритные характеристики пусковой установки, линейного электродвигателя и его мощность. При увеличении высоты ротора возрастает его масса, а при уменьшении высоты ротора снижаются энергетические характеристики электродвигателя. При увеличении рабочей поверхности ротора-поршня значительно увеличиваются его масса и поперечные габариты электродвигателя.
Использование поршня в качестве кингстона требует наличия специальных устройств осуществляющих поджим поршня на малой глубине (на которой силы, создаваемой забортным давлением, недостаточно для обжима уплотнений) что усложняет конструкцию пусковой установки.
Наличие пусковой трубы увеличивают продольные размеры пусковой установки, а при расположении пусковой установки ортогонально основной оси подводной лодки приводит к возникновению заламывающей силы на изделие в тот момент, когда его носовая часть выходит в набегающий поток воды, а кормовая часть все еще находится в пусковой трубе. Это ограничивает номенклатуру используемых изделий по их прочности.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков, в частности, компенсация мешающих радиальных электромагнитных сил, повышение удельной мощности пусковой установки и создание компактной электрогидравлической силовой установки.
Техническим результатом изобретения является повышение удельной мощности, надежности, универсальности пусковой установки.
Технический результат достигается тем, что в пусковой установке подводной лодки, включающей наружный корпус, в котором соосно установлен цилиндрический линейный электродвигатель с подвижным ротором, верхнюю забортную и нижнюю внутриотсечную крышки и их приводы, выводы для подключения магистралей заполнения, осушения и уравнивания давления, линейный электродвигатель выполнен с двумя цилиндрическими концентричными статорами, изолированными от водяной среды полимерным материалом, и с одним трубчатым ротором, который выполнен с двухсторонней активной поверхностью и установлен соосно в кольцевом зазоре между статорами с возможностью его перемещения вдоль оси наружного корпуса и компенсацией при этом создаваемых статорами радиальных сил, действующих на ротор, при этом пусковая установка снабжена соосным ротору кольцевым гидравлическим поршнем, который установлен своей внешней боковой поверхностью по подвижной посадке на наружном корпусе над статорами, рабочей поверхностью соединен с ротором, а на внутренней поверхности поршня соосно закреплена направляющая труба, установленная во внутреннем объеме внутреннего статора с образованием кольцевого зазора с возможностью формирования корпусом, поршнем с направляющей трубой и выбрасываемым изделием замкнутой гидравлической полости для создания избыточного давления воды при перемещении поршня и направляющей трубы навстречу выбрасываемому изделию, проходящему внутри направляющей трубы.
Два статора линейного электродвигателя могут быть установлены во внутриотсечной части наружного корпуса пусковой установки.
Внешний неподвижный цилиндрический статор может быть закреплен к наружному корпусу.
Внешний и внутренний статоры могут быть выполнены кольцевыми в поперечном сечении.
Внешний и внутренний статоры могут быть выполнены с симметрично расположенными относительно ротора обмотками.
На внутренней и внешней активных поверхностях ротора могут быть установлены постоянные магниты, размещенные в герметичных контейнерах.
Активная поверхность цилиндрического ротора может быть выполнена из электротехнической стали.
Кольцевой поршень может быть установлен по подвижной посадке с уплотнением.
Соединение трубчатого ротора и кольцевого поршня может быть выполнено с проходным сечением для подтока воды из кольцевого пространства, ограниченного наружным корпусом и ротором и поршнем.
Направляющая труба может быть установлена с возможностью ее перемещения во внутреннем объеме внутреннего статора.
Направляющая труба может быть выполнена с возможностью перемещения изделия внутри направляющей трубы.
Направляющая труба может быть снабжена дорожками для перемещения изделия, установленными на ее внутренней поверхности.
Направляющая труба может быть выполнена с расточкой по дорожкам на ее внутренней поверхности для перемещения изделия.
Корпуса гидроцилиндров привода верхней крышки могут быть установлены внутри наружного корпуса с возможностью перемещения кольцевого поршня вдоль них.
Корпуса гидроцилиндров привода верхней крышки могут быть установлены внутри наружного корпуса с возможностью перемещения поршня вдоль них.
Установка трубчатого ротора с двумя активными внутренней и внешней поверхностями в кольцевом зазоре между цилиндрическими концентричными соосными статорами, обеспечивает повышение удельной мощности электродвигателя, надежности и универсальности пусковой установки.
Изменение конструкции ротора, а именно выполнение ротора трубчатым позволяет более эффективно использовать объем ротора для получения движущей силы, т.к. можно использовать и внешнюю и внутреннюю поверхность трубчатого ротора, например, для установки постоянных магнитов. Увеличение активной поверхности ротора, взаимодействующей со статорами, повышает удельную мощность электродвигателя. Наличие магнитов на двух активных поверхностях ротора дополнительно увеличивает удельную мощность электродвигателя.
Установка двух цилиндрических статоров к двум активным поверхностям трубчатого ротора увеличивает полезную площадь активной поверхности обмоток линейного электродвигателя без увеличения его длины, что увеличивает его удельную мощность, повышает компактность и позволяет уменьшить его габаритные размеры.
Выполнение цилиндрического ротора трубчатым позволяет установить к его внутренней и внешней активным поверхностям цилиндрические концентричные соосные статоры равной длины, активные поверхности которых обращены к внутренней и внешней поверхностям ротора соответственно. Внутренняя поверхность внешнего статора и внешняя поверхность ротора образуют одну активную зону. А внешняя поверхность внутреннего статора и внутренняя поверхность ротора образуют другую активную зону. При срабатывании линейного электродвигателя, при перемещении ротора в зазоре между статорами, радиальные электромагнитные силы, создаваемые активными зонами каждого статора и ротора в противоположных направлениях, компенсируются. Осевые силы, линейно перемещающие ротор относительно статора вдоль оси наружного корпуса пусковой установки, от двух статоров взаимно усиливаются, что увеличивает удельную мощность электродвигателя.
Устранение негативного действия радиальных сил уменьшает силу трения и потери мощности на трение и повышает удельную мощность линейного электродвигателя и пусковой установки. Компенсация радиальных сил, действующих на разрыв ротора, повышает надежность электродвигателя и пусковой установки.
Увеличение допустимых нагрузок позволяет сократить габариты элементов линейного электродвигателя и разместить пусковую установку в прочном корпусе, что дополнительно повышает надежность его работы и уменьшает коэффициент трения между поверхностями движущихся частей из-за отсутствия биологического обрастания.
При этом сравнение с пусковой установкой прототипа показывает, что если пусковые установки выполнены с одинаковой мощностью, то пусковая установка с двумя статорами меньше по габаритам. Если пусковые установки выполнены одного объема, то пусковая установка с двумя статорами с большей мощностью.
Конструкция линейного электродвигателя не накладывает ограничений на длину и размер изделий т.к. позволяет увеличить по сравнению с прототипом, высоту трубчатого ротора, находящуюся во взаимодействии со статорами, что увеличивает величину индукции магнитного поля, и суммарную энергию, создаваемую линейным электродвигателем при срабатывании. Возможность изменять высоту ротора, находящуюся во взаимодействии со статором, в широких пределах, позволяет изменять габаритную длину электродвигателя при сохранении диаметра в зависимости от размера изделия и требуемой мощности линейного электродвигателя, что повышает универсальность пусковой установки.
В отличие от прототипа, цилиндрический полый ротор не выполняет функцию поршня и для создания избыточного давления пусковая установка снабжена кольцевым гидравлическим поршнем, соединенным с ротором линейного электродвигателя над статорами. Электрическую энергию линейного электродвигателя преобразуют в возвратно-поступательное перемещение кольцевого гидравлического поршня, т.е. линейный электродвигатель является приводом гидравлического поршня. Установка кольцевого поршня по посадке на наружном корпусе над цилиндрическими статорами увеличивает рабочую поверхность поршня, по сравнению с прототипом, что позволяет увеличить объем выталкиваемой воды при том же ходе поршня, или уменьшить ход, при фиксированном объеме воды. Тем самым повышается удельная мощность пусковой установки и ее универсальность.
Установка поршня по посадке на внутренней поверхности наружного корпуса над статорами линейного электродвигателя также сокращает поперечный размер пусковой установки и позволяет при необходимости увеличить диаметр поршня без увеличения диаметра линейного электродвигателя, увеличив диаметр корпуса над статорами, тем самым также увеличить объем выталкиваемой воды при том же ходе поршня, что повышает универсальность пусковой установки и ее компактность. В сравнении с прототипом, когда поршень находиться в одном кольцевом пространстве со статором, и увеличение его рабочей поверхности невозможно без увеличения диаметра линейного электродвигателя.
Кольцевая конструкция поршня обеспечивает возможность прохождения выбрасываемого изделия через центральное отверстие поршня. Направляющая труба, закрепленная на поршне, функционально заменяет пусковую трубу и предназначена для фиксирования изделия на оси наружного корпуса пусковой установки при заряжании и при срабатывании пусковой установки и для задания направления выбрасываемому изделию, проходящему внутри направляющей трубы. Отсутствие пусковой трубы уменьшает продольный размер пусковой установки.
Установка направляющей трубы во внутреннем объеме внутреннего статора позволяет сформировать замкнутую гидравлическую полость для создания избыточного давления воды для выбрасывания изделия. Гидравлическая полость образована наружным корпусом, поршнем с направляющей трубой и выбрасываемым изделием, установленным во внутреннем объеме внутреннего статора и в направляющей трубе.
Установка направляющей трубы во внутреннем объеме внутреннего статора обеспечивает повышение компактности установки, позволяя максимально приблизить направляющую трубу к статорам. Конструкция поршня с направляющей трубой не накладывает ограничений на длину изделий, что повышает универсальность пусковой установки.
Наличие направляющей трубы, позволяет сократить путь разгона изделия и уменьшить заламывающий момент, за счет выхода изделия из направляющей трубы внутри пусковой установки. Уменьшение заламывающей силы повышает надежность и универсальность пусковой установки за счет того, что можно применять менее прочные изделия или выпускать изделия на большей скорости.
Повышение компактности пусковой установки позволяет установить пусковую установку в отсеке прочного корпуса, что повышает надежность, срок службы, ремонтопригодность пусковой установки.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема пусковой установки с двумя цилиндрическими статорами, одним трубчатым ротором с постоянными магнитами в исходном положении при верхнем положении кольцевого поршня. На фиг. 2 представлена общая схема пусковой установки в конечном положении при нижнем положении поршня. На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 представлены поперечные сечения пусковой установки по плоскостям, указанным на фиг. 1.
Пример исполнения пусковой установки. Пусковая установка состоит из наружного цилиндрического корпуса 1 (фиг. 1) снабженного верхней наружной крышкой 2, установленной на забортной части пусковой установки, и нижней внутренней крышкой 3, установленной в отсечной части прочного корпуса подводной лодки. Для установки в стакане прочного корпуса подводной лодки на корпусе выполнен фланец 4. Внутри внутриотсечной части наружного корпуса 1 установлен линейный электродвигатель с одним подвижным трубчатым ротором 7 и двумя неподвижными цилиндрическими концентричными статорами с кольцевым поперечным сечением, внешним 5 и внутренним 6. Цилиндрические статоры 5 и 6 установлены во внутриотсечной части наружного корпуса пусковой установки соосно и концентрично с образованием между ними кольцевого зазора. Внешний статор 5 жестко закреплен на корпусе 1, внутренний статор 6, меньшего диаметра установлен концентрично. В образованный между статорам 5 и 6 кольцевой зазор соосно установлен трубчатый ротор 7 с активными внешней и внутренней поверхностью. Внешний и внутренний статоры 5 и 6 могут быть выполнены с симметричными относительно поверхности ротора обмотками. При этом активные поверхности статоров 5 и 6 с симметричными обмотками обращены к активным внутренней и внешней поверхностям ротора 7 соответственно, образуя симметричные активные зоны, в которых радиально действующие силы, приложенные к противоположным активным зонам, максимально компенсируют друг друга. Ротор 7 установлен с возможностью его линейного перемещения в кольцевом зазоре между статорами 5 и 6 вдоль продольной оси корпуса 1 пусковой установки.
Конструктивное исполнение статоров 5 и 6 электродвигателя - пазовое, с расположением пазов перпендикулярно направления движения ротора 7. В пазах статоров 5 и 6 предусмотрено закрепление пакетов магнитопровода статора. Магнитопроводы статоров формируют из листовых пакетов электротехнической стали. Защита от воздействия морской воды магнитопроводов осуществляют при помощи заливки его элементов в каналах и пазах статоров 5 и 6 компаундом. Во внутреннем объеме внутреннего статора 6 с образованием кольцевого зазора на упоры устанавливают изделие (не показано). Изделие устанавливают на направляющие 11 в нижней части корпуса и на направляющие 10 в направляющей трубе во внутреннем объеме внутреннего статора 6 (фиг. 1).
Представлен вентильный тип электродвигателя с постоянными магнитами. Ротор 7 выполнен в виде тонкостенной стальной трубы. На внутренней и внешней поверхности ротора
7 закреплены постоянные магниты, например, на основе редкоземельных металлов, обладающие высокой намагничивающей силой и устойчивостью к внешним воздействиям. Для защиты от коррозии в морской воде магниты размещают в герметичных контейнерах, изготовленных из немагнитного диэлектрика.
Цилиндрический кольцевой гидравлический поршень 8 установлен своей внешней боковой поверхностью по посадке на корпусе 1 над цилиндрическими статорами 5 и 6 соосно ротору 7. Место контакта поршня 8 и корпуса 1 уплотнено. Рабочей поверхностью поршень 8 закреплен к верхней части ротора 7 для перемещения вместе с ротором 7. Соединение ротора 7 и поршня 8 выполнено проницаемо, например, с проходным сечением 17, что обеспечивает подток воды из кольцевого пространства под поршнем 8, ограниченного корпусом 1 и ротором 7.
Внутренняя поверхность корпуса 1, рабочая поверхность поршня 8, наружная поверхность направляющей трубы 9 и выбрасываемое изделие формируют замкнутую гидравлическую полость. При подаче питания на линейный электродвигатель создают силу, перемещающую ротор 7, которым перемещают поршень 8 в нижнее положение и создают избыточное давление воды в указанной замкнутой гидравлической полости, что приводит к выбрасыванию изделия из направляющей трубы 9. Гидравлическим поршнем 8 создают избыточное давление в указанной гидравлической полости для выпуска изделия, а ротор 7 часть его линейного привода, который обеспечивает линейное перемещение поршня 8 в цилиндрическом пространстве над статорами 5 и 6 электродвигателя.
Кольцевой поршень 8 выполнен с возможностью его перемещения вдоль изделия. На внутренней поверхности поршня 8, в его центральном сквозном отверстии, соосно закреплена направляющая труба 9, установленная с возможностью ее перемещения во внутреннем объеме внутреннего статора 6. Направляющая труба 9 выполнена с возможностью перемещения изделия внутри направляющей трубы 9 при заряжании и срабатывании пусковой установки.
Для фиксирования и направления изделия по оси корпуса 1 пусковой установки при заряжании и срабатывании пусковой установки направляющая труба 9 снабжена дорожками 10 для изделия, установленными на ее внутренней поверхности. Такие же направляющие дорожки 11 установлены на корпусе 1 над внутренней нижней крышкой 3 пусковой установки. Также около внутренней крышки 3 установлен стопор 16 изделия, предназначенный для удержания изделия на упорах до срабатывания пусковой установки. Для дополнительного уменьшения пространства внутри прочного корпуса, занимаемого пусковой установкой, корпуса 12 гидроцилиндров привода верхней крышки 2 установлены внутри корпуса 1 во внутренней полости пусковой установки в качестве направляющих для поршня 8. В поршне 8 выполнены вырезы для прохода приводов наружной крышки 12. Для симметрии помимо приводов через поршень 8 проходит пустотелая направляющая 13, имеющая такой же диаметр. Внутри направляющей проходит трубопровод вентиляции 14, доходящий до верхней крышки 2 пусковой установки. У нижней крышки 3 имеется горловина 15 для подключения магистрали заполнения, осушения и уравнивания давления.
Пусковая установка работает следующим образом. В исходном положении пусковая установка осушена, давление в ней равно давлению воздуха в отсеке подводной лодки. Наружная 2 и внутренняя 3 крышки закрыты, ток на обмотках статоров 5 и 6 отсутствует, ротор 7, поршень 8 и направляющая труба 9 находятся в верхнем положении. Для приготовления пусковой установки к выстрелу открывают внутреннюю крышку 3 и через нее загружают изделие на упоры. Вдоль оси корпуса 1 пусковой установки изделие удерживают направляющими дорожками 11 и 10 на корпусе 1 и в направляющей трубе 9. По окончании загрузки изделие фиксируют от продольного перемещения стопором 16. После загрузки изделия внутреннюю крышку 3 закрывают, пусковую установку заполняют водой через горловину 15, при этом воздух вытесняется по трубопроводу вентиляции 14 в отсек подводной лодки. После заполнения пусковой установки водой и выравнивания давления с забортным наружную крышку 3 открывают приводами 12.
Срабатывание осуществляют подачей реверсного электропитания на обмотки статоров 5 и 6. При этом под действием движущей силы, создаваемой на роторе 7, поршень 8 при движении вниз создает избыточное давление воды в гидравлической замкнутой полости образованной самим поршнем 8, корпусом 1 пусковой установки, статором 6 и направляющей трубой 9 и изделием, вследствие чего изделие начинает перемешаться внутри направляющей трубы 9 к верхней крышке 2 пусковой установки, а поршень 8 и направляющая труба 9 - к нижней крышке 3 навстречу друг другу. В определенный момент изделие выходит из направляющей трубы 9 и, продолжая движение по инерции в объеме между корпусами гидроцилиндров 12, покидает пусковую установку.
При срабатывании электродвигателя и пусковой установки, ротор 7 линейно перемещают в кольцевом зазоре между статорами 5 и 6, поршень 8 перемещают в объеме корпуса 1 между статорами 5 и 6 и верхней крышкой 2, направляющую трубу 9 перемещают в объеме корпуса 1 и во внутреннем объеме внутреннего статора 6.
Режим работы линейного электродвигателя регулируют в зависимости от вида изделия и входных параметров, например, скорости подводной лодки и глубины использования пусковой установки.
После прохождения рабочего хода поршня 8, достаточного для выброса изделия, линейный электродвигатель автоматически по команде от блока управления переключают на возврат в исходное положение, вплоть до безударной остановки поршня 8 в крайнем верхнем положении. Затем закрывают верхнюю забортную крышку 2 и пусковую установку осушают.
Таким образом, изобретение обеспечивает повышение удельной мощности, надежности и универсальности пусковой установки.