Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата
METHOD FOR DETERMINATION OF DAMPING HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к управлению судами, в частности, автономными подводными аппаратами. Предназначено для определения параметров устойчивости и управляемости подводного аппарата и может быть использовано для прогнозирования траекторий подводных транспортных средств, выполняющих сложное маневрирование.
Известен способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и гидродинамического момента, основанный на раздельном расчетном определении этих характеристик на голый корпус подводного аппарата и оперение с последующим суммированием этих характеристик (см. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов / Е.Н. Пантов. - Л.: Судостроение, 1973. - стр. 75-82).
Недостатком этого способа является лишь приближенный учет формы корпуса подводного аппарата, что приводит к погрешностям, снижает безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также снижает точность управления подводным аппаратом.
Известны также экспериментальные способы определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата, основанные на испытании на ротативной установке, испытании искривленных моделей, а также определении этих характеристик методом малых колебаний (см. Федяевский К.К., Соболев Г.В. Управляемость корабля / К.К. Федяевский. - Л.: Судпромгиз, 1963. - стр. 111-127).
Недостатком этих способов является наличие погрешностей из-за масштабного эффекта, что снижает безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также снижает точность управления подводным аппаратом.
Известен также «Способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и момента» (пат. RU №2507110, опубл. 20.02.2014, МПК: В63Н 25/00) - взятый за прототип, включающий определение текущего значения абсциссы центра вращения, угловой скорости объекта, демпфирующих составляющих гидродинамической силы и ее момента с использованием датчиков линейных ускорений, расположенных в диаметральной плоскости объекта. С помощью датчиков замеряют значения поперечных линейных ускорений, затем определяют значения поперечных составляющих линейных скоростей, рассчитывают текущее значение центра вращения объекта и определяют демпфирующие составляющие нормальной гидродинамической силы и момента.
Недостатком изобретения является осуществление постоянного контроля расчетного положения центра вращения объекта, а также необходимость выполнения фактического маневрирования объекта, что снижает безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также снижает точность управления подводным аппаратом.
Задачей изобретения является повышение безопасности управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также повышение точности управления подводным аппаратом.
Технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования за счет повышения точности прогнозирования его движения по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата, что снижает погрешность в определении диаметра циркуляции подводного аппарата при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления подводным аппаратом увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях подводного аппарата в потоке, которые не могут быть определены при движении подводного аппарата по траектории с постоянным диаметром циркуляции.
p
F
M
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата, включает определение абсциссы центра вращения подводного аппарата, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик. Сначала создают трехмерную модель подводного аппарата, вокруг трехмерной модели подводного аппарата определяют распределение полей скоростей и давлений потока. При этом последовательно задают колебания трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углам дифферента ψ, курса ϕ и крена θ. Колебания по углу дифферента ψ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения силы избыточной плавучести изменяющейся по гармоническому закону. Определяют сдвиг фаз ϕ между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента. Колебания по углу курса ϕ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения горизонтальной силы изменяющейся по гармоническому закону. Определяют сдвиг фаз ϕ между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса. Колебания по углу крена θ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения момента изменяющегося по гармоническому закону. При этом момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕ между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена.
Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата по формулам:
0
здесь Р - амплитудное значение силы избыточной плавучести;
0
φ - амплитудное значение угла дифферента;
ω - частота колебаний;
p
ϕ - сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента;
0
F - амплитудное значение горизонтальной силы;
0
ϕ - амплитудное значение угла курса;
F
ϕ - сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса;
0
М - амплитудное значение момента;
0
θ - амплитудное значение угла крена;
M
ϕ - сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;
- коэффициент вращательной производной гидродинамического момента относительно оси ОХ1.
Демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата равны демпфирующим гидродинамическим характеристикам подводного аппарата. Полученные демпфирующие гидродинамические характеристики подводного аппарата используют при выполнении сложного маневра подводным аппаратом.
Существенность отличий предлагаемого способа от прототипа определяется следующим. Последовательное выполнение операций, направленных на приложение силы избыточной плавучести, горизонтальной силы и момента, действующего в плоскости мидель-шпангоута, позволяет задавать колебательное движение трехмерной модели подводного аппарата в потоке и, тем самым:
- повысить точность прогнозирования движения подводного аппарата по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата,
- снизить погрешность в определении диаметра циркуляции подводного аппарата при маневрировании.
Таким образом, совокупность указанных существенных признаков позволяет обеспечить достижение нового технического результата, а именно:
- повысить безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования;
- повысить точность управления подводным аппаратом.
Сущность способа определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углу дифферента;
на фиг. 2 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углу курса;
на фиг. 3 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углу крена.
0
р
p
0
p
0
р
F
0
F
0
M
0
M
Реализация способа происходит следующим образом. Определяют абсциссу центра вращения подводного аппарата, его угловую скорость. Создают трехмерную модель подводного аппарата 1. Около трехмерной модели подводного аппарата 1 определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Вводят систему координат, связанную с трехмерной моделью подводного аппарата с началом в центре масс трехмерной модели подводного аппарата (точка О). Ось ОХ1 направлена в нос трехмерной модели подводного аппарата, OY1 - вверх, OZ1 - на правый борт. При этом последовательно задают колебания трехмерной модели подводного аппарата на траектории 2 по углам дифферента ψ (колебания относительно оси OZ1), курса ϕ (колебания относительно оси OY1), крена θ (колебания относительно оси ОХ1). Колебания по углу дифферента ψ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения силы избыточной плавучести Р=Psinωt изменяющейся по гармоническому закону. При этом силу избыточной плавучести прикладывают на расстоянии х от центра масс трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕ между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента φ=φsin(ωt+ϕ). Колебания по углу курса ϕ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения горизонтальной силы F=Fsinωt изменяющейся по гармоническому закону. При этом горизонтальную силу прикладывают на расстоянии х от центра масс трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕ между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса ϕ=ϕsin(ωt+ϕ). Колебания по углу крена θ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения момента М=Msinωt изменяющегося по гармоническому закону. При этом момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕ между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена θ=θsin(ωt+ϕ).
Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата по формулам:
0
здесь Р - амплитудное значение силы избыточной плавучести;
0
φ - амплитудное значение угла дифферента;
ω - частота колебаний;
p
ϕ - сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента;
0
F - амплитудное значение горизонтальной силы;
0
ϕ - амплитудное значение угла курса;
F
ϕ - сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса;
0
М - амплитудное значение момента;
0
θ - амплитудное значение угла крена;
M
ϕ - сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1;
- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;
- коэффициент вращательной производной гидродинамического момента относительно оси OX1.
Демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата равны демпфирующим гидродинамическим характеристикам подводного аппарата. Полученные демпфирующие гидродинамические характеристики подводного аппарата, используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения подводного аппарата в условиях сложного маневрирования.
Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата», направленные на повышение безопасности управления подводным аппаратом, где в качестве объекта моделирования выбран подводный аппарат, обладающий определенными гидродинамическими характеристиками.
Анализ полученных данных показал, что снижается погрешность в определении диаметра циркуляции подводного аппарата при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления подводным аппаратом увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях подводного аппарата в потоке, которые не могут быть определены при движении подводного аппарата по траектории с постоянным диаметром циркуляции.
Таким образом, технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также в повышении точности управления подводным аппаратом.