УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИДОННОГО ДВИЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО АППАРАТА
DEVICE FOR BOTTOM-DOWN MOTION OF UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к морской технике, в частности к подводным аппаратам, и предназначено для обеспечения их движения на заданном расстоянии от морского дна.
Известны устройства для придонного движения подводного аппарата, использующие механический контакт с дном (см. Виноградов Н.И., Гутман М.Л., Лев И.Г. и Нисневич М.З. Привязные подводные системы. Прикладные задачи статики и динамики. СПб; Изд-во С- Петерб. ун-та, 2000. с. 89-92). К ним относится углубитель-ползун, выполненный в виде последовательно связанных между собой металлических шаров, элементов эллипсоидальной формы или звеньев цепи (Егоров В.И. Подводные буксируемые системы. Л. Судостроение, 1981 с. 7). Верхний конец ползуна обычно соединяется с тросовой оттяжкой-гайдропом.
Опыт эксплуатации подводных аппаратов, движущихся вблизи морского дна, показал, что описанные выше статические углубители-ползуны целесообразно использовать лишь при скоростях, не превышающих 6 узлов. При больших скоростях отношение углубляющей силы к гидродинамическому сопротивлению становится весьма малым, и ползун отрывается от дна - всплывает. Наиболее существенным недостатком статических углубителей является их большая масса.
Известно также устройство для придонного движения подводного аппарата, использующее углубляющую гидродинамическую силу для удержания аппарата на заданном расстоянии от морского дна. Это устройство, принятое в качестве прототипа, содержит цепь решетчатых крыльев, внутри которых располагаются неподвижные или установленные с возможностью поворота вокруг шарнирных осей углубляющие планы (см. указанный выше источник «Привязные подводные системы» с. 91) и гайдроп, соединяющий коренное решетчатое крыло с подводным аппаратом. При этом обеспечивается работа углубляющих планов в области углов атаки от 0 до 30 градусов, с ростом которых углубляющая сила планов возрастает. Как и у ползуна со статическими элементами, углубляющая сила устройства пропорциональна числу поднятых над дном решетчатых элементов.
По сравнению со статическим ползуном устройство, принятое в качестве прототипа, при создании одинаковой углубляющей силы обладает в 3-4 раза меньшей массой, однако при движении по дну углубляющие планы зацепляются за камни и другие неровности дна, погружаются в илистый или песчаный грунт, в результате чего планы и их шарнирные элементы повреждаются и приходят в негодность.
Недостатком известного устройства является необходимость в процессе удержания подводного аппарата на заданном расстоянии от морского дна изменять число поднятых над дном решетчатых элементов, оставляя часть таких элементов на поверхности дна. Такое регулирование требует наличия довольно протяженного набора элементов и не позволяет обеспечить регулирование в узком диапазоне вертикальных перемещений подводного аппарата.
Техническим результатом предложенного устройства является удержание подводного аппарата в узком диапазоне расстояний от морского дна при снижении массы и габаритов устройства.
Технический результат достигается тем, что известное устройство для придонного движения подводного аппарата, содержащее соединенное гайдропом с подводным аппаратом решетчатое крыло с углубляющими планами неподвижно соединено с плавучестью и жестким костылем, имеющем элемент касания с морским дном, при этом установочные углы атаки углубляющих планов к продольной оси решетчатого крыла составляют не менее 90 градусов, отношение высоты решетчатого крыла к его размаху составляет от 0,25 до 4, а расстояние между параллельными планами составляет от 0,4 до 1,25 их хорды.
При таком выполнении устройства для придонного движения подводного аппарата обеспечивается удержание подводного аппарата в узком диапазоне расстояний от морского дна и существенно в 5-8 раз уменьшается масса устройства.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется рисунками.
Фиг. 1. Конструктивная схема предлагаемого устройства;
Фиг. 2. Вид на предлагаемое устройство по стрелке А;
Фиг. 3. Система координат и схема сил, действующих на устройство в процессе движения аппарата;
y
x
Фиг. 4. Зависимость гидродинамических коэффициентов углубляющей силы C и сопротивления C решетчатого крыла от угла атаки α;
y
Фиг. 5. Зависимость углубляющей силы T и угла наклона оси коробчатого элемента β от расстояния точки О до дна.
Где на фиг. 1 и 2:
1 - подводный аппарат;
2 - гайдроп;
3 - коробчатый элемент;
4 - углубляющий план;
5 - плавучесть;
6 - костыль;
7 - элемент касания грунта.
Где на фиг. 3:
О - точка присоединения гайдропа к коробчатому элементу;
Н - расстояние от подводного аппарата до дна;
г
У - вертикальная проекция гайдропа;
к
У - расстояние от точки О до дна.
Устройство для придонного движения подводного аппарата 1 содержит гайдроп 2, коробчатый элемент 3 с отношением высоты к его размаху от 0,25 до 4, внутри которого расположены неподвижные параллельно установленные углубляющие планы 4 на расстоянии между ними от 0,4 до 1,25 их хорды, с установочным углом атаки α уст≥90° по отношению к продольной оси коробчатого элемента 3, плавучесть 5, прикрепленный к коробчатому элементу костыль 6, на конце которого установлен элемент касания грунта 7. Этот элемент может быть выполнен, например, в виде ролика, лыжи или шара.
Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.
При установившемся движении подводного аппарата (буксируемого или самоходного) вблизи ровного дна положение предлагаемого устройства показано на Фиг. 1.
кк
г
кк
к
Расстояние от подводного аппарата 1 до дна составляет Н=L sinβ + У, где L - длина коробчатого элемента 3 и костыля 6, У - глубина, перекрываемая гайдропом 2, β - угол наклона коробчатого элемента 3 и присоединенного к нему костыля 6 к вектору скорости. Величина Н должна соответствовать заданному значению расстояния подводного аппарата от морского дна. Оно определяется (см. фиг. 3) из условий равенства суммы составляющих статических и гидродинамических сил, воздействующих на решетчатое крыло 3 (Rpx, Rpy) и на другие элементы предлагаемого устройства: (Rпх и Rпу - на плавучесть 5, Rкх и Rку - на костыль 6, Rдх и Rду - реакции морского дна, Rгх и Rгх - усилия от гайдропа 2, сил веса G, водоизмещения W) подъемной силе Yпа и силе тяги Хпа подводного аппарата 1. В свою очередь, угол наклона коробчатого элемента 3 β определяется из условия баланса моментов сил, действующих на элементы предлагаемого устройства относительно точки О крепления решетчатого крыла 3 к гайдропу с учетом действия силы реакции в точке касания дна костылем 6.
уст
В случае изменения рельефа дна, например, при уменьшении глубины места, равновесие системы нарушается и костыль 6, отслеживая профиль дна, поворачивает связанное с ним решетчатое крыло 3 в сторону уменьшения угла наклона β, а следовательно уменьшения расстояния подводного аппарата от дна Н. При этом угол атаки углубляющих планов, связанный с углом наклона передней кромки коробки решетчатого крыла 3 соотношением α = α - β, возрастает, что приводит к уменьшению углубляющей силы планов, увеличению расстояния Н от подводного аппарата до дна и восстановления равновесного состояния системы. Это достигается за счет соответствующего выбора отношения высоты коробчатого элемента решетчатого к его размаху, установочного угла атаки углубляющих планов решетчатого крыла αуст и расстояния между параллельными планами, при которых обеспечивается работа планов в области допустимых углов атаки α от 40 до 80 градусов, где с ростом α уменьшаются значения коэффициента Cy (см. фиг. 4). При увеличении расстояния от подводного аппарата до дна описанный выше процесс повторяется в обратном порядке. Зависимости, представленные на фиг. 4, получены на основе данных, приведенных в книге Решетчатые крылья. М. Машиностроение. 1985. с. 275-280.
у
к
уст
Приведенные в качестве примера на фиг. 5 графики углубляющей силы Т, и угла наклона β от расстояния по вертикали У от точки О до дна соответствуют расчетному случаю, при котором решетчатое крыло представляет собой коробку с размерами 0,3×0,3 м с 7-ю несущими планами, установочными углами α  = 90°, хордой 0,1 м, при расстоянии между планами, равном 0,5 их хорды, длине костыля 1,2 м, массе предлагаемого устройства 18 кг, на скорости движения подводного аппарата 8 узлов.
Изменяя длину костыля 6 и гайдропа 2, а также задавая подъемную силу подводного аппарата, можно получить необходимый интервал расстояния подводного аппарата 1 от морского дна Н.
Таким образом, предложенная конструкция устройства для придонного движения подводного аппарата обеспечивает удержание подводного аппарата в узком диапазоне расстояний от морского дна при существенном уменьшении габаритов и массы устройства по сравнению с прототипом.