УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВСПЛЫТИЕМ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ, НЕ ИМЕЮЩЕЙ ХОДА, В ПОДЛЕДНОМ ПЛАВАНИИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВСПЛЫТИЕМ
DEVICE FOR CONTROLLING SURFACING OF SUBMARINE WITHOUT STROKE DURING UNDER-ICE NAVIGATION AND METHOD OF SURFACING CONTROL

Изобретение относится к области судостроения и морских сооружений и предназначено для применения при создании и эксплуатации подводных лодок (ПЛ), плавающих в арктических районах, и может быть использовано также для находящихся на грунте водоизмещающих модулей подводно-технических комплексов, эксплуатируемых в районах с ледообразованием, для их всплытия в случаях аварии.
Для таких объектов предъявляются повышенные требования к обеспечению безопасности в аварийной ситуации (например, при возникновении пожара или поступления воды в отсеки), в том числе в ледовых условиях. Лучшим способом спасения (как и в случае аварии при чистой воде) является всплытие на поверхность. Однако в ледовых условиях соударение с нижней поверхностью поля сплошного арктического льда значимой толщины (например, более 1 м) корпусными конструкциями всплывающего объекта опасно и может привести к разрушению конструкций. В существующей практике эксплуатации с целью снижения контактного усилия снижают до нуля горизонтальную скорость ПЛ и уменьшают вертикальную скорость всплытия ПЛ, но при этом существенно увеличивается время всплытия, что недопустимо в случаях тяжелой аварии, например пожара.
3
3
Другая причина ограничения вертикальной скорости (в течение всего процесса всплытия и вне зависимости от наличия ледовых условий) - необходимость своевременной компенсации дополнительной плавучести корпуса, возникающей от его расширения при всплытии. Порядок величины градиента изменения плавучего объема (как функции глубины погружения ПЛ), для больших современных ПЛ составляет от 0,5 до 1,5 м на 1 м изменения глубины (увеличивается с уменьшением глубины), в то время как производительность на прием («самотеком») уравнительной цистерны для компенсации дополнительной плавучести составляет не более 2-3 м/мин. Таким образом, предельная скорость всплытия, при которой возможна компенсация плавучести от расширения корпуса, составит от 1,5 до 6 м/мин - в противном случае неизбежно происходит неконтролируемое всплытие ПЛ с возрастающей вертикальной скоростью. На практике при всплытии подо льдом устанавливают скорость всплытия ПЛ вблизи нижней поверхности льда не более 0,5-1 м/мин. При этом время всплытия ПЛ до контакта с нижней поверхностью ледяного поля (приледнения) составляет более часа, что неприемлемо в случае тяжелой аварии (например, пожара).
Устройство, предлагаемое в настоящем изобретении, и способ управления всплытием ПЛ предназначены для обеспечения быстрого и безопасного всплытия ПЛ, плавающей подо льдом при нахождении на любой исходной глубине. При этом ПЛ, как и принято в практике эксплуатации, не должна иметь хода (горизонтальной скорости) для исключения опасности соударения с подводными образованиями (например, айсбергами, ледяными килями).
Известно устройство по изобретению «Способ экстренного всплытия во льдах подводного промышленного объекта и устройство для его осуществления» (патент RU 2473451, МПК B63G 8/24, B63G 8/00, опубл. 27.01.2013). Устройство содержит цистерны плавучести, которые изготовлены в виде одного или нескольких сочлененных между собой удобообтекаемых тел с большим соотношением длины к ширине, например 5:1, с креплением гибких связей к нижним оконечностям цистерн плавучести. Цистерны плавучести соединены гибкими связями с вьюшками и лебедками и размещены в надстройке объекта. Вьюшки предназначены для выпуска на гибких связях всплывающих цистерн плавучести на опережение при приближении всплывающей ПЛ к нижней поверхности льда, а лебедки - для подтягивания ПЛ к нижней поверхности льда после вступления цистерн плавучести в контакт с ледяным покровом.
Недостатком этого устройства-аналога, является необходимость размещения в легком корпусе-надстройке подводного объекта всплывающих цистерн плавучести, вьюшек с гибкими связями, лебедок с приводами и их обслуживания.
Известно устройство «Подводная лодка, управление которой производится с использованием плавучести» (патент республики Корея WO 2015102421, МПК B63G 8/14, B63G 8/22, опубл. 09.07.2015), где управление ПЛ производится за счет плавучести. Для этой цели в носу и корме ПЛ установлены эластичные воздушные емкости, которые выполнены в двух вариантах конструкции: как раздельные (разъединенные) или как соединенные трубопроводом, идущим из носа в корму. В первом варианте, когда эластичные емкости выполнены разъединенными, на ПЛ установлена цистерна сжатого воздуха, оборудованная воздушным компрессором, служащим для засасывания и сжатия воздуха из эластичных емкостей. Для обеспечения поступления воздуха в эластичные емкости или удаления воздуха из них установлен запорный клапан на трубопроводе между компрессором и цистерной. Во втором варианте, когда носовая и кормовая эластичные емкости соединены трубопроводом, установлен воздушный насос, который распределяет воздух между носовой или кормовой емкостями. Таким образом, заявляемое устройство способно управлять всплытием ПЛ (вертикальным движением) за счет изменения объема эластичных емкостей и, соответственно, плавучести носовой и кормовой частей корпуса ПЛ.
Указанное устройство по патенту WO 2015102421 принято как устройство-прототип.
Недостатками этого устройства-прототипа являются:
- для варианта, когда эластичные емкости выполнены разъединенными, необходима работа компрессора, которая при отсутствии специальной цистерны сброса давления может привести к неконтролируемому повышению давления воздуха в отсеках ПЛ с превышением допустимого по условиям эксплуатации предела;
- для варианта, когда эластичные емкости соединены трубопроводом, управление глубиной ПЛ возможно только за счет изменения дифферента ПЛ, что реализуется только для ПЛ, имеющей скорость хода, но не эффективно в случае ПЛ, не имеющей хода (как, например, в подледном плавании);
- применение в эластичных емкостях воздуха, т.е. сжимаемого газа, приведет, как это хорошо известно, к неустойчивости стабилизации ПЛ по глубине погружения, поскольку расширение/сжатие эластичных емкостей, наполняемых газом, от уменьшения/увеличения забортного гидростатического давления усугубит (упомянутое выше) дестабилизирующее воздействие, вызванное расширением/сжатием корпуса при всплытии/погружении ПЛ.
Известен способ по изобретению «Способ экстренного всплытия во льдах подводного промышленного объекта и устройство для его осуществления» (патент RU 2473451, МПК B63G 8/24, B63G 8/00, опубл. 27.01.2013), заключающийся в том, что во избежание повреждения конструктивных элементов и оборудования всплывающего объекта от соударения со льдом при всплытии с объекта на опережение выпускают цистерны плавучести на гибких связях, благодаря чему процесс всплытия объекта происходит с автоматической остановкой и удержанием на заданной безопасной глубине после вступления цистерн плавучести в контакт с ледовым покровом. В соответствии с этим способом подводный объект плавно подтягивают на гибких связях с помощью лебедок, после чего он входит в прямой контакт со льдом.
Недостатком этого способа-аналога являются задержки всплытия ПЛ до контакта с нижней поверхностью льда, обусловленные следующим:
- остановка всплытия на заданном расстоянии (длине гибких связей) подо льдом, предусмотренная алгоритмом способа, приводит к увеличению времени, необходимого для достижения контакта корпуса объекта со льдом;
- дальнейшая задержка всплытия до момента контакта с атмосферой за счет времени, необходимого для подтягивания объекта ко льду выбиранием лебедками гибких связей и удаления воды из цистерн главного балласта;
- вероятная задержка всплытия за счет запаздывания действия отдельных элементов устройства, обеспечивающего всплытие, например заклинивание вьюшки или лебедки.
В учебнике для курсантов Военно-морского инженерного института (г. Пушкин, СПб.) (Ю.В. Разумеенко и др. «Теория и управление подводной лодкой», ВМИИ, 2009) рекомендуется к применению принятый в практике эксплуатации ПЛ способ «Особенность управления ПЛ при всплытии под лед» (см. п. 12.3.3 учебника). Согласно этому способу для управления всплытием ПЛ подо льдом без хода используют прочные цистерны: уравнительную цистерну и цистерну быстрого погружения. Удаляют небольшое количество водяного балласта, чем инициируют начало всплытия, в процессе всплытия подводной лодки принимают порциями водяной балласт в количестве, необходимом для компенсации положительной плавучести, возникающей от расширения корпуса подводной лодки в процессе всплытия, за счет чего удерживают скорость всплытия не выше заданного предела. При необходимости ускорения всплытия для поддержания заданной скорости всплытия удаляют порциями водяной балласт; при подходе подводной лодки в конце процесса всплытия к нижней поверхности льда гасят скорость всплытия подводной лодки приемом порции воды в прочную цистерну, а после касания подводной лодкой нижней поверхности льда удаляют дополнительное количество водяного балласта и прижимают подводную лодку к нижней поверхности льда. Характерной чертой данного способа управления всплытием является управление за счет регулирования массы ПЛ.
Указанный способ, изложенный в п. 12.3.3 упомянутого учебника ВМИИ и применяемый на практике, принят как способ-прототип.
Недостатками этого способа-прототипа являются:
- скорость всплытия ПЛ ограничена по условию малошумности операции, согласно которому скорость приема водяного балласта («самотеком») в уравнительную цистерну не должна быть больше установленного предела, что достигается с помощью дроссельных устройств; этот факт замедляет процесс компенсации дополнительной плавучести от расширения корпуса (как уже было указано выше) и задерживает всплытие;
- возможность грубых ошибок в величине принятой порции водяного балласта при необходимости одержания (торможения) всплытия ПЛ приемом порции водяного балласта в цистерну быстрого погружения; это объясняется неопределенностью времени открывания-закрывания кингстона (обычно ±2 с). Указанные ошибки (в случае превышения величины принятой порции) могут привести к провалу ПЛ по глубине (с необходимостью одержания провала и последующим возвратом к исходной глубине), т.е. к неудаче операции всплытия;
- использование цистерны быстрого погружения сопряжено с ограничениями, поскольку неоднократный управляемый прием водяного балласта порциями возможен, но осушение допускается только однократно и на небольшой глубине; соответственно - это инструмент «одностороннего» действия, не гарантирующий от провала ПЛ по глубине.
Задачей заявляемого технического решения является разработка устройства управления всплытием подводного объекта, не имеющего хода, в подледном плавании и способа управления всплытием, использование которых позволит:
- избежать необходимости размещения в легком корпусе-надстройке подводного объекта всплывающих цистерн плавучести, вьюшек с гибкими связями, лебедок и их обслуживания;
- устранить остановки и задержки процесса всплытия ПЛ, вызванные использованием всплывающих цистерн плавучести, вьюшек с гибкими связями и лебедок;
- избежать неустойчивости положения ПЛ по глубине, возникающей из-за применения сжимаемого газа в эластичных емкостях при управлении глубиной погружения ПЛ (в том числе, всплытием);
- избежать неконтролируемого изменения давления воздуха в отсеках ПЛ;
- снять ограничения на скорость компенсации дополнительной плавучести от расширения корпуса при всплытии при сохранении малошумности операции;
- минимизировать вероятность провала ПЛ по глубине ПЛ при необходимости одержания (торможения) по скорости всплытия;
- обеспечить заданные ограничения по вертикальной скорости и плавучести при контакте ПЛ с ледяным полем и тем самым избежать повреждений конструкций корпуса и элементов оборудования ПЛ при контакте с нижней поверхностью льда;
- в результате обеспечить сокращение времени и безопасность всплытия ПЛ.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается устройство управления всплытием подводной лодки, не имеющей хода, в подводном плавании, включающее эластичные емкости, размещенные в проницаемой части корпуса подводной лодки, прочную цистерну, трубопроводы, соединяющие эластичные емкости и прочную цистерну, запорный клапан, рабочую субстанцию, заполняющую эластичные емкости и прочную цистерну, насос для перекачки рабочей субстанции. При этом в качестве рабочей субстанции применена рабочая жидкость, например морская вода (дизельное топливо, гидравлическая жидкость), общий объем которой должен быть не менее суммарного объема эластичных емкостей в полностью расправленном состоянии. Эластичные емкости соединены соединительными трубопроводами с горизонтально ориентированным коллектором, к которому подведен приемный трубопровод, соединенный с прочной цистерной. Эластичные емкости расположены по высоте подводной лодки так, чтобы их суммарный центр объема был расположен выше центра объема коллектора, который, в свою очередь, расположен не ниже верхней кромки прочной цистерны. На приемном трубопроводе оборудован запорный клапан, служащий для управления выдавливанием под забортным давлением рабочей жидкости из эластичных емкостей в прочную цистерну. Устройство снабжено также подающим трубопроводом, служащим для перекачки рабочей жидкости из прочной цистерны в эластичные емкости с помощью установленного на нем насоса, а прочная цистерна снабжена клапаном стравливания давления воздуха в отсек подводной лодки.
Технический результат достигается также тем, что при использовании упомянутого устройства применяется способ управления всплытием подводной лодки, не имеющей хода, в подледном плавании, при котором удаляют небольшое количество водяного балласта, чем инициируют начало всплытия. В процессе всплытия подводной лодки принимают порциями водяной балласт в количестве, необходимом для компенсации положительной плавучести, возникающей от расширения корпуса подводной лодки в процессе всплытия, за счет чего удерживают скорость всплытия не выше заданного предела. При необходимости ускорения всплытия для поддержания заданной скорости всплытия удаляют порциями водяной балласт. При подходе подводной лодки в конце процесса всплытия к нижней поверхности льда гасят скорость всплытия подводной лодки приемом порции воды в прочную цистерну, а после касания подводной лодкой нижней поверхности льда удаляют дополнительное количество водяного балласта и прижимают подводную лодку к нижней поверхности льда.
Для удержания скорости всплытия подводной лодки не выше заданного ограничения открывают запорный клапан на приемном трубопроводе, соединяющем коллектор и прочную цистерну емкости и тем самым инициируют выдавливание рабочей жидкости из эластичных емкостей, уменьшая их объем, через соединительные трубопроводы, коллектор и приемный трубопровод в прочную цистерну за счет забортного гидростатического давления воды в проницаемой части корпуса, где расположены эластичные емкости. При этом поддерживают атмосферное давление в воздушном пространстве прочной цистерны за счет открывания клапана стравливания давления воздуха в отсек подводной лодки. В случае необходимости ускорения всплытия для поддержания заданной скорости всплытия при закрытом запорном клапане включают насос и перекачивают порции рабочей жидкости из прочной цистерны в эластичные емкости, увеличивая их объем, через подающий трубопровод, коллектор и соединительные трубопроводы. Перекачку производят до достижения заданной скорости всплытия; при приближении подводной лодки к нижней поверхности льда гасят скорость всплытия, открывая запорный клапан на приемном трубопроводе. После достижения контакта подводной лодки со льдом перекачивают дополнительную порцию рабочей жидкости из прочной цистерны в эластичные емкости для создания необходимого прижимного усилия подводной лодки к нижней поверхности льда.
Таким образом, управляющее воздействие - контролируемое изменение плавучести ПЛ - реализуют за счет изменения водоизмещающего объема эластичных емкостей, т.е. изменения силы плавучести ПЛ, которая увеличивается при перекачке рабочей жидкости из прочной цистерны в эластичные емкости и уменьшается при выдавливании из емкостей в прочную цистерну забортным давлением. В надводном положении ПЛ эластичные емкости максимально сжаты, а при нахождении на глубине, установленной как максимальная исходная глубина для всплытия, в эластичных емкостях находится максимальное количество рабочей жидкости, соответственно, их оболочки полностью расправлены. Объем прочной цистерны несколько больше суммарного объема эластичных емкостей (например, на 40%), так что при полностью расправленных эластичных емкостях в прочной цистерне остается определенное количество рабочей жидкости (например, 20% объема), а при полностью сжатых эластичных емкостях остается некоторый объем воздуха над уровнем рабочей жидкости (например, 20% объема прочной цистерны). Для беспрепятственного заполнения прочной цистерны в ее воздушном пространстве поддерживают атмосферное давление, для чего используют клапан стравливания давления воздуха в отсек подводной лодки. Выдавливание рабочей жидкости под действием забортного давления возможно до тех пор, пока в эластичных емкостях остается минимальное количество рабочей жидкости, поскольку, как оговорено выше, уровень расположения верхней части прочной цистерны по высоте находится ниже коллектора и, соответственно, ниже суммарного центра объема эластичных емкостей. При этом поддерживают заданную скорость всплытия ПЛ не менее 6-10 м/мин, которая существенно больше установленной на практике (1-2 м/мин). Для снижения скорости всплытия до указанной величины непосредственно перед контактом увеличивают порцию выдавленной рабочей жидкости, открывая запорный клапан на большее время.
Указанный процесс управления всплытием продолжают до контакта с нижней поверхностью льда, стараясь не допустить появления вертикальной скорости ПЛ, направленной на погружение. В процессе управления плавучестью - перекачек рабочей жидкости между прочной цистерной и эластичными емкостями - сохраняется малошумность операций, поскольку отсутствует работа забортной арматуры и перекачки забортной воды.
Характерной чертой заявляемого способа управления всплытием является управление за счет регулирования плавучести (объема) ПЛ без обмена водой с забортной средой через забортные отверстия, что снижает шумность процесса.
Конструкция заявляемого устройства и способ управление всплытием иллюстрируются чертежами на фиг. 1-3. На фиг. 1 показано поперечное сечение корпуса ПЛ, включающее прочный корпус 1, проницаемую часть корпуса (например, надстройку) 2 и размещенные в ней эластичные емкости 3, которые расположены по высоте подводной лодки так, чтобы их суммарный центр объема был расположен выше верхней кромки прочной цистерны 4. Эластичные емкости 3 и прочная цистерна 4 заполнены несжимаемой рабочей жидкостью 5, например морской водой, дизельным топливом или гидравлической жидкостью, при этом в прочной цистерне 4 имеется воздушное пространство 6 над уровнем рабочей жидкости 5.
Эластичные емкости 3 соединены соединительными трубопроводами 7 с горизонтально ориентированным коллектором 8, к которому подведен приемный трубопровод 9, на котором оборудован запорный клапан 10, служащий для управления выдавливанием рабочей жидкости 5 из эластичных емкостей 3 в прочную цистерну 4. Устройство снабжено также подающим трубопроводом 11, служащим для перекачки рабочей жидкости 5 из прочной цистерны 4 в эластичные емкости 3 с помощью установленного на нем насоса 12, а прочная цистерна 4 снабжена клапаном стравливания давления воздуха 13 в отсек 14 подводной лодки.
Работа устройства и реализация способа происходит следующим образом. Для всплытия с исходной глубины удаляют небольшое количество водяного балласта из уравнительной цистерны (на фиг. 1-3 не показана), чем инициируют начало всплытия. Для удержания скорости всплытия подводной лодки не выше заданного предела открывают запорный клапан 10 на приемном трубопроводе 9, соединяющем коллектор 8 и прочную цистерну 4, и тем самым инициируют выдавливание рабочей жидкости 5 из эластичных емкостей 3, уменьшая их объем, через соединительные трубопроводы 7, коллектор 8 и приемный трубопровод 9 в прочную цистерну 4 за счет забортного гидростатического давления воды в проницаемой части корпуса 2, где расположены эластичные емкости 3. При этом поддерживают атмосферное давление в воздушном пространстве 6 прочной цистерны 4 за счет открывания клапана стравливания давления воздуха 13 в отсек 14 подводной лодки. В случае необходимости ускорения всплытия для поддержания заданной скорости всплытия, что может произойти в случае входа прочного корпуса 1 ПЛ в слой воды пониженной плотности (так называемый «слой скачка» или «пикноклин»), включают насос 12 (при закрытом запорном клапане 10) и перекачивают порции рабочей жидкости 5 из прочной цистерны 4 в эластичные емкости 3, увеличивая их объем, через подающий трубопровод 11, коллектор 8 и соединительные трубопроводы 7. Перекачку производят до достижения заданной скорости всплытия. При приближении подводной лодки к нижней поверхности льда гасят скорость всплытия, открывая запорный клапан 10 на приемном трубопроводе 9. После достижения контакта подводной лодки со льдом перекачивают дополнительную порцию рабочей жидкости 5 из прочной цистерны 4 в эластичные емкости 3 для создания прижимного усилия подводной лодки к нижней поверхности льда, необходимого для устойчивости приледненного положения ПЛ. Необходимая величина прижимного усилия зависит как от толщины льда, так и от скорости дрейфа ледяного поля.
Предлагаемое изобретение обеспечивает всплытие ПЛ с заданной программируемой скоростью в подледном пространстве моря, а также вход конструкции ПЛ в контакт с нижней поверхностью льда с оптимальным сочетанием вертикальной скорости ПЛ и его плавучести, обеспечивающим непревышение допустимого контактного усилия и устойчивое положение ПЛ в приледненном положении. Целесообразно использование изобретения также для погружения ПЛ после пребывания в ледовой майне или в приледненном положении, а также для вертикальных маневров или одержания ПЛ по плавучести вне зависимости от наличия ледовых условий.
Кроме того, применение изобретения дает следующие преимущества:
- частичное замещение функций уравнительной цистерны в части компенсации остаточной плавучести от обжатия корпуса ПЛ (уменьшение объема корпуса от обжатия компенсируют увеличением объема от расширения эластичных емкостей) при изменении глубины погружения в любом направлении;
- снижение шумности от операций по изменению плавучести ПЛ благодаря отсутствию обмена водой через забортные отверстия (как это происходит при работе уравнительной цистерны и цистерны быстрого погружения);
- возможность использования дизельного топлива (преимущественно для дизель-электрических ПЛ) в качестве рабочей жидкости для регулирования плавучести ПЛ.