Способ определения величины коэффициента остойчивости необитаемого подводного аппарата опытным путем
METHOD OF DETERMINING STABILITY FACTOR OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLE BY EXPERIMENTAL MEANS

Изобретение относится к области подводного аппаратостроения, а именно, к способам измерения величины коэффициента остойчивости малогабаритных необитаемых подводных аппаратов весом от 100 кгс до 6000 кгс, не имеющим в своем составе активных средств для погружения в подводное положение без хода.
Общеизвестно, что после постройки НПА обязательно проводится в первую очередь его вывеска для определения нагрузки, а затем экспериментальная опытная проверка выполнения условий остойчивости НПА, рассчитанных в процессе его конструирования.
Известен малогабаритный АНПА модульной конструкции, (патент РФ №161175, МПК B63G 8/00, опубликован 10.04.2016 г., бюл.10), который имеет средства для обеспечения балластировки и статической балансировки аппарата. Эти средства выполнены в виде набора грузов, размещенных в балластировочном модуле. Применение в составе АНПА балластировочного модуля обеспечивает его балластировку и статическую балансировку, позволяя вывесить аппарат при любой начальной величине остаточной плавучести и произвольном распределении масс вдоль корпуса АНПА. Балластировка осуществляется при помощи установки внутрь балластировочного модуля набора грузов. Статическая балансировка аппарата осуществляется за счет применения нескольких балластировочных модулей, распределенных вдоль корпуса АНПА. Путем перемещения набора грузов внутри балластировочных модулей производится регулировка величины метацентрической высоты в широком диапазоне, а также устраняется статический крен. Балластировку АНПА выполняют следующим образом. Аппарат в транспортных контейнерах доставляется любым транспортным средством к месту проведения подводных работ. В соответствии с предстоящими работами по проведению исследований морских глубин оператор производит извлечение требуемых модулей из контейнеров. С использованием стапеля и специальной технологической оснастки осуществляется сборка и оснащение АНПА, при этом производится процедура предварительной балластировки аппарата посредством размещения набора грузов в балластировочном модуле. Оператор производит тестирование работоспособности всех систем АНПА путем запуска тестовых программ. АНПА доставляется к урезу воды и спускается на воду непосредственно с берега либо с судна-носителя. Производится погружение АНПА в воду с целью окончательной его вывески, балластировки и статической балансировки.
Недостатками известного способа балластировки являются:
- для оснащения АНПА балластировочными модулями выполняется разборка аппарата с последующей сборкой на стапеле и использованием специальной технологической оснастки;
- возможность выполнить только вывеску АНПА, т.е. выполнить корректировку его нагрузки с целью приведения АНПА в состояние, удовлетворяющему условию равновесия АНПА в подводном положении без крена и дифферента;
- невозможность определить величину коэффициента момента остойчивости АНПА после его постройки.
Известен также способ определения остойчивости подводной лодки опытным путем (Н.П. Муру «Статика подводной лодки», Издание ВВМИОЛУ им. Ф.Э. Дзержинского Ленинград, 1971 г., С 24-27, С 130-132), называемый кренованием. Известный способ заключается в том, что прошедшую вывеску после постройки подводную лодку погружают на фиксированную глубину путем заполнения цистерн главного балласта (ЦГБ), удерживают на фиксированной глубине за счет заполненных ЦГБ и работы уравнительной системы, в погруженном состоянии лодку наклоняют по крену путем горизонтально-поперечного переноса твердого балласта внутри лодки, измеряют и записывают угол крена  при равенстве кренящего момента  и восстанавливающего момента  по измеренному углу крена вычисляют значение (величину) коэффициента остойчивости.
Известный способ определения остойчивости подводной лодки опытным путем невозможно применить к НПА в виду того, что:
- в составе НПА нет специальных устройств для его погружения и удержания на фиксированной глубине без хода - таких как: ЦГБ, уравнительная система;
- конструктивные особенности и габариты НПА не обеспечивают возможность его накренения в подводном положении путем горизонтально-поперечного переноса груза (твердого балласта) внутри аппарата.
Задачей изобретения является - разработка способа определения величины коэффициента остойчивости НПА после его постройки опытным путем в подводном положении с использованием простых, широко известных в морской практике средств, не прибегая к разработке и изготовлению для НПА специальных средств и приспособлений.
1
2
Для решения поставленной задачи в способе определения величины коэффициента остойчивости НПА опытным путем, после постройки и прошедшем вывеску, погружают НПА в подводное положение на фиксированную глубину без хода и удержание его на фиксированной глубине без хода, наклоняют НПА в подводном положении под воздействием наклоняющей силы, измеряют угол наклона НПА под воздействием наклоняющей силы и вычисляют величину коэффициента остойчивости, до погружения НПА в подводное положение включают его бортовую измерительную аппаратуру, для обеспечения погружения НПА в подводное положение на фиксированную глубину без хода используют плавающий буй в виде поплавка и груза, функционально связанных между собой буйрепом, к которому на заданном расстоянии от поплавка, подвижно подсоединяют кормовую оконечность НПА, затем погружают НПА в подводное положение на фиксированную глубину за счет веса груза плавающего буя, а удерживают его в подводном положении на фиксированной глубине, для стабилизации НПА в подводном положении, за счет плавучести поплавка плавучего буя, и измеряют значение угла дифферента Ψ, а затем наклоняют НПА по дифференту путем воздействия снаружи корпуса в носовой оконечности весом грузила, создающего наклоняющую силу, удерживающую НПА в таком положении для стабилизации НПА в подводном положении и измеряют значение угла дифферента Ψ и по значениям углов дифферентов и вычисляют величину коэффициента остойчивости по формуле:
где
2
Р - вес грузила
L - длина аппарата.
Поставленная задача достигается также тем, что в качестве буйрепа в плавающем буе используют фал диаметром 8-10 мм, длиной 10-16 м с закрепленным на нем металлическим кольцом для подсоединения НПА к буйрепу плавающего буя на заданном расстоянии от его поплавка.
1
2
Кроме того, поставленная задача решается также тем, что для измерения и записывания значения углов дифферента Ψ и Ψ НПА удерживают в подводном положении на фиксированной глубине, для стабилизации НПА в подводном положении, в течении 15-20 минут.
В заявленном способе определения коэффициента остойчивости НПА опытным путем после постройки и прошедшего вывеску, общими существенными признаками для него и прототипа являются следующие:
- погружение НПА в подводное положение на фиксированную глубину без хода и удержание его на фиксированной глубине без хода;
- наклонение НПА в подводном положении под воздействием наклоняющей силы;
- измерение угла наклона НПА под воздействием наклоняющей силы;
- вычисление величины коэффициента остойчивости.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа определения коэффициента остойчивости НПА опытным путем после постройки и прошедшего вывеску и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
- до погружения НПА в подводное положение включают его бортовую измерительную аппаратуру,
- для обеспечения погружения НПА в подводное положение на фиксированную глубину без хода используют плавающий буй в виде поплавка и груза, функционально связанных между собой буйрепом, к которому на заданном расстоянии от поплавка, подвижно подсоединяют кормовую оконечность НПА,
- затем погружают НПА в подводное положение на фиксированную глубину за счет веса груза плавающего буя, удерживают его в подводном положении на фиксированной глубине, для стабилизации НПА в подводном положении, за счет плавучести поплавка плавучего буя,
J
1
- измеряют значение угла дифферента 4 без воздействия наклоняющей силы,
2
- наклоняют НПА по дифференту путем воздействия снаружи корпуса в носовой оконечности весом грузила, создающего наклоняющую силу, удерживающую НПА в таком положении для стабилизации НПА в подводном положении и измеряют значение угла дифферента Ψ
1
2
- по значениям углов дифферентов Ψ и Ψ вычисляют величину коэффициента остойчивости по формуле:
где
2
Р - вес грузила
L - длина аппарата.
Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа определения коэффициента остойчивости НПА опытным путем после постройки и прошедшего вывеску позволила решить задачу определения величины коэффициента остойчивости НПА с помощью простых, широко применяемых в морской практике средств - грузила и поплавка, не прибегая к разработке и изготовлению специальных устройств и приспособлений для НПА.
На основе изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно -следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.
Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показан НПА в подводном положении без воздействия наклоняющей силы, на фиг. 2 - показан НПА в подводном положении под воздействием наклоняющей силы.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - НПА
2 - рым кормовой НПА
3 - рым носовой НПА
4 - буйреп
5 - поверхность воды
Р - вес НПА
D - плавучесть НПА
L - длина НПА
Pi - вес груза плавающего буя для погружения НПА
В - поплавок плавающего буя для удержания НПА на фиксированной
глубине
2
Р - вес грузила для создания наклоняющей силы для наклонения НПА по дифференту
m
v
X,X- продольные координаты ЦТ и ЦВ НПА
m
v
Z,Z- поперечные, вертикальные координаты ЦТ и ЦВ НПА.
Способ определения коэффициента остойчивости НПА опытным путем после постройки и прошедшего вывеску реализуется следующим образом.
1
1
2
Обеспечивающим судном НПА доставляется в закрытую от волнения и течения акваторию с глубиной 20-25 м при штиле или отсутствии ветра, а так же, при необходимости, в открытое море при штиле или при отсутствии ветра. Для обеспечения измерений используют надувную моторную лодку, в которую укладывают заранее подготовленные: груз P для погружения НПА на фиксированную глубину, поплавок В для удержания НПА на фиксированной глубине, буйреп 4, соединяющий груз P и поплавок В, грузило Р для наклонения НПА по дифференту, буксировочный (страховочный) трос (на чертеже не показан), коренной конец которого фиксируют в лодке. Буйреп 4 представляет собой тонкий мягкий фал диаметром 8-10 мм, длиной 10-16 м, с закрепленным на нем металлическим кольцом для подсоединения НПА. Буксировочный трос представляет собой плавучий полистирольный фал диаметром 10-12 мм, длиной 80-100 м. Затем осуществляют подготовку НПА. Прежде всего, проверяют работоспособность НПА в целом и производят записывание в систему программного управления (СПУ) НПА программы-задания (миссии) на погружение. Миссией должно быть предусмотрено включение в работу измерительной аппаратуры на весь период времени после спуска НПА на воду до момента подъема его на борт судна, выключение движительно-рулевого комплекса на время погружения на фиксированную глубину без хода, удержания НПА без хода на фиксированной глубине, для стабилизации НПА в подводном положении, до завершения измерения углов дифферента и подъема его на поверхность воды. После чего проводят симуляцию миссии. Подсоединяют к носовой оконечности НПА ходовой конец буксировочного троса. После завершения симуляции миссии с положительным результатом производят спуск с судна на воду сначала лодки, затем НПА. Лодкой аппарат буксируют в заранее намеченную точку погружения, которая должна быть выбрана так, чтобы во время нахождения НПА на фиксированной глубине, судно не наваливало в направлении точки погружения. Работа в точке погружения.
1
1
2
2
1
2
1
2
Осуществляют постановку плавающего буя и с помощью груза Р погружают НПА на фиксированную глубину. Аппарат при этом займет положение, показанное на фиг. 1. Для стабилизации НПА в подводном положении делается выдержка 15-20 минут, измеряют и записывают значение угола дифферента Ψ без воздействия наклоняющей силы. Затем за буксировочный трос НПА поднимают на поверхность воды и за носовой рым 3, вне корпуса 1 НПА, навешивают грузило Р. Снова опускают НПА в подводное положение и аппарат займет положение, показанное на фиг. 2. Для стабилизации положения НПА в подводном положении делается выдержка 15-20 минут, затем измеряют и записывают значение угола дифферента Ψ при воздействии наклоняющей силы. Затем за буксировочный трос аппарат поднимают к поверхности воды 5, снимают и укладывают в лодку груз P, грузило Р, поплавок В и буйреп 4, ходовой конец буксировочного троса переносят на кормовую оконечность лодки. Буксируют НПА к судну, поднимают на борт сначала НПА, затем лодку. Считывают из СПУ НПА данные об измеренных значениях углов дифферента Ψ, Ψ, по которым рассчитывают величину коэффициента остойчивости по формуле:
Использование заявленного способа позволило определять величины коэффициента остойчивости НПА с помощью простых, широко применяемых в морской практике средств - грузила и поплавка, функционально связанных между собой буйрепом, не прибегая к разработке и изготовлению специальных устройств и приспособлений для НПА.
Коэффициент остойчивости характеризует интенсивность нарастания восстанавливающих моментов и является мерой начальной остойчивости аппарата. Полученное описанным способом значение коэффициента остойчивости на практике используется в системе программного управления динамикой подводного аппарата.
Данный способ определения величины коэффициента остойчивости необитаемого подводного аппарата опытным путем можно применять и для определения величины коэффициента остойчивости НПА, в конструкцию которых внесены существенные изменения.