СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОДВОДНОГО ПЛАНЕРА
UNDERWATER GLIDER MOTION CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к судостроению и может бать использовано для обеспечения движения и маневрирования по азимуту и глубине подводных аппаратов, автономных подводных самоходных аппаратов, планеров-глайдеров при океанологических и гидроакустических исследованиях водных акваторий.
Подводный планер (глайдер) - автономный необитаемый малоразмерный подводный аппарат способный перемещаться в воде без использования движителя. Для горизонтального перемещения под водой используется принцип планера - за счет подъемной силы крыльев и корпуса или только корпуса, при изменении глубины, за счет изменения плавучести аппарата. Благодаря низким затратам энергии планер имеет высокую автономность и способен преодолевать очень большие расстояния, осуществляя при этом сбор океанографических и других данных, передавая их на сеансах связи в контрольный пункт. Подводный планер может быть универсальным инструментом для любых акваторий Мирового океана, в частности для Арктической зоны, где он может использоваться в подледном режиме на больших временных интервалах автономной эксплуатации. (Underwater Gliders for Ocean Research //Marine Technology Society Journal; Spring 2004, Volume 38, Number 1, p. 48-59).
Для управления подводным планером по углу дифферента и крена используют различные системы, например, управление с помощью отклоняемых гидродинамических профилей (хвостовое оперение) при помощи серводвигателей или управление с помощью изменения положения центра тяжести планера в продольном и поперечном направлениях, а также совместное использование того и другого для повышения маневренности (http://en.wikipedia.org/wiki/Seaglider). Известно использование килевого руля для уменьшения угла поворота на глайдере типа Slocum, что дает аппарату большую маневренность в горизонтальной плоскости. Преимущество крыльев очевидно, но они увеличивают габариты планера, что создает неудобства при запуске и эксплуатации - возможность зацепа за сети и другие препятствия. Поэтому для некоторых задач используют бескрылые варианты планеров, а также гибридные.
На практике для изменения положения центра тяжести планера используются механизмы, перемещающие блок батарей в продольном и радиально-поперечном направлениях. Данные прецизионные механизмы имеет сложную и дорогостоящею конструкцию (Нехожин А.В., Гусев С.С., Сущицкий А.С.«Автономный необитаемый подводный планирующий аппарат для океанологических исследований» // Всероссийская молодежная выставка конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. - Ч. 2. - 3 с).
Известен подводный планер, корпус которого снабжен крылом из двух подвижных консолей и подвижным хвостовым оперением, которые приводятся в движение четырьмя двигателями. Планер оборудован электронными системами сбора и передачи информации, управления движением планера и движением консолей, системами регулирования плавучестью и изменения дифферента, расположенными внутри корпуса. Консоли и хвостовое оперение установлены на корпусе планера на оси по принципу горизонтальных рулей подводной лодки, то есть выполнены балансирными, для уменьшения величины вращающего момента, создаваемого электродвигателем при изменении углов атаки, с возможностью принудительного по заданной программе изменения угла атаки консолей и хвостового оперения, которое осуществляется двигателями (в.з. Японии №2007276609 А). Такая конструкция планера дополнительно решает проблему высокой маневренности для выполнения сложных движений - крутые виражи, резкие торможения, остановки, погружение при сохранении горизонтального положения планера, что не могут выполнять планеры с неподвижным крылом.
Однако данная конструкция сложна и дорога, требует значительных затрат энергии для работы двигателей, обеспечивающих повороты консолей и хвостового оперения, приводит к увеличению веса и размеров планера из-за установки дополнительных электроприводов (серводвигатели, редукторы), необходимости герметизации валов вращения, дополнительного программного обеспечения для системы управления движением консолей и оперения и, как следствие, к уменьшению веса полезной нагрузки и автономности планера. Кроме того, из-за увеличения плотности внутренней компоновки (веса) планера увеличивается диапазон изменения силы плавучести, что требует увеличения времени и затрат энергии на изменение плавучести.
Наиболее близким к заявляемому является устройство управления движением подводного аппарата, представленное в а. с.СССР №1768443 А1.
Данная система управления движением подводного планера включает расположенный в кормовой части аппарата кронштейн, на котором посредством шарнира закреплено хвостовое оперение, выполненное в виде боковой поверхности усеченного конуса. Кронштейн установлен в направляющих и снабжен приводами выдвижения вдоль продольной оси аппарата и поворота конуса на шарнире. При движении планера набегающий поток входит в носовой кольцевой зазор между корпусом и оперением (усеченным конусом) и с ускорением выходит через кормовой зазор. При этом формируется коническое концентричное течение. Для изменения вектора этого течения и образования управляющей силы оперение с помощью привода поворота поворачивается на угол, который задается электронным блоком управления. Для регулирования скорости концентричного течения изменяют площади гидравлических сечений на входе конуса, для чего оперение по команде блока управления перемещают (вдоль) относительно кормы аппарата приводом выдвижения.
Однако, когда оперение находиться практически вплотную к корпусу планера, скорость конического концентричного течения максимальна и изменить направление течения путем поворота хвостового оперения на шарнире возможно только на очень малый угол, поскольку угол поворота ограничен наружной поверхностью кормовой части подводного аппарата, что скажется на управляемости планера по сравнению с полностью выдвинутым кронштейном, при этом скорость конического концентричного течения будет минимальна и, следовательно, процесс поворота будет так же замедлен. То есть в крайних положениях кронштейна управляемость планера снижается (то из-за малого угла поворота оперения, то из-за малой скорости течения). Изменение длины кронштейна (плеча) не происходит мгновенно, а это снижает реакцию на изменение курса планера (на управление движением). Кроме этого, при изменении скорости конического концентричного течения воды между корпусом и хвостовым оперением (усеченным конусом) ламинарное течение жидкости переходит в турбулентное, что создает гидродинамические шумы, вносящие помехи при измерении гидроакустических полей.
Таким образом, существует проблема повышения эффективности стабилизации и управления движением подводного планера. Для чего предлагается положить в основу принципа управления подводным планером не изменение скорости и направления конического концентричного течения потока воды, а использование подъемной силы гидродинамических профилей хвостового оперения.
Для реализации этого предлагается система управления подводным планером включающая хвостовое оперение с гидродинамическими профилями, установленное на конце рычага первого рода, опорой которого является шаровой шарнир с как минимум одним цилиндрическим пальцем, расположенным на сфере шарнира и закрепленным перпендикулярно относительно рычага, при этом опора рычага установлена на продольной оси аппарата в конечной точке кормы планера, а второй конец рычага снабжен подвижным телескопическим соединением и через дополнительный шаровой шарнир закреплен на шатуне, конец которого шарнирно соединяет ползуны двух качающихся рамных кулис, осями качания которых являются валы сервоприводов, соединенных с электронным блоком управления и разнесенных по окружности на 90 градусов на плоскости, представляющей собой герметичную переборку кормового отсека, расположенную параллельно поперечному сечению корпуса планера.
Заявляемая система управления позволяет задавать угол планирования при малых скоростях и повышает маневренность планера. Кроме этого, предлагаемая система управления дает возможность управлять планером без применения системы изменения его центра тяжести, что дает экономию электропитания, а также позволяет использовать хвостовое оперение в качестве движителя колебательного типа для преодоления подводных течений и быстрого маневра. Использование рычага первого рода дает выигрыш в силе, что снижает энергопотребление за счет возможности использования сервоприводов меньшей мощности.
1
2
На Фиг. приведена структурная схема заявляемой системы управления, где: M, М - сервоприводы, I и II - валы сервоприводов; 1,2 - рамные кулисы с ползунами, 3 - шатун, 4 - дополнительный шарнир, 5 - телескопическое подвижное соединение, 6,6' - плечи рычага, 7 - шаровая опора рычага, 8 - хвостовое оперение. Штрих пунктиром показано положение звеньев системы при повороте направо.
1
2
За герметичной переборкой (на Фиг. не показана), отделяющей кормовой отсек аппарата, установлены сервоприводы M, М, валы I и II которых выведены через переборку в кормовой отсек. На валах I, II сервоприводов, разнесенных на 90 градусов по окружности переборки, со стороны кормы закреплены рамные кулисы 1 и 2. Ползуны кулис 1 и 2, шарнирно соединены с шатуном 3, другой конец которого снабжен шарниром 4. Длина шатуна 3 определяет угол поворота рычага (6,6'), а телескопическое соединение 5, соединяющее шаровой шарнир 4 с плечом рычага 6 обеспечивает компенсацию длины плеча рычага 6 при крайних положениях кулис 1 и 2. Для предотвращения вращения рычага (6,6'), вокруг своей оси, а, следовательно, и вращению хвостового оперения 8 относительно корпуса планера, опора рычага - шаровой шарнир 7, расположенный на продольной оси аппарата, снабжен цилиндрическим пальцем. Для уменьшения нагрузки, возникающей на пальце от действия гидродинамических сил на хвостовом оперении, опора 7 рычага может быть выполнена с двумя, установленными навстречу друг другу, цилиндрическими пальцами. На конце второго плеча (6') рычага закреплены гидродинамические профили (хвостовое оперение) 8.
Хвостовое оперение, в зависимости от назначения планера, может быть различных типов и форм. Возможны варианты оперения, например, V образного или Y, X, Т-образных как симметричных, так и не симметричных типов, при этом не симметричные оперения дадут разные траектории при погружении и всплытии.
Электронный блок управления может быть реализован как на базе микроконтроллера, так и микропроцессора.
Соединение шатуна с шаровым шарниром можно выполнить резьбовым, что позволит делать более тонкую настройку максимальных углов отклонения хвостового оперения.
Ползуны, звенья кулис перемещаются в параллельной плоскости поперечного сечения аппарата (плоскость переборки), шатун, шарнирно соединенный с ползунами обоих кулис, совершает сложное плоскопараллельное движение относительно поперечного сечения аппарата (переборка хвостового отсека) и через шаровой шарнир 4 передает усилие рычагу, который изменяет положение в пространстве хвостового оперения. При крайних положениях кулис, так как центром вращения двуплечего рычага является шаровой шарнир (7), конец плеча рычага описывает дугу и, следовательно, укорачивается. Для компенсации длины рычага (6) установлено подвижное телескопическое соединение 5 рычага с шарниром 4.
Кулисы 1 и 2 или одна из кулис, изменяют свое положение на определенный угол или получают качательные движения через валы (I, II) сервоприводов. Ползуны кулис соединены между собой шарниром, переходящим в шатун 3. При изменении положения любой из двух кулис или совместно, ползуны перемещаются вдоль кулис или совершают возвратно-поступательные движение, если кулиса (кулисы) в режиме качания. Причем, при изменении положения одной из кулис, направляющей для перемещения ползунов является вторая кулиса (задает направление движения или перемещения). Шатун 3 на шарнире кулис совершает плоскопараллельное смещение или движение и через шаровой шарнир (4) и телескопическое соединение (5) передает (движение) усилие плечу (6) двуплечего рычага, который поворачивается на шаровом шарнире (7) и задает положение в пространстве хвостовому оперению (8), закрепленному на конце рычага (6').
В зависимости от исполнения кормового отсека, затопляемый или герметичный, будут зависеть материалы для изготовления данной системы. Металл, пластик, комбинированные, полимерные композиционные материалы.
Заявляемая система работает следующим образом.
1
В исходном положении кулисы (1,2) находятся под 90 градусов относительно своих осей, а хвостовое оперение расположено на продольной оси планера. При движении вниз (режим погружение, отрицательная плавучесть планера) сервопривод М перемещает кулису 1 вверх на заданный электронным блоком управления угол, что вызывает смещение ползунов в кулисах, и через шатун (3) рычаг (6,6') переместит хвостовой блок 8 вниз (оперение), что изменит угол атаки гидродинамических профилей, относительно продольной оси корпуса подводного аппарата. За счет подъемной силы гидродинамических профилей хвостового оперения создается момент силы, который развернет корпус аппарата.
При движении вверх (режим всплытия, положительная плавучесть планера) происходит противоположное действие - хвостовое оперение 8 поднимется на заданный блоком управления угол атаки за счет смещения кулисы 1. Шатун 3, переместит рычаг на заданный угол, подъемная сила создаст момент силы на гидродинамических плоскостях хвостового оперения и повернет аппарат в заданном блоком управления направлении.
2
Для осуществления поворота планера (на Фиг. показано пунктиром поворот на право), достаточно сервоприводом Mпереместить кулису 2 на заданный угол (вправо или влево в зависимости от выбранного направления) ползуны переместятся по пазам в кулисах (направление перемещения задаст кулиса 1), усилие через шатун 3 переведет рычаг на нужный угол, что даст смещение хвостового блока 8 (влево или право), и за счет момента силы, действующей на гидродинамические профили, позволит осуществить поворот планера в нужном направлении, не перемещая центр тяжести планера. Поворот может осуществляться при любом положении кулисы 2.
Для преодоления течений или резкого (быстрого) маневра хвостовое оперение можно использовать в качестве движителя колебательного типа. Для этого по команде блока управления достаточно перейти в режим качания кулисы или кулис. В зависимости какой сервопривод будет задействован, колебания хвостового блока будут в вертикальной или горизонтальной плоскости. При совместной работе сервоприводов возможны более сложные колебания хвостового блока, что даст возможность осуществить более сложный маневр.
От угла атаки гидродинамических профилей хвостового оперения, заданного блоком управления, зависит момент силы, приложенный к хвостовому оперению, следовательно, и угол планирования, и скорость планера, что можно сделать без смещения центра тяжести аппарата, а также ориентировать планер параллельно (вдоль) набегающего потока, что уменьшит гидродинамическое сопротивление корпуса планера. Изменяя угол атаки хвостового оперения можно изменять качественную зависимость гидродинамических коэффициентов, что приведет к изменению скорости планирования. Использование подвижной системой управления хвостовым оперением дает больше возможности для управления движением планера как с крыльями, так и без.
Таким образом, заявляемая система управления движением подводного планера за счет использования системы управления изменением углов атаки плоскостей хвостового оперения позволяет решить обозначенную техническую проблему с достижением заявленного технического результата: повышение маневренности, управление изменением скорости планирования, снижение энергопотребления для управления движением и снижение гидродинамических шумов обтекания. Предлагаемая система позволяет управлять движением планера без системы изменения центра тяжести планера, а также использовать хвостовое оперение в качестве движителя колебательного типа для преодоления подводных течений и быстрого маневра