NO303277B1 - GruntgÕende farkost - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en gruntgående sjøfarkost med evne

■til å motstå støtpåkjenninger forårsaket av oppadgående vannbevegelser, tilsvarende en sjokkfaktor (CF) på opp til ca 1,5. Farkosten omfatter minst én overbygning beregnet på å befinne seg over sjøoverflaten, minst to pongtonger som flyter i sjøen, samt utstyr for å bære overbygningen.

Farkosten er først og fremst anvendelig for minerydding og for å senke dypvannsbomber, men kan også benyttes for forskning og andre formål der det forekommer anvendelse av undervannseksplosjoner, eksempelvis ved anleggsarbeide og tunnelbygging under sjøoverflaten.

Gruntgående farkoster som består av pongtonger med en overbygning er tidligere kjente, og en slik farkost i form av en seilkatamaran er beskrevet i US patent 3 473 502. Denne farkost er konstruert som en lettvektsbåt, som raskt og enkelt kan demonteres for å transporteres og lagres. Pongtongene består av tynnvegget materiale som kan holde et visst ønsket gasstrykk i pongtongene, og kan utføres av gummi, vinylplast og liknende polymermateriale. Det tør være åpenbart at slike farkoster ikke kan være gunstige for de ekstremt vanskelige bruksområder som ble antydet i innledningen.

Målet på påkjenninger fra en undervannseksplosjon er sjokkfaktoren CF. Faktoren CF beregnes fra ladningsvekten W, uttrykt i kg, for en ekvivalent TNT-ladning og avstanden r uttrykt i meter ifølge

CF = (W)<0,5>• r'<1>

Sjokkf aktoren CF er et mål for energien pr. overflate-enhet i den oppadgående sjokkbølge som forårsakes av eksplosjonen, og den gir en god antydning om skadevirkninger på gjenstan-der under vannoverflaten. Lette gruntgående farkoster påvirkes i høy grad av bevegelser i vannoverflaten. Denne er sammensatt av to effekter, kavitasjonshevning når sjokkbølgen reflekteres mot vannoverflaten, og overflatens hevning på grunn av utvidelse av den gasskule som dannes av eksplosjonen. Begge disse størrel-ser er direkte proporsjonale med kvadratet av sjokkfaktoren.

En farkost som er konstruert for å motstå en høy sjokkfaktor i forbindelse med sveiping av trykkminer er beskrevet i US-A-3 340 843. Konstruksjonen er et rammeverk av sammenføyde rørformede deler, hvor disse innvendig er fylt med en væske for å øke sjokkmotstanden. En rekke flyteceller er anordnet i den øvre del av rammekonstruksjonen. Hver av disse flyteceller består av en indre gummibeholder, et mellomliggende beskyttelseslag av et elastisk porøst stoff og ytre hylstre i form av ståltrådnett, hvilke trådnetthylstre er fastsveiset på de øvre horisontale deler av rammekonstruksjonen. Bunnen på farkosten er dekket med paneler av et stivt, bøyelig og fjærende materiale, med den hensikt at disse paneler skal motstå sjokkbølgene gjennom sin ettergivenhet. Konstruksjonen er med andre ord basert stort sett på stivhet, men ettergivenhet i selve bunnpanelene, som er anordnet i direkte kontakt med det stive rammeverk.

En fagmann i denne teknikken vil innse at en slik farkost ikke vil motstå svært mange sjokkbølger av størrelses-orden CF = 1-1,5 til tross for sin sofistikerte konstruksjon, uten at det oppstår skader i rammeverket og, hva som er verre, på eventuelle instrumenter og anordninger for mineryddingsformål eller liknende, som utgjør en viktig del av farkostens last.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en farkost med evne til å motstå støtpåkjenninger som forårsakes av oppadgående vannbevegelser tilsvarende en sjokkfaktor CF på opp til ca 1,5, samtidig som farkostens last i form av instrumenter og andre anordninger, og eventuelt også besetning, ikke forstyr-res eller kommer alvorlig til skade ved slike kraftige påkjenninger fra vannet.

Oppfinnelsen er for dette formålkarakterisert vedde trekk som fremgår fra patentkravene.

Farkosten har således pongtonger som er anordnet gasstette og som er fylt med gass. Pongtongene er i det vesentlige sylindriske og langstrakte, deres vegger inneholder flere materiallag, hvorav minst ett innenfor det ytre armeringslag. Dette armeringslag omfatter fibrer eller tråder som er lagt i minst tre retninger. Armeringen er forspent ved at pongtongen gassfylles til et forutbestemt overtrykk, og som gass kan man ganske enkelt velge trykkluft. Materiallagene i pongtongveggen er anordnet slik at pongtongene er stive når det gjelder bøyning, tverrkrefter og vridning så lenge det er et overtrykk inne i de gassfylte pongtongene. Det utstyr som bærer farkostens overbygning hviler på pongtongene, vesentlig på tvers av pongtongenes

lengderetning.

Det er gunstig at minst ett av materiallagene i pongtongveggene består av et polymermateriale, eksempelvis gummi. I et slikt tilfelle kan dette laget velges slik at det forbedrer pongtongens gasstetthet. Det er imidlertid også mulig å anordne gasstettheten og dermed den ønskede forspenning gjennom separate gummiblærer som bringes til anlegg mot en i og for seg utett armeringsvegg.

Armeringslaget bør helst inneholde et garn eller hyssing (fiberkabel) som har en høy elastisitetsmodul og er fri for kryping. Det foretrekkes armeringslag oppbygd av aramidfibrer.

Garn av aramidfibrer er sterkt, stivt og lett, og forlenger seg ikke under lange belastningstider. Aramidfibrer forekommer i dag som forsterkning av gummi i sin alminnelighet, men det kreves sterke og bøyelige konstruksjoner.

Overbygningen på farkosten bæres av utstyr som best kan utføres med en sadelformet del som ligger an mot pongtongene, og som delvis omslutter disse. Det er her viktig at verken overbygningen eller de bærende anordninger ligger an mot pongtongene på en slik måte at de hindrer deres bøyning i tverretningen. Det må således ikke finnes langsgående bjelker eller andre deler som ligger mot pongtongene eller i en kort avstand over disse. Pongtongene kan best festes til de bærende anordninger ved hjelp av bånd eller liknende rundt pongtongenes underside. Hermed reduseres risikoen for at overbygningen hopper av pongtongene ved kraftig sjøgang eller ved liknende kraftige bevegelser som forårsakes av en undervannseksplosjon.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor figur 1 er en skisse av den gruntgående farkost sett fra siden, figur 2 viser krefter som opptrer ved pongtongene, figur 3 viser en pongtong med bærende utstyr i lengdesnitt, figur 4 illustrerer pongtongenes horisontale sammenpressing, og figur 5 er et skjematisk bilde som viser farkostens oppførsel ved kraftig oppadgående vannbevegelser.

Figur 1 viser en farkost 10 ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen. Farkosten 10 har en overbygning 11 i form av et enkelt rammeverk, samt en last 12 som befinner seg i overbygningen 11. Overbygningen 11 hviler på og bæres oppe av anordninger 13, av hvilke bare to er vist, som hviler mot pongtongen. Den underste del på anordningen 13 er utformet som en sadel 14 som ligger delvis rundt den pongtong 15 som anordningen hviler på. Pongtongene 15 er støtdempende elementer som er stive under normale påkjenninger, men ettergivende for overbe-lastninger. Trykket PD inne i pongtongen 15 er større enn atmosfæretrykket Pa, slik at trykket P er lik P0-Pa, hvor Pa er atmosfæretrykket, forspenninger armeringen i pongtongens 15 vegger.

Overbygningen 11 bæres av en membranspenning S som er vist på figur 2, langs kanten av sadelen 14, og som gir den høyeste bærekraft Foax= 2DS hvor D er pongtongens 15 diameter. En pongtongs spenning S uten noe bøyepåkjenning er S = PD/4 slik at støttekraften maksimalt er Fmax= h PD2 for en smal sadel 14, mens man for en sadel med bredde B får en tilleggskraft PDB.

Figur 3 viser i farkostens tverretning den nedre del av overbygningen 11, støttet av bæreanordningene 13, hvis nedre del 14 er vist utformet som en del av en sirkelbue, som delvis omgir pongtongen 15.

Hvis pongtongen 15 utsettes for en bøyebelastning på grunn av at vekten akselereres gjennom en oppadrettet vannbeve-gelse, avtar spenningen S, og til slutt gir pongtongen 15 etter rundt en linje på undersiden, og bulker armeringen på oversiden slik at spenningen S blir lik 0. Den spenning som virker på bredden til sadelen 14, ringspenningen, påvirkes ikke av bøyebelastningen.

Hvis pongtongen 15 er festet til sadelen 14 med et ikke vist bånd rundt undersiden, oppstår samme fenomen for den nedadrettede kraft som oppstår gjennom treghetskrefter fra den medsvingende vannmasse. Denne nedadrettede kraft som er i samme størrelsesorden som fortrengningen holder pongtongen 15 tilbake. Når en sjokkbølge treffer pongtongen, trykkes undervannsdelen sammen, slik at det indre trykk P raskt økes.

Oppstående akselerasjoner styres av den maksimale bæreevne, som også utnyttes under første del av et sprengnings-forløp når sjøkkbølgen reflekteres mot den frie vannoverflate og gir opphav til kavitasjon. Sjokkbølgen treffer også pongtongens undervannsdel, og trykker den inn med en volumreduksjon som følge. Pongtongens inntrykking er illustrert på figur 4, som viser henholdsvis trykk og areal i hvilestilling ved en sjok-kbølge som antydet ved de oppadrettede piler. Pongtongens bøyning rundt støttebenene som følge av inntrykkingen og sjøkkbølgen er vist skjematisk på figur 5.

Pongtongens inntrykking, som reduserer det innelukkede areal 18 med mengden AA, er nær beslektet med hevingen ved sprengbølgens refleksjon mot vannoverflaten, og derfor proporsjonal med (CF)<2>og omvendt proporsjonal med undertrykket i pongtongen. Inntrykkingen gir i sin tur en relativ volumreduksjon som forhøyer det totale hviletrykk P0. Den innestengte luftmasse svinger med en frekvens som tilsvarer en bølgelengde av dobbelt pongtonglengde, ca 15 Hz. Det er overtrykket P som gir membran-spenningen P + Pa = Pc (1 - Aa/A)"1-4ettersom inntrykkingen skjer adiabatisk: Inntrykkingen i den halvt nedsenkede pongtong anslås til d = AA/D = konst CF<2>/P0.

Bærekraften for en sadel er PD<2>/2, siden pongtongveggen avlastes av det rådende atmosfæretrykk Pa. Nå belastes pongtongen med en vekt som tilsvarer en nedtrykking i vannet opp til halve diameteren. Oppadgående akselerasjon a m/2<2>kan da maksimalt være bærekraft/vekt for hver sadel. Vekten er pn D<2>1/8 hvor 1 i meter er den pongtonglengde som belastes av en sadel, og p er vannets tetthet. En serieutvikling av uttrykket for P + Pa gir da følgende verdi for akselerasjonen amax= 0,0013 (P + konst CF<2>)/1.

For høyere sjokkbelastning kan P utelates, og uttrykket skrives aBax= konst CF<2>/1.

Ved hjelp av de beregninger som er antydet ovenfor kan man bestemme at en passende lengde 1 for en farkost ifølge oppfinnelsen skal være ca 15 m, ha en bredde på ca 7 m og bære en masse m på ca 2500 kg på hvert støtteben.

En farkost ifølge oppfinnelsen, i forsøksskala hvis lengde er lik 3 m, bredde er lik 2 m, med en pongtongdiameter på 0,6 m og en totalvekt på 800 g, ble utsatt for sjokkbølger fra en rekke undervannseksplosjoner forårsaket av sprengladninger.

Under forsøkene registrerte man akselerasjonen i overbygningen, trykket inne i en pongtong og de opptredende krefter i to støtteben. Forløpet ble dessuten filmet med høyhastighetskamera og med videokamera.

De sjokktrykk som ble oppnådd ved forsøkene tilsvarte CF 1,5-2 for en farkost i full størrelse, dvs. omkring eller over de tiltenkte spesifikasjoner for en farkost ifølge oppfinnelsen.

Forsøkene viste at om middelverdien for de første 50 ms benyttes, gir akselerasjonssignal, kraftsignal, pongtongtrykksig-nal og høyhastighetsfilm omtrent samme verdier for den akselerasjon som oppstod ved disse nivåer ved sjokkfaktoren CF.

Claims (5)

1. Gruntgående sjøfarkost (10) med evne til å motstå støtpåkjenninger forårsaket av oppadgående vannbevegelser tilsvarende en sjokkfaktor (CF) på opp til ca 1,5, omfattende i det minste en overbygning (11) innrettet til å befinne seg over vannflaten, og minst to gassfylte, i det vesentlige sylindriske og langstrakte flytelegemer, KARAKTERISERT VED at flytelegemene er utformet som pongtonger (15) og innrettet til å oppta støtpåkjenningene, at pongtongenes (15) vegger inneholder flere materiallag, hvorav minst ett innenfor et ytre armeringslag, at armeringslaget omfatter tråder som er lagt i minst tre retninger, slik at materiallagene er anordnet slik at pongtongene (15) er stive når det gjelder bøyning, tverrkrefter og vridning så lenge det hersker et overtrykk i de gassfylte pongtongene (15), men ettergivende for ytre overtrykk forårsaket av støtpåkjenningene, og at anordninger (13) som bærer overbygningen (11), hviler på pongtongene (15) i det vesentlige på tvers av pongtongenes (15) lengderetning.

2. Farkost ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at minst ett av materiallagene består av et polymermateriale, for eksempel gummi.

3. Farkost ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at armeringslaget omfatter garn eller hyssing som har høy elastisi-tetsgrad og er fritt for krymping, for eksempel aramidfibrer.

4. Farkost ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at de bærende anordninger (13) omfatter en sadelformet del (14) som hviler mot pongtongen (15) og delvis omslutter denne.

5. Farkost ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at de bærende anordninger (13) er festet til pongtongene (15) med bånd eller liknende for å ta opp de nedadrettede krefter fra pongtongene til den sadelformede del (14).