RU2657701C1 - Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта - Google Patents

Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта Download PDF

Info

Publication number
RU2657701C1
RU2657701C1 RU2017116122A RU2017116122A RU2657701C1 RU 2657701 C1 RU2657701 C1 RU 2657701C1 RU 2017116122 A RU2017116122 A RU 2017116122A RU 2017116122 A RU2017116122 A RU 2017116122A RU 2657701 C1 RU2657701 C1 RU 2657701C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
towing
underwater object
speed
shaft
towed
Prior art date
Application number
RU2017116122A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Леонидович Гусев
Евгений Александрович Першин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2017116122A priority Critical patent/RU2657701C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2657701C1 publication Critical patent/RU2657701C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B21/00—Tying-up; Shifting, towing, or pushing equipment; Anchoring
    • B63B21/56—Towing or pushing equipment
    • B63B21/66—Equipment specially adapted for towing underwater objects or vessels, e.g. fairings for tow-cables
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/42—Towed underwater vessels
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области подводного судостроения, в частности к способам и системам управления дифферентом буксируемых подводных объектов. Предложен способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта 1 с узлом крепления гибкой связи 3 в верхней части подводного объекта, заключающийся в том, что для выравнивания положения подводного объекта в носовой части буксируемого подводного объекта горизонтально располагают вал 2 с заданной площадью с возможностью изменения угловой скорости вращения в зависимости от скорости буксировки, при этом в погруженном состоянии осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки с помощью гидродинамических сил, возникающих при обтекании вращающегося вала 2 и направленных перпендикулярно к потоку жидкости, которые направляют в сторону, противоположную направлению кабрирующего момента, а угловую скорость вращения вала изменяют в соответствии с изменением скорости буксировки. Технический результат заключается в улучшении управляемости по дифференту в большом диапазоне скоростей. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области подводного судостроения, в частности к способам и системам управления дифферентом подводных устройств, и может быть использовано для ориентации по дифференту буксируемых подводных объектов.
В настоящее время в связи с увеличением интереса к проведению океанологических исследований и освоения Мирового океана растет число подводных объектов (ПО) - зонды, аппараты, тралы и т.д.
Известны Подводные объекты, связанные с судном - носителем с помощью гибкой механической связи: тросом или кабель - тросом, буксируемые по его траектории, с возможностью маневрирования в вертикальной и/или горизонтальной плоскости. Существуют ПО с управляемыми перемещениями, которые возможны только при наличии в составе ПО движителей или рулей.
Известны буксируемые ПО с отрицательной плавучестью, глубина погружения у которых регулируется длиной гибкой связи (троса), а стабилизация по дифференту определяется обводами корпуса ПО, местами крепления троса, положением крыла и/или рулей. Траектория движения ПО по глубине и ориентация по рысканью и дифференту зависит от скорости буксировки, подводных течений и воздействия волнения на буксирующее судно.
Известны два варианта крепления троса к ПО: за носовую часть либо за верхнюю часть.
Известно «Буксируемое подводное устройство с горизонтальной стабилизацией» (патент RU №2148033, В63В 21/66, опубл. 27.04.2000, Бюл. №12), с вариантом крепления за носовую часть и реализующее способ стабилизации по дифференту, заключающийся в том, что в носовой и хвостовой части расположены разгружающие поплавки, а на тросе отягощающие грузы, компенсирующие выталкивающие силы поплавков.
Недостатком такого способа стабилизации является то, что внутреннее пространство ПО загромождается поплавками, кроме того, для разных режимов буксировки требуется различное количество и вес грузов, поэтому необходимо извлекать ПО при перенастройке на другой режим, что делает этот процесс трудоемким, снижающим эффективность такого способа горизонтальной стабилизации.
Известен также «Подводный буксируемый аппарат» (патент RU №2096245, В63В 21/66, опубл. от 14.06.1990), реализующий вариант закрепления троса в верхней части корпуса и способ стабилизации по дифференту, заключающийся том, что в верхней носовой и кормовой части имеются лопасти, выполненные в виде крыла малого удлинения, причем носовые лопасти устанавливают с положительным углом атаки, а кормовые - с отрицательным. Выравнивание по дифференту происходит за счет гидродинамических сил.
Недостатком этого технического решения является то, что углы атаки настраиваются на ограниченный диапазон скоростей, кроме того, для перенастройки на другой диапазон требуется извлечение ПО, что также повышает трудоемкость и, следовательно, снижает эффективность такого способа стабилизации по дифференту.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению и взятому в качестве прототипа является «Подводный буксируемый аппарат» (патент RU №2096246, В63В 21/6, опубл. 20.11.1997), реализующий способ стабилизации по дифференту, заключающийся в том, что трос закрепляют в верхней части ПО, и выравнивание по дифференту при изменении скорости судна выполняют за счет гидродинамических сил, создаваемых горизонтальными интерцепторами, расположенными в кормовой части.
Основным недостатком такого способа является ограниченный диапазон скоростей, в котором буксируемый ПО будет находиться в горизонтальном положении, обусловленном горизонтальными интерцепторами, которые располагают в кормовой части. Кроме того, при значительном увеличении скорости буксировки, для компенсации кабрирующего момента Мz требуется увеличение площади интерцепторов, из-за чего будет увеличиваться гидродинамическое сопротивление, приводя к потери энергии на преодоление этого сопротивления, снижающей эффективность способа.
Решаемой задачей заявляемого технического решения является расширение диапазона скоростей буксировки, снижение гидродинамичекого сопротивления, без потерь энергии и повышении устойчивости горизонтального положения ПО, а в целом повышающие эффективность способа управления дифферентом ПО.
Техническим результатом от использования заявляемого изобретения является создание высокоэффективного способа управления дифферентом буксируемого ПО, позволяющего повысить управляемость по дифференту в большом диапазоне скоростей, без увеличения гидродинамического сопротивления.
Технический результат достигается тем, что в способе управления дифферентом буксируемого подводного объекта, заключающемся в расположении узла крепления гибкой связи в верхней части подводного объекта, в выравнивании положения гидродинамическими силами путем компенсирования изменения кабрирующего момента при изменении скорости буксировки, согласно которому для выравнивания положения подводного объекта в носовой части буксируемого подводного объекта горизонтально располагают вал с заданной площадью, с возможностью изменения угловой скорости вращения в зависимости от скорости буксировки, при этом в погруженном состоянии осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки, с помощью гидродинамических сил, возникающих при обтекании вращающегося вала и направленных перпендикулярно к потоку жидкости, которые направляют в сторону, противоположную направлению кабрирующего момента, а угловую скорость вращения вала изменяют в соответствии с изменением скорости буксировки.
Новым является.
В носовой части буксируемого подводного объекта с узлом крепления гибкой связи, расположенном в верхней части, располагают горизонтально вращающийся вал. Для выравнивания положения ПО по дифференту в большом диапазоне скоростей буксировки, площадь и угловую скорость вращения вала подбирают таким образом, чтобы компенсировать изменения кабрирующего момента при изменении скорости буксировки, для чего изменяют угловую скорость вращения вала, повышая управляемость дифферентом, тем самым получив высокоэффективный способ управления дифферентом буксируемого ПО.
Новое техническое решение основано на решении задачи управления дифферентом с возможностью использования известного физического явления, возникающего при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа - возникновение силы, воздействующей на вращающееся тело и направленной перпендикулярно направлению потока (эффект Магнуса).
В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость потока, направление и угловая скорость, направление и возникающая сила. Эта зависимость для цилиндра имеет следующий вид (формула Жуковского-Кутта):
Figure 00000001
где:
Figure 00000002
- интенсивность движения вокруг цилиндра;
Figure 00000003
где:
Sв - площадь цилиндра;
ω - угловая скорость вращения цилиндра;
ρ - плотность жидкости;
V - относительная скорость потока.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, приведенным на фиг. 1, где:
1 - подводный объект;
2 - вращающийся вал;
3 - узел крепления с буксирующим тросом.
В носовой части подводного объекта 1 горизонтально установлен вращающийся цилиндр (вал 2). При буксировке на незначительных скоростях горизонтальное положение ПО устанавливается за счет того, что точка закрепления А буксирующего троса 3 располагается на одной вертикали с центром отрицательной плавучести (точка О) (т.е. центром приложения равнодействующей силы веса G и водоизмещения) и над ним. При увеличении скорости растет кабрирующий момент Μz, стремящийся опустить носовую часть ПО. В то же время с увеличением скорости буксировки возрастает сила Fм, поднимающая носовую часть. При заданном соотношении площади вала, угловой скорости вращения вала, сила Fм уравновесит кабрирующий момент Mz и позволит сохранить подводному объекту горизонтальное положение (по дифференту). При значительном увеличении скорости буксировки для выравнивания ПО по дифференту, для увеличения силы F1, компенсирующей момент Mz, увеличивают угловую скорость вала.
Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта реализуют следующим образом.
Подводный объект 1 в верхней части 3 над центром отрицательной плавучести закрепляют за ходовой конец троса; в носовой части горизонтально располагают вал 2, который имеет возможность изменения угловой скорости вращения в определенной зависимости от изменения скорости буксировки, в некотором диапазоне, зависящем от площади вала (заданного) и диапазона скорости буксировки ПО. Подводный объект погружают на рабочую глубину, при этом при буксировке ПО на него действует кабрирующий момент, возникающий от гидродинамической силы, направленный вдоль вектора скорости тела, перпендикулярно к потоку жидкости, в противоположном ему направлении. Сила зависит от скорости буксировки ПО и стремится опустить носовую часть вниз, причем при увеличении скорости буксировки сила возрастает. Для выравнивания положения ПО осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента, для чего изменяют угловую скорость вращения вала 2 в известной зависимости от изменения скорости буксировки ПО, при этом возникает сила, перпендикулярная потоку и направленная в сторону, противоположную кабрирующему моменту. Происходит компенсация кабрирующего момента моментом от гидродинамических сил и ПО принимает горизонтальное положение за счет того, что центр отрицательной плавучести находится под точкой закрепления буксирующего троса, все это позволяет повысить управляемость по дифференту в большом диапазоне скоростей, без увеличения гидродинамического сопротивления, тем самым сделав способ управления по дифференту буксируемого подводного объекта высокоэффективным.
Пример выполнения ориентации буксируемого ПО дифференту для ПО с размерами 1×1×1 м. Гидродинамическая сила, определяющая кабрирующий момент будет изменяться по зависимости:
Figure 00000004
где: Сх - коэффициент лобового сопротивления;
V2 - скорость потока жидкости;
Sм - площадь сечения по миделю.
Тогда кабрирующий момент в случае закрепления троса в средней верхней части ПО (с плечом h1=0,5 м) будет равен:
Figure 00000005
Для компенсации Мz по середине носовой части располагают вал с приводом от электродвигателя с возможностью регулирования оборотов. Пусть вал имеет размеры: длина
Figure 00000006
радиус rв=0,1 м, тогда его площадь
Figure 00000007
Момент от силы Магнуса в случае установки вала в средней части (с плечом
Figure 00000008
будет:
Figure 00000009
Угловую скорость вала ω необходимую для поддержания горизонтального положения ПО (компенсации кабрирующего момента) определяют из равенства Мм=Mz, то есть
Figure 00000010
или при Sм=1
Figure 00000011
.
Зависимость
Figure 00000012
для приведенного в примере ПО при Сх=1,5 приведена на фиг. 2.
В результате имеется возможность управления дифферентом буксируемого ПО с узлом троса в верхней части в неограниченном диапазоне скоростей буксировки, без увеличения гидродинамического сопротивления, т.к. изменение положения буксируемого ПО по дифференту происходит только в результате изменения угловой скорости вала. Кроме того, появляется возможность оперативного воздействия на дифферент буксируемого ПО.
По своим технико-экономическим преимуществам, по сравнению с известными аналогами, заявляемое техническое решение способа позволяет управлять дифферентом подводного объекта в большом диапазоне скоростей буксировки и без извлечения ПО для перенастройки, в результате выравнивания положения ПО, за счет компенсирования изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки, путем подбора заданной площади и изменения угловой скорости вращения вала в соответствии с изменением скорости буксировки, что обеспечивает высокую эффективность «Способа управления дифферентом буксируемого подводного объекта».

Claims (1)

  1. Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта, заключающийся в расположении узла крепления гибкой связи в верхней части подводного объекта, в выравнивании положения гидродинамическими силами путем компенсирования изменения кабрирующего момента при изменении скорости буксировки, отличающийся тем, что для выравнивания положения подводного объекта в носовой части буксируемого подводного объекта горизонтально располагают вал с заданной площадью с возможностью изменения угловой скорости вращения в зависимости от скорости буксировки, при этом в погруженном состоянии осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки с помощью гидродинамических сил, возникающих при обтекании вращающегося вала и направленных перпендикулярно к потоку жидкости, которые направляют в сторону, противоположную направлению кабрирующего момента, а угловую скорость вращения вала изменяют в соответствии с изменением скорости буксировки.
RU2017116122A 2017-05-05 2017-05-05 Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта RU2657701C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017116122A RU2657701C1 (ru) 2017-05-05 2017-05-05 Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017116122A RU2657701C1 (ru) 2017-05-05 2017-05-05 Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2657701C1 true RU2657701C1 (ru) 2018-06-14

Family

ID=62619953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017116122A RU2657701C1 (ru) 2017-05-05 2017-05-05 Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2657701C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2746488C1 (ru) * 2020-07-27 2021-04-14 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" Способ определения позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта
RU2757516C1 (ru) * 2021-05-28 2021-10-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4463701A (en) * 1980-02-28 1984-08-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Paravane with automatic depth control
FR2655940A1 (fr) * 1980-05-09 1991-06-21 Eca Dispositif sous-marin remorque a aile portante.
SU1807642A1 (ru) * 1991-01-11 1996-02-20 Центральный научно-исследовательский институт "Гидроприбор" Подводный буксируемый аппарат
RU2096246C1 (ru) * 1995-10-09 1997-11-20 Закрытое акционерное общество "Интершельф-СТМ" Подводный буксируемый аппарат
US6305309B1 (en) * 2000-04-24 2001-10-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Attitude and roll stabilizer for towed undersea devices
RU2419574C1 (ru) * 2010-04-19 2011-05-27 Сергей Яковлевич Суконкин Буксируемый подводный аппарат

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4463701A (en) * 1980-02-28 1984-08-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Paravane with automatic depth control
FR2655940A1 (fr) * 1980-05-09 1991-06-21 Eca Dispositif sous-marin remorque a aile portante.
SU1807642A1 (ru) * 1991-01-11 1996-02-20 Центральный научно-исследовательский институт "Гидроприбор" Подводный буксируемый аппарат
RU2096246C1 (ru) * 1995-10-09 1997-11-20 Закрытое акционерное общество "Интершельф-СТМ" Подводный буксируемый аппарат
US6305309B1 (en) * 2000-04-24 2001-10-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Attitude and roll stabilizer for towed undersea devices
RU2419574C1 (ru) * 2010-04-19 2011-05-27 Сергей Яковлевич Суконкин Буксируемый подводный аппарат

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2746488C1 (ru) * 2020-07-27 2021-04-14 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" Способ определения позиционных гидродинамических характеристик подводного объекта
RU2757516C1 (ru) * 2021-05-28 2021-10-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5504499B2 (ja) ソーラー水中グライダー及びその潜航方法
CN108583875B (zh) 一种潜空通用飞行器布局
US20150329186A1 (en) Oscillating foil propulsion system and method for controlling a motion of an oscillating movable foil
CN104589938A (zh) 一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器
CN107416203B (zh) 一种可持续驻留水面的水空两栖太阳能驱动无人航行器
CN108974287A (zh) 一种波动翼混合驱动水下滑翔机
JP2002513717A (ja) 改良された水中翼装置
Jenkins et al. Autonomous underwater gliders
CN106428421B (zh) 一种多航态水中航行器
RU2657701C1 (ru) Способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта
AU2020308965A1 (en) Underwater glider
Aage et al. Hydrodynamic manoeuvrability data of a flatfish type AUV
CN114435044A (zh) 一种可变体的跨介质航行器
EP3145804B1 (en) Unmanned surface vehicle
CN210083503U (zh) 一种拖曳体式前缘旋转圆柱型翼带缆遥控水下潜器
CN215043587U (zh) 一种无人水翼航行器
JP6342959B2 (ja) 揚力を推力に変換する翼型構造体
CN211281425U (zh) 一种舵操纵多自由度控制水下潜器
RU124245U1 (ru) Подводный планер (варианты)
RU2757516C1 (ru) Способ управления рысканьем буксируемого подводного объекта
CN113086139A (zh) 一种无人水翼航行器
CN207015583U (zh) 一种可持续驻留水面的水空两栖太阳能驱动无人航行器
HRP20040598A2 (en) Method and system for producing a potential over a body
AU2020102361A4 (en) A New Type of Multi-dwelling Voyager Based on Quadrotor
CN208882088U (zh) 潜航、滑行两用艇

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200506