Підводний апарат

Винахід відноситься до області суднобудування і може бути використаний при проектуванні і створенні підводних апаратів. У техніці відомі конструкції корпусів підводних апаратів [Українська Радянська Енциклопедія, К., 1982, т. 8,325 - 326, т. 9, с. 216]. У патенті США «Аеродинамічний елемент із низьким аеродинамічним опором» [№4434957, Мкл В64С 3/14] поверхня обтікання має переривчасте лінійне вихроутворююче пристосування, що знаходиться за передньою крайкою поперек напрямку обтікання і створює ряд послідовно розташованих поперек потоку вихрів. Недоліком цієї розробки є неможливість регулювання вихроутворювання при зміні характеристик руху апарата. У роботі І. М. Нестерука "Пошуки безвідривних осесиметричних дозвукових форм" [Доповіді НАН України, 2002, №5, с. 59 - 64] розглядаються деякі принципові питання існування форм з від'ємним градієнтом тиску на всій поверхні обтікання. Пояснення даються за допомогою рівняння першого наближення, що зв'язує коефіцієнт тиску Cр(x) на поверхні тонкого осесиметричного тіла з його радіусом R(x): d2R2/d x2 = -Cp(x)/Іn x, де x - малий параметр(відношення максимального радіуса тіла до його довжини). Для зменшення довжини зони додатного градієнта тиску використовувались додаткові джерела та стоки, розташовані в середині поверхні тіла. Завдяки цьому вдалося зменшити величину додатного градієнта до 0,3% від загальної довжини тіла. Була висунута гіпотеза, що форми з додатним градієнтом тиску майже по всій поверхні дозволяють уникнути відриву без будь-якого керування примежовим шаром. Для перевірки цієї гіпотези було виготовлено серію тіл з різними значеннями параметра додатного градієнта(від 0,3% до 12%). Відрив спостерігався на всіх тілах, але його вдалося уникнути за рахунок тонких кілець, розташованих на поверхні тіла. Подібні перешкоди в проміжовому шарі використовувались у класичних експериментах Прандтля для зменшення опору кулі за рахунок турбулізації проміжового шару та зсуву вниз за потоком точки відриву. Найбільш близьким по технічній сутності до винаходу «Підводний апарат», що заявляється, є авторське свідоцтво СРСР «Плавцевий рушій» [№1754578, Мкл В63Н 1/36], що містить крило, у якому маються салінони з приводом, закріплені на його вихідних осях з можливістю їхнього повороту у бік несучої поверхні крила. Основний недолік цієї конструкції полягає в тому, що регулювання відриву ви хрів за рахунок утворення виступу перед несучою поверхнею крила не дозволяє формувати кількість вихрів, розповсюджуваних уздовж поверхні обтікання з частотою, обумовленої гідродинамічними характеристиками руху підвідного апарата і швидкості потоку, що набігає, а також постійно підтримувати їхнє генерування. Задачею дійсного винаходу «Підводний апарат» є поліпшення умов обтікання поверхні підводного апарата, що дозволяє підвищити його швидкісні якості. Поставлена задача реалізується за рахунок того, що в підводному апараті з приводом і регульованою поверхнею обтікання, остання, виконана за формою носової частини апарата з розміщеним у ній електродвигуном обертального руху, на осі якого закріплене кільце, шарнірно з'єднане із сердечником електромагніта, що має в кінцевій своїй частині пустотілий циліндр з отворами, а привід виконаний із блоком його амплітудно-частотного керування. На відміну від прототипу винахід «Підводний аппарат», що заявляється, у залежності від необхідних гідродинамічних задач, виконуваних при русі підвідного апарата, дозволяє створювати і регулювати систему тороїдальних вихрів, розповсюджуваних уздовж поверхні його корпуса. При аналізі інших аналогів ознак, відмінних від ти х, що заявляються, не виявлено. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де: на фіг.1 показаний загальний вид пристрою, на фіг.2 - положення регульованої поверхні в робочому стані. Конструкція «Підводний апарат» містить носову частину 1 корпуса підводного апарата, у якій установлені соленоїди 2 і 3 із сердечником 4, у порожнині якого одним кінцем закріплена пружина 5, інший кінець якої з'єднаний з пальцем 6, а сердечник через проріз у носовій частині підвідного апарата за допомогою шарніра з'єднується з виконаною за формою носової частини підводного апарата регульованою поверхнею обтікання 7, у тілі якої розміщений електродвигун обертального руху 8, на осі якого закріплено кільце 9; причому сердечник в кінцевій своїй частині до шарнірного з'єднання виконаний у виді пустотілого циліндра 10 з отворами 11 на своїй бічній поверхні, у яку входить гнучка трубка 12 для подачі полімерів, пухирців чи повітря їхньої суміші, а для керування регульованою поверхнею обтікання використовується процесор 13, розроблений на основі інтегральних логічних і цифрових мікросхем, а також на дискретних елементах, що містить формувач імпульсів 14 з генератором, що задає, 15, що представляє собою термостабілізований RC-генератор, виконаний на логічних елементах, що виробляє короткі прямокутні імпульси, вихід якого підключений до дільника частоти 16 з перемінним коефіцієнтом розподілу, що виконаний на двоїчно-десяткових реверсивних лічильниках з попереднім введенням інформації; фазообертач 17, необхідний для регулювання зрушення фази сигналів, фазовий дискримінатор 18, застосований для спостереження за фазовими характеристиками фазообертача, і у випадку збою, коректує їх; ключовий каскад 19 для відключення виконавчого механізму; блок узгодження 20 для узгодження рівнів сигналів формувача і керуючого блоку 21, що представляє собою два ідентичних пристрої числоімпульсного керування тиристорами, що складаються з генератора імпульсів 22 і фазоздвигаючого пристрою 23, що містить вхідний пристрій 24, який сприймає напругу керування, генератор перемінної по величині напруги 25 і пристрій, що порівнює 26; органи керування 27 для регулювання коефіцієнта розподілу, блок живлення 28 для елементів процесора і силовий блок 29, що являє собою випрямляч і панель тиристорів. Конструкція «Підводний апарат» працює в такий спосіб. При включенні електродвигуна 8 починає обертатися кільце 9, формуючи при цьому систему обертових кільцевих ви хрів. Для обертового армованого кільця максимальне число оборотів, при перевищенні якого відбувається розрив кільця, визначається по формулі: n = r×S1/2 /2pr, де n - число оборотів у секунду, S - межа міцності кільця, r - його радіус, r - щільність матеріалу кільця. Енергія обертання кільця масою М дорівнює: E = MV2 /2 = M(27prn)2/2. Для пластику, армованого вуглецевим волокном, r = 2300кг/м 3, S = 1,5·10 10H/m 2. Після цього знімається напруга з електромагніта 3, пружина 5 виштовхує сердечник 4 і регульовану поверхню обтікання 7 на визначену відстань від носової частини 1 корпуса підводного апарата(фіг.2). У цьому випадку соленоїд 3 працює як запірний пристрій - замок. При подачі напруги на електромагніт 2 сердечник 4 утягується, а його хід визначається кількістю котушок, включених у ланцюзі електромагнітів 2 і 3. Змінна їхня робота забезпечує коливання регульованої поверхні обтікання 7, а блок керування 13 здійснює функції регулювання частоти й амплітуди коливань відповідно до програми, що задається. Після сходу обертових кільцевих вихрів з кільця 9 вони надходять на коливну регульовану поверхню 7, що дискретно з частотою, що задається, переформовує їх у тороїдальні, що сполучають у собі обертальний рух усередині вихра, отриманий при обертанні кільця 9, і поступальний, отриманий при коливальному русі уздовж подовжньої осі підводного апарата регульованої поверхні обтікання. Для подовжнього обтікання пластини градієнт швидкості зворотньо пропорційний кореню квадратному з в'язкості. Для плину в кільцевому зазорі градієнт швидкості не залежить від в'язкості і дотичне тертя виявляється пропорційним першому ступеню в'язкості. Динамічна в'язкість води має порядок величини 106 , тому дотичне тертя для пластини й у кільцевому зазорі буде розрізнятися в тисячу разів. Прикладом зовнішнього плину з малим градієнтом швидкості може служити рух тороїдального вихра уздовж власної осі симетрії. При розрахунках область симетрії розділяється на дві частини: зовнішній нев'язкий плин і внутрішній вихровий плин. На границі дотична швидкість обох плинів має нульовий опір. Внутрішній кільцевий плин має опір тертя, пропорційний першому ступеню в'язкості. Цим порозумівається здатність кільцевого вихру далеко і швидко переміщатися. Будь-яку поверхню, складену з ліній струму, можна розглядати як поверхню деякого тіла. Усередині кільцевого вихру мається безліч поверхонь, який можна вважати вкладеними один в інший торами. Розміщення усередині вихра тіла відповідної форми збереже зовнішній плин з нульовим опором у тому випадку, якщо компенсується гальмування потоку, створюваного поверхнею тіла. При обтіканні тонкого гладкого тіла спіральні вихри не виникають. У потоці утвориться примежовий шар, що відривається відразу за тілом, створюючи завихрення. Тиск у них падає, роблячи на тіло гальмуючу дію. Тороїдальні вихри збурюють прикордонний шар, що перебудовується в такий же рух як це робить хвиля, що біжить, а при деяких значеннях фазової швидкості й амплітуди хвилі, що біжить, сумарне тертя звертається в нуль [Меркулов В. И. Гідродинаміка знайома і незнайома. М., 1989; Симрай А. Г. Корабель. Його минуле, сьогодення і майбутнє. М., 1967]. Надалі сформовані тороїдальні вихри рухаються від носової частини 1 корпуса підвідного апарата уздовж його поверхні, істотно зменшуючи опір тертя, перетворюючи його в тертя катання. Інша корисна властивість кільцевих ви хрів полягає в тому, що вони здатні зберігати і підсилювати коливання. У момент виходу регульованої поверхні обтікання 7 на максимальну відстань від носової частини 1 підводного апарата через гнучку тр убку 12 подаються полімери, пухирці чи повітря їхньої суміші, виконуючи властивий їм вплив на примежовий шар, переміщаючись разом з тороїдальними вихрами уздовж поверхні корпуса. За даними Р. Дж. Моргана [Science News, №40, 1956, р. 96] поверхневий опір у турбулентному потоці дорівнює Rтп = 0,455A(lg Re)-2,58, а в ламінарному - Rлп = 1,339A(lg Re)-0,5, де Re число Рейнольдса, А - гідродинамічний опір, рівний 0,5rV2 на 1м 2 змоченої поверхні. Для судна довжиною 2м, що йде зі швидкістю 5м/с у воді з щільністю r = 1000кг/м 3 і в'язкістютю h = 10-3Нс/м, Rтп = 2,7Н/м 2, Rлп = 0,17Н/м 2. Застосування конструкції «Підводний апарат » дозволяє істотно зменшити опір обтікання і значно підвищити швидкість руху підводного апарата. Джерела інформації, прийняті до уваги. 1. Украинская Советская Энциклопедия, К., 1982, т.8, 325 - 326, т. 9, С. 216. 2. Авторське свідоцтво СРСР №1754578 "Плавниковый движитель"(Мкл. В63Н 1/36). 3. Science News, №40, 1956, р. 96. 4. Меркулов В. И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. М., 1989. 5. Сымрай А. Г. Корабль. Его прошлое, настоящее и будущее. М, 1967. 6. Нестерук І. Г. "Пошуки безвідривних осесиметричних дозвукових форм". Доповіді HAH України, 2002, №5, с. 59 - 64. 7. Патент США «Аэродинамический элемент с низким аэродинамическим сопротивлением» №4434957(Мкл В64С 3/14). 8. Proceeding of the Royal Society, A, 332,1973, p. 335.