Підводне судно типу “пірнаюче блюдце” підвищеної маневреності

Реферат: UA 78215 U UA 78215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до океанотехніки, зокрема до підводних технічних засобів освоєння океану. До найбільш важливих показників підводних апаратів належить їх автономність (дальність ходу), маневреність, масогабаритні характеристики. Головними елементами підводного апарата є: міцний корпус, легкий корпус, енергетична установка, рушійно-рульовий комплекс, суднові пристрої та системи, обладнання життєзабезпечення, системи управління, навігації, зв'язку та виявлення, корисний вантаж, баласт, поплавці для забезпечення нейтральної або позитивної плавучості. Більшість відомих підводних апаратів мають форму циліндра або сплющеного еліпсоїда, тобто витягнуту форму. Основними формами міцного корпусу сучасних підводних апаратів є сферична, багатосферна ("пересічні сфери") і сфероциліндричні. На сучасних підводних апаратах рушійно-рульової комплекс зазвичай складається з ходових і маневрових рушіїв. Як ходові рушії в основному застосовують гребні гвинти в напрямних насадках, для маневрових рушіїв - гребні гвинти і водомети. Зовнішні лопатеві системи і водометні установки, що створюють реактивний струмінь, не здатні створювати диференціальну та/або спрямовану тягу і тому вимагають відносно великого радіуса повороту відносно довжини апарата. Відомо про корпус глибоководного апарата, який містить основний сферичний відсік, герметично з'єднаний принаймні з одним додатковим відсіком; останній виконаний у вигляді торової оболонки, що охоплює основний сферичний відсік, (патент РФ "Корпус глибоководного аппарата" № 1048647, кл. В63ВЗ/13, 1994). Відомі різні варіанти міцних корпусів з одної і більше тороїдальних оболонок кругового поперечного перерізу, а також використання тороїдальних ємностей для зберігання рідин, газів і як цистерни підбаласт (патент UK "Underwater hulls or tanks" № 2026951, кл. В63ВЗ/13, 1980). Відомо також про тороїдальний газовий балон під високим внутрішнім тиском з шаруватого композиційного матеріалу, що виготовляється методом поздовжньо-поперечного або перехресного спірального намотування. При виготовленні тороїдальної оболонки з композиційних матеріалів досягається висока міцність в поєднанні з відносно малою вагою (патент РФ "Устройство для хранения газа" № 2149306, 2000). Особлива перевага, що досягається при застосуванні намотування, полягає в збільшенні товщини на внутрішній стороні тороїдальної форми. Тороїдальні балони під високим тиском пропонують альтернативну геометрію відносно до циліндричних. Конструкція тороїдального балона технологічна і добре зарекомендувала себе при дії внутрішнього тиску. Описаний вище пристрій застосовують як дихальний апарат для людей. Відомо про літальний апарат, який містить зовнішній контур, що включає виконаний у вигляді круглого диска несучий корпус, утворений тором, центральна порожнина якого закрита куполом і днищем, а також вантажні відсіки, силову установку, передню і задню кабіни екіпажа, систему управління та органи приземлення і забезпечений блоками реактивних двигунів (патент РФ "Многофункциональный высокоманевренный летательный аппарат, взлетающий под любым углом к поверхности взлета" № 2332331 С2, кл. В64С29/00). Відомо також про літальний апарат Черьомушкіна О.В., який належить до літальних апаратів тарілчастої конфігурації для польоту в повітряно-космічному просторі і здійснює вертикальний зліт і посадку на аеродромах будь-якої категорії (патент РФ "Летательный аппарат Черьомушкіна О.В.» № 2396185 С2, кл. В64С29/00). Цей літальний апарат у вигляді "літаючої тарілки" має торові ємності для зберігання палива, застосування яких обумовлено необхідністю забезпечення симетричності апарата і надання тарілчастої форми корпусу апарата. В патенті США "Propulsion of underwater vehicles using differential and vectored thrust" (№ 6581537, кл. В63С11/00, 2003) описується підводний апарат, який має подовжений корпус з носовою, середньою і хвостовою частинами і всередині якого розміщується рушійна система з регульованим вектором тяги, що забезпечує рух і маневрування апарата в рідкому робочому середовищі. Метод руху і маневрування, що описується в патенті, полягає в тому, що рідина з навколишнього простору засмоктується всередину апарата через одну і більше вхідних сопелфорсунок, прямує по трубопроводах за допомогою одного або більше насосів, які працюють згідно з командою, яка подається з автоматизованої системи управління, вносячи додаткову гідравлічну енергію до потоку рідини, що протікає через трубопровід, і після проходження насосів рідина виштовхується з більш високою швидкістю, ніж була на вході принаймні через 2 сопла, що знаходяться в хвостовій частині, приводячи в рух підводний апарат. Для направлення потоку рідини, що виходить, на одне або більше сопел згідно з конструкцією, застосовують в системі трубопроводів заслінки. Маневрування підводного апарата здійснюється регулюванням діаметра струменя рідини і його напряму, що забезпечується конструкцією трубопроводів і сопел, з яких виштовхується струмінь рідини, створюючи при цьому один або більше 1 UA 78215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 диференційних і спрямованих векторів тяги. Згідно винаходу, сопла, з яких виштовхується струмінь рідини, можуть повертатися принаймні у двох напрямках, створюючи кут нахилу вектора тяги, і можуть бути будь-якої форми і розміру. Також підводний апарат в носовій частині підводного технічного засобу може мати допоміжну рушійну систему з направленим вектором тяги з додатковими насосами і як мінімум трьома соплами, в одне з яких подається рідина в систему трубопроводів, а з двох інших реактивний струмінь виштовхується, створюючи спрямований вектор тяги. Сопла допоміжної рушійної системи розташовані збоку корпусу апарата. Здатність направляти або змінювати потужність струменя рідини дозволяє контролювати напрям и потужність тяги, яка сприяє маневруванню підводного апарата. Найбільш близьким за технічною суттю є великогабаритний підводний технічний засіб, міцний корпус якого має форму тора (патент Японії "Large-sized submersible vessel" № 04043190 А, кл. B63G8/00, 1992). У вільному центральному просторі тороїдального міцного корпусу встановлено вертикальний гвинт з лопатями, який приводиться в обертальний рух лінійним двигуном. Для стабілізації технічного засобу в просторі по зовнішньому периметру тора розташовані стабілізатори, що пригнічують обертання, для того, щоб запобігти обертанню міцного корпусу при зануренні і спливанні. Розміщення баласту передбачено всередині міцного тороїдального корпусу. До числа недоліків конструкції цього підводного технічного засобу варто віднести наступні: форма корпуса технічного засобу неоптимальна з погляду гідродинаміки і він не має високу маневреність. В основу корисної моделі поставлено задачу поліпшення обтікання поверхні ПС за рахунок використання тороїдальних ємностей і міцного корпусу, що дозволяє підвищити його гідродинамічні і швидкісні характеристики, а також визначення способу спрямованого переміщення ПС. Також актуальними є розробки нових нетрадиційних схем і конструкцій з використанням відомих позитивних властивостей композиційних матеріалів. Істотними для ПС є також технологічність конструкції і зручність розміщення технічного обладнання. Поставлена задача реалізується за рахунок того, що ПС підвищеної маневреності має легкий проникний водою корпус форми "літаючої тарілки" або "пірнаючого блюдця" і містить всередині один і більше тороїдальних міцних корпусів з/без принаймні одним додатковим міцним корпусом іншої геометричної форми; при цьому міцні корпуси можуть служити як цистерни для баласту і/або рідкого або газоподібного вантажу, або як елементи позитивної плавучості та іншого призначення. Переміщення та маневрування ПС у водному середовищі здійснюється за рахунок розміщеного в воді поза міцним корпусом в міжбортному просторі рушійного комплексу з регульованим вектором тяги, який складається з одного і більше автономних модулів, які є рушійними системами, кожна з яких складається з одного і більше вхідних сопел, що засмоктують воду із зовнішнього середовища, насоса, який прискорює потік води, системи трубопроводів із заслінками і з одного і більше поворотних під кутом до вертикальної або горизонтальної площини випускних сопел, що регулюють швидкість, інтенсивність і розподіл потоку рідини, створюючи необхідний кут нахилу реактивного струменя, в тому числі і напрям, протилежний вектору засмоктуваної води. За рахунок модульної структури рушійного комплексу кожен модуль або автономна рушійна система передбачає бути резервним, що підвищує живучість ПС, дозволяє йому працювати з частиною автономних модулів в несправному стані і дає можливість видаляти або замінювати модулі або їх компоненти без шкоди іншим структурам і системам. Крім того, рушійний комплекс передбачає гнучкість в розташуванні компонентів модулів, до яких належать вхідні сопла, насоси, трубопроводи та випускні сопла в порівнянні з традиційними рушійними системами на основі гребних гвинтів і водометів. Живлення ПСздійснюється від електричних акумуляторів або іншого типу батарей. Насоси можуть бути відцентрові, осьові, гвинтові або іншого типу. Суть технічного рішення пояснюється кресленнями: - на Фіг. 1 показана схема варіанта розташування поворотних сопел рушійного комплексу, що створює спрямований вектор тяги, в корпусі ПС типу "пірнаюче блюдце" і розміщення основного тороїдального міцного корпусу та додаткових тороїдальних ємностей і міцних корпусів іншої геометричної форми, вид збоку; - на Фіг. 2 показаний вид ПС типу "пірнаюче блюдце" зверху. Підводне судно містить легкий проникний водою корпус-обтічник 1, основний тороїдальний міцний корпус 2 з/без додатковим міцним корпусом у формі еліпсоїда 3 і додаткові тороїдальні ємності різного призначення 4 (Фіг. 1), кільцеву периферійну раму 5 на зовнішньому екваторі основного тороїдального корпусу 2 (Фіг. 2), поворотні сопла 6 з системою трубопроводів і насосами (не показані), акумуляторні батареї 7 (Фіг. 1) і несучу жорстку раму (не показана). До несучої рами, яка виконана з металу або KM, прикріплені міцні корпуси, кільцева периферійна 2 UA 78215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рама 5, акумуляторні батареї 7 та інше устаткування. Жорсткою несучою рамою може бути також тороїдальний міцний корпус. У вільному центральному просторі ПС в залежності від його призначення і габаритних розмірів можуть розташовуватися від одного і більше додаткових міцних корпусів 3 різної форми, наприклад, сфери, еліпсоїда, циліндра, з'єднаних між собою і тороїдальним міцним корпусом люками, тунелями або не пов'язаними з ним, а закріпленими на несучій просторовій рамі ПС. У центральному просторі тороїдального міцного корпусу 2 розміщуються акумуляторні батареї 7, кількість і ємність яких визначається планованою тривалістю перебування під водою, також центральний простір може служити вантажним відсіком. Поворотні сопла 6, що забезпечують маневреність ПС, встановлені в отворах через ущільнювачі в жорсткій периферійній кільцевій рамі, а також по центру, на верхній і нижній поверхнях легкого корпусу. Отвори сопел не виступають за плавний обвід верхньої і нижньої поверхні обтічного легкого корпусу для поліпшення гідродинамічних характеристик. Сопла розташовують так, щоб забезпечити будь-який заданий на стадії проектування режим маневрування у водному середовищі. В міцних корпусах ПС можуть бути ілюмінатори, конструкція також може передбачати їх відсутність, що компенсується телекамерами. ПС має також всі необхідні традиційні елементи, які необхідні для його функціонування, такі як автоматизована система управління, навігаційна та комунікаційна системи та ін (на фіг. 1 і 2 не показані і не розглядаються через їхню традиційність і неважливість їхнього впливу на виконання поставленої задачі). Основний міцний корпус 2 має форму тора. Додаткові тороїдальні або іншої форми ємності 4, розташовані за межами міцного корпусу в міжбортному просторі, можуть використовуватися як баластна система, системи регулювання плавучості і/або діферентної системи, які входять до складу загальносуднової системи. Переріз тороїдальної оболонки може бути круглим або еліптичним, в якому найбільша піввісь розташована вздовж центральної вертикальної осі тороїдальної оболонки. Тороїдальна оболонка такого еліптичного перерізу витримує більший зовнішній тиск, ніж аналогічна за обсягом і масі оболонка круглого перерізу [Ганеева М.С. Косолапова Л.А. Нелинейный изгиб и устойчивость тонких упругих ортотропных тороидальных оболочек под действием равномерного внешнего давления/ Прочность и устойчивость оболочек. Тр. Семин. Казан, физтехн. института. Вып. 19. Ч.1, Казань.-1986. - С. 23-36]. Також тороїдальний міцний корпус з перерізом в формі еліпса, найбільша піввісь якого розташована вздовж центральної вертикальної осі тороїдальної оболонки, більш зручний для розміщення обладнання і екіпажу. Внаслідок такого виконання конструкції ПС легкий корпус набуває форму у вигляді "літаючої тарілки" або "блюдця", чим забезпечується мінімальний опір води при русі і достатня остійність і стійкість ПС на курсі як під водою, так і на поверхні. Додатковий технічний результат полягає в подальшому наближенні форми легкого корпусу до форми тіла гідробіонтів [Перший С.В. "Основи гидробионики", Л., "Судостроение", 1988, с. 264], Легкий корпус виготовляється зі склопластику (СП) або являє собою тришарову конструкцію зі склопластику, наповнювачем якого є синтактна піна. Тороїдальні ємності і міцні корпуси можуть бути виконані з металів методами зварювання або полімерних композиційних матеріалів або являють собою багатошарову гібридну конструкцію з різнорідних матеріалів. Тороїдальні корпуси для зовнішнього тиску можуть виготовлятися на промисловому обладнанні методом безперервного намотування стрічками з високомодульних ниток, просочених, наприклад, епоксидним сполучником, на оправку, що виймається, по відомих технологіях з установкою металевих фланців [Комков М.А., Буланов И.М., Шишацкий В.А. Выбор ширины однонаправленных лент при плотной намотке торовых оболочек/ Сб. тр. МВТУ им. Н.Э.Баумана. - М.: Машиностроение, 1986, № 21. - С. 55-63]. До того ж використання методу намотки для виробництва тороїдальних міцних корпусів виявляється технологічно більш простою процедурою, ніж створення їх з металу шляхом зварювання з попередньо зігнутих або штампованих листових заготовок, а також призведе до зниження маси ПС, оскільки KM мають високу питому міцність, що забезпечує додаткову плавучість і збільшує масу корисного вантажу. Крім того, корпус ПС, виконаний з KM, має здатність демпфірувати різні види енергії і тому може ефективно замінити металеві ємності й міцні корпуси, які є хорошими резонаторами, передаючи збурювальні зусилля від різного устаткування. Відповідні матеріали для намотування складаються з композиційних матеріалів із полімерних, скляних, вуглецевих або керамічних стрічок в термореактивній або термопластичній матриці. Товщини шарів і їх кількість, кути орієнтації шарів, товщина і ширина стрічок визначаються спеціальним розрахунком в залежності від вимог, що пред'являються до 3 UA 78215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 конструкції корпусу, зокрема збереження розрахункової форми при впливі розрахункового навантаження. Переміщення ПС і маневрування ним здійснюється безпосередньо його рушійним комплексом по командах, що надходять з автоматизованої системи управління судном. Рушійний комплекс, який створює сумарний регульований вектор тяги, розміщується у воді поза міцним корпусом в міжбортному просторі і складається з одного і більше автономних модулів, які є рушійними системами, кожна з яких складається з одного і більше вхідних сопел, засмоктує воду із зовнішнього середовища, насоса, який прискорює потік води, системи трубопроводів із заслінками і з одного і більше поворотних під кутом до вертикальної або горизонтальної площини випускних сопел, що регулюють швидкість, інтенсивність і розподіл потоку рідини, створюючи необхідний кут нахилу реактивного струменя, в тому числі і напрям, протилежний вектору засмоктуваної води. Потік струменя води отримує прискорення за рахунок роботи насоса, діаметра трубопроводів і зміни перерізу випускних сопел. Здатність змінювати напрям потоку води дозволяє контролювати напрям тяги, що підвищує маневреність підводного судна, наприклад, поворот випускних сопел під кутом до вертикальної або горизонтальної площини створює кут крену підводного судна, в результаті чого судно піднімається або занурюється у воду як би пірнаючи. Рушійний комплекс забезпечує здатність змінювати величину та/або напрямок тяги, створюваної автономними рушійними системами принаймні в двох напрямках. Такий тип рушійного комплексу дозволить також судну маневрувати на низьких швидкостях і на мілководді з/без традиційної рульової системи, у тому числі і стабілізуватися в точці. Стабілізація (зависання) ПС у воді може відбуватися як тільки за рахунок нульової плавучості ПС, яка забезпечується на стадії проектування певною кількістю елементів позитивної плавучості, так і регулюванням баласту в цистернах. ПС може змінювати плавучість за рахунок тороїдальних або іншої форми цистерн, розташованих усередині обтічного легкого корпусу. Занурення і спливання ПС або рух у вертикальному напрямку здійснюється або за рахунок кута крену ПС, створюваного сумарним керованим вектором тяги всього судна, що регулюється автоматичною системою управління, або за рахунок баластної системи - прийому води або продування баластних цистерн. За рахунок форми легкого корпусу і розташування поворотних сопел в ПС відсутній розподіл на носову і хвостову частини. Технічним результатом, на досягнення якого спрямована дана корисна модель, є розробка конструкції корпусу, що має меншу масу, ніж маса витисненої корпусом води, при достатній його міцності, стійкості в умовах впливу зовнішнього гідростатичного тиску і остійності в надводному і підводному положенні, а також спосіб переміщення ПС у водному середовищі по різко мінливій траєкторії і надання легкому проникному водою корпусу найбільш обтічної форми з оптимальними параметрами подовження, поліпшення обтічності останнього за рахунок розміщення всіх систем в міжбортному просторі. Робота запропонованого ПС принципово відрізняється від роботи аналогічних підводних технічних засобів освоєння океану. Запропонований рушійний комплекс забезпечуватиме ПС рух в горизонтальній площині з реверсом і зі зміною швидкості від нуля до максимуму, рух у вертикальному і будь-якому іншому напрямку, зависання в товщі води в заданій точці, високі маневрені якості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Підводне судно (ПС) типу "пірнаюче блюдце" підвищеної маневреності з основним міцним корпусом в формі тора, яке відрізняється тим, що його легкий корпус-обтічник, проникний водою, має форму "літаючої тарілки" або "пірнаючого блюдця" і містить всередині один і більше тороїдальних міцних корпусів з/без принаймні одним додатковим міцним корпусом іншої геометричної форми; причому міцні корпуси можуть служити як цистерни для баласту і/або рідкого або газоподібного вантажу, і/або як елементи позитивної плавучості, або іншого призначення, а переміщення та маневрування ПС у водному середовищі здійснюється за рахунок розміщеного в воді поза міцним корпусом в міжбортному просторі рушійного комплексу з регульованим вектором тяги, який складається з одного і більше автономних модулів, які є рушійними системами, кожна з яких складається з одного і більше вхідних сопел, що засмоктують воду із зовнішнього середовища, насоса, який прискорює потік води, системи трубопроводів із заслінками і з одного і більше поворотних під кутом до вертикальної або горизонтальної площини випускних сопел, що регулюють швидкість, інтенсивність і розподіл потоку рідини, створюючи необхідний кут нахилу реактивного струменя, в тому числі і напрям, 4 UA 78215 U 5 10 15 протилежний вектору засмоктуваної води, і за рахунок модульної структури рушійного комплексу кожен модуль або автономна рушійна система передбачає бути резервною, що підвищує живучість ПС, дозволяє йому працювати з частиною автономних модулів в несправному стані і дає можливість видаляти або замінювати модулі або їх компоненти без шкоди іншим структурам і системам; крім того, рушійний комплекс передбачає гнучкість в розташуванні компонентів модулів, до яких належать вхідні та випускні сопла, насоси і трубопроводи, в порівнянні з традиційними рушійними системами на основі гребних гвинтів і водометів; а за рахунок запропонованої форми легкого корпусу ПС не має поділу на носову і хвостову частини. 2. Підводне судно за п. 1, яке відрізняється тим, що тороїдальні ємності і міцні корпуси можуть бути виконані з металів методами зварювання або полімерних композиційних матеріалів методом намотування або являють собою багатошарову гібридну конструкцію з різнорідних матеріалів. 3. Підводне судно за п. 1, яке відрізняється тим, що переріз тороїдального міцного корпусу може бути круглим або еліптичним, в якому найбільша піввісь розташована вздовж центральної вертикальної осі тороїдальної оболонки. 5 UA 78215 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6