Глава 13. Подводная лодка как объект управления

Современные ПЛ, представляющие собой особый вид автономных подводных аппаратов, отличаются многообразием режимов движения, подвержены разнообразным возмущающим воздействиям. Они имеют развитые технические средства управления движением для сохранения управляемости в этих условиях. Атомная ПЛ может находиться в плавании два–три месяца. За это время она преодолевает 25–30 тыс. миль и погружается на глубину до 400 м. Характерными режимами движения ПЛ являются плавание в погруженном положении, или на перископной глубине, а также плавание вблизи ледовой поверхности. Эти режимы различаются по характеру гидродинамических воздействий. Объединяет их требование устойчивой стабилизации кинематических параметров движения относительно заданных значений. Кроме того, ПЛ свойственны глубокие маневры – не только плоские (всплытие, погружение, циркуляция), но и пространственные (циркуляция с изменением глубины, движение по спиральной траектории с горизонтальной осью и т.п.). Особое место занимает маневрирование аварийной лодки (одержание по глубине и дифференту ПЛ с отрицательной плавучестью, всплытие с грунта и т.п.).

Необходимым условием для нормальной эксплуатации ПЛ является ее управляемость, т.е. сочетание двух противоположных свойств – устойчивости и маневренности. Устойчивость – это способность лодки сохранять неизменными кинематические параметры движения в условиях внешних возмущений. Маневренность означает возможность изменения параметров движения по заданной программе.

Управляемость ПЛ обеспечивают активные и пассивные средства управления. В первую группу входят главные движители и подруливающие устройства, во вторую – большие (кормовые и носовые) и малые горизонтальные рули , вертикальный разрезной двухлопастной руль.

Специфическим средством управления ПЛ являются балластные цистерны, продуваемые воздухом высокого давления. Они дают возможность изменять подводную плавучесть лодки в нормальных и аварийных режимах. Широкое распространение получили бескингстонные цистерны главного балласта, которые в своей нижней части постоянно сообщаются с забортным пространством через отверстия – шпигаты. Заполнение таких цистерн при погружении обеспечивается открытием клапанов вентиляции, через которые стравливается содержимое воздушных подушек.

13.1. Силы и моменты, действующие на пл

В самом общем случае движение центра тяжести (ЦТ) ПЛ проходит по пространственной траектории с некоторой мгновенной поступательной скоростью . Одновременно с этим корпус ПЛ вращается около центра тяжести с мгновенной угловой скоростью . Для анализа движения ПЛ в вертикальной плоскости необходимо рассмотреть силы, действующие на ПЛ. Все силы и моменты могут быть разделены на три категории:

• массовые – силы веса и плавучести;

• реактивные – силы тяги гребных винтов и других видов движителей;

• гидродинамические силы – силы воздействия жидкости на корпус ПЛ при её поступательном и вращательном движении.

1.Силы и моменты, обусловленные плавучестью и нагрузкой.

Сила плавучести в подводном положении постоянна и равна произведению удельного веса забортной воды и водоизмещения.

(13.1)

или

, (13.2)

где

– плотность забортной воды;

– ускорение свободного падения.

Нагрузка ПЛ в любом её фактическом состоянии определяется следующими составными частями

а) силой тяжести статически удифферентованной ПЛ

, (13.3)

где – масса статически удифферентованной ПЛ;

б) дифферентующим моментом , действующим в диаметральной плоскости (ДП) и возникающим из-за возможного перемещения грузов внутри удифферентованной ПЛ. Практически дифферентующий момент чаще всего создаётся перекачкой воды между дифферентующими цистернами (ДЦ).

, (13.4)

где – сила тяжести перекачиваемой воды координаты центра величины (ЦВ) носовых и кормовых ДЦ;

в) силой остаточной плавучести

; (13.5)

г) моментом силы остаточной плавучести

, (13.6)

где – абсцисса точки приложения силы остаточной плавучести.

Силы и равны и направлены по вертикалям в противоположные стороны, их действие сводится к продольному восстанавливающему моменту

. (13.7)

Таким образом, первая категория сил и моментов приводится к продольному восстанавливающему моменту , дифферен-тующему моменту , силе плавучести и моменту остаточной плавучести . Действие этих сил и моментов, не зависящих, как правило, от скорости хода, составляет основную отличительную особенность управляемости ПЛ в продольной плоскости. Сила веса и плавучести существенно зависят от ряда факторов. Для подводного положения при обычном эксплуатационном режиме движения сила веса равна силе плавучести

. (13.8)

В этом случае ПЛ называется статически уравновешенной. Однако часто равновесие между этими силами нарушается. Причинами нарушения равенства могут служить: изменение плотности воды, вызванное гидрологическими факторами, обжатие корпуса с изменением глубины погружения, расходованием переменных грузов, торпедный залп, ракетный старт и др.

К массовым силам, действующим на ПЛ, относятся силы веса и плавучести. В случае статической уравновешенности ПЛ эти силы равны по величине и противоположны по направлению

. (13.9)

Если ПЛ статически не уравновешена, то уравнение плавучести имеет вид

, (13.10)

где – остаточная плавучесть, – удельный вес воды.

Остаточная плавучесть, вызванная гидрологическими факторами, включает в себя следующие составляющие: положительная плавучесть, связанная с увеличением плотности воды по глубине, отрицательная плавучесть (топящая сила), вызванная обжатием прочного корпуса; плавучесть, обусловленная влиянием температуры на плотность жидкости; плавучесть, вызванная изменением солёности воды. Известно, что с увеличением глубины возрастает удельный вес воды, на 10 метров составляет 0,005% или 510^–5. Обозначая глубину погружения через Н, запишем формулу для остаточной плавучести, обусловленной изменением глубины

. (13.11)

Обжатие ПЛ, вызванное гидростатическим давлением, приводит к уменьшению объёма корпуса. Считается, что на 10 метров глубины погружения объём ПК уменьшается на 0,025% или 2510^–5, вoзникaющaя при этом топящая сила находится по формуле

. (13.12)

Влияние температуры воды на её удельный вес проявляется также с изменением глубины. Однако в связи с существованием ряда дополнительных факторов оценка изменения плавучести в зонах температурного скачка производится на основании данных о разности температур смежных слоев воды. Обозначая через изменение удельного веса воды, приходящегося на 10 С получим

, (13.13)

где – разность температур, – коэффициент равный 0,014% – 1410^–5 при изменении температуры от 20°С до 10°С; 0,003% – 310^–5 при температуре от 10°С до 4°С. При изменении солености воды изменяется её плотность. При переходе ПЛ из пресной воды в солёную имеет место увеличения удельного веса воды, а из соленой в пресную, наоборот, уменьшение. В первом случае на ПЛ появляется положительная остаточная плавучесть, во втором – топящая сила.

2.Гидродинамические силы и моменты.

Гидродинамические силы могут быть разделены на три основные группы:

1) инерционнные силы, обусловленные инерцией жидкости, окружающей ПЛ;

2) гидродинамические силы волновой природы, вызванные движением ПЛ вблизи свободной поверхности, находящейся под действием силы тяжести;

3) гидродинамические силы вязкой природы, которые могут быть представлены в виде двух составляющих: сил трения и сил, нормальных к поверхности корпуса ПЛ.

Первая и вторая группы сил относятся к движению ПЛ в невязкой жидкости, третья – характеризует движение в вязкой жидкости. При существующих в настоящее время способах экспериментального определения гидродинамических сил последние включают в себя не только силы вязкой природы, но также и силы инерционной природы.

При движении ПЛ на её смоченной поверхности действуют гидродинамические касательные напряжения и давления. Интегрирование этих усилий по всей смоченной поверхности приводит к главному вектору Т гидродинамических сил. Действие вектора Т будет эквивалентно действию сил продольной и нормальной позиционных гидродинамических сил и момента – продольного позиционного гидродинамического момента. Для исследуемой ПЛ эти силы и моменты зависят от плотности воды , скорости хода, угла атаки, углов перекладки рулей

(13.14)

Известно, что

(13.15)

или с учетом коэффициентов пропорциональности

(13.16)

где – коэффициент продольной позиционной гидродинамической силы;

– коэффициент нормальной позиционной гидродинамической силы;

– коэффициент продольного позиционного гидродинамического момента.

Рассмотренные силы и моменты действуют на ПЛ при установившемся движении. При неустановившемся движении возникают некоторые особенности:

1. Силы и моменты, обусловленные плавучестью и нагрузкой ПЛ. Эта категория сил и моментов принципиально не отличается от ранее рассмотренного случая установившегося движения, но теперь восстанавливающий момент, дифферентующий момент, остаточная плавучесть и её момент могут зависеть от времени.

Таким образом:

(13.17)

2. Гидродинамические силы и моменты при неустановившемся движении ПЛ зависят от ускорения ЦТ ПЛ, угловой скорости вращения ПЛ вокруг оси

(13.18)

углового ускорения вращения ПЛ

(13.19)

и скорости изменения угла атаки .

Влияние свободной поверхности проявляется прежде всего в том, что изменяется характер гидродинамических сил и появляются составляющие, обусловленные волнообразованием движущейся ПЛ и зависящие от числа Фруда (Fr). В диапазоне чисел Fr = 0,40–0,45 коэффициенты и имеют mах и по мере приближения к свободной поверхности ее влияние на гидродинамические силы проявляются в большей степени. Если при относительной глубине, равной 0,40 длины ПЛ, влияния свободной поверхности практически нет, то при относительной глубине значение коэффициента возрастает в несколько раз. Существенная зависимость гидродинамических коэффициентов от числа Fr и наличие экстремумов связаны с определенной картиной волнообразования при движении вблизи поверхности. Можно предположить наличие интерференции волн, которая и определяет max и min на кривых изменения коэффициентов и . Кроме того, по мере приближения к свободной поверхности происходит увеличение демпфирующего момента по сравнению со случаем движения в безграничной жидкости. При относительном погружении порядка 0,1 это возрастание составляет 13–18%. Выражения для гидродинамических сил и момента при движении ПЛ с углом атаки  имеют вид :

сила сопротивления

(13.20)

подъемная сила

(13.21)

продольный гидродинамический момент

При нулевом угле атаки эти формулы значительно упрощаются:

(13.23)

здесь – число Фруда, – отношение площадей поперечных сечений корпуса ПЛ, – длина ПЛ, – потенциал скорости потока.

Данные формулы дают представление о влиянии не взволнованной свободной поверхности на гидродинамические характеристики ПЛ. Однако, наиболее часто встречающимся режимом является движение вблизи взволнованной поверхности. Волнение оказывает на ПЛ, плавающую вблизи взволнованной поверхности, значительные силовые воздействия, что приводит к качке и рысканию, затрудняя управление и использование оружия и различных технических средств. Выражения для гидродинамических сил и моментов, действующих на ПЛ, плавающую вблизи взволнованной поверхности, имеют вид:

(13.24)

– частота волны; – частота формы; – длина волны; – кажущаяся частота; – курсовой угол набега волны по отношению к ПЛ; – коэффициенты присоединенных масс и моментов инерции; – редукционные коэффициенты; – моменты инерции объема ПЛ; D – вес ПЛ; Н – высота волны.