13.3. Внешние возмущающие воздействия, действующие на пл

При движении на ПЛ действуют импульсные силы и моменты, возникающие при использовании оружия (при торпедных или ракетных залпах, взрывах и т.п.), а также возмущения, обусловленные гидростатическим давлением на корпус, переменными гидрофизическими факторами и подводными течениями, влиянием взволнованной поверхности моря. Особую группу составляют силы и моменты, появляющиеся при аварийных ситуациях, связанных с разгерметизацией корпуса или повреждением балластных цистерн, приводящими к резкому уменьшению плавучести лодки.

13.3.1. Общая характеристика ветро-волновых возмущений и течений. Движение ПЛ происходит в условиях постоянного воздействия ветра, течении, морского волнения. Взаимодействие переме-щающихся частиц воды и воздуха с корпусом движущегося объекта приводит к возникновению гидроаэродинамических сил и моментов, которые образуют ветро-волновые возмущения. В результате этих внешних воздействий появляется качка (бортовая, килевая, вертикальная), рыскание и боковой снос (дрейф), снижается скорость поступательного движения ПЛ. Существенная часть мощности исполнительных органов управления (рулей, подруливающих устройств, движителей и т.п.) расходуется на компенсацию возмущающего воздействия среды. При интенсивном ветро-волновом процессе уровень управляющих воздействий может быть существенно ниже возмущений. Это отрицательно сказывается на характере движения и качестве управления. Ухудшаются условия функционирования ПЛ. Системы управления перестают обеспечивать требуемые параметры движения. В экстремальных условиях преобладание ветро-волновых возмущений приводит к развитию аварийных ситуаций. Сопоставление возможностей управления и уровня ветро-волновых воздействий осуще­ствляется в процессе создания ПЛ.

Разнообразные движения водной и воздушной сред представляют собой единый физический процесс. Волны и течения в океане образуются за счет энергии воздушного потока. Их интенсивность зависит от средней скорости ветра над морем. В свою очередь, энергия морского волнения сказывается на характере движения воздуха в приводном слое атмосферы, физически сложный ветро-волновой процесс удобно разложить на несколько элементарных. Это упрощает изучение физического явления, делает более наглядным математическое описание отдельных составляющих и процесса в целом при сохранении адекватности моделей. Расчет возмущающих гидроаэродинамических сил и моментов при раздельном анализе течения и волнения в большей мере согласуется с существующей теорией и методами гидродинамики. Раздельный анализ возможен из-за различного характера движения частиц среды и их физических отличий.

Характерный признак течения заключается в том, что оно образуется из-за однонаправленного поступательного горизонтального движения частиц жидкости. Интенсивность течения и его направление характеризуются вектором скорости . При исследовании систем управления движения ПЛ этот вектор можно считать постоянным, так как анализ выполняется на ограниченных временных и пространственных интервалах, а геометрические размеры ПЛ существенно меньше протяженности слоев воды с одинаковой скоростью поступательного движения. Вертикальные перемещения частиц воды из одного слоя течения в другой не имеют определяющего значения. В основном наблюдается плоскопараллельное движение жидкости с постоянной групповой скоростью частиц на заданной глубине. Это дает основания считать, что вектор скорости течения на поверхности моря или определенной глубине расположен в горизонтальной плоскости неподвижной координатной системы, состоит из продольной и поперечной составляющих и не имеет вертикальной составляющей. Взаимодействие течения с кораблем определяется не только скоростью волнового потока, но и углом набегания , который отсчитывается относительно диаметральной плоскости против часовой стрелки (рис. 13.4).

Течение при – с носа, при – с кормы. При малых углах крена и дифферента ПЛ, когда горизонтальные плоскости неподвижной и связанной координатных систем практически совпадают, проекции вектора скорости течения на связанные координатные оси равны

(13.26)

Скорость океанических поверхностных течений редко превышает 1–2 узла (0,5–1 м/с), хотя скорость Гольфстрима на поверхности может достигать 5 узлов (2,5 м/с). Течения ослабевают по мере погружения. Однако существуют также глубинные течения.

Морское волнение связано с вертикальным перемещением частиц жидкости. Это движение носит колебательный характер, причем последовательные волны случайным образом различаются по амплитуде, периоду и форме. В океане встречаются самые разнообразные волны: приливные с периодом 12–24 ч, долгопериодические с периодом 5 мин – 12 ч, вызванные циклонами и землетрясениями. Наиболее характерны ветровые гравитационные волны с периодом 1–30 с, которые возникают в результате воздействия на частицы жидкости ветра и гравитационных сил Земли. Они практически всегда присутствуют на поверхности моря. В них сосредоточена основная энергия морского волнения.

В основной стадии развития волнения передача энергии от ветра к волнам осуществляется главным образом за счет энергии средней скорости движения воздушного потока, а не турбулентных флюктуаций. Поэтому интенсивность развитого волнения зависит только от средней скорости ветра над морем. Но интенсивность движения нижнего слоя воздушного потока определяется не только средней скоростью, но и турбулентными движениями, а также добавочными случайными колебаниями, связанными с обратным влиянием морского волнения на воздушный поток. Это подтверждается наличием в спектре пульсаций скорости ветра максимумов, по частоте совпадающих с соответствующими максимумами спектра волнения.

13.3.2. Силы и моменты, создаваемые течением. Движение окружающих воздушной и водной сред вызывает на корпусе ПЛ дополнительные усилия гидродинамического и аэродинамического характеров. Совокупность составляющих этих сил и моментов относительно связанных координатных осей х, у, z, образуют ветро-волновые возмущения, действующие на ПЛ:

. (13.27)

Определение возмущающих воздействий течения сводится к вычислению дополнительных гидродинамических сил и моментов, возникающих в связи с усилением потока окружающей среды, который обтекает корпус корабля. Гидродинамические силы и моменты корабля определяются скоростью потока жидкости и углом встречи с набегающим потоком .

(13.28)

При движении корабля в неподвижной среде скорость потока (воды) определяется только вектором скорости его движения относительно земли , а угол набегающего потока совпадает с углом дрейфа . Если же объект движется в среде, которая перемещается относительно Земли с вектором скорости (течение), то вектор скорости потока относительно его корпуса будет

. (13.29)

Условие (13.27) позволяет определить значения скорости потока и угол набегания . Рассмотрим, как это делается для плоской задачи, когда горизонтальные плоскости связанной и неподвижной координатных систем совпадают (случай движения ПЛ с малыми углами крена и дифферента). Запишем (13.27) в проекциях на связанные оси, предполагая, что ПЛ движется со скоростью V и углом дрейфа в поле течения, скорость которого , и встречает их под углом (рис. 13.5):

(13.30)

откуда

(13.31)

где – относительная скорость течения или ветра.

Данные формулы показывают, что возмущающее воздействие движения среды сказывается сильнее при малых скоростях объекта, так как при этом возрастает относительное влияние течения или ветра.

13.3.3. Силы и моменты при волнении. Взаимодействие корпуса корабля с волнением представляет собой наиболее сложный физический процесс. Несмотря на то, что при движении ПЛ на перископной глубине влияние волнения несколько ослабевает, нельзя исключать из внимания этот фактор при сильном волнении моря. Изучение его составляет в настоящее время предмет фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований. Одним из аспектов этих работ является установление математических соотношений между параметрами вол­ны и силовыми и моментными характеристиками на корпусе, т.е. получение зависимостей . Полученные результаты, базирующиеся на линейной теории качки и принципе суперпозиции движений корабля, позволяют выполнить в первом приближении анализ возмущенного движения систем управления ПЛ. Ниже приводятся некоторые из этих соотношений.

Несмотря на то, что морское волнение рассматривается как процесс центрированный, гидродинамические силы и моменты, возникающие на корпусе судна при действии морских волн, содержат как переменные, так и постоянные (точнее, медленно меняющиеся) составляющие. Последние оказывают заметное влияние на характер движения ПЛ в горизонтальной плоскости при малых скоростях движения. Их значения оцениваются выражениями:

(13.32)

где – безразмерные коэффициенты, которые зависят от размерений судна, длины волны и угла встречи с волной .

Переменные составляющие волновых возмущений – боковая сила и момент рыскания – при регулярном волнении рассчитывают по формулам

(13.33)

Принимая во внимание, что – масса объекта, а – амплитуда приведенной поперечной составляющей угла волнового склона, получаем

(13.34)

Если допустить, что значения редукционных коэффициентов и близки между собой в области существенных частот волнения и , можно представить возмущающий момент рыскания в виде

(13.35)

Выражения (13.34) и (13.35) могут быть использованы и при моделировании возмущений на нерегулярном волнении, когда – случайная функция времени, определяемая кажущимся спектром угла волнового склона.

При определении кренящего и дифферентующего моментов предлагается считать их пропорциональными соответственно поперечной и продольной составляющим приведенного угла волнового склона:

(13.36)

а коэффициенты пропорциональности а, b принимать равными коэффициентам при углах крена и дифферента, входящим в уравнения бортовой и килевой качки. Это означает, что для введения волнового возмущения в математической модели достаточно в уравнениях равновесия сил и моментов заменить угол крена на разность , а угол дифферента на . Фактический смысл такой замены заключается в том, что на тихой воде свободные колебания качки сходятся к нулевым углам крена и дифферента, а при волнении – к соответствующим составляющим угла волнового склона.

Волнение оказывает на ПЛ, движущуюся вблизи свободной поверхности, значительное силовое воздействие, что приводит к качке и рысканию, затрудняя управление, использование оружия и различных технических средств. Выражения для составляющих гидродинамических сил и моментов, вызванных правильным волнением, имеют вид:

(13.37)

где – частота волны, – частота формы, – длина волны, – кажущаяся частота, – курсовой угол бега волны по отношению к ПЛ, – коэффициенты присоединенных масс и инерции, –редукционные коэффициенты, – моменты инерции объема ПЛ, D- вес ПЛ, Н - высота волны.

13.3.4. Параметры воды. Большое практическое значение имеет поддержание постоянной глубины. Теоретически в погруженном состоянии ПЛ статически уравновешена, то есть имеет нулевую остаточную плавучесть.

Для плавания ПЛ с нулевой остаточной плавучестью необходимо, чтобы

(13.38)

где – удельный вес воды, V – водоизмещение ПЛ.

Нарушение этого равенства происходит вследствие изменения веса ПЛ, ее объемного водоизмещения и весовой плотности воды. Вес ПЛ изменяется по причинам: расходования переменных грузов, изменения веса воды в ЦГБ при изменении плотности забортной воды, а также при поступлении воды в отсеки ПЛ вследствие аварии. Плотность воды меняется в зависимости от солености, температуры и давления.

(13.39)

где S%o – соленость воды, t – температура, – плотность воды.

Рассмотрим, как влияет изменение плотности воды от изменения ее солености и температуры на величину остаточной плавучести. Изменение температуры воды приводит к изменению ее плотности. С уменьшением температуры плотность воды растет, а при увеличении температуры – уменьшается. Понижение температуры воды с увеличением глубины происходит не всегда равномерно. На определенных глубинах встречаются слои воды с температурой, резко отличающейся от температуры рядом расположенных слоев воды, что ведет к резкому изменению остаточной плавучести.

Изменение содержания солей в воде приводит к изменению ее плотности. Плотность морской воды колеблется в пределах от 1,002 до 1,030 т/м³. Плотность морской воды зависит от притока пресных вод, выносимых реками и осадками, от интенсивности испарения воды и от процессов перемешивания. Значительное изменение плотности воды может иметь место при плавании ПЛ у кромки ледяных полей, вследствие таяния льдов или льдообразования. При интенсивном таянии льдов слой воды, близкий к поверхности, значительно опресняется. Так, например, при плавании одной из ПЛ в районах Датского пролива и Ньюфаундленской банки наблюдалось изменение плотности воды в пределах 1,020–1,0275. При плавании другой ПЛ в этом же районе плотность воды достигала 1,029, а в Гренландском море – 1,03. При плавании ПЛ на различных глубинах могут встречаться слои воды с повышенной плотностью из-за более низкой температуры или повышения ее удельного веса. Если ПЛ попадает в такие слои воды, она приобретает положительную плавучесть, которую необходимо компенсировать имеемыми средствами.