СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПО ГЛУБИНЕ ПОДВОДНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК B63G8/24 B63B22/00 B63G8/22 

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно, к подводным аппаратам буям (ПА) с изменяемой плавучестью.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ перемещения ПА по глубине, заключающейся в том, что рабочее тело нагревают с помощью электронагревателя, преобразуя тепловое расширение рабочего тела в изменение плавучести ПА (патент США N 4183316, кл. B 63 B 39/04, 1980).

Известно также устройство перемещения по глубине, содержащее герметичный прочный корпус с балластной камерой и рабочее тело, заключенное в сильфоне, взаимодействующее с системой принудительной подачи (выпуска) воздуха в балластную камеру (заявка Великобритании N 1532411, кл. B 63 C 11/30, 1978).2 Реализация известных способа и устройства связана с непрерывным расходом энергии, что уменьшает время автономной работы и надежность ПА.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи сокращения расхода энергии для перемещения ПА и увеличения времени его автономной работы.

Технический результат достигается за счет того, что ПА выдерживают в верхней точке траектории до нагрева рабочего тела до температуры окружающей среды, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время приема маневрового балласта, а при достижении аппаратом нижней точки траектории выдерживают его до охлаждения рабочего тела и образования в балластной камере повышенного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время удаления маневрового водного балласта.

Указанный способ реализуется в устройстве перемещения ПА по глубине, содержащем герметичный прочный корпус с балластной камерой, соединенной посредством управляемого клапана с окружающей средой, и рабочей камерой, заполненной рабочим телом, между которым установлена перегородка, выполненная с цилиндрическим отверстием, в котором размещен пуасон, взаимодействующий с сильфоном, установленным в балластной камере и взаимодействующим другим торцом с корпусом, причем сильфон заполнен сжатым газом, а рабочим телом является жидкость с температурным расширением, превышающим температурное расширение материала корпуса подводного аппарата.

Технический результат достигается также в устройстве, в котором поршень пуансона взаимодействует с герметичной эластичной оболочкой со сжатым газом, установленной в балластной камере между поршнем и корпусом.

Возможно получение того же результата в устройстве с сильфоном, заполненным сжатым газом. Один из торцов сильфона взаимодействует с внутренней поверхностью корпуса ПА, а другой с рабочим телом, выполненным в виде стержня из твердого материала, соединенного другим торцом с противоположной частью внутренней поверхности корпуса, при этом тепловое расширение материала рабочего тела превышает тепловое расширение материала корпуса ПА.

На фиг. 1 показана принципиальная схема первого устройства перемещения ПА (УППА1); на фиг. 2 принципиальная схема второго устройства (УППА2) и на фиг. 3 третьего устройства (УППА3).

Устройства УППА1 и УППА2 (фиг. 1 и 2) содержат прочный корпус 1 с перегородкой 2, в которой выполнено цилиндрическое отверстие 3. Перегородка 2 разделяет внутренний объем корпуса на балластную 4 и рабочую 5 камеры. В цилиндрическом отверстии перегородки установлен пуансон 6. Внутренний объем балластной камеры соединен с окружающей средой посредством управляемого клапана 8.

В устройстве УППА1 в балластной камере установлен сильфон 7, взаимодействующий одним торцом с корпусом, а другим с пуансоном. Сильфон заполнен сжатым газом, например, азотом, а рабочим телом является жидкость, например, глицерин, с возможно меньшей сжимаемостью, у которой температурное расширение превышает температурное расширение материала корпуса. Давление газа в сильфоне должно превышать гидростатическое давление на максимальной глубине погружения ПА.

В устройстве УППА2 имеется поршень 9 и эластичная оболочка 10, заполненная сжатым газом. Пуансон соединен с поршнем, разделяющим балластную камеру на две части и взаимодействующим другим торцом с эластичной оболочкой, заполненной сжатым газом. Давление газа должно вытеснять воду из балластной камеры на максимальной глубине погружения.

УППА3 (фиг. 3), как и УППА1, содержит герметичный прочный корпус 1 с сильфоном 7, взаимодействующий одним торцом с внутренней поверхностью корпуса, и управляемый клапан 8, сообщающий внутренний объем балластной камеры 4 снаружи от сильфона с окружающей средой. Сильфон заполнен сжатым газом. Рабочее тело выполнено в виде твердотельного элемента 11, соединяющего свободный торец сильфона с противоположной внутренней поверхностью корпуса. Тепловое расширение материала элемента 11 превышает тепловое расширение материала корпуса.

Устройство УППА1 работает следующим образом. На поверхности океана рабочая жидкость в камере 5 ПА нагревается, перемещая пуансон 6, сжимая сильфон 7 и увеличивая размер балластной камеры 4. Открывают управляемый клапан 8, после чего вода заполняет балластную камеру, ПА начинает погружаться, клапан закрывается до конца погружения, когда ПА приобретет нейтральную плавучесть. В глубине океана рабочая жидкость охладится и будет стремиться сжаться. При открытии клапана сжатый газ раздвинет сильфон и вода будет удалена из балластной камеры. Клапан закрывается и ПА всплывает к поверхности.

Второе устройство работает аналогично первому, с тем отличием, что удаление воды из балластной камеры на глубине при открытии клапана осуществляется с помощью поршня 9 под давлением сжатого газа в эластичной оболочке 10.

В устройстве УППА3 сжатие сильфона 7 и увеличение размера балластной камеры 4 происходит за счет расширения стержня рабочего тела 11 при нагреве на поверхности океана, а уменьшение размера соответственно за счет охлаждения рабочего тела на глубине.

Предложенный способ реализуется через работу указанных устройств.

Значительная часть Мирового океана имеет градиент температур по глубине 10-15^oC. Расчеты подтверждают, что при этом для ПА с рабочей камерой длиной 3,0 м и внутренним диаметром 0,2 м (объемом 0,3768 м²), заполненной глицерином, рассчитанного на максимальную глубину погружения 1000 м, возможно получение подъемной силы около 24,5Н. Достаточная величина подъемной силы обеспечивается и при использовании в качестве рабочего тела алюминия (по третьему варианту устройства).

Использование предложенных способа и устройств, требующим минимального расхода энергии (только на включение-выключение управляющего клапана), обеспечивает ПА большой ресурс времени автономной работы и высокую надежность.

Использование: техника освоения Мирового океана, а именно - подводные аппараты (буи), перемещающиеся в режиме сканирования по глубине. Сущность изобретения: способ основан на использовании разницы теплового расширения объема рабочего тела в крайних точках траектории буя и преобразовании его в противоположное по знаку изменение плавучести в режиме теплообмена буя с окружающей средой. Способ реализуется устройствами, в которых в прочном корпусе буя имеется балластная камера, соединенная посредством управляемого клапана с окружающей средой, и рабочее тело, которое может быть в виде жидкости или стержня из твердого материала, тепловое расширение которых превышает таковое материала корпуса буя. Для приема и выброса маневрового балласта предлагается использовать сильфон или эластичную оболочку, заполненные сжатым газом, взаимодействующие с рабочим телом. 4 с. з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус с балластной камерой и рабочим телом, заключающийся в том, что в верхней точке траектории подводному аппарату придают отрицательную плавучесть за счет приема маневрового водного балласта, а по достижении нижней точки траектории придают положительную плавучесть путем удаления маневрового водного балласта, отличающийся тем, что перед приемом маневрового водного балласта подводный аппарат выдерживают в верхней точке траектории до нагрева рабочего тела до температуры окружающей среды и образования в балластной камере пониженного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время приема маневрового водного балласта, а по достижении аппаратом нижней точки траектории выдерживают его до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды на соответствующей глубине и образования в балластной камере повышенного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время удаления маневрового водного балласта. 2. Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус и балластную камеру, соединенную посредством управляемого клапана с окружающей средой, содержащее рабочую камеру, заполненную рабочим телом, и перегородку, установленную между балластной камерой и рабочей камерой, отличающееся тем, что перегородка выполнена с цилиндрическим отверстием, в котором размещен пуансон, взаимодействующий с сильфоном, установленным в балластной камере и взаимодействующим другим торцом с корпусом подводного аппарата, при этом сильфон заполнен сжатым газом, а рабочим телом является жидкость с коэффициентом теплового расширения, превышающим коэффициент теплового расширения материала корпуса подводного аппарата. 3. Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус и балластную камеру, соединенную посредством управляемого клапана с окружающей средой, содержащее рабочую камеру, заполненную рабочим телом, и перегородку, установленную между балластной камерой и рабочей камерой, отличающееся тем, что перегородка выполнена с цилиндрическим отверстием, в котором размещен пуансон, с поршнем, взаимодействующим с герметичной эластичной оболочкой со сжатым газом, установленной в балластной камере между поршнем и корпусом, при этом рабочим телом является жидкость с коэффициентом теплового расширения, превышающим коэффициент теплового расширения материала корпуса подводного аппарата. 4. Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус и балластную камеру, соединенную посредством управляемого клапана с окружающей средой, содержащее рабочее тело, отличающееся тем, что в корпусе подводного аппарата установлен заполненный сжатым газом сильфон, один из торцов которого взаимодействует с внутренней поверхностью корпуса, а другой с рабочим телом, выполненным в виде стержня из твердого материала, соединенного другим торцом с противоположной частью внутренней поверхности корпуса, при этом коэффициент теплового расширения материала рабочего тела превышает коэффициент теплового расширения материала корпуса подводного аппарата.