СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ПЛАВУЧЕСТЬЮ ПОДВОДНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B63G8/22 

Изобретение относится к подводному аппаратостроению, в частности к системам регулирования их плавучести в погруженном положении.

В последнее время значительно увеличилось число различных типов подводных аппаратов (ПА), используемых для проведения океанологических исследований, выполнения различных работ по освоению ресурсов Мирового океана, а также для туристических, спортивных и других целей. К ним же относятся и различные типы переоборудованных или специальных экспериментальных и исследовательских подводных лодок (М.Н.Диомидов, А.Н.Дмитриев. Подводные аппараты. М. Судостроение, 1966, с.85-87,112-114).

Для нормального функционирования и эффективной работы по выполнению различных задач ПА должны обладать достаточной устойчивостью и маневренностью в вертикальной плоскости. Так, например, в США основными критериями в этом смысле являются:
способность точного поддержания постоянной глубины погружения с минимальным использованием рулей;
способность в кратчайшие сроки переходить от прямолинейного движения к маневрированию и обратно;
способность быстро возвращаться к установившемуся движению при отведении органов управления в нулевое положение (В.Ф.Дробленко, В.Н.Герасимов. Угроза из глубины. М.Воениздат, 1966, с. 135-147).

Для придания указанных свойств ПА оборудуются различными системами.

Так, для выполнения маневра погружения или всплытия на поверхность ПА оборудуют системой погружения-всплытия, которая предназначена для увеличения массы ПА за счет приема забортной воды в балластные цистерны при погружении и для уменьшения массы ПА путем удаления воды из цистерн при всплытии в надводное положение.

Для поддержания в заданных пределах глубины погружения ПА на малых скоростях и при отсутствии хода применяется система стабилизации плавучести. Действие системы стабилизации обеспечивается путем регулирования количества балласта в цистернах сжатым воздухом или дифферентным (осушительным) насосом. Имеется патент США N 3716009 от 1973 г. по классу 114-16 E на систему стабилизации с генератором газа, в которой для изменения плавучести ПА осуществляют прием или отлив воды из цистерны путем открывания дроссельных клапанов, управляемых дистанционно. Запатентована также комбинированная система аварийного продувания балласта на подводной лодке и в глубоководном аппарате (патент США N 3626880 от 1971 г. по классу 114-16 E).

При движении ПА в подводном положении управляют также остаточной плавучестью, которая обусловлена изменением плотности воды и деформацией (обжатием) корпуса при изменении внешнего давления и температуры. Обычно указанное управление остаточной плавучестью осуществляют путем приема-откачки воды насосом из прочной уравнительной цистерны (Справочник по управлению кораблей, под ред. Александрова А.А. М. Воениздат, 1974, с.95-105).

При разработке настоящего изобретения в качестве прототипа принята система, рассмотренная в книге: В.М.Букалов, А.А.Нарубаев. Проектирование атомных подводных лодок. Л. Судостроение, 1964, с. 119-122, рис.46- прототип.

Сущность приведенного в прототипе способа управления плавучестью ПА заключается в том, что вытеснение воды производят через отверстия (шпигаты) в нижней части емкости, а воздух подают в верхнюю часть емкости.

Устройство для реализации этого способа содержит емкость (цистерну) с клапанами вентиляции и шпигатами для заполнения вентиляции и продувания емкости, расположенными соответственно в ее верхней и нижней частях, и систему подачи воздуха от общекорабельной системы воздуха высокого давления.

На практике ПА может попасть в слой воды с большей соленостью (большей плотностью), например, в проливах, соединяющих моря и океаны с различной соленостью, или в слой воды с меньшей плотностью (у берегов в местах впадения рек, в местах подводных течений, в линзах пресной воды), а также в районы с иной температурой воды, в которых плотность воды также заметно меняется. Определенное влияние на изменение плавучести ПА оказывает также обжатие корпуса под влиянием давления и температуры воды (Ю.И.Большаков. Элементарная теория подводной лодки. М. Воениздат, 1977, с.31-40), а также, например, расходование запасов топлива, боезапасов и т.д.

Величины изменения остаточной плавучести под влиянием солености и температуры воды бывают значительными, что может потребовать перебалластировать ПА непосредственно в процессе плавания. Следовательно, емкость прочных уравнительных цистерн должна быть рассчитана на экстремальные условия по параметрам окружающей воды, что в свою очередь приведет к увеличению водоизмещения ПА.

Однако эта избыточность объема цистерн будет излишней, если ПА за весь срок своей службы не попадет в зону с экстремальными условиями, что вполне вероятно. Таким образом, с точки зрения эксплуатации конструкции ПА может оказаться неоптимальной и экономически нецелесообразной.

В то же время программы научно-исследовательских и экспериментальных работ, проводимых с использованием ПА, предъявляют к последним жесткие требования с точки зрения обеспечения и поддержания заданных параметров движения. Следовательно, необходимо какое-либо резервное средство обеспечения и поддержания плавучести ПЛ, не связанное с необходимостью увеличения объема прочных цистерн.

Очевидно, что при необходимости создания на ПА резервной системы управления плавучестью, она может быть разработана известным путем и будет представлять собой дублированную систему по указанным аналогам и прототипу, что в итоге приведет к увеличению водоизмещения аппарата. В этом случае для уменьшения объема цистерн в целях компенсации остаточной плавучести ПА не может быть предложено никаких новых технических решений.

Задача изобретения обеспечить резервную систему управления плавучестью ПА, с помощью вытеснения воды воздухом при одновременном уменьшении необходимого объема цистерн для компенсации остаточной плавучести ПЛ и за счет этого получить улучшение его технических и эксплуатационных качеств.

Предлагается новое техническое решение по управлению плавучестью ПА, основанное на подаче воздуха в нижнюю часть заполненной в погруженном положении водой емкости, которую открывают в верхней части и включающее способ управления плавучестью ПА и устройство для его осуществления.

Суть предлагаемых изобретений состоит в следующем. В нижнюю часть емкости (в качестве которой, в зависимости от вида ПА, может использоваться легкая цистерна, проницаемая часть надстройки или специальная вертикальная протяженная труба) устанавливают перфорированный коллектор в виде трубопровода, подводят к нему трубопровод от системы подачи воздуха и монтируют в этой системе дроссельный воздушный клапан.

Принцип работы системы управления плавучестью ПА по новому техническому решению аналогичен принципу работы системы по прототипу (В.М.Букалов, А.Р. Нарусбаев. Проектирование атомных подводных лодок.-Л. Судостроение, 1964, с. 119-122, рис.46), поскольку основан на вытеснении из емкости воды с помощью воздуха. Но механизм компенсации остаточной плавучести ПА осуществляется по- другому: часть воды вытесняется уходящими пузырьками воздуха с верхней стороны емкости вместо выдавливания воды воздухом с нижней стороны емкости. Новыми являются также функции известных элементов, например клапаны вентиляции должны пропускать воду, выносимую уходящими пузырьками воздуха, вместо удаления через них воздуха из емкости. Появляется, кроме того, новое свойство отличительных признаков аппарат становится чувствительным к малейшим изменениями остаточной плавучести и способен сохранять глубину погружения без хода (режим "зависания"), легко компенсируя резкое изменение плотности воды.

Предлагаемый способ и устройство управления плавучестью ПА позволяет также уменьшить объем прочных цистерн и за счет этого спроектировать аппарат более оптимальным образом, что в целом приводит к улучшению его технических и эксплуатационных характеристик.

Таким образом, предлагается способ управления остаточной плавучести ПА в погруженном положении, основанный на вытеснении воды воздухом из емкости, который отличается тем, что заполненную водой емкость открывают в ее верхней части, воздух подают в нижнюю часть емкости, а величину создаваемой плавучести регулируют изменением расхода воздуха.

Предлагаемый способ управления плавучестью ПА может быть реализован определенным устройством новой конструкции, т.е. заявляется также устройство для управления остаточной плавучестью ПА, содержащее заполненную в подводном положении емкость с клапанами вентиляции в верхней части, систему подачи воздуха и трубопроводы с арматурой, отличающееся тем, что оно снабжено установленным в нижней части емкости и связанным с системой подачи воздуха коллектором, выполненным в виде перфорированной по всей длине трубы, а в системе подачи воздуха установлен узел изменения расхода воздуха.

Изобретения включают, таким образом, технологические и конструктивно-компоновочные признаки и представляют собой совокупность технических средств, направленных на решение одной технической задачи (проблемы). Именно заявляемые операции и средства подачи воздуха обеспечивают, согласно изобретениям, вынесение воды уходящими пузырьками из емкости с верхней стороны последней, а управление расходом воздуха позволяет регулировать плавучесть ПА, т. е. получить достижение технического результата. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые технические решения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволяет установить их соответствие критерию "Новизна". Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими решениями в данной и смежных областях техники также не позволило выявить в них признаки, отличающие предложенные решения от прототипа.

Заявляемые технические решения, как видно из анализа их отличительных признаков, позволяют:
придать новые качества ПА, обусловленные новизной признаков (улучшение технических и эксплуатационных качеств, создание резервной системы управления плавучестью);
получить качественно новый неожиданный эффект (высокая чувствительность к малейшим изменениями остаточной плавучести и обеспечение режима "зависания" без хода ПА, а также легко компенсируемое резкое изменение плотности воды);
открыть новое направление в проектировании средств управления плавучестью ПА;
обеспечить вклад в технический прогресс подводного аппаратостроения.

Заявляемые признаки, следовательно, обладают неочевидностью технического решения, поскольку для специалиста явным образом не следуют из уровня техники, при этом не выявляется влияние известных средств на достижение раскрываемого технического результата (наличие в патентной и технической литературе и других источниках описаний способов, устройств, приемов, технических решений и т.п. сведений, которые могли бы быть использованы для данной задачи, не позволяют специалисту в данной отрасли техники однозначно реализовать предложения без дополнительного изобретательского творчества, т.к. использование этих известных сведений ведет к уже известному результату). Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения отвечают критерию "изобретательский уровень".

Совокупность отличительных признаков изобретений находится в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом (т.к. влияет на его достижение), является поэтому существенной и достаточной во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

На фиг.1 представлено поперечное сечение ПА, имеющего легкую балластную цистерну; на фиг.2 поперечное сечение ПА, имеющего проницаемую надстройку; на фиг.3 поперечное сечение ПА с вертикальной протяженной трубой внутри прочного корпуса.

ПА 1 имеет прочный корпус 2, внутри которого размещается различное оборудование для управления, проведения исследований, измерений и т.п. а также экипаж (фиг.1). Вокруг прочного корпуса 2 расположена легкая балластная цистерна 3, предназначенная для погружения или всплытия ПА 1. С верхней стороны на балластной цистерне 3 имеются штатные клапаны вентиляции 4 для выхода воздуха, а с нижней стороны шпигаты (клапаны с автоматической захлопкой) 5 для приема или продувания забортной воды. Внутри прочного корпуса 2 установлен штатный пост погружения и всплытия 6, а также проложены трубопроводы 7 с арматурой (не показана), соединяющие цистерну 3 с системой подачи воздуха (условно обозначена стрелкой) от, например, общекорабельной системы воздуха высокого давления (не показана). В нижней части цистерны 3 установлен на некотором протяжении ее длины коллектор 8 в виде перфорированной по всей длине трубы. На входе системы подачи воздуха в цистерну имеется управляющий расходом воздуха дроссельный воздушный клапан 9.

Для варианта ПА с проницаемой надстройкой 10 (фиг.2) коллектор 8 проложен в ее нижней части, в остальном схема управления остаточной плавучестью ПА аналогична, показанной на фиг.1.

Если в конструкции ПА отсутствуют легкие балластные цистерны 3 (фиг.1) или проницаемая надстройка 10 (фиг.2), предлагается установка внутри прочного корпуса 2 вертикальной протяженной трубы 11, в верхней части, изолированной от внешней среды крышкой 12 (фиг.3). В принципе данная труба 11 (или несколько труб) может быть установлена из конструктивных соображений и вне прочного корпуса 2. В остальном схема управления аналогична приведенной на фиг.1 и 2.

В описании данных схем словом "штатный" обозначена система (элемент), уже имеющаяся на ПА для его функционирования, и в настоящем изобретении рассматривается для лучшего восприятия предлагаемого технического решения.

Работа систем и агрегатов ПА согласно заявляемым изобретениям осуществляется следующим образом. ПА движется на заданной глубине, балластная цистерна 3 заполнена водой, а клапаны вентиляции 4 и шпигаты 5 закрыты (фиг. 1).

При возникновении отрицательной плавучести, обусловленной какой-либо причиной, например попаданием ПА в "линзу" пресной воды и т.д. аппарат получает определенный импульс на погружение.

Для компенсации возникшей отрицательной плавучести на пульте погружения и всплытия 6 включают систему подачи воздуха, который через трубопроводы 7 с арматурой и дроссельный клапан 9 попадает в коллектор 8. Одновременно открывают все клапаны вентиляции 4 цистерны 3. Струи воздуха, попадающие в цистерну 3 через перфорации коллектора 8, дробятся на отдельные пузырьки, которые устремляются через клапаны вентиляции 4 в забортное пространство. При этом уходящие пузырьки вследствие поверхностного натяжения пленки воды в зоне контакта вода воздух выносят из цистерны 3 через указанные клапаны 4 значительное количество воды.

Необходимую скорость компенсации отрицательной плавучести регулируют с помощью дроссельного клапана 9. После устранения возникшей отрицательной плавучести подачу воздуха в коллектор 8 прекращают, а клапаны вентиляции 4 закрывают. В течение всего этого процесса шпигаты 5 остаются закрытыми.

Расчеты и эксперименты, проведенные совместно КБМ (г.Миасс) и ЦКБМТ "Рубин" (г.Санкт-Петербург), показали, что при нахождении ПА на глубине 50 м требуемый удельный расход воздуха составляет 0,1 кг/с на 1 т плавучести, что вполне соответствует обычно имеющимся запасам воздуха на ПА при условии стабилизации аппарата в течение нескольких часов.

Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет по сравнению с существующими решениями обеспечить следующие преимущества.

1. Управление плавучестью с помощью уходящих пузырьков воздуха позволяет уменьшить необходимый объем прочных уравнительных цистерн для компенсации отрицательной плавучести.

2. Конструктивно создается резервная система управления плавучестью с помощью вытеснения воды воздухом.

3. Улучшаются технические и эксплуатационные качества ПА.

4. Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить высокую степень чувствительности к изменению (регулированию) остаточной плавучести ПА, в результате чего аппарат может удерживаться на задаваемой глубине без хода или манипулирования какими-либо подруливающими и подобными устройствами (обеспечивается режим "зависания").

5. Техническое решение обладает также конструктивной простотой, а его реализация не требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Данное преимущество подтверждается тем, что используются в основном уже имеющиеся системы, при этом дополнительно устанавливаются коллектор и узел изменения расхода воды (дроссельный клапан), делается подвод трубопровода к нижней части цистерны (надстройки, трубы), а также организуется дополнительное управление клапанами вентиляции (устройством открытия крышки в варианте с трубой), например, через пост погружения и всплытия.

В настоящее время подготовлено решение о реализации предлагаемого способа управления в разрабатываемом подводном аппарате.

Использование: в области подводного аппаратостроения, в частности разработка систем регулирования их плавучести. Сущность изобретения: способ управления остаточной плавучестью подводного аппарата основан на вытеснении воды воздухом из емкости, заполненной в подводном положении водой и открытой в верхней части, при этом воздух подают в нижнюю часть емкости, а величину создаваемой плавучести регулируют изменением расхода воздуха. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления остаточной плавучестью подводного аппарата в погруженном положении, основанный на вытеснении воды воздухом из емкости, отличающийся тем, что заполненную водой емкость открывают в ее верхней части, воздух подают в нижнюю часть емкости, а величину создаваемой плавучести регулируют изменением расхода воздуха. 2. Устройство для управления остаточной плавучестью подводного аппарата, содержащее заполненную водой в подводном положении емкость с клапанами вентиляции в верхней части, систему подачи воздуха и трубопроводы с арматурой, отличающееся тем, что оно снабжено установленным в нижней части емкости и связанным с системой подачи воздуха коллектором, выполненным в виде перфорированной по всей длине трубы, а в системе подачи воздуха установлен узел изменения расхода воздуха.