аварийно-сигнальный радиобуй подводной лодки

Формула изобретения

Свободно всплывающий из глубины аварийно-сигнальный радиобуй подводной лодки, содержащий корпус, передающую радиоаппаратуру, аккумуляторную батарею, твердый балласт, отличающийся тем, что его корпус выполнен в виде вертикально ориентированного цилиндра радиуса R, состоящего из верхней водонепроницаемой прочной части общей высотой Н_пк, доставляющей аварийно-сигнальному радиобую плавучесть, и заполняющейся водой нижней части, выполняющей роль объемного нейтрализатора волнового возмущающего момента, существенно уменьшающего угловую качку буя и имеющей высоту Н _он, в его нижней части располагается твердый балласт кольцевой формы, а в верхней имеются вентиляционные отверстия, верхняя часть корпуса имеет осадку Т и надводную часть Н_нб , определяемую по формуле: Н_нб=k_зп·Т, где k_зп=0,2-0,3 - запас плавучести, отношение радиуса к осадке R/T 0,2, при этом все геометрические размеры аварийно-сигнального радиобуя определяются методом последовательных приближений на основе совместного решения следующей системы из пяти уравнений:

- уравнения нейтрализации волновых возмущающих моментов, определяющего отношение высоты объемного нейтрализатора Н_он к осадке Т в зависимости от заданной расчетной длины волны, метацентрической высоты и коэффициента нейтрализации n:

где - безразмерная метацентрическая высота, определяемая в долях осадки в пределах 0,10-0,30;

и - безразмерные коэффициенты присоединенной массы прочного корпуса осадкой Т и объемного нейтрализатора высотой Н_он , определяемые в зависимости от расчетной частоты волны в пределах 0,15-0,30;

- частота формы волны, определяемая через ее длину для заданного диапазона волн, которым аварийно-сигнальный радиобуй должен наилучшим образом противостоять;

n=0,5-1 - коэффициент нейтрализации, назначаемый при проектировании, аварийно-сигнального радиобуя;

- уравнения ограничения общей высоты, аварийно-сигнального радиобуя определяющего численные значения осадки Т и Н_он:

где Н_max - наибольший допустимый по размещению на подводной лодке вертикальный размер аварийно-сигнального радиобуя,

- уравнения масс и плавучести:

где A_пк=2 t_пк(1+k_пз) _пкk_ш - коэффициент, учитывающий долю прочного корпуса аварийно-сигнального радиобуя в его водоизмещении, кг/м²;

B_он=2 t_пк( _пк- ) - то же для оболочки объемного нейтрализатора, но с учетом ее веса в воде плотностью , кг/м²;

_пк - плотность материала верхней части корпуса и объемного нейтрализатора, кг/м³;

t_пк - толщина оболочки верхней части корпуса, имеющая порядок 2-3 мм;

k_ш 1,1 - коэффициент надбавки на массу торцевых переборок;

- масса твердого балласта, редуцированная на вес в воде,

- уравнения статического момента масс и смещения центра масс аварийно-сигнального радиобуя относительно основной плоскости, проходящей по днищу верхней части корпуса:

y_g=M_z/ R²T

где y_нг 0,5Т, y_тб Н_он - смещение от основной плоскости центра масс независимых грузов и твердого балласта;

y_g - аппликата центра масс буя,

- уравнения остойчивости:

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый аварийно-сигнальный радиобуй (АСРБ) принадлежит к средствам оповещения об аварии, которые подводная лодка выбрасывает из глубины для передачи через систему глобальной спутниковой связи по системе «КОСПАС-САРСАТ» краткого сообщения.

Он может применяться также и с надводного корабля путем его сбрасывания за борт. Особенность предлагаемого технического решения в том, что архитектурная форма и взаимное расположение центра масс и плавучести этого АСРБ обеспечивают ему необходимую остойчивость и минимальную угловую качку, чем способствует повышению надежности передачи аварийного сигнала.

Известные аварийно-сигнальные радиобуи типа «Надежда» и «Муссон»-501 [1, 2] представляют собой цилиндрические или конические тела массой 5-10 кг, имеющие отношение радиуса R к осадке R/T 0,3-0,5 и высоту надводного борта H_нб 0,3T. В герметичном корпусе этих АСРБ размещается радиоаппаратура, работающая в автоматическом режиме, аккумуляторная батарея, проблесковый фонарь и твердый балласт. Они и подобные им АСРБ используются для передачи аварийного сигнала с надводных объектов и работают они после ручного или автоматического сброса за борт. Однако форма этих АСРБ непригодна для применения аварийной ПЛ из подводного положения (даже если предусмотреть специальный контейнер для их хранения и выпуска из под воды), т.к. не приспособлена для устойчивого вертикального всплытия.

Для АСРБ ПЛ необходимо обеспечить следующие свойства:

1. Устойчивое всплытие с глубины на поверхность. Для этого в подводном положении центр плавучести буя должен быть выше его центра масс.

2. В надводном положении буй должен иметь положительную остойчивость, при этом над водой должно выступать не менее 0,2-0,3 м водонепроницаемого объема АСРБ.

3. Буй не должен иметь на волнении сильный угловой качки, чтобы обеспечить устойчивую радиосвязь со спутником и спасателями.

Обеспечение первого требования возможно только, если корпус АСРБ будет иметь вертикально вытянутую цилиндрическую форму. Только эта форма может обеспечить ему устойчивое всплытие, если под водой его центр плавучести будет находиться значительно выше центра масс. Но в надводном положении буя его верхняя часть оголится, центр плавучести опустится, остойчивость уменьшится, но она должна остаться положительной и достаточной для устойчивого плавания на волнении.

Метацентрическая высота вертикально вытянутого цилиндра осадкой Т и радиусом R (фиг.1) определяется выражением

где y_c=Т/2 - аппликата центра плавучести;

- метацентрический радиус;

y_g - аппликата центра масс буя.

Поскольку момент инерции площади ватерлинии , а водоизмещение цилиндра V= R²Т, то . При R/T<0,2 - метацентрический радиус r_mc <0,01T, а y_c=0,5T, поэтому влияние остойчивости формы для таких архитектурных форм пренебрежимо мало, и

АСРБ ПЛ должен иметь прочный корпус, рассчитанный на предельную глубину погружения ПЛ Н_пред. Толщина его оболочки будет определяться «котельной формулой» [3].

где р_p=g H_расч - расчетное давление, МПа;

_т - предел текучести материала, МПа;

Н _расч k_зпрH_пред - расчетная глубина погружения ПЛ или АСРБ с учетом запаса прочности k_зпр=1,3-1,5

Масса прочного корпуса буя толщиной t_пк, радиуса R и высотой Н_пк будет

где _пк - плотность материала прочного корпуса буя;

- плотность морской воды;

k_ш=1,1-1,2 - коэффициент, учитывающий массу шпангоутов и торцов прочного корпуса.

Доля массы прочного корпуса (ПК) в водоизмещении цилиндра V= R²T при Н_пк=(1+k_зп)T, где k_зп=1,2-1,3 - коэффициент запаса плавучести, определяемый высотой надводного борта, будет:

Как следует из (5), доля прочного корпуса р _пк не зависит от его радиуса и общей высоты и определяется только Н_расч, k_зп, _т и плотностью _пк материала ПК. Если ПК делать из армированного стальной сеткой углепластика с _пк=2000 кг/м³ и _т=200 МПа, то при k_зп=0,2-0,3, k _зпр=1,5 и k_ш=1,1 будем иметь , т.е. доля ПК будет составлять 18-20% водоизмещения.

При изготовлении ПК из титанового сплава В3 с _пк=4500 кг/м³ и _т=600 МПа при изготовлении ПК буя из стали с _т=600 МПа и _пк=7800 кг/м³

Так как центр масс ПК будет находиться посередине Н_пк, а центр плавучести буя в надводном положении - посередине осадки Т, то при Н_пк=(1,2-1,3)T АСРБ в надводном положении будет иметь заведомо отрицательную остойчивость, если не принять специальных мер. Такими мерами должно быть возможно более низкое расположение заданных полезных грузов и применение твердого балласта. Кроме того, корпусу АСРБ должна быть придана архитектурная форма, мало подверженная угловой качке, обеспечивающая ему положительную остойчивость при всплытии, положительную плавучесть и остойчивость в рабочем положении.

Такая архитектурная форма представлена на фиг.2.

Ее главное преимущество перед традиционными цилиндрическими формами в том, что она оставляет на месте центр плавучести, позволяет понизить центр масс всей конструкции, нейтрализовать действие на АСРБ волновых возмущающих моментов и существенно уменьшить его угловую качку. Волностойкая форма АСРБ состоит из:

- водоизмещающих частей 1 осадкой Т и радиуса R;

- надводной части (2) высотой Н_нк =k_зпT;

- объемного проницаемого для воды цилиндрического нейтрализатора (ОН) того же радиуса R, общей высотой Н_OH , который в верхней своей части имеет вентиляционные отверстия;

- твердого балласта в нижней части проницаемого корпуса в виде горизонтального диска на удалении y_тб от днища ПК (5).

АСРБ в надводном положении должен удовлетворять условиям плавучести и заданной остойчивости. Условие плавучести для буя типа фиг.2 имеет вид:

где m_нг - сумма масс заданных независимых грузов:

радиоаппаратуры, антенны, аккумуляторной батареи, аппаратуры управления, кг;

m_пк - масса прочного корпуса высотой Н_пк=(1+k_зп)T;

- масса оболочки проницаемого для воды объемного цилиндрического нейтрализатора (ОН) волновых нагрузок весом в воде;

- масса твердого балласта весом в воде.

Для ожидаемых размеров АСРБ ПЛ (R 0,1 м, Т 1 м и Н_пред 400 м) расчетная толщина ПК получается не более 2 мм. Поэтому ее для малых R по технологическим соображениям придется назначать постоянной t_пк=2-3 мм. Такую же толщину оболочки нужно брать и для ОН.

Если в условиях малых R толщину ПК назначать заведомо большей t_пк расчетной, например, 2 или 3 мм, то уравнению (6) для АСРБ можно придать вид:

где: - коэффициент пропорциональности для ПК, составляющие которого заранее назначены или вычислены.

- коэффициент пропорциональности для ОН, с учетом потери веса металлической конструкции ОН в воде.

- масса твердого балласта, редуцированная на его силу плавучести в воде.

Статический момент масс АСРБ относительно плоскости XOZ будет:

или

Выражение для возвышения центра масс над основной плоскостью y_g=M_z/ V

Волновой процесс на глубокой воде (см. фиг.3) описывается выражением

где A₀ - амплитуда волны на поверхности;

- волновое число;

- длина волны;

- частота волны, - период.

Волновой возмущающий момент, действующий на вертикально ориентированный неподвижный цилиндрический корпус АСРБ, у которого и R< может быть записан в виде [4]:

где: - квазистатический волновой момент от остойчивости формы при наклонении ватерлинии на угол волнового склона _вс=kA₀·sin t

- квазистатический волновой момент от остойчивости нагрузки (возвышения центра плавучести над центром масс);

- инерционно-волновой момент от изменения вдоль цилиндра по закону g А₀е^-ky избыточного волнового давления;

- коэффициент присоединенного момента инерции корпуса цилиндра объемом V относительно горизонтальной плоскости X ₁GZ₁, проходящей через центр плавучести буя;

- момент от боковой инерционно-волновой силы, приложенной в центре плавучести объема V относительно центра масс АСРБ;

- коэффициент присоединенной дифракционной массы объема V вдоль оси ОХ₁;

- момент от боковой инерционно-волновой силы, действующей на ОН и приложенной в центре его объема;

- коэффициент, присоединенной дифракционной массы ОН вдоль оси OX₁;

- волновой момент от демпфирующей дифракционной силы, приложенной в центре плавучести объема V;

- коэффициент дифракционной демпфирующей силы, приложенной в центре плавучести объема V;

- аналогичный момент , действующий на ОН.

Как показали выполненные в Военно-морском инженерном институте исследования [5], демпфирующие составляющие волновых сил имеют второй порядок малости по сравнению с инерционно-волновыми. Второй порядок малости по сравнению с другими членами для цилиндра с R/T<0,2 имеет и . Поэтому суммарный волновой момент (11) можно представить в виде:

Первые три члена в (12) имеют отрицательный знак, а четвертый от ОН - положительный. Все они имеют общий множитель g kA₀е^-kT/2Vsin t.

И если, все члены (12) на него разделить и учесть, что V_он/V=Н_он/Т, то можно получить условие нейтрализации суммарного момента за счет момента на ОН

Третий член (13) для T 1 и >30 м пренебрежимо мал по сравнению с другими. Поэтому из (13) можно получить приближенное условие нейтрализации волнового момента в виде:

где n=0,5-1 - коэффициент нейтрализации волнового момента;

и - коэффициенты присоединенных масс цилиндра и ОН при ускорениях частиц в волновом поле, действующих перпендикулярно к их вертикальной оси.

При малых R/T<0,2 метацентрическая высота h y_c- . В техническом задании на проектирование она может быть задана в долях осадки. В этом случае , где - безразмерная метацентрическая высота. Высоту ОН также необходимо представить в долях осадки . Тогда в долях осадки можно представить и . С учетом всего этого из выражения (14) можно получить уравнение для отношения высоты объемного нейтрализатора Н _он осадке, которое в расчетном диапазоне волнения при заданном значении метацентрической высоты частично или полностью нейтрализует волновой возмущающий момент.

Поскольку ожидаемые вертикальные размеры АСРБ не будет превосходить 2 м, из них водонепроницаемая прочная часть не будет превышать 1,5 м, а осадка T будет лежать в пределах 0,7-1,2 м, то для волн с >30 м погрешностью не более . Тогда вместо (15) можно получить уравнение первого приближения в виде:

Исходя из требований запаса плавучести H _нб=k_зп·Т, высоты ОН ограничения общей высоты АСРБ Н_max по условиям его размещения на ПЛ, можно составить еще одно уравнение:

В результате имеем:

1. Уравнение остойчивости (2) и требование к остойчивости

h=(0,1-0,3)T.

2. Уравнение масс и плавучести (7).

3. Уравнение для статического момента масс (9), определяющее возвышение центра масс у_g .

4. Уравнения нейтрализации волновых моментов (15), (16).

5. Требование запаса плавучести в надводном положении k _зп=0,25-0,3.

6. Ограничение общей длины АСРБ по условиям размещения (17).

7. Заданную величину независимых от размеров АСРБ грузов m_нг.

8. Параметры расчетного морского волнения.

Они определяют все размеры и центровку АСРБ волностойкого типа.

Пример применения полученных выражений для определения геометрических размеров АСРБ.

Исходные данные:

- полезная нагрузка m_нг=4 кг;

- наибольшая допустимая длина H_max=1,2 м;

- материал корпуса нержавеющая сталь _т=600 МПа, толщина t_пк=2 мм;

- коэффициент запаса плавучести в надводном k_зп=0,25;

- требование к метацентрической высоте h=0,2Т;

- расчетная балльность моря, при которой должна быть обеспечена наилучшая волностойкость к волновым моментам 5 баллов ;

- коэффициент нейтрализации волнового момента n=0,8.

Алгоритм решения задачи:

1. Исходя из технического задания, ожидаемых размеров АСРБ, частоты волны , принять в первом приближении коэффициенты присоединенных масс , k_хон=0,3, а также назначить априори значение T+H_он 0,7H_max, T+H_он 1 м.

2. Вычислить е-^0,5k·1,0 0,96

3. Составить уравнение (16) и найти ,

4. Из уравнения (17) (1+0,25+0,53)T 1,2 найти в I приближении T'=0,67 м и H'_он =0,36 м.

5. Уточнить по результатам первого приближения Т' и H'_он значение 0,5k(T'+H' _он) и сравнить с априори принятыми. Если расхождение более 3%, составить еще раз уравнение (16) и уточнить значения Т" и Н"_он. В данном примере такой шаг не нужен. Поэтому принимается Т"=0,67 м, H"_он=0,36 м.

6. Определить общую высоту АСРБ и сравнить с H_max

Н"_max=(1+0,25+6,53)0,67=1,19 м<1,2 м

7. Найти и , составить уравнение (7) для определения радиуса R АСРБ;

8. Назначить априори для I приближения m' _тб=0,20m_нг=0,8 кг и определить потребную по условиям плавучести величину R. Из уравнения R²-0,56R-0,293=0, R'=0,83 дм.

9. Определить массу АСРБ m_б= R²T=14,8 кг.

10. Составить выражение для статического момента масс (9), определить положение y_g и проверить выполнение требований остойчивости. Для первого приближения рекомендуется принять y_нг=0,47', a y_тб=Н_он. Расчет дает М_z=34,6 кг/дм, y_g=2,33 дм, h=1,02 дм, , что существенно меньше .

11. Произвести серию расчетов по уравнениям (7) и (9) с разными значениями m'_тб при уже определенных Т" и Н"_он и найти такую массу твердого балласта m'_тб и радиус цилиндра R, при которых .

Расчет дает, что при m'_тб=1,8 кг. R=0,87 дм, m_б 16,3 кг, h=1,36 дм., , что удовлетворяет требованиям остойчивости.

Задача определения оптимальных волностойких размеров АСРБ решена.

Если корпус АСРБ при тех же внешних условиях и m_нг =4 кг выполнить из армированного углепластика с , то предложенная методика при m_тб=1 кг дает R=0,55 дм, m_АСРБ=6,5 кг, y_д 1,9 дм, h 1,45 дм и , что близко к заданному значению.

Таким образом, предложенная методика позволяет методом последовательного приближения найти все размеры и центровку волностойкого АСРБ с проницаемым объемным нейтрализатором.

Предлагаемая архитектурная форма АСРБ фиг.2 принципиально отличается от известных технических решений. Патентный поиск не выявил похожих технических решений, поэтому предложенная архитектурная форма отвечает критерию существенной новизны. Она также отвечает критерию существенного положительного эффекта, т.к. позволяет в отличие от существующих типов АСРБ, в несколько раз уменьшить его угловую качку, что важно для надежной передачи аварийного радиосигнала. Предложенный алгоритм определения геометрических размеров и центровки АСРБ, по заданной полезной нагрузке, требованиям к плавучести, остойчивости и волностойкости отвечает критерию новизны и промышленной реализуемости.

Источники информации

1. Аварийный радиобуй "Муссон-501". Рекламная информация ОАО "Муссон" г.Севастополь, 2000 г.

2. Аварийный радиобуй АРБ-МКС "Афалина", технические условия, № ЯД2 006004, изготовитель Ярославский радиозавод.

3. Справочник по строительной механике. Л.: Судостроение, 1980 г.

4. Пыльнев Ю.В., Разумеенко Ю.В. "Способ существенного уменьшения волновых возмущающих воздействий на плавучие и стационарные морские объекты, М., 1997, Известия РАН сер. МТТ № 5.

5. Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В., Ейбоженко А.В. и др. Поисковые исследования по обоснованию и разработке волностойких высокоэффективных образцов вооружения и военной техники. Технический отчет о НИР "Ингул", СПб, 1999 г.