Управляемость

При решении проблемы управляемости необходимо находить оттимальное сочетание двух противоположных свойств лодки: устойчивости и поворотливости, причем оба эти свойства определяются формой обводов, соотношениями главных размерений и характеристиками органов управления подводным кораблем.

Изучая управляемость подводных лодок, пространственное движение корабля условно разделяют на движение в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Теоретическая сторона проблемы заключается в составлении и решении дифференциальных уравнений движения, в которых, как правило, не учитывают зависимости элементов управляемости от таких малоизученных факторов, как характер действия возмущающих сил, влияние свободной поверхности воды, взаимное влияние маневрирования в различных плоскостях и т. п.

В процессе движения подводная лодка испытывает действие различных случайных возмущений (подводные течения, случайное отклонение рулей, взрывная волна), выводящих ее из режима установившегося движения. Подводная лодка считается устойчивой, если возникающие силы и моменты таковы, что стремятся вернуть корабль в установившийся режим^ с новыми параметрами или параметрами, не отличающимися отпервоначальных. Американские кораблестроители различают четыре вида устойчивости подводных лодок:

~ устойчивость прямолинейного движения — после окончания действия возмущающей силы лодка изменяет направление, но сохраняет прямолинейность движения;

— устойчивость направления — после окончания действия возмущающей силы лодка переходит на новую прямолинейную траекторию, параллельную первоначальной, причем в переходный период движение лодки носит колебательный характер;

— устойчивость направления с тем лишь отличием от предыдущего случая, что в момент перехода подводная лодка не совершает колебательных движений;

позиционная устойчивость — после прекращения действия возмущающей силы лодка возвращается на первоначальную траекторию.

Степень устойчивости зависит от скорости хода подводной лодки. На малых скоростях устойчивость движения в вертикальной плоскости определяется статической продольной остойчивостью, в этом случае подводные лодки обладают устойчивостью второго вида. Действительно, при случайном отклонении носовой оконечности подводной лодки вверх или вниз на ее корпусе, стабилизаторах и рулях возникают гидродинамические подъемные силы, которые можно представить в виде равнодействующей, приложенной к центру тяжести лодки, и момента, поворачивающего лодку относительно" этого центра. Одновременно на подводную лодку действует продольный восстанавливающий момент, величина которого зависит от угла диффе.-рента и не связана со скоростью хода корабля.

Так как при малой скорости хода гидродинамические силы и моменты сравнительно невелики, восстанавливающий момент через какое-то время возвращает подводную лодку в горизонтальное положение, и она продолжает прямолинейное движение, но на новой глубине погружения. С увеличением скорости устойчивость движения подводных лодок все больше зависит от гидродинамических сил и их моментов, в качестве критерия динамической устойчивости английские специалисты' предлагают использовать величину 2

г = С^1щ + [М-С;)т,, (64)'

где Су, С" ~ ^гидродинамические коэффициенты подъемной силы и силы демпфирования (силы сопротивления вращению лодки

1 Quarterly Transactions of the RINA, 1961, т. 103, № 4.

2 Критерий выведен английскими специалистами при ряде допущений, основными из которых являются: лодка удифферентована по плавучести; вектор силы тяги гребных винтов проходит через центр тяжести лодки; балансировочные углы прн установившемся движении равны нулю.

относительно и[ентра тяжести) соответственно; гпг, ~ гидродинамические коэффициенты момента подъемной силы и момента демпфирования соответственно; М. =--^,— ;М—ма>сса

0,5рКп'»1

подводной лодки; Уп — полное водоизмещение; 1 — длина лодки.

Подводная лодка является динамически устойчивой при отрицательной величине критерия Х- При положительных значениях этого критерия свободное движение корабля по окончании действия возмущения с течением времени будет иепрерывно удаляться от положения динамического равновесия, а при х=0 лодка будет динамически нейтральна.

Следует отметить, что первое слагаемое в формуле (64) всегда отрицательно, поскольку коэффициенты Су и имеют противоположные знаки. При выбранной системе координат (положительными считаются угол, соответствующий дифференту на корму, сила, направленная вверх, и момент, дифферен-тующий лодку на корму) случайное появление положительного угла атаки приводит к возникновению положительной подъемной силы и отрицательного момента демпфирования, вы- < званного вращением лодки против часовой стрелки (на корму), в случае появления отрицательного угла атаки возникают отрицательно направленная подъемная сила и положительный момент демпфирования. Таким образом, общий знак критерия 1 будет зависеть от знака и величины^ произведения (М—Су) Шг. При положительных значениях {М — Су ) и /Лг второе слагаемое в формуле (64) может превысить произведейие Су/Иг по абсолютной величине, а / — стать положительным, что' будет свидетельствовать о неустойчивости движения подводной лодки.

Явление неустойчивости объясняется тем, что случайное отклонение носовой оконечности вверх (этот случай выбран в качестве примера) приводит к искривлению траектории и появлению центробежной силы. Равнодействующая этой силы и силы демпфирования будет направлена вниз при М>Су . Под сов- . местным влиянием упора винтов и равнодействующей указанных сил лодка начнет двигаться с положительным углом атаки, который вызовет появление положительного гидродинамического момента, поскольку тг>0. В свою очередь это приведет к увеличению первоначального отклонения носовой оконечности подводной лодки.

Учитывая высокие (скорости движения и сравнительно небольшие глубины погружения современных подводных лодок, иностранные специалисты считают необходимым в обязательном порядке обеспечивать динамическую устойчивость при движении в вертикальной плоскости. Большинство подводных лодок зарубежной постройки на больших скоростях обладаютв этой плоскости устойчивостью прямолинейного движения, хотя в принципе возможно обеспечение и более высоких степеней динамической устойчивости* (направления или позиционной). Благоприятное (влияние на повышение устойчивости лодок оказывают увеличение отношения длины корпуса лодки к его высоте, а также уменьшение величины призматического коэффициента.

При движении в горизонтальной плоскости явление неустойчивости не грозит такими пагубными последствиями, как возможность провала лодки за рабочую глубину. Поэтому, по мнению зарубежных специалистов 2, требования к устойчивости движения современных подводных лодок в горизонтальной плоскости могут быть несколько снижены, поскольку при этом улучшаются характеристики поворотливости.

Почти все атомные подводные лодки ВМС США не имеют вертикальных стабилизаторов (рис. 30), что свидетельствует о практической реализации указанного взгляда. По опубликованным данным ^ при движении в горизонтальной плоскости подводные лодки в лучшем случае обладают лишь устойчивостью прямолинейного движения, что облегчает управление кораблем и снижает износ рулевого устройства.

Свойство, заключающееся в способности подводной лодки изменять направление движения по курсу или по глубине, называется поворотливостью (маневренностью).

Для атомных подводных лодок ВМС США характерны высокие маневренные качества в вертикальной плоскости. Например, углы дифферента лодок при подводном маневрировании достигают 20—30°, а скорость погружения или всплытия — 6—9 MJceK.

Поворотливость подводных лодок в горизонтальной плоскости определяется относительным диаметром циркуляции (от-

' Transactions SNAME, 1960, т. 68.

^ Там же. ^ Там же."

Управляемость

ношением диаметра установившейся циркуляции к длине корабля), который для лодок с «классическими» формами обводов равен 4—5 в надводном и 5—6 в подводном положении. У подводных лодок с корпусами в виде тел вращения небольшого удлинения относительный диаметр циркуляции в подводном положении снижается до 3,5—4,5 и менее'.

При циркуляции в подводном положении современные лодки имеют большой внутренний крен, вызванный шрбвышением центра давления над центром тяжести из-за наличия высокого ограждения выдвижных устройств. Угол крена может достигать 30—35° в начальный период выполнения маневра и 7—10° на установившейся циркуляции. Подобный крен затрудняет действия личного состава, однако гидродинамические силы и моменты, возникающие при этом на ограждении и вертикальных рулях, способствуют уменьшению диаметра циркуляции (по модельным испытаниям на 257о)- По этой причине американские специалисты прекратили эксперименты в области уменьшения крена на циркуляции, заключавшиеся в испытаниях на-подводной лодке «Альбакор» дополнительного вертикального руля, расположенного в кормовой части ограждения выдвижных устройств. Момент силы, возникающей «а таком руле при его перекладке, направлен в сторону, противоположную кренящему моменту. Это приводит к уменьшению углов крена при циркуляции в подводном положении.

Средством обеспечения управляемости подводных лодок являются горизонтальные и вертикальные рули. Кроме того, маневрирование лодок на малых скоростях можно осуществлять с помощью поворотных насадок на гребные винты, резервных поворотных двигателей — движителей (см. главу «Атомные энергетические установки») или путем циклического изменения шага лопастей роторных движителей. В последнем случае изменение глубины и движение лагом, а также поворот вокруг поперечной и вертикальной осей возможны без поступательного движения в продольном направлении.

На современных подводных лодках обычно устанавливают две пары горизонтальных (носовые и кормовые) и одну пару вертикальных рулей. На высоких скоростях хода действие кормовых горизонтальных рулей значительно эффективнее носовых благодаря большему удалению их от так называемого центра балансировки (эффективного центра давления).

Под центро.м балансировки иностранные специалисты 2 понимают точку приложения равнодействующей гидродинамических и гидростатических сил, действующих на подводную лодку. Эта точка "расположена в корму от центра давления подводнойлодки (точки приложения равнодействующей гидродинамических сил). Расстояния от центра тяжести до центра давления и от центра давления до центра балансировки определяются соответственно по формулам

Ь^^-Ь; (65)

6-=--^^^ .-^^ (66) О.Зри^УІ'І Су ^ 0,5pv■'vl^C^

где ^ — ускорение силы тяжести; Я — продольная метацентрическая высота в подводном положении; все остальные обозначения остаются прежними.

Управляемость

Рис, 31. Расположение характерных точек типичной подводной лодки.

/ — центр тяжести; 2 — центр давления; — центр балансировки; X — центр маневрирования.

Легко заметить, что вьиражвние —^'^1^— в формуле (66)

представляет собой безразмерный цродольный «осстаиавлнваю-щий мом&нт при угле наклонения 1 рад.

Как видно,из формулы (66), цри больших скоростях центр балансировки стіремится к центру даівления (у ^ оо; Ь' ^0), находящемуся у современных подводных лодок приблизительно на 'Д длины корабля от носовой оконечности и не меняющему своего положения при изменении скорости хода.. Наоборот, на малых скоростях центр балансировки смещается в корму и может даже выходить за габариты корпуса подводной лодки. Расположение центров давления и балансировки типичной подводной лодки показано на рис. 31.

Эффект действия на лодку возмущающей силы будет различным в зависимости от того, где относительно центра балансировки находится место ее приложения. Так, положительно направленная сила может вызвать искривление траектории движения подводной лодки вверх, если она приложена перед центром балансировки, или аниз, если она приложена в корму от последнего. Сила, вектор которой проходит через центр балансировки, вообще не вызывает искривления траектории, а приводитлишь к изменению угла атаки (так называемое явление балансировки).

Таким образом, если центр давления горизонтальных рулей— обычно кормовых рулей — расположен в пределах перемещения центра балансировки, их действие на разных скоростях будет различным. При высоких скоростях положительная перекладка этих рулей (положительной считается 'Перекладка, вызывающая на рулях положительную подъемную силу) приведет к погружению лодки. На малых скоростях та же перекладка рулей явится причиной всплытия подводного корабля. В связи с тем, что наблюдается изменение эффекта действия горизонтальных рулей, существует скорость, при которой подъемяая сила на кормовых рулях пройдет через центр балансировки и не вызовет искривления траектории движения лодки. На этой скорости, называемой инверсионной, подводная лодка не сможет управляться кормовыми горизонтальными рулями. Величина инверсионной скорости может быть ^определена по следующей приближенной формуле':

Управляемость

полученной путем приравнивания отстояний центра баланси-ршки b^ — b—b' и центра давления рулей ftp от центра тяжести подводной лояіки. При выполнении гарикидочных расчетов центр давления рулей можно считать совпадающим с центром тяжести их площади.

Для кормовых горизонтальных рулей современных подводных лодок инверсионная скорость обычно равна 1,5—4 узл., что является одной из оановных причин сохранения на лодках второй пары горизонтальных рулей (носовых или рубочных), которые, как правило, расположены вне зоны 'перемещения центра балансировки. Поэтому для них инверсионная скорость не имеет значения.

По мнению иностранных специалистов2, совместное использование носовых и кормовых рулей на больших скоростях таким образом, чтобы равнодействующая возникающих на них сил проходила через центр маневрирования, позіволяет повысить скорость реакции подводной лодки (под центром маневрирования здесь понимается характерная точка, отстоящая на расстоянии 2М^ ~-т^:{—СуХ) L в нос от центра давления). Наоборот,

при прохождении равнодействующей гидродинамических сил на горизонтальных рулях через центр давления осуществляется

' Quarterly Transactions of the RINA, 1961, т. 103, № 4. 2 Там же.

бездифферентное маневрирование корабля. Для совместного управления носовыми и кормовыми горизонтальными рулями иа новых подводных лодках установлены специальные автоматы, соизмеряющие углы их перекладки с целью достижения требуемого эффекта при выполщении маневров.

Некоторые иностранные специалисты считают, что можно отказаться от применения второй пары горизонтальных рулей, если управление на малых скоростях хода будут производить гидростатическим способом с помощью дифферентной системы, в частности, устадовка носовых горизонталыных рулей не предусмотрена в проектах американских подводных танкеров' и английского рудовоза «Моби Дик». Однако применение гидростатического способа управления подводной лодкой связано с решением сложной технической задачи — обеспечения быстрого перемещения воды из одной дифферентной цистерны в другую.

Площади стабилизирующих и управляющих поверхностей выбирают на основании расчетов управляемости такими, чтобы обеспечить оптимальное соотношение между устойчивостью и поворотливостью проектируемого подводного корабля. Ориентировочные значения относительных площадей рулей и стабилизаторов современных атомных подводных лодок приведены в табл. 19.

Таблица 19

Ориентировочные величины площадей рулей и стабилизаторов атомных подводных кораблей

(в долях от

   

Тип подводного кораб

ля

 

Торпедные лодки

 

Танкер аме-

Показатели

 

Ракетоно-

риканского

 

«Наути-

«Скип-

сец «Итэн

проекта дед-

 

лус»

джек»

Аллен»

вейтом 20 ООО 1п

Скорость хода, узлы

23

25—30

20—22

20

Отношение длины к ширине

.4,6

7,8

12,0

6,9

Относительные площади

       

рулей:

   

Нет

Нет

носовых горизонтальных

0,03

Нет

рубочных

Нет

0,04

0,03

Нет

кормовых горизонтальных

0,04

0,06

0,06

0,07

вертикальных

0,07

0,07

0,09

0,06

стабилизаторов:

   

0,04

0,06

горизонтальных

0,06

0,09

вертикальных

Нет

Нет

Нет

0,05

Конструктивное оформление кормового комплекса подвод-нэй лодки зависит от выбранного архитектурного типа, числа гребных валов, наличия кормовых торпедных аппаратов и ряда друпих факторов. На рис. 32 представлены различные формы кормовых оконечностей иностранных подводных лодок послевоенной постройки. Наиболее распространенный тип кормового комплекса — крестообразное оперение, расположенное на осе-симметричном корпусе перед пребным винтом. Подобное оперение обладает хорошими гидродинамическими характеристиками, малым сопротивлением и в наименьшей степени искажает

Управляемость

Рис. 32. Различные формы кормовых оконечностей подводных лодок капиталистических государств.

/ — XXI серия (Германия); г—«Тэнг»; 5 — «Альбакор-1»; 4 — «Наутилус»; 5 —«Трешер»; 6 — «Альбакор-1У»; 7 — проект подводного танкера (все' США); 3 — проект подводной лодки (Швеция).

поле скоростей В диске винта. Недостаток этого оперения: оно, как правило, выступает за габариты наружного корпуса и поэтому подвержено повреждениям при швартовке подводной лодки к причальной стенке или борту плавбазы, а также при поклащке ее на ігрунт

В связи с Этим в США предложена новая Х-обраэная форма кормового оперения, при которой рули корабля повернуты на 45° по сравнению с их обычным положением. Такое размещение рулей при одинаковых с обычным оперением размерах горизонтальной и вертикальной проекций позволяет увеличить их размах (в 1,4 раза) и в какой-то степени повысить живучесть рулевого комплекса, так как каждая пара рулей обеспечиваетпространственное управление подводным кораблем (рис. 33, а, б). В случае одновременной перекладки на равные углы обеих пар рулей в одном и том же направлении относителыно оси баллера подводная лодка будет выполнять маневр івопльїтия или погружения без изменения курса (рис. 33,0, г). При аварийном заклинивании одной пары рулей удержать лодку от провала можно за счет перекладки другой пары рулей на тот же угол, но в противоположном наіпіра,влении. Лодка будет сохранять глубину.

Управляемость

Рис 33 Схема перекладки рулей подводной лодки при Х-образ-ном кормовом оперении: а - погружение и поворот вправо; О -всплытие и поворот влево; в — погружение; г —всплытие; С-поворот вправо; е —всплытие при заклинивании одной пары рулей; ж —поворот влево.

описывая циркуляцию в горизонтальной плоскости (рис. 33, <3, Для всплытия лодки в этом случае необходимо увеличить угол перекладки работающей пары рулей (рис. 33, е). Дальнейшее повышение живучести подобного рулевого комплекса связано с применением индивидуальных приводов для каждого руля в отделыности. Х-образное кормовое оперение было испытано в 1962 г. на эксперименталыной подводной лодке «Альбакор», а в 1967 г. применено на шведских подводных лодках типа «Ш ер мен».

Интересное конструктивное решение найдено на шведских подводных лодках типа «Дракен»: оси балл«ра вертикальных рулей смещены относительно ДП. Это упрощает размещениеприводов рулевого устройства внутри кормовой оконечности одновальной поДводной лодки.

Горизонтальные рули, размещенные в носовой оконечности, применялись лишь на первых американских атомных подводных кораблях. Чтобы облегчить швартовку лодки и снизить сопротивление при высоких скоростях движения, их делали заваливающимися или убирающимися в ниши надстройки. В случае применения носовых горизонтальных рулей на лодках с наружными, корпусами в виде тел вращения (например, на лодках типа «Барбел») с целью снижения сопротивления их стали устанавливать нормально к поверхности корпуса.

Неудовлетворительная работа механизма заваливания, а также стремление снизить гидродинамические шумы в районе расположения антенн гидроакустических станций заставили отказаться от носовых рулей и перенести их на ограждение выдвижных устройств подводной лодки (так называемые рубочные рули). По сообщениям зарубежной печати', это мероприятие позволило также увеличить площадь рубочных рулей на 75% по сравнению с обычными носовыми рулями, что в свою очередь привело к увеличению подъемной силы и момента на рулях на 85 и 20% соответственно. В плане рубочный горизонтальный руль американской подводной лодки представляет собой трапециевидное крыло размахом около 3—3,5 м. со скосом передней кромки 40°.

На иностранных подводных лодках применяются различные типы рулей: балансирные, небаланоирные за обтекаемым рудерпостом (стабилизатором) и полубадансирные. В поперечном сечении рули современных а(мериканоких лодок имеют вид симметричного обтекаемого профиля К'АСА (серии 00, модели 64 или 65). Предельные углы перекладки достигают ±35° для вертикальных и ±25° для'Горизонтальных рулей.

К числу технических средств, обеспечивающих управляемость подводных лодок, можно также отнести откидные тормозные щитки, испытания которых проводились в 1964 г. на экспериментальной подводной лодке «Альбакор». На лодке было установлено 12 тормозных щитков, расположенных по периметру поперечного сечения наружного корпуса за ограждением выдвижных устройств 2. По мнению американских специалистов, эти щитки можно использовать для повышения эффективности маневра реверса, уменьшения длины выбега и скорости провала аварийной подводной лодки.

Глава V

КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА

Предыдущая глава Оглавление Следующая глава