Устойчивость движения и маневренность

Устойчивое движение является необходимым качеством подводной лодки, обеспечивающим удержание заданного направления её движения в различных условиях плавания. При движении подводной лодки на неё могут действовать не только рассмотренные выше основные статические и гидродинамические силы, но и случайные возмущения, обусловленные, например, случайной перекладкой рулей, местным течением, изменением плотности забортной воды и т. п. Движение подводной лодки после действия возмущений, если не принимать никаких мер по управлению, называется свободным возмущенным движением. При этом могут изменяться параметры движения подводной лодки: углы атаки и дифферента, угловая скорость ωz, глубина погружения. С точки зрения обеспечения устойчивости движения очень важно знать, как поведет себя подводная лодка после прекращения действия возмущающей силы.

В свободном возмущенном движении возможны три случая изменения параметров:

— параметры движения со временем возвращаются к значению параметров исходного невозмущенного движения, и в этом случае исходное движение является устойчивым;

— параметры движения со временем принимают установившиеся постоянные значения, отличающиеся от исходных, исходное движение в этом случае называется неасимптотически устойчивым;

— параметры возмущенного движения с течением времени не возвращаются к параметрам исходного движения и продолжают изменяться, в этом случае исходное движение является неустойчивым.

Таким образом, по характеру изменения параметров в свободном возмущенном движении можно судить об устойчивости движения подводной лодки, под которой понимается ее способность сохранять заданное направление движения, возвращаться к нему после воздействия различного рода случайных возмущений. Устойчивость движения считается автоматической, если она определяется по свободному возмущенному движению подводной лодки без учёта управляющих воздействий, в частности, перекладок рулей. Способность подводной лодки сохранять заданный режим движения в допустимых пределах за счёт действия перекладок рулей называются эксплуатационной устойчивостью.

Подводная лодка может не обладать автоматической устойчивостью, но обеспечение эксплуатационной устойчивости для неё обязательно. Поскольку эксплуатационная устойчивость зависит от автоматической, то для оценки управляемости подводной лодки необходимо рассмотрение автоматической устойчивости её движения. При этом в зависимости от учёта количества изменяющихся параметров движения различаются статическая и динамическая устойчивость движения.

Статическая устойчивость оценивается по изменению одного параметра в свободном возмущенном движении при условии, что остальные параметры остаются неизменными. Так, статическая устойчивость движения подводной лодки в вертикальной плоскости оценивается по углу атаки. Если при изменении угла атаки в результате случайного возмущения гидродинамический момент Мzα изменяется так, что стремится вернуть подводную лодку к исходному углу атаки, то подводная лодка статически устойчива. В противном случае имеет место статическая неустойчивость.

Рис. 14. Статически устойчивая (а) и статически неустойчивая (б) подводная лодка по углу атаки

Если из-за какого-либо внешнего воздействия на подводную лодку угол атаки получил некоторое приращение α, то вследствие этого возникает гидродинамический момент Мzα = Yαвα, где вα — расстояние от центра давления, в котором приложена нормальная гидродинамическая сила Y1α, до центра тяжести по длине подводной лодки (рис. 14а). Когда центр давления расположен в корме от центра тяжести (вα<0), момент, создаваемый силой Yα относительно центра тяжести подводной лодки, стремится уменьшить приращение угла атаки, привести его к первоначальному значению. В этом случае подводная лодка статически устойчива по углу атаки. Если же центр давления расположен в нос от центра тяжести (вα>0), то возникающий при изменении угла атаки момент способствует ещё большему увеличению угла атаки; подводная лодка статически неустойчива (рис. 14б).

Таким образом, условием статической устойчивости подводной лодки по углу атаки является вα<0, т. е. расположение центра давления в корме от центра тяжести. Практика показывает, что нет необходимости обеспечивать подводной лодке статическую устойчивость, но степень статической неустойчивости должна быть небольшой. Поэтому все подводные лодки проектируются статически неустойчивыми. Степень статической неустойчивости, определяемая отношением плеча вα к длине подводной лодки L, у современных подводных лодок находится в пределах 0,3—0,4.

Уменьшение статической неустойчивости достигается путём увеличения площади стабилизаторов в кормовой части подводной лодки, что приводит к смещению в корму центра давления. Следует отметить также, что некоторая степень статической неустойчивости имеет положительное значение, так как она обеспечивает подводной лодке необходимую поворотливость при изменении глубины погружения.

Оценка устойчивости движения подводной лодки по степени статической неустойчивости является недостаточной, поскольку она не учитывает изменения всех параметров движения и возникающих при этом сил и моментов. В частности, не учитываются инерционные и вращательные составляющие сил и моментов, которые действуют на подводную лодку при свободном возмущенном движении и препятствуют отклонению её от исходного режима движения.

Действительная устойчивость движения, как свойство подводной лодки, характеризуется динамической устойчивостью, которая определяется с учётом изменения всех параметров свободного возмущенного движения. Наиболее существенное влияние на подводную лодку оказывают силы сопротивления воды вращению подводной лодки относительно оси Gz с угловой скоростью ωz, которое вызывается случайным возмущением. Эти так называемые силы демпфирования, приведенные к одной равнодействующей Yωz, приложенной в точке Kω, создают демпфирующий момент Mωz = Yωzвω препятствующий вращению подводной лодки (рис. 15). Сопротивление вращению будет оказывать также восстанавливающий момент Мψ.

Рис. 15. Динамическая устойчивость движения подводной лодки

Совместное воздействие на подводную лодку всех сил и моментов может привести к уменьшению первоначального приращения угла атаки α, вызванного возмущением. Если параметры возмущенного движения с течением времени будут приближаться к параметрам исходного невозмущенного движения, то подводная лодка обладает динамической устойчивостью. Условием динамической устойчивости движения статически неустойчивой подводной лодки является превышение демпфирующего момента Mωz над позиционным гидродинамическим моментом Mzα. Это условие выполняется в том случае, когда точка приложения равнодействующей сил демпфирования Kω расположена в нос от центра давления Kα (рис. 15). За критерий динамической устойчивости принимается отношение вω/вα, которое у динамически устойчивой подводной лодки должно быть больше 1. Критерий динамической устойчивости современных подводных лодок находится в пределах 1.3—3,0,

Следует отметить, что критерий динамической устойчивости не учитывает влияния восстанавливающего момента, который всегда препятствует отклонению подводной лодки и повышает таким образом динамическую устойчивость движения подводной лодки в вертикальной плоскости.

Динамическая устойчивость подводной лодки по глубине погружения является неасимптотической, т. е. после возмущения подводная лодка возвращается к исходному установившемуся движению, но на новой глубине. Удержание подводной лодки на заданной глубине обеспечивается за счёт эксплуатационной устойчивости перекладкой горизонтальных рулей.

Эксплуатационная устойчивость оценивается по числу перекладок рулей в единицу времени, необходимых для удержания подводной лодки на заданной глубине. Считается, что подводная лодка обладает достаточной эксплуатационной устойчивостью, если для удержания глубины погружения с точностью ±0,25 м требуется не более пяти перекладок горизонтальных рулей в одну минуту.

Маневренностью называется способность подводной лодки изменять направление своего движения за определенное время под действием органов управления. Для количественной оценки маневренности подводной лодки в вертикальной плоскости вводится понятие интенсивности управляемости. Интенсивностью управляемости называется приращение угла траектории, приходящееся на единицу угла перекладки горизонтальных рулей.

Перекладка рулей на угол δ у подводной лодки, движущейся по прямолинейной траектории (рис. 16а), приводит к отклонению вектора скорости от горизонтальной линии, т. е. к появлению угла траектории χ (рис. 16б). Отношение величины угла траектории к величине угла перекладки горизонтальных рулей и представляет собой интенсивность управляемости. Более точным выражением для интенсивности управляемости является производная от угла траектории по углу перекладки горизонтальных рулей dχ/dδ. По интенсивности управляемости можно судить о послушности подводной лодки горизонтальным рулям при оценке маневренных качеств в процессе проектирования и при управлении подводной лодкой на практике. Чем больше интенсивность управляемости, т. е. чем больший угол траектории соответствует единице угла перекладки горизонтальных рулей, тем лучше подводная лодка слушается горизонтальных рулей.

Рис. 16. Возникновение угла траектории при перекладки кормовых горизонтальных рулей

Интенсивность управляемости зависит от позиционных гидродинамических характеристик подводной лодки, сё остойчивости, расположения рулей и изменяется с изменением скорости хода подводной лодки. Зависимость интенсивности управляемости от скорости подводной лодки при раздельном использовании носовых и кормовых горизонтальных рулей представлена на рис. 17. Кривые dχ/dδн = f (v) и dχ/dδк = f (v) показывают, что на средних и больших скоростях интенсивность управляемости при использовании кормовых горизонтальных рулей значительно выше, чем при использовании носовых рулей. Это объясняется более эффективным дифферентующим воздействием на подводную лодку перекладки кормовых горизонтальных рулей по сравнению с перекладкой носовых рулей. Наиболее существенное увеличение интенсивности управляемости при управлении кормовыми горизонтальными рулями происходит на больших скоростях хода подводной лодки. В то же время график dχ/dδк = f (v) показывает, что на малых скоростях интенсивность управляемости при использовании кормовых горизонтальных рулей очень мала и при некоторой скорости vi становится равной нулю. Это означает, что при скорости vi перекладка кормовых горизонтальных рулей на любой угол не приводит к изменению угла траектории. Такое явление принято называть потерей управляемости подводной лодки. Скорость хода, при которой имеет место потеря управляемости подводной лодки, называется инверсионной скоростью.

Рис. 17. Интенсивность управляемости

Причиной потери управляемости при управлении кормовыми горизонтальными рулями является противоположное направление нормальной силы на рулях, возникающей при их перекладке, и момента, создаваемого этой силой. Так, перекладка кормовых горизонтальных рулей на погружение приводит к созданию подъёмной силы и дифферентующего на нос момента Мzк. За счет угла атаки на корпус подводной лодки начинает действовать топящая сила, создающая также дифферентующий момент на нос Мzα, а за счёт угла дифферента возникает восстанавливающий момент Mψ. Моменты Мzк и Мzα зависят от скорости подводной лодки, а момент Mψ не зависит.

С уменьшением скорости подводной лодки роль восстанавливающего момента Mψ в общем балансе сил и моментов значительно возрастает (из-за уменьшения Мzк и Мzα) и при инверсионной скорости Mψ = Мzк + Мzα, что и приводит к потере управляемости. Кроме того, при такой скорости наступает примерное равенство подъёмной силы на рулях и топящей силы на корпусе подводной лодки. У современных подводных лодок инверсионная скорость имеет величину 1,5—4,0 узла.

Зная величину интенсивности управляемости, можно по заданному углу перекладки рулей определить угол траектории, создаваемый этой перекладкой.

Поскольку в действительности на подводной лодке угол траектории и угол атаки наблюдать невозможно, а об изменении направления движения судят по углу дифферента, то в инструкции по управляемости подводной лодки вместо критерия dχ/dδ используется критерии dψ/dδ, т. е. производная oт угла дифферента по углу перекладки рулей. Для практического использования рассчитываются и строятся графики изменения угла дифферента при перекладке горизонтальных рулей на 1° в зависимости от скорости хода и времени, прошедшего с момента перекладки. Такие графики строятся для каждой пары рулей.

Кроме интенсивности управляемости, для характеристики маневренности подводной лодки в вертикальной плоскости служит скороподъемность. Скороподъемностью подводной лодки называется приращение скорости вертикального перемещения vη приходящееся на единицу угла перекладки горизонтальных рулей. По аналогии с интенсивностью управляемости скороподъёмность подводной лодки принято характеризовать производной от скорости vη по углу перекладки горизонтальных рулей dvη/dδ.

Поскольку vη = v sinχ ≈ vχ, то скороподъёмность подводной лодки может быть выражена dvη/dδ = d (vχ)/dδ = vdχ/dδ, т. е. она прямо пропорциональна интенсивности управляемости и скорости хода подводной лодки.

Скороподъемность при использовании кормовых горизонтальных рулей значительно больше, чем при использовании носовых рулей. Это является следствием более высокой интенсивности управляемости подводной лодки кормовыми рулями. С увеличением скорости подводной лодки скороподъемность при использовании кормовых горизонтальных рулей резко возрастает. Поэтому во избежание резких изменений глубины не следует на больших скоростях хода перекладывать кормовые горизонтальные рули на большие углы. Так, например, если у подводной лодки на скорости 25 узлов переложить большие кормовые горизонтальные рули на 1°, то примерно через 2 минуты глубина погружения изменится на 160 м. Это определяется по кривым изменения глубины погружения при перекладке горизонтальных рулей на 1°, которые приводятся для каждой пары рулей в инструкции по управляемости подводной лодки.

Выводы:

при больших скоростях гидродинамические силы и моменты значительно превышают статические, а на малых скоростях хода статические силы и моменты соизмеримы с гидродинамическими и оказывают существенное влияние на управляемость подводной лодки;

при перекладки носовых рулей на них возникает сила и дифферентующий момент одного знака, а сила и момент от кормовых рулей имеют противоположные знаки;

при параллельной перекладке рулей на них возникают силы одного знака (или подъёмные, или топящие), но эти силы создают противоположно направленные моменты, при положении рулей взраздрай силы на рулях имеют различные знаки, а моменты от них действуют в одну сторону;

носовые горизонтальные рули эффективны для обеспечения основного режима движения на малых скоростях хода, а кормовые — на больших скоростях хода, поэтому при раздельном использовании рулей балансировка подводной лодки осуществляется на малых скоростях с помощью носовых, а на больших скоростях — с помощью кормовых горизонтальных рулей;

подводная лодка обладает динамической неасимптотической устойчивостью по глубине погружения является, т. е. после возмущения подводная лодка возвращается к исходному установившемуся движению, но на новой глубине. Удержание подводной лодки на заданной глубине обеспечивается за счёт эксплуатационной устойчивости перекладкой горизонтальных рулей;

маневренность подводной лодки характеризуется интенсивностью управляемости и скорстеподъемностью.

Смотрите также

Приложение 1: Обозначение командных пунктов и боевых постов

Самонаводящаяся электрическая торпеда "СЭТ-65"

Управление кораблем