Для обеспечения управляемости подводной лодки в вертикальной плоскости на ней обычно устанавливается не менее двух пар горизонтальных рулей — кормовые горизонтальные рули и носовые (средние, рубочные) горизонтальные рули. Кормовые горизонтальные рули размещаются в кормовой оконечности подводной лодки. Причем для наиболее эффективного управления подводной лодкой на различных (больших и малых) скоростях хода устанавливаются, как правило, две пары кормовых рулей (большие кормовые горизонтальные рули и малые кормовые горизонтальные рули).
Управление подводной лодкой в вертикальной плоскости может осуществляться при использовании только одной пары рулей или при совместном использовании носовых и кормовых горизонтальных рулей.
Если у статически удифферентованной подводной лодки, движущейся горизонтально с углами дифферента и атаки, равными нулю (ψ=α=0), переложить носовые горизонтальные рули на погружение (на угол δн), то на них возникает топящая гидродинамическая сила Yн (рис. 9а). Приведение этой силы к центру тяжести подводной лодки G дает топящую силу Yн, приложенную в центре тяжести дифферентующий на нос момент Мzн, создаваемый силами, отмеченными чёрточкой. Под действием момента подводная лодка получает дифферент на нос, который приводит к возникновению ряда дополнительных сил и моментов (рис. 9б). При создании дифферента подводная лодка вращается вокруг оси Gz с угловой скоростью ωz. При этом вектор скорости отклоняется от продольной оси Gx т. е. образуется угол атаки α<0 (угол между корпусом и набегающим потоком воды), вследствие чего на корпус подводной лодки будет действовать нормальная топящая гидродинамическая сила Yα, приложенная в центре давления. Эта сила, приведенная к центру тяжести, кроме топящего воздействия, создает момент Мzα, дифферентующий подводную лодку на нос. Согласованность сил Yн и Yα и моментов Мzн и Мzα обеспечивает быструю реакцию подводной лодки на перекладку рулей.
Моментам Мzн и Мzα противодействует восстанавливающий момент Мψ, возникающий при наличии дифферента, и так называемый демпфирующий момент Мωz создаваемый сопротивлением воды вращению подводной лодки вокруг оси Gz.
Подводная лодка будет вращаться вокруг оси Gz до тех пор, пока моменты Мψ и Мωz не уравновесят моменты Мzн и Мzα. Такое равновесие может наступить вследствие того, что с нарастанием угла дифферента и угла атаки происходит, с одной стороны, увеличение восстанавливающего момента Мψ, с другой, — уменьшение момента Мzα. К уменьшению момента Мzα приводит то обстоятельство, что с увеличением угла атаки происходит смещение в корму центра давления К,
Рис.9. Силы и моменты, действующие на подводную лодку при перекладке носовых горизонтальных рулей
Перекладка носовых горизонтальных рулей, кроме топящей или подъёмной силы Yн, создает одновременно дифферентующий момент Мzн, который определяется величиной силы Yн и плечом, т. е. расстоянием от центра тяжести подводной лодки до места расположения носовых горизонтальных рулей. Для уменьшения этого момента, усложняющего управление подводной лодкой (особенно на больших скоростях хода), на современных подводных лодках устанавливаются средние или рубочные горизонтальные рули, расположенные на значительно меньшем расстоянии от центра тяжести по сравнению с носовыми горизонтальными рулями. Такие рули могут использоваться на любой скорости хода, обеспечивая бездифферентное всплытие или погружение, а также компенсацию дополнительных сил и моментов, возникающих при использовании оружия. Перекладка рубочных рулей хоть и вызывает дифферентующий момент, но этот момент очень мал по величине. Следует отметить также, что перенос рулей из носовой части ближе к миделю улучшает условия работы гидроакустических станций.
Перекладка на погружение кормовых горизонтальных рулей приводит к возникновению на них подъёмной силы Yk, которую можно заменить силой Yk, приложенной в центре тяжести подводной лодки, и моментом Мzk, дифферентующим подводную лодку на нос (рис. 10а). Под действием момента Мzk подводная лодка начинает вращаться вокруг оси Gz, получая дифферент на нос (рис. 10б). При этом возникает угол атаки α<0 и соответственно топящая сила на корпусе подводной лодки Yα, создающая относительно оси Gz момент Мzα, дифферентующий подводную лодку на нос. Под действием моментов Мzk и Мzα подводная лодка будет ускоренно увеличивать дифферент и угол атаки. Топящая сила Yα при этом; как правило, превосходит подъёмную силу Yk по абсолютной величине и приводит к увеличению глубины погружения подводной лодки. Вращению подводной лодки вокруг оси Gz препятствуют восстанавливающий Мψ и демпфирующий Мωz.
При определенном угле атаки наступает динамическое равновесие моментов: Мψ + Мωz — Мzk — Мzα = 0. Подводная лодка будет увеличивать глубину погружения за счёт угла траектории и под действием разности сил Yk — Yα при постоянных углах дифферента и атаки.
Различие действия перекладки носовых и кормовых горизонтальных рулей на подводную лодку заключается в том, что на носовых рулях возникает сила, создающая момент того же знака (при перекладке на погружение — топящая сила Yн и дифферентующий на нос момент Мzн), а сила и момент от кормовых рулей имеют противоположные знаки (при перекладке кормовых горизонтальных рулей на погружение возникает подъёмная сила Yk и дифферентующий на нос момент Мzk). Разность знаков силы и момента от кормовых горизонтальных рулей снижает их эффективность. Тем не менее, кормовые горизонтальные рули на подводных лодках значительно эффективнее носовых вследствие их большей площади и большего удаления от центра тяжести подводной лодки.
Рис. 10. Действия на подводную лодку сил и моментов при перекладке кормовых горизонтальных рулей
При плавании на больших скоростях кормовые горизонтальные рули в силу их большой эффективности при перекладке оказывают значительное воздействие на подводную лодку, приводят к быстрому изменению траектории её движения, что затрудняет управление подводной лодкой. Поэтому для управления на больших скоростях (более 12 узлов) на некоторых подводных лодках устанавливаются малые кормовые горизонтальные рули, меньшие по площади и имеющие в несколько раз меньшую эффективность по сравнению с большими кормовыми горизонтальными рулями.
При совместном управлении подводной лодкой носовыми и кормовыми горизонтальными рулями возможны четыре варианта их перекладки:
— параллельно на всплытие;
— параллельно на погружение;
— враздрай на всплытие;
— враздрай на погружение.
При параллельной перекладке рулей положение кормовых рулей определяется по носовым рулям, т. е. фактически положению носовых горизонтальных рулей на всплытие соответствует положение кормовых рулей на погружение, а положению носовых рулей на погружение — положение кормовых на всплытие.
В случаях параллельной перекладки 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. На рис. 11а показаны силы и моменты, возникающие при перекладке рулей параллельно на всплытие. Силы Yн и Yk создают суммарную подъемную силу Yн+Yk и два противоположно направленных момента Мzн и Мzk. За счёт суммарной подъёмной силы подводная лодка будет всплывать с дифферентом на корму, если Мzн > Мzk, с дифферентом на нос, если Мzн < Мzk, и без дифферента, если Мzн = Мzk. Поскольку с началом всплытия вектор скорости v образует с продольной осью подводной лодки угол атаки α<0, то на корпус подводной лодки начинает действовать топящая сила Yα и, создающая дифферентующий на нос момент Мzα (рис. 11б). Для обеспечения бездифферентного всплытия необходимо обеспечить равенство Мzн — Мzk — Мzα = 0, что достигается соответствующей перекладкой рулей. Всплытие при этом будет осуществляться за счет угла траектории, равного углу атаки, и результирующей подъёмной силы Yн + Yк — Yα. Скорость вертикального перемещения подводной лодки при параллельной перекладке рулей относительно мала, поэтому такой вариант управления рулями используется в случаях небольшого изменения глубины погружения или для бездифферентного всплытия (погружения).
Рис. 11. Силы и моменты, действующие на подводную лодку при перекладка рулей «параллельно» на всплытие
Перекладка рулей враздрай приводит к быстрому изменению дифферента и глубины погружения вследствие того, что моменты от сил, возникающих на рулях, действуют в одну сторону. Так, при перекладке рулей враздрай на всплытие подъёмная сила Yн и топящая сила Yк создают дифферентующие на корму моменты Мzн и Мzk (рис. 12а). Подводная лодка начинает вращаться вокруг оси Gz, получая угол дифферента и угол атаки α>0 (рис. 12б). Наличие угла атаки приводит к возникновению подъёмной силы Yα, создающей момент Мzα, также дифферентующий подводную лодку на корму. Моментам Мzн, Мzк и Мzα противодействуют восстанавливающий Мψ и демпфирующий Мωz моменты. При достижении угла атаки, при котором моменты динамически уравновешиваются, т. е. Мzн + Мzк+ Мzα — Мψ — Мωz = 0, подводная лодка будет всплывать с постоянными углами атаки и дифферента за счёт угла траектории χ и результирующей силы Yн + Yα — Yк.
Каждому из четырех рассмотренных на схемах вариантой перекладки горизонтальных рулей при раздельном и совместном их использовании соответствует противоположная по знаку перекладка, а именно:
— перекладка носовых рулей на всплытие;
— перекладка кормовых рулей на всплытие;
— перекладка рулей параллельно на погружение — перекладка рулей враздрай на погружение.
Рис.12. Перекладка рулей «враздрай» на всплытие
Силы и моменты и вызванные ими перемещения подводной лодки в этих случаях аналогичны соответствующим рассмотренным вариантам, но имеют противоположные направления.
Движение подводной лодки в вертикальной плоскости может быть установившимся и неустановившимся. Установившимся движение считается в том случае, когда сохраняются постоянными поступательная скорость, угол дифферента и угол атаки, а траектория центра тяжести подводной лодки прямолинейна. При неустановившемся движении один, или несколько перечисленных параметров изменяются с течением времени, траектория центра тяжести, как правило, криволинейна.
Частным случаем установившегося движения является основной режим — плавание на постоянной глубине погружения, на постоянном курсе, с постоянной скоростью. Поскольку большую часть времени подводная лодка плавает на постоянной глубине, то одной из наиболее важных задач её повседневной эксплуатации является обеспечение основного режима. Поддержание постоянной глубины погружения является сложной задачей, так как требует динамического уравновешивания всех сил и моментов, действующих на подводную лодку.
В основном режиме движения подводная лодка, как правило, имеет некоторый угол дифферента, равный углу атаки. Это объясняется тем, что корпус подводной лодки несимметричен относительно продольной оси, имеет большую поверхность в верхней части за счет ограждения рубки. Поэтому позиционные гидродинамические коэффициенты Су и mz в формулах (1) при α=ψ=0 имеют некоторые положительные значения, т. е. на подводную лодку при нулевом дифференте действуют начальная подъёмная сила и начальный гидродинамический дифферентующий на корму момент. Кроме того, момент силы тяги, как правило, также дифферентует подводную лодку на корму. Поэтому движение подводной лодки в основном режиме возможно только при некоторых постоянных значениях управляющих воздействий, создаваемых рулями или нагрузкой и дифферентом.
Динамическое равновесие сил и моментов, обеспечивающее движение подводной лодки в основном режиме нарушается, если изменить скорость хода. Для того, чтобы подводная лодка удерживала постоянную глубину на различных скоростях хода, необходимо с изменением скорости восстанавливать динамическое равновесие действующих на неё сил и моментов. Приведение подводной лодки к основному режиму движения с заданной скоростью называется балансировкой. Балансировка может быть статической — за счёт регулирования нагрузки (остаточной плавучести q и избыточного дифферентующего момента Mq) и динамической — за счет создания необходимых гидродинамических сил и моментов путём перекладки рулей.
Статическая балансировка, которая заключается в создании, как правило, отрицательной остаточной плавучести, может осуществляться только на малых скоростях хода, так как на больших скоростях требует значительного изменения дифферентовки, что может поставить подводную лодку в опасное положение при неожиданной потере хода, когда подводная лодка будет иметь большую неуравновешенную остаточную плавучесть (как правило, отрицательную).
Поэтому более часто применяется динамическая балансировка с помощью горизонтальных рулей. При этом углы дифферента (атаки) и перекладки рулей, обеспечивающие балансировку, называются балансировочными. Значения балансировочных углов зависят скорости хода, остойчивости и позиционных гидродинамических характеристик подводной лодки. Изменение балансировочных углов с изменением скорости хода обусловлено необходимостью динамического равновесия подводной лодки на каждом ходовом режиме. С увеличением скорости подводной лодки уменьшается роль восстанавливающего момента в обеспечении динамического равновесия, при больших скоростях (практически при v>10 уз) балансировочные углы стремятся к постоянным для данной подводной лодки значениям.
Рис. 13. Значения балансировочных углов
Балансировка может осуществляться одной парой горизонтальных рулей или совместной перекладкой носовых и кормовых горизонтальных рулей. В практике эксплуатации основной режим движения осуществляется чаще всего с помощью одной пары горизонтальных рулей при расположении остальных рулей в нейтральном положении.
На рис. 13б приведены графики зависимости балансировочных углов от скорости δ к= f (v) и α = f (v) при балансировке подводной лодки перекладкой кормовых горизонтальных рулей. Носовые горизонтальные рули находятся в нейтральном положении. Из графиков видно, что при скорости хода более
Диаграмма балансировочных углов при управлении носовыми горизонтальными рулями (рис. 13а) показывает, что подводная лодка балансируется этими рулями во всем диапазоне скоростей. При этом на малых скоростях хода (до 5—6 узлов) балансировочные углы невелики. С увеличением скорости хода балансировочные углы интенсивно возрастают, принимая на больших скоростях практически постоянные значения.
Сопоставление балансировочных диаграмм для кормовых и носовых горизонтальных рулей позволяет сделать важные практические выводы. Носовые горизонтальные рули можно эффективно использовать для обеспечения основного режима движения на малых скоростях хода. На больших скоростях использование носовых рулей невыгодно, поскольку большие балансировочные углы приводят к большому сопротивлению воды движению подводной лодки.
Кормовые горизонтальные рули неэффективны на малых скоростях и наиболее эффективны на больших скоростях хода. Поэтому при раздельном использовании рулей балансировку подводной лодки целесообразно осуществлять на малых скоростях с помощью носовых горизонтальных рулей, а на больших скоростях — с помощью кормовых горизонтальных рулей.
Балансировка подводной лодки только носовыми или только кормовыми горизонтальными рулями всегда приводит к созданию угла дифферента, равного углу атаки. Для обеспечения основного режима движения при нулевом (или любом заданном) дифференте балансировка выполняется совместной перекладкой носовых и кормовых горизонтальных рулей. При этом обеспечивается нормальная управляемость подводной лодки во всем диапазоне скоростей хода. В большинстве случаев совместного использования рулей для балансировки подводной лодки кормовые горизонтальные рули перекладываются на всплытие, а носовые — на погружение.
Следует отметить, что при плавании вблизи свободной поверхности, в частности, на перископной глубине, условия балансировки усложняются. В этом случае на подводную лодку будут действовать дополнительные гидродинамические силы, изменяющиеся в зависимости от глубины погружения, скорости хода и волнения моря. Возникает положительная нормальная сила, способствующая выбросу подводной лодки на поверхность, изменяется продольный гидродинамический момент, вследствие чего балансировка подводной лодки меняется. Как правило, возникает необходимость увеличения балансировочного дифферента на нос, а также балансировки за счёт изменения нагрузки подводной лодки (приёма водяного балласта).
Маневр изменения глубины погружения осуществляется при помощи перекладки горизонтальных рулей и в общем случае состоит из трех участков:
— участка выхода на заданный дифферент ψзад, где подводная лодка движется в неустановившемся переходном режиме;
— участка установившегося погружения или всплытия с постоянным заданным углом дифферента ψзад и постоянными углами перекладки рулей;
— участка одержания, назначение которого состоит в том, чтобы выйти в основной режим на заданной глубине; движение на этом участке неустановившееся.
В зависимости от условий маневра (перепада глубины, заданного угла дифферента, скорости хода) продолжительность второго участка может быть различной, а в частных случаях этот участок может полностью отсутствовать, и весь маневр будет состоять только из участков неустановившегося движения.
В зависимости от характера перекладки рулей можно выделить три способа изменения глубины погружения:
— способ свободного маневрирования;
— способ оптимального управления рулями;
— способ совместного использования горизонтальных рулей.
Изменение глубины погружения способом свободного маневрирования осуществляется перекладкой одной пары рулей на определенный угол и отведением их в исходное положение. Подводная лодка за счёт момента от перекладки рулей получает угол дифферента и изменяет глубину погружения. В силу динамической устойчивости, которой обладают все подводные лодки, угол дифферента, достигнув максимального значения, начнёт уменьшаться и с течением времени вновь вернётся к своему начальному значению, соответствующему основному режиму движения (в данном случае основной режим совершается с нулевым дифферентом). Подводная лодка придёт в режим установившегося движения на новой глубине без дополнительной перекладки горизонтальных рулей.
Для определения угла перекладки рулей или изменения глубины погружения на заданную величину способом свободного маневрирования используются графики изменения угла дифферента и глубины погружения при перекладке горизонтальных рулей на 1°, которые приводятся для каждой пары рулей в инструкции по управляемости подводной лодки.
Для выполнения маневра изменения глубины в кратчайшее время с наименьшим количеством перекладок рулей применяется оптимальное управление кормовыми горизонтальными рулями. При этом рули перекладываются по определенному закону, который обеспечивает,
Совместное управление носовыми и кормовыми горизонтальными рулями при изменении глубины погружения осуществляется, как правило, или для бездифферентного всплытия (погружения), или для быстрого изменения глубины погружения с большим дифферентом. В первом случае носовые и кормовые рули перекладываются параллельно, а во втором — враздрай на погружение или на всплытие.
Исходя из особенностей работы носовых (средних) и кормовых горизонтальных рулей, устанавливаются режимы их использования на различных скоростях хода как для стабилизации подводной лодки на заданной глубине, так и для изменения глубины ее погружения. Эти режимы для каждого конкретного проекта подводной лодки указаны в инструкции по управляемости. Общие, обязательные для всех подводных лодок положения по использованию рулей на различных скоростях хода определяются инструкциями по управлению атомной и дизельной подводными лодками.
Добавить комментарий