Движение подводной лодки с постоянными параметрами обеспечивается равновесием всех сил и моментов, действующих на неё. Подводная лодка в этом случае считается динамически уравновешенной. Для совершения того или иного маневра необходимо определенным образом изменить силы и моменты, действующие на подводную лодку. Такое силовое воздействие на подводную лодку может быть осуществлено за счёт изменения скорости хода, нагрузки и перекладки рулей.
Поскольку гидродинамические силы, возникающие на корпусе, оперении, рулях подводной лодки в большой степени зависят от скорости хода, а скорость определяется силой тяги, создаваемой гребными винтами, гребные винты являются одним из средств обеспечения управляемости подводной лодки. В некоторых случаях целесообразно и даже необходимо изменять обороты винтов в процессе выполнения маневра. Кроме того, на двухвальных подводных лодках гребные винты могут служить для управления подводной лодкой в горизонтальной плоскости.
Для управления подводной лодкой можно использовать и такое средство, как изменение её нагрузки, т. е. создание остаточной плавучести и избыточного дифферентующего момента путём изменения количества воды в цистернах вспомогательного балласта или продуванием (заполнением) цистерн главного балласта. При этом изменение нагрузки за счёт вспомогательного балласта будет достаточно эффективным для управления подводной лодкой только на малых скоростях хода. Изменение же нагрузки за счёт продувания (заполнения) цистерн главного балласта благодаря их большому объёму и быстроте изменения плавучести оказывает большое воздействие на подводную лодку даже при больших скоростях хода.
Гребные винты и изменение нагрузки используются при управлении подводной лодкой в качестве вспомогательных средств или в аварийной обстановке. Главным и универсальным средством обеспечения управляемости являются рули. Для совершения маневров в горизонтальной плоскости служит вертикальный руль, а маневры в вертикальной плоскости обеспечиваются горизонтальными рулями.
Все рули выполняются в виде крыльев с симметричным профилем. Перекладка руля из нейтрального положения на угол δ по отношению к набегающему потоку приводит к тому, что возникает гидродинамическая сила Rр (рис. 6). Разложение этой силы на составляющие, параллельные координатным осям, дает продольную силу Xδ и нормальную силу Yδ (у горизонтального руля) или поперечную силу Zδ (у вертикального руля). Продольная составляющая Xδ вызывает дополнительное сопротивление движению, обычно она мала по сравнению с общим сопротивлением подводной лодки, и её влияние не учитывается. Составляющая Yδ (Zδ) и её момент Mδ относительно центра тяжести подводной лодки вызывает изменение параметров движения и, следовательно, других действующих на подводную лодку сил и моментов. Роль руля и состоит в том, чтобы дать начало изменению сил и моментов, действующих на корпус подводной лодки, которые вместе с Yδ (Zδ) и Mδ обеспечивают выполнение заданного маневра. Таким образом, создание силы Yδ (Zδ) является основным назначением руля. С её помощью можно или нарушать равновесие сил и моментов, действующих на подводную лодку, или создавать динамическое равновесие при её движении.
Рис. 6. Действие переложенного руля на подводную лодку
Предельные углы перекладки рулей в большинстве случаев не превышают 30—35°. При больших углах перекладки снижается их эффективность — увеличивается сопротивление Xδ и уменьшается составляющая Yδ (Zδ)
По условиям обтекания руль рассматривается как несущее крыло с симметричным профилем. Если на движущуюся подводную лодку не действуют силы, уклоняющие от направления прямолинейного движения, то для сохранения прямолинейного движения достаточно руль держать в нейтральном положении. Встречные потоки воды в данном случае обтекают его равномерно, и никаких отклоняющих сил на пере руля не возникает. На подводную лодку в этом случае действуют две силы: общее сопротивление воды движению R и сила тяги движителей Т.
При руле, выведенном из нулевой плоскости на некоторый угол δ, картина его обтекания встречными потоками воды изменится. У передней поверхности пера руля происходит торможение встречного потока, а у задней — ускорение. В той части потока, где увеличивается скорость течения, давление понижается, а там, где скорость потока уменьшается, давление повышается по сравнению с его значением в невозмущенном потоке. Эта разность давлений приводит к возникновению результирующей гидродинамической силы на плоскости пера руля Rр, направленной примерно перпендикулярно плоскости пера вертикального руля и приложенной в точке K, называемой центром давления, расположение которой зависит от угла перекладки руля (рис. 7).
Возникшую гидродинамическую силу Rр представляем как геометрическую сумму двух составляющих: Rрх — параллельную и противоположно направленную по отношению к вектору скорости подводной лодки и Rрz — перпендикулярную к вектору скорости.
Проекция силы Rр на направление, перпендикулярное скорости, Rрz называется разворачивающей силой, так как она вызывает отклонение оконечности подводной лодки в сторону, обратную перекладке руля. Проекция силы Rр на направление скорости Rрх называется лобовым сопротивлением, которое вызывает падение скорости хода подводной лодки до 30% при измненении направления движения.
Величина разворачивающей силы zр пропорциональна площади пера руля, углу атаки и квадрату скорости потока воды. Следовательно, при данной форме и размерах руля разворот подводной лодки будет происходить тем быстрее, чем больше будут её скорость и угол перекладки руля. Однако увеличение разворачивающей силы при больших углах перекладки руля происходит до определенного предела, после чего разворачивающая сила заметно уменьшается, а лобовое сопротивление резко возрастает.
Предельный угол перекладки руля, при котором его разворачивающая сила приобретает наибольшее значение, называется критическим углом перекладки. Критический угол перекладки колеблется в пределах 35°.
На заднем ходу разворачивающая сила отклоняет оконечность подводной лодки в сторону перекладки руля, а точка приложения гидродинамической силы Rр перемещается к кормовой кромке пера руля.
Гидродинамическая сила Rр прекращает свое действие с остановкой движения.
Рис. 7. Возникновение разворачивающей силы на пере руля на переднем (а) и на заднем (б) ходу
Кроме рассмотренных средств на некоторых подводных лодках применяются специальные подруливающие устройства, обеспечивающие поворотливость в горизонтальной плоскости.
Выводы:
1. ходкость подводной лодки определяется, главным образом, ее энерговооруженностью и пропульсивными качествами; чем выше пропульсивные качества, тем меньшая энерговооруженность требуется для обеспечения заданной скорости хода;
2. сопротивление оказываемое движению подводной лодки воздушной средой пропорционально ее скорости, а сопротивление воды – квадрату скорости;
3. понятие управляемость объединяет в себе два противоположных свойства: устойчивость движения и маневренность по курсу или по глубине;
4. для совершения того или иного маневра необходимо изменить силы и моменты, действующие на подводную лодку за счёт изменения скорости хода, нагрузки и перекладки рулей;
5. рули являются основным средством обеспечения управляемости подводной лодки.
Добавить комментарий