Навіщо підводному човні крила

Наши партнеры ArtmMisto

НАВІЩО ПІДВОДНОЇ ЧОВНІ КРИЛА

Б.І.Голдовскій

Нижній Новгород, лютий 2013 року

1. У книзі С.Переслегіна «Нові карти майбутнього, або Анти-Ренд», що вийшла в світ в 2009 році, серед технологічних прогнозів на 2015-2025 роки значаться «суду і підводні човни з динамічним підтриманням» ([1], с. 283). Стан і деякі перспективи подальшого використання судів з динамічними принципами підтримки були розглянуті в роботі [2]. Що стосується підводних човнів, то що з'явилися останнім часом публікації під заголовками, наприклад, «Підводний політ» та «В безодню на крилах» [3], [4], [5] підштовхують пошукати відповідь на питання «Навіщо підводному човні крила? ».

У зазначених публікаціях описані проекти Грема Хокс, який є конструктором досить відомої техніки для виконання підводно-технічних робіт і давнім поборником застосування крил на підводних човнах. До теперішнього часу він створив кілька дослідних зразків «крилатих» підводних апаратів і вийшов на ринок з двома комерційними проектами підводних апаратів «сухого» (рис. 1) і «мокрого» (рис. 2) типу. Основними достоїнствами пропонованих Г.Хоксом апаратів за його словами є:

- наявність постійної позитивної надлишкової плавучості (надлишку сили плавучості над силою ваги, близько 50-100 кг), яка компенсується НЕ рушіями або баластом, а заглубляющей гідродинамічної силою, створюваної крилами на ходу; при втраті ходу апарат просто спливе на поверхню, що забезпечує безпеку експлуатації;

- висока маневреність апарату, що дозволяє виконувати під водою фігури, що нагадують вищий пілотаж літака (можна відзначити, що концепцією швидкісний і маневреної крилатою бойової підводного човна Г.Хокс займався ще в 70-і роки минулого століття).

Малюнок 1. Підводний апарат «сухого» типу Deep Flight Super Falcon

Малюнок 2. Підводний апарат «мокрого» типу Necker Nymph

Необхідно відзначити, що наявність постійної надлишкової позитивної плавучості такого ж порядку для забезпечення безпеки передбачено практично на всіх населених підводних апаратах. Компенсація цієї сили проводиться або рушіями (незалежно від наявності поздовжнього руху), що також відноситься до динамічного принципу, або гідродинамічними силами, що виникають на ходу на корпусі і виступаючих частинах (горизонтальних рулях і стабілізаторах). При цьому в залежності від архітектури апарату в ряді випадків застосовуються і несиметричні ( «криловиє») профілі рулів і / або стабілізаторів. У будь-якому із зазначених випадків компенсації надлишкової плавучості забезпечується спливання апарату на поверхню при втраті ходу. У чистому вигляді «затягування» апарату під воду за рахунок гідродинамічних сил здавна застосовується, наприклад, в судомоделізм (для моделей підводних човнів) або для буксируваних підводних апаратів, у яких немає режиму «зависання без ходу». Прикладом такого «крилатого» жилого підводного апарату є буксируваний апарат «Тетіс» проекту 1605, розроблений в м Горькому і побудований в Ленінграді на початку 70-х років (рис. 3) [6].

Малюнок 3. Залюднений буксируваний підводний апарат «Тетіс» проекту 1605

Необхідність «затягування» самохідного апарату під воду за рахунок гідродинамічних сил призводить до появи певної швидкості ходу, менш якій апарат не може утримуватися під водою. У апаратів Г.Хокса величина такої мінімальної швидкості становить 2 вузла (1 м / с). У той же час відомо, що, наприклад, для візуального обстеження морського дна найбільш краща швидкість руху не більше 1 вузла (0,5 м / с). Таким чином, перша особливість пропонованих «крилатих» підводних апаратів не є новою, а її технічна реалізація не є оптимальною.

Немає також однозначного зв'язку між наявністю крил і високою маневреністю підводного апарату або підводного човна. Слід зазначити, що сучасні бойові підводні човни могли б за рахунок своєї швидкості і рулів виробляти під водою різні піруети, створюючи великі нахили по крену і диференту. Однак з умов безпеки роботи екіпажу, який в підводному човні розташовується зовсім не по літакового, ці нахили спеціально обмежуються (наприклад, за рахунок зниження швидкості перекладки рулів на великих швидкостях або застосування спеціальних зменшених кормових горизонтальних рулів). На початку 70-х років минулого століття в СРСР була вже реалізована концепція підводного човна «винищувача» з високою швидкістю і маневреністю: проект 705 [7]. Цей підводний човен (без крил) за рахунок високої енергоозброєності (в 2 і більше разів перевищує енергоозброєність сучасних підводних човнів) могла розігнатися до повного ходу за 60 с і змінити курс на 180 градусів всього за 42 с. Могла навіть йти від торпед. Однак гучність її була занадто велика. Тому сучасні малошумні підводні човни обороняються від торпед не так маневром, скільки спеціальними засобами самооборони (як це красиво показується в деяких Голлівудських фільмах).

Таку фігуру вищого пілотажу як «бочка» міг, наприклад, виконати і буксируваний апарат «Тетіс», але не за рахунок наявності крил, а за рахунок великого моменту, створюваного кормовим вертикальним кермом щодо точки кріплення буксирного кабель-троса. Можливість виконання маневрів, близьких до фігур вищого пілотажу, апаратами Г.Хокса обумовлена ​​мінімальною величиною остійності (по нижній межі, що визначається Класифікаційними товариствами) і порівняно високою для підводних апаратів швидкістю ходу (5-10 вузлів). Остання забезпечена успіхами в розробці електродвигунів і акумуляторних батарей для електроприводних автомобілів, інтенсивно розвиваються в даний час. Що стосується звичайного маневрування у вертикальній площині, то комп'ютерне моделювання для апарату типу Deep Flight Super Falcon (з використанням специфікаційних даних [8]) показало, що заміна крил носовими рулями таким чином, щоб дві пари горизонтальних рулів несиметричного профілю мали загальну площу навіть менше, ніж сумарна площа горизонтальних рулів і крил (на 25%), збільшує, наприклад, швидкість переходів по глибині. Зокрема, середня швидкість збільшується приблизно в 1,5 рази. Отримана різниця є суттєвою при використанні «крилатих» апаратів для занурення на великі глибини: адже Г.Хаукс створив подібний апарат для підкорення Маріанської западини [5], [9] (рис. 4). Комп'ютерне моделювання для цього апарату показало, що заявлена ​​тривалість переходу на 11 км по глибині і назад за 5 годин не може бути реалізована при наявності постійної позитивної плавучості апарату (що підкреслюється в рекламних публікаціях). Така тривалість може бути досягнута тільки при зануренні з негативною надлишкової плавучість (з перевищенням сили ваги над силою плавучості) з подальшим скидом твердого баласту, що застосовується на цілому ряді глибоководних апаратів. Планувалося занурення апарату Deep Flight Challenger (Virgin Oceanic) на граничну глибину світового океану не відбулося, що може бути й на краще, оскільки прийняті технічні рішення (міцний титановий корпус циліндричної форми, пов'язаний з міцної півсферою діаметром 0,5м з кварцового скла) є занадто ризикованими для тиску в 1100 атмосфер навіть при сучасному рівні техніки.

Малюнок 4. Підводний апарат Deep Flight Challenger (Virgin Oceanic)

Одиночне занурення в Маріанську западину зробив, як відомо, Джеймс Кемерон на спеціально створеному в Австралії для цієї мети батискафі Deepsea Challenger [10] (рис. 5).

Малюнок 5. Схема глибоководного батискафа Deepsea Challenger

Порівняння апарату Deep Flight Challenger (Virgin Oceanic) з батискафом Deepsea Challenger наочно показує, в чому, власне кажучи, полягає підхід Г.Хокса в створенні крилатих підводних апаратів. Створений австралійцями батискаф може за допомогою рушіїв переміщатися по вертикалі зі швидкістю до 2,5 вузлів і по горизонталі зі швидкістю до 3 вузлів, має скидається аварійно-маневровий вантаж вагою 500 кг, може зависати на місці, брати зразки з грунту, забезпечує тривале перебування на граничній глибині, тобто являє собою спеціалізоване технічний засіб для проведення досліджень на надвеликих глибинах. Реальне занурення Д. Кемерона тривало 2 години 37 хвилин (під рушіями), знаходження на глибині 3 години і спливання 1 година 10 хв (за рахунок скидання вантажу). При цьому батискаф підтвердив свої технічні характеристики, включаючи безпеку, і може бути використаний для інших дослідницьких занурень. А апарат Г. Хокс повинен був тільки зануритися на граничну глибину, протриматися на ній, рухаючись зі швидкістю не менше 2 вузлів, не більше 1 години і повернутися на поверхню. Ніяких досліджень з його допомогою (крім відеозйомки в русі) провести не можна було. Він призначався виключно для встановлення рекорду одиночного занурення мільйонером-екстремалом Стівом Фоссетт. Тобто це та інші апарати Г. Хокс призначені не для роботи, а для спорту і розваг. І рішення про застосування крил, а також водометного рушія (засмоктує воду через вирізи в обшивці корпусу апарату), що призводять до певного погіршення технічних параметрів, є не технічними, а дизайнерськими, що імітують літакову архітектуру на підводному апараті і мають на меті «справити враження».

Взагалі все штучні об'єкти, створені людиною, можна наближено розділити на дві великі групи, керуючись гаслом давньоримського плебсу: «Хліба і видовищ!». Об'єкти, орієнтовані на потребу в «хлібі», тобто на життєзабезпечення людини, призначені головним чином для виконання певної роботи. Відповідні технічні засоби спрямовані на виконання деякої технічної функції і в своєму розвитку оптимізують застосовуються принципи дії та параметри функціонування. Об'єкти, що забезпечують «видовища» для людини (чия потреба в «хлібі» в основному задоволена), розвиваються за зовсім іншими критеріями. Для них головне - справити враження. У відповідних технічних засобах можливе сполучення найрізноманітніших принципів дії. Наприклад, можна об'єднати снігохід з парапланом. А в області водних розваг, наприклад, застосувати крила для затягування швидкісного катера, що має вигляд дельфіна, під воду на короткий час (до 20 с) [11] (рис. 6). Природно, що моделі розвитку технічних систем, що відносяться до настільки різним сферам людських потреб, будуть дуже різні.

Малюнок 6. Двомісний швидкісний пірнаючий катер Innespace SeaBreacher

2. 2. Якщо для прогулянкових підводних апаратів застосування крил не є строго обов'язковим, то серед підводної техніки є об'єкти, які не можуть обійтися без застосування динамічного принципу підтримки в воді. В першу чергу це відноситься до самих швидкохідних підводних об'єктів - реактивним суперкавітірующім торпедам типу «Шквал» [12] або «Баракуда» [13] (рис. 7), що мають швидкість близько 200 вузлів. Оскільки основна частина корпусу знаходиться в кавитационной каверні і Архимедова сила на ній не утворюється, для компенсації сили ваги такого об'єкта використовуються гідродинамічні сили, що виникають на частинах, що взаємодіють з водою: на носовій шайбі (яка використовується для створення каверни), на кормовому оперенні або невеликих висувних крилах. При великій швидкості руху цього достатньо. Хоча необхідність в більш істотних гідродинамічних поверхнях може з'явитися при значному збільшенні розмірів суперкавітірующего підводного об'єкта. Застосування такої технології для руху підводних човнів навряд чи можна очікувати на увазі неекономічність руху. Однак вона може бути використана в спортивних цілях: будь-яким мільйонером-екстремалом для встановлення рекорду швидкості переміщення людини під водою.

Малюнок 7. Суперкавітірующая торпеда «Баракуда»

3. Інший областю підводної техніки, що використовує динамічний принцип підтримки у вигляді крил, є дослідницькі підводні планують апарати (Sea Gliders), що не мають рушіїв [14], [15] (рис. 8, 9 і 10). Всі ці невеликі (вагою до 100 кг) підводні апарати виконують тривалий сканування водного середовища на глибинах до 250 ... 2700м, використовуючи планування під дією надлишкової плавучості, зміна якої проводиться, найчастіше, за рахунок зміни кількості гідравлічної рідини (масла) в гнучкої ємності, що забезпечується роботою насоса. Тривалість роботи насоса в загальному циклі руху становить близько 2-3%, решту часу ніякі механізми на апараті не працюють. Швидкість руху більшості підводних планерів близька до 0,5 вузла (0,25 м / с). Оскільки планування відбувається і вгору і вниз, крила апарату мають симетричний профіль.

Одним з перших подібних апаратів був Slocum, розроблений в Океанографічному інституті в Вудс Холі (США). Потім іншими океанографічного інституту і Вашингтонським університетом були створені й успішно випробувані аналогічні апарати, наприклад, Spray і Seaglider (при фінансуванні оборонними відомствами США). Апарат Spray в 2004 році перетнув Гольфстрім, а апарат Seaglider в 2009 році пропрацював в Тихому океані поблизу узбережжя Аляски протягом 9 місяців і 5 днів (маючи вагу 52 кг і енергію акумуляторної батареї всього 2,78 кВт-год). З а цей час апарат зміг подолати більше 4900 км, періодично спливаючи на поверхню для відправки даних і отримання команд за допомогою вбудованого супутникового телефону. За час своєї подорожі апарат здійснив 737 занурень на глибину до 1 км.

Малюнок 8. Підводний планер Spray

Малюнок 9. Профіль руху апарату Spray (від одного сеансу зв'язку до іншого)

Малюнок 10. Зовнішній вигляд і складові частини підводного планера Seaglider

Аналіз руху апарату Seaglider на основі даних, наведених в [16] і [17], показав, що застосований принцип руху є енергетично більш економічним (в 1,2-1,4 рази) в порівнянні з використанням рушіїв, що забезпечують таку ж швидкість руху . При цьому потрібна максимальна потужність насоса, що перекачує гідравлічну рідину, може майже в 100 разів перевищувати потрібну потужність гребного електродвигуна (оскільки потужність насоса визначається не тільки продуктивністю, але і максимальним тиском водного середовища). Вважається, що на даний економічний принцип забезпечення руху підводних об'єктів першим звернув увагу океанограф Генрі Стоммелом (Henry Stommel) в 1989 році. Однак в СРСР приблизно 15 роками раніше опрацьовувалася можливість подібного руху для підводних човнів, в надії забезпечити особливо малошумное переміщення при непрацюючій головної енергетичної установки. Ці надії не виправдалися, оскільки потужність наявного на підводних човнах насосного обладнання не дозволяла отримати прийнятні швидкості руху. Виконаний аналіз також показав, що з ростом розмірів підводного об'єкта і швидкості його переміщення даний принцип руху (за рахунок планування) втрачає свої енергетичні (а ще раніше - економічні) переваги через те, що при такому зростанні відношення коефіцієнта гідродинамічного опору для звичайного поздовжнього руху до коефіцієнта опору в режимі планування помітно зменшується. Особливо швидко це проявляється, якщо стоїть завдання переміщення по горизонталі, а не сканування водного середовища по глибині. Тому застосування планує режиму руху на великих підводних човнах очікувати не варто. Однак даний принцип руху цілком може бути застосований в спорті. Змінюючи надлишкову плавучість підводного планера за рахунок почергового заповнення водою деякого міцного обсягу і продування його стисненим повітрям, можна влаштовувати змагання щодо досягнення максимальної дальності підводного планування з фіксованою кількістю стисненого повітря на борту.

4. Таким чином, прогноз про застосування в найближче десятиліття динамічних принципів підтримки на військових або цивільних підводних човнах навряд чи буде реалізований. Для виконання робіт крила можуть бути використані на буксируваних підводних апаратах, а також на прив'язних апаратах, що виконують підводно-технічні та рятувальні роботи в районах з великою швидкістю течії [18]. Невеликі незаселені підводні крилаті планують апарати типу Seaglider будуть використовуватися не тільки для наукових досліджень, а й для підтримки бойових операцій [19]. І, зрозуміло, застосування динамічних принципів підтримки у вигляді крил може знайти застосування на підводних об'єктах спортивного і розважального призначення.

джерела

1. Переслєгін С.Б. Нові карти майбутнього, або Анти-Ренд. - М .: АСТ; СПб .: Terra Fantastica 2009

2. Голдовський Б.І. Чому до сих пір не здійснився прогноз Р. Л. Бартіні, http://www.metodolog.ru/node/1578

3. Шрауп М. Підводний політ. // Популярна механіка. 2010. № 1. С. 68-71

4. Санніков В. В безодню на крилах. // Популярна механіка. 2012. № 10. С. 66-74

5. Підводний човен VIRGIN OCEANIC - підводний транспорт майбутнього , http://venture-biz.ru/tekhnologii-innovatsii/268-virgin-oceanic

6. буксирувана ОПА Тетіс, http://oosif.ru/buksiruemyy-pa-tetis

7. Проект 705 «Ліра». // Популярна механіка. 2011. № 2. С. 58

8. Deep Flight Super Falcon, http://www.deepflight.com/subs/df_superfalcon.htm

9. Deep Flight Challenger, http://deepflight.com/subs/df_challenger.htm

10. Скоренко Т. Безодня Кемерона. // Популярна механіка. 2012. № 7. С. 58-61

11. Попов Л. Катери-дельфіни виходять на старт підводних скачок. 05.12.2006, http://www.membrana.ru/particle/3153

12. Мамонтов Д. Батіг Посейдона: суперторпеда. // Популярна механіка. 2003. № 5, http://www.popmech.ru/article/5010-hlyist-poseydona/

13. суперкавітаційного торпеда «Баракуда»,

http://world-weapons.ru/torpedy/superkavitacionnaya-torpeda-barrakuda.html

14. Плаваючий робот Spray вперше в історії перетнув Гольфстрім. 2004, http://www.sciencer.ru/robots/581166/

15. Таран А. Робот-планер проплававши рекордні дев'ять місяців. 18.09.2009, http://www.membrana.ru/particle/3341

16. Seaglider - Specifications, http://www.apl.washington.edu/projects/seaglider/specifications.html

17. Charles C. Eriksen and others. Seaglider: A Long-Range Autonomous Underwater

Vehicle for Oceanographic Research. // IEEE Journal of Oceanic Engineering. Vol. 26, No. 4, October 2001

18. Голдовський Б.І. Стиковка в глибині. Особливості проектування рятувальних підводних апаратів. / ВАТ «ЦКБ« Лазурит »- Нижній Новгород діє до: 2012

19. Миколаїв М. Справа за малим. // Популярна механіка. 2010. № 3. С. 82-86