Подводный планер (варианты)
Подводный планер относится к автономным необитаемым подводным самоходным аппаратам (планерам-глайдерам) для исследования водных акваторий. Подводный планер выполнен с возможностью изменения начальной установки угла атаки крыла в зависимости от направления набегающего потока без использования дополнительных энергоресурсов. Система изменения угла атаки включает установку консолей крыла на оси, проходящей за линией давления крыла, и ограничителей поворота консолей, установленных на или внутри корпуса планера. Такая конструкция планера обеспечивает изменение начальной установки угла атаки крыла в зависимости от изменения направления гидродинамической силы и обеспечивает условия, при которых направление движения планера совпадает с продольной осью корпуса, то есть достигается минимизация угла планирования и коэффициента лобового сопротивления планера без дополнительных энергозатрат, снижение шумовых помех и увеличение автономности, полезной нагрузки планера, горизонтальной скорости и длины цикла движения при тех же массогабаритных характеристиках прототипа. 2 н.п.ф., 5 з.п.ф., 4 ил.
Полезная модель относится к судостроению, конкретно, к автономным необитаемым подводным самоходным аппаратам для исследования водных акваторий.
На сегодняшний день выпускается несколько моделей планеров. Среди них наиболее известны Scarlet Knight, APEX производитель Teledyne Webb, Seaglider разработчик University of Washington, Spray разработчик Woods Hole Oceanographic Institution, Scripps Institution of Oceanography SeaExplorer производитель ACSA, ALBAC Kawaguchi Япония (http://en.wikipedia.org/wiki/Seaglider). Подводные планеры имеют различную форму корпуса от торпедообразной до удобообтекаемой и, как правило, жестко закрепленные крылья (симметричные или плоские) (IEEE Journal of oceanic engineering, vol.26, n.4, p.437-446, 2001).
Однако жесткое крепление крыльев, с начальным углом установки ноль градусов для создания одинаковых условий обтекания жидкости при планировании вверх и вниз (погружение и всплытие), приводит к увеличению коэффициента гидродинамического сопротивления корпуса, поскольку угол планирования не совпадает с продольной осью планера, так как угол атаки крыла задается дифферентом.
Известны подводные планеры с подвижным крылом, например, подводный планер по з. США 
20090241826. Планер оборудован системой управления движением каждой из консолей крыла, обеспечивающей движение консолей крыла вверх, когда планер опускается вниз и вниз, когда планер идет вверх. Такая конструкция планера за счет V образности крыла приводит к увеличению поперечной устойчивости аппарата и дает возможность управления поворотом за счет удержания электромагнитом или другим устройством в противоположном положении одну из консолей.
Однако такая конструкция планера не позволяет уменьшить коэффициент гидродинамического сопротивления и не позволяет минимизировать угол планирования без увеличения лобового сопротивления и как следствие потери скорости планера.
Наиболее близким к заявляемому является подводный планер, корпус которого снабжен крылом из двух подвижных консолей и подвижным хвостовым оперением, которые приводятся в движение четырьмя двигателями. Планер оборудован электронными системами сбора и передачи информации, управления движением планера и движением консолей, системами регулирования плавучестью и изменения дифферента, расположенными внутри корпуса. Консоли и хвостовое оперение установлены на корпусе планера на оси по принципу горизонтальных рулей подводной лодки, то есть выполнены балансирными, для уменьшения величины вращающего момента, создаваемого электродвигателями при изменении углов атаки, с возможностью принудительного по заданной программе изменения угла атаки консолей и хвостового оперения, которое осуществляется двигателями. (в.з. Японии 2007276609 А). В авиации, когда ось вращения смещена назад по отношению к передней кромке, такое расположение оси вращения называют осевой компенсацией, для уменьшения шарнирного момента
Такая конструкция планера решает проблему высокой маневренности для выполнения сложных движений - крутые виражи, резкие торможения, остановки, погружение при сохранении горизонтального положения планера.
Однако данная конструкция планера сложна и дорога, требует затрат энергии для работы двигателей, обеспечивающих повороты консолей и хвостового оперения, приводит к увеличению веса и размеров планера из-за установки дополнительных электроприводов (серводвигатели, редукторы), необходимости герметизации валов вращения оси, дополнительного программного обеспечения для системы управления движением консолей и оперения и, как следствие, к уменьшению веса полезной нагрузки и автономности аппарата. Кроме того, из-за увеличения плотности внутренней компоновки планера увеличивается диапазон изменения силы плавучести, что требует увеличения времени и затрат энергии на изменение силы плавучести. Применение дополнительных электромеханических устройств увеличивает шумы оборудования, что ведет к повышению вероятности обнаружения планера и вносит помехи при гидроакустических исследованиях. Выполнение крыла из двух лежащих в одной плоскости консолей снижает поперечную устойчивость планера.
Задача полезной модели - упрощение конструкции планера, снижение шума и энергозатрат, увеличение автономности и полезной нагрузки планера при тех же массогабаритных характеристиках, улучшение гидродинамических характеристик, что достигается за счет установки угла атаки в зависимости от направления набегающего потока.
Поставленная задача решается подводным планером, состоящим из корпуса, крыла из двух шарнирно присоединенных к корпусу консолей, киля и системы изменения углов атаки консолей, а также электронными системами сбора и передачи информации, управления движением планера, регулирования плавучестью и изменения дифферента и крена, расположенными внутри корпуса, при этом консоли установлены на оси, проходящей за центром давления крыла, а система изменения углов атаки консолей включает ограничители диапазона изменения углов поворота консолей, установленные на или внутри корпуса планера.
Поставленная задача решается также подводным планером, состоящим из корпуса, шарнирно присоединенного к корпусу крыла, киля и системы изменения углов атаки крыла, а также электронными системами сбора и передачи информации, управления движением планера, регулирования плавучестью и изменения дифферента и крена, расположенными внутри корпуса, при этом крыло установлено по схеме высокоплан-парасоль на как минимум одном шарнире крыло-подкос на оси, проходящей за центром давления крыла, а система изменения углов атаки крыла состоит как минимум из одного ограничителя диапазона изменения углов поворота крыла, установленного на корпусе планера.
Предлагаемая конструкция планера с установкой крыла на оси вращения, проходящей за центром давления крыла и системой изменения углов атаки крыла обеспечивает установку оптимального угла атаки крыла в зависимости от направления набегающего потока и создает условия, при которых направление движения планера совпадает с продольной осью корпуса, то есть достигается минимизация угла планирования и коэффициента лобового сопротивления планера без дополнительных энергозатрат, снижение шумовых помех и увеличение автономности, полезной нагрузки планера, горизонтальной скорости и длины цикла при тех же массогабаритных характеристиках, как у прототипа.
Из аэродинамики известно, что величину Сх /Сy3/2 называют коэффициентом мощности, так как она характеризует мощность, развиваемую силой веса при опускании планера. Так же известно, что минимальная скорость снижения будет соответствовать минимальному значению коэффициента мощности, то есть необходимо снижать величину коэффициента Сх и увеличивать коэффициент Сy. Режим минимальной скорости снижения не соответствует режиму наибольшего качества крыла, а получается на несколько большем угле атаки, то есть планирование на режиме минимального снижения соответствует оптимальному коэффициенту подъемной силы Сy опт.
Установка крыла на оси вращения, проходящей за центром давления крыла приводит к снижению момента силы, необходимого для вращения (поворота) крыла при изменении направления набегающего потока.
Система ограничения диапазона изменения углов поворота консолей в заявляемом решении выполнена механической и может быть конструктивно реализована различными способами с достижением одного и того же результата, например, в виде двух противоположно расположенных на или внутри поверхности корпуса ограничителей (упоров) поворота каждой из консолей или, если консоли закреплены на одной оси вращения, ограничить угол поворота можно, установив ограничитель внутри корпуса; система может быть реализована и путем выполнения шарнирного соединения консолей с корпусом с использованием шарниров с ограниченным углом вращения.
Для уменьшения радиуса поворота ограничители вращения консолей выполняют в виде электромагнитных защелок.
Для увеличения поперечной устойчивости планера крепление консолей к корпусу осуществляют с использованием шаровых шарниров, что позволит изменять V-образность крыла автоматически в зависимости от планирования вверх или вниз.
Для варианта планера с крылом, установленным по схеме высокоплан-парасоль на шарнире крыло-подкос на оси, проходящей за центром давления крыла, ограничители вращения крыла могут быть выполнены как минимум в виде одного Г-образного элемента, установленного на корпусе планера по центру крыла. Высота вертикальной части элемента будет соответствовать необходимому углу атаки крыла. Для предупреждения поломки крыла при движении целесообразнее установить не менее двух ограничителей.
Система ограничения диапазона изменения углов поворота крыла может быть выполнена и путем использования как минимум одного шарнира с ограниченным углом вращения для крепления крыла к подкосу.
Сущность полезных моделей приведена на Фиг.1-4, где 1 - крыло, 2 - ось вращения (крепления) крыла, 3 - ограничители угла поворота, 4 - корпус.
На Фиг.1 представлена одна из возможных схем регулирования угла атаки консоли при установке ограничителей угла поворота на поверхности корпуса планера.
На Фиг.2 - представлена схема системы регулирования угла атаки крыла при установке ограничителей угла поворота внутри корпуса планера на общей оси вращения консолей.
На фиг.3 схематично изображен планер с крылом, установленным по схеме высокоплан-парасоль.
На Фиг.4 для сравнения схематично изображены схемы движения подводного планера с неподвижным крылом (а) и крылом с саморегуляцией угла атаки (б).
При закреплении ограничителей 3 на поверхности корпуса 4 (Фиг.1), они могут быть установлены со стороны передней (Фиг.1) кромки консоли 1 и угол поворота определяется их расстоянием от продольной оси планера и равен углу оптимального качества для применяемого крыла..
Консоли крыла в свою очередь могут быть установлены как на одной оси 2, проходящей через корпус, так и на двух независимых осях.
При установке ограничителей угла поворота внутри корпуса планера на общей оси 2 вращения консолей, ось 2 герметизируется от внешней среды сальниками, осевое перемещения фиксируется втулками, выполненными в виде цилиндрических секторов с центральным углом равным диапазону поворота консолей 1 и ограничителей (стопоров) 3, установленных на внутренней части корпуса в секторе вращения втулок или двух стопоров на каждой из внутренней сторон корпуса и двух рычагов между стопорами установленных на оси 2 (Фиг.2).
Перечисленные выше примеры реализации системы регулирования углов атаки крыла подводного планера в зависимости от направления набегающего потока без использования дополнительных источников питания не являются исчерпывающими и выбор будет определяться исходя из выбранных материалов для изготовления планера, формы и размеров корпуса, профиля и размеров крыла и так далее, а также и от поставленных научных задач.
Движение планера заявляемых конструкций осуществляется следующим образом (Фиг.4б). Первоначально планер находится на плаву на поверхности воды и его крыло находится в безразличном состоянии. По команде системы управления планер любыми известными способами изменяет плавучесть на отрицательную и дифферент на нос.. При погружения возникает сила сопротивления набегающего потока на нижние плоскости крыла и, так как ось вращения смещена к задней кромке крыла, возникает вращающий (шарнирный) момент, который поворачивает крыло 1 на угол атаки, заданный верхним ограничителем, при котором достигается оптимальное качество установленного крыла, что приводит к переходу вертикального движения в горизонтальное за счет подъемной силы крыла. Планер (корпус), двигается параллельно набегающему потоку увеличивает скорость погружения за счет изменения остаточной плавучести, так же увеличивается скорость набегающего потока на крыло и как следствие увеличивается подъемная сила крыла и планер перемещается по горизонтали по более пологой траектории, скорость планирования будет зависеть от силы остаточной плавучести и гидродинамического сопротивления планера. Планер выходит на установившийся режим. При достижении заданной глубины погружения с системы управления поступает команда на смену дифферента (тангажа) и плавучести противоположные по знаку. Так как процесс смены плавучести происходит постепенно, то также постепенно происходит и замедление планирования. Давление набегающего потока воды падает и уменьшается подъемная сила крыла. Планер с дифферентом на корму начинает всплывать, набегающий поток воды давит на верхнюю плоскость крыла и разворачивает крыло на отрицательный (противоположный) угол атаки, что вызывает инверсию точки приложения подъемной силы крыла и планер начнет планировать вверх опираясь уже на верхнюю плоскость крыла. При достижении заданной глубины всплытия процесс повторяется, если это задано программой или планер всплывает на поверхность.
Таким образом, система автоустановки угла атаки позволяет минимизировать коэффициент лобового сопротивления аппарата при оптимальном качестве крыла, то есть обеспечить планирование с минимально возможным гидродинамическим сопротивлением корпуса и крыла, в результате чего достигается максимально возможная скорость планирования при минимальной вертикальной скорости снижения, а следовательно увеличивается горизонтальная скорость и длина цикла при одинаковых с прототипом массогабаритных характеристиках, но с большей полезной нагрузкой и автономностью без дополнительных энергозатрат.
1. Подводный планер, состоящий из корпуса, крыла из двух шарнирно присоединенных к корпусу консолей, киля и системы изменения углов атаки консолей, а также с электронными системами сбора и передачи информации, управления движением планера, регулирования плавучести и изменения дифферента и крена, расположенными внутри корпуса, отличающийся тем, что консоли установлены на оси вращения, проходящей за центром давления крыла, а система изменения углов атаки консолей выполнена путем установки на или внутри поверхности корпуса ограничителей диапазона углов поворота консолей или путем установки шарнира с ограниченным углом вращения для крепления консолей к корпусу.
2. Подводный планер по п.1, отличающийся тем, что ограничители диапазона углов поворота консолей выполнены в виде двух противоположно расположенных по вертикали на корпусе за передней кромкой каждой из консолей ограничителей вращения.
3. Подводный планер, состоящий из корпуса, шарнирно присоединенного к корпусу крыла, киля и системы изменения углов атаки крыла, а также с электронными системами сбора и передачи информации, управления движением планера, регулирования плавучести и изменения дифферента и крена, расположенными внутри корпуса, отличающийся тем, что крыло выполнено единым и установлено по схеме высокоплан-парасоль на оси, проходящей за центром давления крыла, а система изменения углов атаки крыла состоит, как минимум, из одного ограничителя диапазона изменения углов поворота крыла.
4. Подводный планер по п.3, отличающийся тем, что в качестве ограничителя диапазона изменения углов поворота крыла используют два Г-образных элемента, установленных на корпусе планера перед передней кромкой крыла.
