Обзор балластных систем погружения-всплытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обзор балластных систем погружения-всплытия

Введение

Освоение человечеством Мирового океана велось еще с незапамятных времен, но к сожалению, процесс познания имел своей единственной целью добиться военного превосходства над ближним. Долгое время подводные транспортные средства (в дальнейшем подводные средства движения) не представляли особого интереса для дизайнера, так как в процессе их разработки и создания конструкторами не рассматривалась эстетическая сторона вопроса - развитие первых подводных лодок шло по пути увеличения тактических и эксплуатационных характеристик. Они должны были устрашать врага своей громоздкостью, сверхмощностью подводного оружия.

В последнее время интерес к изучению Мирового океана неуклонно растет. Это вызвано как все расширяющимся все расширяющимся освоением огромных биологических и сырьевых ресурсов океана, так и вновь возникающими научными и техническими проблемами, решение которых требует поисков новых методов океанологических исследований. До недавнего времени океанологические исследования в основном проводились только с поверхности океана. Это объяснялось, прежде всего, тем, что в прошлом именно такие работы имели наибольшее прикладное значение. Сегодня мы можем уже говорить об исследовании моря изнутри. Человек стал познавать природу океана, непосредственно проникая в его глубины.

Сегодня, когда развитие техники достигло больших высот, перед человеком открылся сказочный мир возможностей в области исследования морских глубин:

- поисковые и спасательные работы;

- подъем затонувших объектов аэросферы;

- разведка океанского дна на нефть и другие ископаемые;

- океанографические исследования;

- морская археология;

- подводное строительство;

- экопроекты;

- и самое увлекательное - подводные прогулки любителей подводного спорта - дайвинга, подводная фото- и видеосъемка.

С помощью подводных судов можно решать обширный круг задач в области морской техники: разведка местоположения подводных объектов, прокладка кабелей и трубопроводов и строительство фундаментов и сооружений на морском дне, контроль за подводными устройствами и их техническое обслуживание, испытание приборов и исследование проблем коррозии, а также применение подводных судов для непосредственной добычи сырья.

История систем погружения-всплытия

История сохранила имена многих энтузиастов исследования глубин. В отдельных преданиях указывают на участие подводных погружениях Александра Македонского в 330 г. до нашей эры, который спустился на морское дно в своеобразном водолазном колоколе. В записных книжках Леонардо да Винчи, датируемых примерно 1500 г. имеется несколько набросков гипотетических дыхательных аппаратов, один из которых представляет собой даже водолазный костюм. В дальнейшем водолазные колокола различных конструкций нашли широкое применение при спасательных работах и строительстве подводных сооружений. Их используют и в настоящее время. Водолазные колокола положили начало всем видам водолазной аппаратуры, работающей на сжатом воздухе.

От водолазного колокола развитие пошло по двум направлениям. Плотное закрытие водолазного колокола снизу и снабжение воздухом при нормальном атмосферном давлении привели к появлению батисферы. С другой стороны, путем увеличения подачи воздуха, чем достигается выравнивание давления с окружающим давлением воды, удалось перейти к водолазным аппаратам, обладающим большой маневренностью под водой. Затем родилась идея - уменьшить водолазный колокол до небольшого шлема, к которому сверху подается воздух. Одним из первых такое устройство предложил в 1718 г. русский изобретатель-самоучка Ефим Никонов. Во второй половине ХVШ в для водолазного дела стали применять воздушный насос, это помогло усовершенствовать устройства для погружения в воду.

В послевоенные годы Огюст Пикар впервые сконструировал и построил глубоководный аппарат - батискаф и произвел на нем погружения на глубины до 3150 м. Батискаф состоит из дирижаблеобразного корпуса и гондолы, которая вмещает двух гидронавтов. Гондола представляет собой сферу, изготовленную из высокопрочной стали. Её внутренний диаметр около 2 м. Поскольку кабина должна выдерживать высокое давление, она имеет значительную толщину, а значит и вес, что лишает её возможности плавать самостоятельно, поэтому гондола подвешена к металлическому поплавку. Для придания плавучести корпус заполнен бензином. При этом корпус поплавка сделан легким, ибо внизу бензин сообщается с водой и его давление всегда сравнено с окружающей средой. Для регулирования плавучести батискафа имеется железный балласт. Открывая с помощью электромагнита заслонку, его можно высыпать и тем самым регулировать плавучесть всего устройства. При необходимости можно сбрасывать не только балласт, но и все наружные электробатареи, что обеспечивает экстренный подъем. Иллюминатор сделан из небьющегося стекла плексигласа и имеет форму усеченного конуса. При погружении давление воды прижимает его к гнезду и обеспечивает водонепроницаемость. Удаление из воздуха углекислоты и обогащение его кислородом обеспечивается специальной аппаратурой, которая позволяет находиться под водой более суток.

Ценный для рыбаков подводный аппарат создали сотрудники Клайпедского отделения Гипрорыбфлота - батиплан «Атлант 1». Он может опускаться на глубину до 200 м, имея на борту одного гидронавта. Важной особенностью этого подводного планера является то, что его спуск или подъем можно осуществить не только за счет приема или удаления водного балласта, но и просто наклоном крыльев.

Задолго до образования этого центра Жак Ив Кусто построил свою миниатюрную подводную лодку «Дениз». С появлением «Дениз» в 1960 году французские исследователи получили универсальный подводный аппарат, который по своей маневренности намного превосходил обычную подводную лодку. Сочетание черепахообразного корпуса и особого реактивного движителя обеспечивает аппарату полную свободу под водой. Он одинаково легко перемещается вперед и назад, вправо и влево, кружится вокруг своей оси, зависает над любой точкой и делает наклоны в необходимую сторону. «Дениз» - участница большинства экспедиций Кусто. За свою многолетнюю эксплуатацию она совершила около 2000 погружений в разных морях.

Один из самых интересных советских подводных аппаратов «Оса-3» - еще более подвижный и маневренный аппарат, чем «Дениз». Он, не разворачиваясь, легко и свободно перемещается вперед-назад, вверх-вниз, вправо-влево по борту, легко неподвижно зависает в одной точке независимо от силы течения. Это достигается за счет оснащения «Осы-3» системой автоматического управления - ценной новинкой, которая отсутствовала в других советских подводных лодках. Кроме того «Оса-3» имеет четыре мощных движителя, за счет которых и обеспечивается повышенная маневренность. Система регенерации воздуха почти аналогична той, которая имеет место на космических кораблях. В комплект научной аппаратуры входят теле-, кино-, фото-, видео-установки, гидролокатор бокового обзора, позволяющий наблюдать подводную обстановку не только впереди, но и вокруг всего аппарата.

Принципы построения систем погружения / всплытия

Системы погружения-всплытия (П/В) дают возможность подводным аппаратам не только опускаться под воду и всплывать на поверхность, но и удерживать их на определённой глубине в «зависшем» состоянии. Называются такие системы балластными. Многие из них выполнены по принципам «открытого или закрытого рыбьего пузыря», либо по принципу балластной массы (БМ) за счёт набора / выброса жидкого или твердотельного балласта.

1. Принцип плавательного пузыря

Плавательный пузырь рыбы - это вырост пищевода у рыб. Он помогает рыбе находиться на определенной глубине - той, на которой вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Благодаря плавательному пузырю рыба не тратит дополнительную энергию на поддержание тела на этой глубине.

Рыба лишена возможности произвольно раздувать или сжимать плавательный пузырь. Если рыба погружается, тело ее, испытывая большое наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая пузырь; вес вытесняемого объема воды уменьшается, становится меньше веса рыбы, и рыба неудержимо падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды (на 1 атмосферу при опускании на каждые 10 м), тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжает оно опускаться. А когда рыба поднимается в верхние слои, то тело ее, освободившись от части наружного давления и по-прежнему распираемое изнутри плавательным пузырем (в котором давление газа находилось до этого момента в равновесии с давлением окружающей воды), увеличивается в объеме и вследствие этого всплывает выше. Чем выше рыба поднимается, тем более раздувается ее тело и тем, следовательно, стремительнее ее дальнейший подъем. Помешать этому, «сжимая пузырь», рыба не в состоянии, так как стенки ее плавательного пузыря лишены мышечных волокон, которые могли бы активно изменять его объем.

Итак, рыба не может регулировать объем плавательного пузыря. Но зато в стенках пузыря есть нервные окончания, посылающие сигналы в мозг при его сжатии и расширении. Мозг же на основании этой информации отправляет команды исполнительным органам - мышцам, с помощью которых рыба осуществляет движение.

Таким образом, плавательный пузырь рыбы - это ее гидростатический аппарат, обеспечивающий ее равновесие: он помогает рыбе оставаться на определенной глубине.

Плавательные пузыри бывают двух типов:

1. Открытый плавательный пузырь (например, у золотой рыбки, сельдевых). Он соединен протоком с глоткой, так что воздух может поступать в пузырь или удаляться из него через рот.

2. Закрытый плавательный пузырь (например, у трески). Такой пузырь полностью утратил связь с глоткой. Рыба способна уравнивать плотность тела с плотностью окружающей воды и сохранять нейтральную плавучесть путем автоматического или уменьшения количества газа в пузыре.

Принцип использования «открытого плавательного пузыря» можно наблюдать у одноместной лодки (проницаемой), созданной на базе носителя «Пегас». Отличительной особенностью описываемой лодки является эластичные емкости всплытия, расположенные по бокам корпуса. При плавании под водой емкости сложены вдоль бортов, когда же лодке необходимо придать дополнительную плавучесть для плавания на поверхности, они надуваются сжатым воздухом из специального баллона, расположенного внутри лодки вдоль корпуса носителя.

2. Система П/В подводной лодки (ПЛ)

Система состоит из балластных и вспомогательных цистерн, соединительных трубопроводов и арматуры. Главным элементом являются цистерны главного балласта (ЦГБ). Их заполнением погашается основной запас плавучести ПЛ, и обеспечивается нормальное погружение. По длине лодки цистерны разделены переборками. Обычно к каждому отсеку прочного корпуса прилегают побортно две ЦГБ. Имеются также ЦГБ в оконечностях легкого корпуса. Чтобы лучше контролировать погружение, ЦГБ разбиты на группы: носовую, кормовую и среднюю, которые можно заполнять или продувать независимо или одновременно. Допускается и индивидуальное заполнение или продувание цистерн.

В верхней части ЦГБ находятся клапана вентиляции (КВ), а в верхнем стрингере аварийные захлопки (АЗ). В нижней части - кингстоны, или, для бескингстонных ПЛ - шпигаты. Совместным открытием и закрытием их достигается выпуск воздуха из цистерн или его удержание при погружении (всплытии).

Как правило, балласт ПЛ рассчитывается так, чтобы с заполненными концевыми группами лодка плавала «под рубку» - над водой только ограждение рубки. Такое положение называется позиционным. При нормальном (не срочном) погружении сначала заполняются концевые группы, проверяется герметичность корпуса и посадка, затем заполняется средняя группа. При нормальном всплытии средняя группа продувается первой.

Цистерны вспомогательного балласта

Уравнительная цистерна

На практике лодка имеет остаточную плавучесть, то есть существует разница между объёмом ЦГБ и объёмом воды, которую нужно принять для полного погружения. Эта разница компенсируется с помощью цистерн вспомогательного балласта. Приём или откачка воды в уравнительную цистерну погашает остаточную плавучесть. Но любой приём балласта сопровождается его смещением. Лодка под водой очень чувствительна, особенно к продольным смещениям. Достаточно переместить из носа в корму сотню килограмм, чтобы сбить дифферент. Известны случаи, когда переходом экипажа из отсека в отсек лодку удерживали от самопроизвольного всплытия при торпедной атаке. [3] Не случайно также, что Корабельный устав предусматривает измерение количества воды при дифферентовке как в тоннах, так и в литрах. [4]

Дифферентные цистерны

Для компенсации продольного смещения грузов имеются дифферентные цистерны - носовая и кормовая. Основным способом перекачки вспомогательного балласта между дифферентными цистернами является передувание с помощью сжатого воздуха, так как этот способ быстрейший. Возможна также перекачка с помощью помп. Приём / откачка вспомогательного балласта и его перекачка с целью добиться равновесия погруженной ПЛ на ровном киле называется дифферентовкой.

Лодка считается нормально удифферентованной, если в подводном положении плавает на ровный киль, и для поддержания глубины и дифферента на ходу достаточно небольших перекладок рулей. На практике, считается, что лодка должна идти с дифферентом 0,5-1,5 градуса на нос.

Цистерны вспомогательного балласта находятся внутри прочного корпуса. Уравнительная - вблизи центра тяжести, дифферентные - в оконечностях. Уравнительная цистерна выполняется прочной, дифферентные могут быть лёгкими. [1]

Цистерна быстрого погружения

Когда требуется срочное погружение, и заполнение даже всех ЦГБ сразу сказывается слишком медленно, используют цистерну быстрого погружения (ЦБП, иногда называется цистерной срочного погружения). Ее объем не входит в расчетный запас плавучести, то есть приняв в нее балласт, лодка становится тяжелее окружающей воды, что помогает «провалиться» на глубину. После этого, разумеется, цистерна быстрого погружения немедленно продувается. Она находится в прочном корпусе и выполняется прочной.

Физика процесса

Для того, чтобы подводные лодки или любые корабли могли держаться на плаву, вытесняемость воды должна соответствовать весу корабля. Такое вытеснение воды создает подъемную силу, которую называют выталкивающей силой и которая противоположна силе притяжения, что заставляет подводную лодку опускаться на дно. В отличие от корабля, подводная лодка может регулировать свое надводное положение, что позволяет ей при необходимости погружаться и всплывать на поверхность. Для того, чтобы подводная лодка могла регулировать свое надводное положение, она оснащена балластовыми цистернами и вспомогательными, или дифферентными цистернами, которые поочередно могут заполняться водой или воздухом (как показано на картинке ниже). Когда подводная лодка находиться на поверхности воды, балластовые цистерны наполняют воздухом и общая плотность субмарины становиться меньше, чем плотность окружающей ее воды. Когда субмарина начинает погружаться, балластовые цистерны наполняются водой, выпуская воздух до тех пор, пока общая плотность лодки не станет больше плотности воды и подводная лодка начинает погружаться (так называемая «отрицательная плавучесть»). Сжатый воздух, необходимый для дыхания и использования в балластных цистернах, поставляют на подводную лодку в воздушных резервуарах. Помимо этого, на корме субмарины находится подвижный комплект коротких «крыльев», называемых глиссерами, которые помогают регулировать угол погружения. Глиссера с воздушным винтом установлены под определенным углом, так чтобы вода проходила над кормой, что заставляет корму подниматься вверх. За счет этого подводная лодка опускается вниз.

Для того, чтобы удерживать подводную лодку на определенном уровне глубины, необходимо поддерживать баланс воздуха и воды в дифферентных цистернах - ее общая плотность должна быть равна плотности воды (так называемая «нейтральная плавучесть»). Когда подводная лодка опускается до необходимой глубины, глиссера устанавливают на определенном уровне, чтобы субмарина могла плыть сквозь воду. Для поддержания субуровня вода также проходит между дифферентными цистернами носовой части и кормы. Управлять субмариной под водой можно за счет хвостового руля (для поворота направо или налево) и глиссера, который регулирует продольный угол лодки. Помимо этого, многие субмарины оснащены мощным электродвигателем вспомогательной гребной установки, который может развернуть лодку на 360 градусов.

Когда подводная лодка всплывает на поверхность, сжатый воздух с воздушных резервуаров перетекает в балластные цистерны; удаление воды происходит до тех пор, пока общая плотность не станет меньше плотности воды (положительная плавучесть) и начнется всплытие подводной лодки. Глиссера установлены под углом, поэтому вода двигается вверх по корме и таким образом сама корма наклоняется вниз, и субмарина начинает всплытие. В случае опасности, балластные цистерны могут быстро наполниться высоким давлением и сразу же поднять лодку на поверхность.

3. Система погружения батискафа

Громадные глубины стали доступны исследователям в батисфере. Его корпус состоит из двух частей: легкого корпуса и прочного корпуса. Легкий корпус наполнен бензином. Но бензин нужен не в качестве топлива: он в батискафе играет ту же роль, что гелий или водород в воздушном шаре, - создает подъемную силу. Выпуская часть бензина (как из аэростата - водород), мы уменьшаем подъемную силу батискафа, и он начинает опускаться. Для подъема на поверхность сбрасывается балласт - стальная дробь, которая удерживается электромагнитом. В прочном корпусе батискафа - он напоминает батисферу - находится его экипаж.

Под водой батискаф приводится в движение электродвигателями, получающими энергию от аккумуляторов. Запас электрической энергии ограничен, и к месту погружения батискаф обычно доставляется на буксире.

Балластные цистерны для малых объектов

Для мало- и особо малогабаритных судов, устройств, в том числе и роботов существуют несколько разновидностей балластных систем погружения-всплытия, широко известных в кругах судомоделистов. Они работают за счёт газа, либо балласта, а есть и такие, которые сочетают в себе оба варианта. Рассмотрим некоторые из них.

4. Поршневая балластная система

Устройство системы понятно из схемы.

В качестве цистерны для малых устройств может использоваться медицинский шприц, насос от зарубежных надувных игрушек или самодельный цилиндр из оргстекла с поршнем из алюминия. Электродвигатель должен быть достаточно мощным. Двигатель может включаться от дискретного канала радиоуправления. На штоке поршня нужно предусмотреть рычаг для нажатия на концевые выключатели, чтобы при достижении поршнем крайних положений полярность питания электродвигателя менялась на противоположную. Схема подключения электродвигателя ясна из приведенной ниже схемы, мощность диодов следует брать с запасом, т.е. больше мощности электродвигателя. Редуктор желательно делать из коррозионно-стойких материалов.

Ниже приводятся фотографии балластной системы из медицинского шприца, изготовленной американскими моделистами.

5. Балластная система с мехом или мембраной

В качестве балластной цистерны могут быть также использованы пластиковые или резиновые меха от медицинских приборов, детских велосипедов и игрушек, импортные пластиковые масленки. С помощью несложных механизмов, например, в виде длинного винта или тросовой проводки, их можно сжимать и разжимать, увеличивая или уменьшая количество воды и, соответственно, вес модели. Следует заметить, что подобные устройства больше подходят для небольших моделей или для моделей с малым запасом плавучести.

Мембранный балласт действует аналогично, но занимает меньше места и применяется обычно на сверхмалых моделях (такие есть, длиной 10-15 см, способны плавать в аквариуме на 60 литров!) или на моделях плоских «ныряющих блюдец».

6. Балластные системы с применением насосов

Подавать воду в балластные цистерны модели можно также насосами. Для этой цели подходят перистальтические насосы, применяемые в медицине, и шестеренчатые насосы от автомобильных стеклоомывателей. Последние в состоянии покоя могут пропускать воду, поэтому желательно применение нормальнозакрытого электромагнитного клапана, питание на который подается одновременно с электродвигателем насоса. Перистальтические насосы этого недостатка лишены, но требуют применения более мощного электродвигателя и сложнее по устройству.

Балластные цистерны для таких систем могут быть жесткой или мягкой конструкции.

Жесткая цистерна может быть изготовлена из плексигласовой или полиакриловой трубы с толщиной стенок 3-5 мм. В качестве соединительных трубок подходят медицинские, от капельниц, подходящего диаметра. Трубка внутри цистерны должна быть мягкой и с грузом, или заливное отверстие должно находиться в самой нижней точке цистерны.

Нужно учитывать, что при заполнении такой цистерны давление внутри нее возрастает, поэтому рекомендуется выбирать объем такой цистерны с таким расчетом, чтобы модель погружалась при заполнении цистерны на 1/3. По утверждениям зарубежных моделистов, с такими цистернами модель может погружаться на глубину 40 метров и более.

Мягкая балластная цистерна изготавливается из резинового или пластикового мешка, например из грелки. Но лучше всего подходит для этой цели мешок от капельницы (у нас в России в таких мешках объемом 500 мл продают в аптеках глюкозу). Эти мешки имеют две трубки, что позволяет легко соединить их с насосом, и достаточно прочны и долговечны. В крайнем же случае подойдет и детский воздушный шарик.

Электродвигатель при использовании мягкой цистерны включать по той же схеме, что указана в описании поршневой балластной системы, а для мешка сделать жесткий контейнер, чтобы свести к минимуму возможность разрыва мешка.

7. Балластные системы на сжатом воздухе

Эти балластные системы наиболее близки по принципу действия к балластным системам настоящих подводных лодок: при погружении открывается атмосферный клапан в верхней части цистерны и она заполняется водой, для всплытия открывается клапан баллона со сжатым воздухом и вода вытесняется из цистерны.

На моделях в качестве источника сжатого воздуха обычно используется баллон для питания аэрографов, заправленный тетрафлюорэтаном - он имеет небольшие размеры и дает давление до 7 атм. Некоторые моделисты используют баллоны с углекислым газом, но давление в них достигает 50-60 атм и система с таким рабочим давлением требует профессионального исполнения и обслуживания, иначе возможны неприятности в виде взрывов и различных телесных повреждений, причем далеко не всегда легких. Некоторые моделисты идут еще дальше, устанавливая на свои модели насосы, которые нагнетают воздух в специальные баллоны, как на настоящих подводных лодках.

Описанная ниже система разработана Грегом Шарпом для модели советской атомной подводной лодки «Альфа» (по классификации NATO) масштаба 1:72, изготовлена и опубликована на сайте Pierre Yerokine для свободного использования. Схема взята именно оттуда.

Чтобы изготовить балластную систему, потребуются следующие материалы:

1. Плексигласовая трубка для цистерны, с толщиной стенки не менее 3 мм, закрытая с обоих концов плексигласовыми же заглушками, причем одна из заглушек обязательно должна быть съемной. В верхней части цистерны устанавливается атмосферный клапан, а в донной части - сверлятся отверстия диаметром 8 мм для заполнения цистерны водой.

2. Медная трубка диаметром 25 - 30 мм для газового баллона, толщина стенок не менее 1 мм, с обоих концов трубка наглухо запаивается листовой медью толщиной не менее 1 мм. В верхнюю часть газового баллона герметично впаиваются продувочный клапан из золотника от автомобильной камеры и заправочный штуцер.

3. Два золотника от автомобильной камеры для продувочного и заправочного клапанов. Корпус одного из них обрезается так, чтобы шток золотника был выше корпуса - это будет продувочный клапан. Второй золотник присоединяется к шлангу, второй конец шланга одевается на заправочный штуцер газового баллона. Шланг должен выдерживать то давление, на которое рассчитан газовый баллон. При давлении до 10 атм можно использовать шланг от аппаратов по продаже пива и газированной воды.

Для модели длиной 1 метр объем балластной цистерны должен быть 1,5 - 2,0 л. Плексигласовой трубы диаметром 100 мм и длиной 200 мм вполне достаточно.

Объем газового баллона 70 - 100 см куб., при использовании тетрафлюорэтана и заправке баллона на 3/4 этого хватит примерно на 20 погружений.

Газовый баллон заполнять легкоиспаряющейся жидкостью не более чем на 3/4, иначе возможен разрыв баллона!!!

Управление системой осуществляется рулевой машинкой, поворачивающей эксцентрик. Ось эксцентрика проходит через крышку балластной цистерны с применением водонепроницаемого уплотнения.

Самое сложное при изготовлении - это точно рассчитать и изготовить эксцентрик и расположить штоки атмосферного и продувочного клапана точно друг против друга. Газовый баллон устанавливается внутри балластной цистерны для сохранения центровки, с той же целью весь агрегат устанавливается в районе центра тяжести модели.

Заключение

Накопленный опыт работы с подводными судами самых различных конструкций, с одной стороны доказал возможность их применения для решения различных научных и технических вопросов, а с другой стороны, показал, что ещё много проблем нужно разрешить, прежде чем подводные суда станут универсальным вспомогательным средством океанографии. Возможная область их применения охватывает не только работы по физической океанологии, например, исследование глубинных течений, измерение многочисленных океанологических параметров и отбор проб воды, но и задачи морской геологии, такие, как подробное обследование топографии морского дна, фотосъемка микрорельефа, картографо - геодезические работы, разведка полезных ископаемых на морском дне. Широкие возможности их применения открываются также в биологической, в частности, в рыбопромысловой сфере, начиная с исследования поведения рыб и других морских животных, и кончая развитием методов лова и наблюдением за орудиями лова.

балластный подводный лодка батискаф

Размещено на Allbest.ru