Патент на изобретение №2305049

(54) ВОЛНОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ ПОДВОДНОГО АППАРАТА

(57) Реферат:

Волновой движитель подводного аппарата содержит последовательно расположенные ячейки с чехлами, внешнее покрытие, а также сообщенные с ячейками через управляемые клапаны трубопроводы высокого и низкого давления, соответственно подачи и откачки газа для последовательного подъема и опускания чехлов в виде движущейся вдоль борта подводного аппарата волны. Кроме того, движитель снабжен трубопроводом среднего давления, сообщенным с пространством между чехлами для поддержания давления, равного забортному, и дополнительными трубопроводами. Каждый из дополнительных трубопроводов имеет управляемый клапан и соединен к двум ячейками для сообщения их между собой перед открытием клапана, сообщающего одну ячейку с трубопроводом низкого давления, и клапана, сообщающего другую ячейку с трубопроводом высокого давления, при этом ячейки соединены с интервалом через две ячейки. Такое выполнение движителя обеспечивает повышение его эффективности. 15 ил.

Область техники: судовые подводные движители волнового типа.

Уровень техники

Основано на изобретении, сделанном господином Charles В. Momsen, запатентованным 27 октября 1964 года под номером 440-16 (старый номер CL 115 -5). «Hydrodynamic travelling wave propulsion apparatus», а также на патенте US 3154043 от 27.10.1962 (на 6 стр.) волнового движителя подводного аппарата.

Согласно данному изобретению подводный аппарат способен двигаться под водой, используя волновой движитель. Вдоль борта судна крепятся «эластичные мембраны», которые «последовательно» «гидравлически расширяются и сжимаются». Таким образом, формируется искусственная волна (ИВ), движущаяся вдоль борта судна в направлении, противоположном направлению движения самого судна. Поверх ряда эластичных мембран натягивается эластичная (растягивающаяся) пленка. Механизм подачи жидкости под давлением в «ячейки» (под мембраны) состоит из следующей гидравлической системы: 1 трубопровод высокого давления (ТВД), 2 трубопровод низкого давления (ТНД), 3 компрессор, накачивающий жидкость из ТНД в ТВД и ряды ячеек, в которые последовательно закачивается под давлением жидкость. Подача жидкости в ячейки из ТВД и откачка из ячеек в ТНД осуществляется за счет наличия вала, который тянется вдоль всего судна параллельно ряду ячеек, ТНД и ТВД. В валу есть поперечные отверстия, которые при вращении вала последовательно переключают доступ «ячейка -ТВД» и «ТЦД – ячейка».

Решающим достижением господина Charles В. Momsen является то, что он описал основные принципы работы волнового движителя: 1. ИВ формируется за счет последовательного расширения ячеек. 2. Система подачи рабочего тела (жидкости или газа) в ячейки состоит из ТВД, ТНД, основного компрессора и самих ячеек (Фиг.1).

Недостатки патента №440-16 связаны с деталями технического воплощения. Это и трение, возникающее при вращении вала (оно велико, поскольку вал должен герметично прилегать к деталям трубопроводов и ячеек). Поскольку герметичности добиться принципиально невозможно, возникает проблема утечки рабочего тела (жидкости) из гидравлической системы. Но данные технические проблемы не принципиальны. При современном уровне развития техники можно обойтись без вала, а подачу жидкости в ячейки (из ячеек) осуществлять через клапаны, последовательность срабатывания которых управляется полупроводниковым коммутатором, либо ЭВМ.

Принципиальным недостатком вышеописанной конструкции (даже если бы она использовала в качестве рабочего тела не жидкость, а газ, а управление работой клапанов осуществлялось современной электроникой) является схема обмена рабочим телом (жидкостью, газом) внутри гидравлической (пневматической) системы, в результате чего получается перерасход энергии. То есть можно добиться снижения затрат энергии, которую расходует основной компрессор в процессе работы гидравлической (пневматической) системы и одновременно сохранить прежний объем выполнения волновым движителем полезной работы путем более рационального движения рабочего тела внутри (по сосудам) гидравлической (пневматической) системы волнового движителя.

Принципы движения искусственной волны (ИВ) вдоль борта судна (ИВ состоит из последовательно расширяющихся и сжимающихся ячеек (надуваемых и сдуваемых чехлов) в направлении, противоположном направлению движения субмарины) подразумевает парность. Это значит, что когда один чехол находится в процессе сдувания (сжимания), другой чехол обязательно находится в процессе надувания (расширения). Под давлением забортной воды (если соединить сдуваемый и надуваемый чехлы трубопроводом) оба чехла обменяются рабочим телом (газом, жидкостью) и остановятся на одном уровне давления на стадии полурасширения (полусжатия). На этой стадии затрачивать энергию основного компрессора на перекачку рабочего тела (жидкости, газа) из сжимаемого в расширяемый чехлы (ячейки) нет смысла, поскольку по закону соединяющихся сосудов внутреннее давление в них выровняется под внешним давлением забортной воды. То есть система сама возвращается из неустойчивого в устойчивое состояние равновесия. На следующей (второй) стадии расширяющийся чехол (который пока находится в полурасширенном состоянии) должен полностью расшириться (подняться до своей наивысшей точки), а сжимающийся чехол (который находится в полуспущенном состоянии) должен полностью сжаться (опуститься до своей низшей точки). То есть система из своего устойчивого состояния равновесия должна перейти в неустойчивое состояние равновесия. Чтобы перекачать оставшуюся половину газа (жидкости) из полусжатого чехла (и, тем самым, опустить его до низшей точки) в полурасширенный чехол (и, тем самым, поднять его до высшей точки) требуются затраты энергии (затраты энергии нужны, чтобы перевести пневматическую (гидравлическую) систему из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое). Таким образом, чтобы система вернулась из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое искусственно тратить энергию бессмысленно, а для того, чтобы система перешла из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое искусственные затраты энергии необходимы для работы волнового движителя. Следовательно, первая половина объема газа (жидкости) может перекачиваться из опускающегося в поднимающийся чехол (до выравнивания в них давления) без искусственных затрат энергии, а вторая половина объема рабочего тела требует искусственных затрат энергии. В работе господина Charles В. Momsen и первая, и вторая половина объема рабочего тела перекачиваются с одинаковыми затратами энергии на работу компрессора (5.1) из ТНД (2) в ТВД (1) (все циркулирующее в системе рабочее тело (жидкость) проходит через основной компрессор (5.1)) (Фиг.1). Таким образом, в вышеприведенных патентах затрачиваемая энергия на работу волнового движителя превышает возможные необходимые затраты энергии.

Предлагается создать двухконтурную пневматическую систему волнового движителя (двухконтурную ПСВД). Основной контур (включает в себя ТНД (2), ТВД (1), ячейки (6) и компрессор (5.1)) предназначен для выведения системы из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое. Дополнительный контур предназначен для возврата системы из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое (включает в себя ячейки (6) и трубопроводы (4), непосредственно соединяющие между собой парные ячейки) (см. Фиг.2, 4, 5). Второй (дополнительный) контур представляет собой систему подачи рабочего тела (жидкости, газа) непосредственно из ячейки в ячейку в конструкции волнового движителя подводного аппарата (без прохождения рабочего тела (жидкости, газа) через основной компрессор. Таким образом, фактически, предлагается двухконтурная конструкция пневматической системы волнового движителя (ПСВД) в противовес одноконтурной. Снизив в два раза объем воздуха, перекачиваемого через основной контур (вторая половина объема воздуха перекачивается через дополнительный контур), снижаются затраты энергии на работу основного компрессора (5.1), а значит повышается КПД всей пневматической системы волнового движителя (ПСВД).

Сущность изобретения.

В качестве рабочего тела для образования искусственной волны (ИВ) в дальнейшем я буду рассматривать газ (воздух), но не жидкость по следующим причинам.

1. Газ моментально (быстрее, чем жидкость) заполняет предоставленный ему объем сосуда. Это позволяет увеличить скорость операций (скорость обмена рабочим телом между сосудами), происходящих в пневматической системе по сравнению с гидравлической системой.

2. Газ имеет меньшую удельную плотность, чем жидкость. Поэтому подводный аппарат с волновым движителем, использующим рабочее тело – газ, может иметь на борту больше полезного груза, при этом сохранять плавучесть.

3. Пневматическая система и так существует в любом подводном аппарате (при погружении из балластных цистерн откачивается и сжимается воздух), поэтому осталось только подсоединить новую пневматическую систему к уже существующей.

Общее описание пневматической системы волнового движителя (ПСВД).

Вдоль борта субмарины, оснащенной волновым движителем (ВД) (Фиг.10), расположены до нескольких рядов гофрированных чехлов (ячеек) (6), последовательное расширение (надувание) и сжатие (сдувание) которых образует движущуюся вдоль борта субмарины искусственную волну (ИВ). Для последовательного надувания и сдувания гофрочехлов (ячеек) предназначена пневматическая система волнового движителя (ПСВД), которая расположена внутри корпуса субмарины с ВД вдоль рядов гофрочехлов (ячеек) (6). ПСВД состоит из следующих основных элементов (Фиг.1, 2):

1. Трубопровод высокого давления (ТВД) (1).

2. Трубопровод низкого давления (ТНД) (2).

3. Трубопровод среднего давления (ТСД) (3).

4. Трубопровод, соединяющий парные ячейки (ТЯ) (4).

5. Основной компрессор (5.1).

6. Ячейка (гофрированный чехол) (6).

7. Клапан (7).

Три сосуда (ТВД, ТНД, ячейки) соединены между собой (каждый с двумя другими) (Фиг.1, 2). Доступ из одного сосуда в другой перекрывают клапаны (7), которые могут находиться в одном из двух режимов работы: «клапан открыт» и «клапан закрыт». Парные ячейки между собой соединены трубопроводами (ТЯ) (4) (Фиг.2), которые также контролируются клапанами (7). Для того, чтобы чехлы (6) в процессе надувания (расширения) и сдувания (сжатия) не мешали друг другу (не терлись друг о друга) в межчехольном пространстве (10) надо поддерживать давление воздуха, равное давлению забортной воды. Для этих целей существует трубопровод среднего давления (ТСД) (3), который соединен с пространствами между чехлами (10) специальными отверстиями (11) (Фиг.1; 2) и давление рабочего тела (воздуха), в котором равно давлению забортной воды.

ПСВД работает следующим образом: основной компрессор (5.1) (двигатель, заставляющий работать всю ПСВД) перекачивает воздух из ТНД (2) в ТВД (1) (Фиг.1; 2). В результате этого в ТНД (2) возникает разреженность, а в ТВД (1) – повышенное давление. Если открыть клапан (7) из ТВД (1) в ячейку (6), а клапан (7) между ячейкой (6) и ТНД (2) оставить закрытым, то ячейка расширится (ее давление сравняется с давлением в ТВД). Если закрыть клапан (7) из ТВД (1) в ячейку (6), а клапан (7) между ячейкой (6) и ТНД (2) открыть, то ячейка сожмется (ее давление сравняется с давлением в ТНД) (Фиг.1; 2). Если открыть клапан (7), находящийся в трубопроводе, соединяющим между собой парные ячейки (ТЯ) (4), то можно перекачать часть воздуха из одной ячейки (сжимаемой) в другую ячейку (расширяемую) без затрат энергии (Фиг.2). Последовательная и скоординированная работа клапанов вместе с работой компрессора образует искусственную волну (ИВ), движущуюся вдоль борта подводного аппарата в направлении, противоположном направлению движения самого подводного аппарата. Если одновременно остановить работу основного компрессора (5.1) и переключение клапанов (7), то перемещение ИВ вдоль борта подводного аппарата прекратится (ИВ остановится), но сама ИВ останется, потому что сохраняется разность давления между ТВД (1) и ТНД (2). Чтобы ИВ исчезла (сравнялась с уровнем ряда ячеек), а сами ячейки (чехлы) (6) оказались в полурасширенном состоянии, нужно выровнять давление между ТНД (2) и ТВД (1). Эта операция производится, когда ПСВД переходит из рабочего состояния в нерабочее. Для выполнения данной операции существует трубопровод, соединяющий ТНД (2) и ТВД (1) в обход основного компрессора (5.1) (Фиг.1, 2). В этом трубопроводе есть клапан (7), который открывается, когда ПСВД переходит в нерабочее состояние, а когда клапан (7) закрыт, тогда ПСВД способна функционировать при работающем основном компрессоре (5.1).

Принципы работы пневматической системы волнового движителя (ПСВД).

ПРАВИЛО: Среднее давление воздуха в ПСВД (Р_ср) равно давлению забортной воды.

(Данное правило справедливо как для одноконтурной (Фиг.1), так и для двухконтурной ПСВД (Фиг.2)).

ПРАВИЛО: В ТВД давление воздуха (Р_выс) выше давления забортной воды (Р_ср) ровно на столько, на сколько в ТНД давление воздуха (Р_низ) ниже давления забортной воды (Р_ср).

Р_выс-Р_ср=Р_ср-Р_низ

(Данное правило справедливо как для одноконтурной (Фиг.1), так и для двухконтурной ПСВД (Фиг.2)).

Разность давлений воздуха между ТВД (1) и ТНД (2) поддерживается за счет работы основного компрессора (5.1), перекачивающего воздух из ТНД (2) в ТВД (1) (Фиг.1, 2).

ПРАВИЛО: Количество максимально расширенных ячеек должно быть равным количеству максимально сжатых ячеек в ряду ячеек (в каждый конкретный момент времени), количество одновременно сжимающихся ячеек с объема V до объема V/2 должно быть равным количеству одновременно расширяющихся ячеек с объема 0 до объема V/2 в ряду ячеек, а количество одновременно сжимающихся ячеек с объема V/2 до объема 0 должно быть равным количеству одновременно расширяющихся ячеек с объема V/2 до объема V в ряду ячеек.

(Данное правило справедливо как для одноконтурной (Фиг.1), так и для двухконтурной ПСВД (Фиг.2)).

Принцип парности: принцип парности означает, что в процессе движения искусственной волны (ИВ) вдоль борта субмарины, для каждой расширяющейся ячейки существует парная ей сжимающаяся ячейка в течение одного и того же интервала времени (это очевидно, поскольку ИВ имеет два склона: подъем к вершине и спуск с вершины).

Из принципа парности ячеек следует вывод о наличии двух стадий, в течение которых воздух полностью переходит из максимально расширенной ячейки в максимально сжатую (две стадии взаимодействия парных ячеек). На схеме Фиг.3 изображен обмен рабочим телом (газом) между двумя парными ячейками (первой (слева)(сжимаемой) и второй (справа) (расширяемой)) в одноконтурной пневматической системе волнового движителя (одноконтурной ПСВД) в течение двух интервалов времени t (t₁; t₂). На схеме Фиг.4 изображен обмен рабочим телом (газом) между двумя ячейками (первой (слева) (сжимаемой) и второй (справа) (расширяемой)) в двухконтурной пневматической системе волнового движителя (двухконтурной ПСВД) в течение двух интервалов времени t (t₁; t₂). Двухконтурная ПСВД отличается от одноконтурной ПСВД тем, что имеет дополнительный контур – систему трубопроводов (4), непосредственно соединяющих между собой парные ячейки. На схемах Фиг.3 и 4 изображен переток рабочего тела (газа) из первой (слева) (сжимаемой) ячейки во вторую (справа) (расширяемую) ячейку (первая и вторая ячейки являются парными и отстоят друг от друга через две другие ячейки).

Первая стадия (длится в течение интервала времени t₁). В исходном состоянии парных ячеек первая из них (сжимаемая) имеет высокое давление и ее объем равен V (Фиг.3; 4; 5) (вверху листа слева) (на момент начала интервала времени t₁), а вторая ячейка (расширяемая) имеет низкое давление и ее объем равен 0 (вверху листа справа) (на момент начала интервала времени t₁). Если осуществить прямой и непосредственный переток воздуха из первой (сжимаемой) ячейки во вторую (расширяемую) через дополнительный контур (трубопровод, непосредственно соединяющий парные ячейки (4)), то их объемы сравняются без затрат энергии по закону сообщающихся сосудов под давлением забортной воды (Фиг.4). В одноконтурной ПСВД процесс – перетока рабочего тела (газа) из первой (сжимаемой) ячейки во вторую (расширяемую) происходит через единственный основной контур (через основной компрессор (5.1)) (Фиг.3). На момент окончания первой стадии взаимодействия парных ячеек (на момент окончания интервала времени t₁ и момент начала интервала времени t₂) первая (сжимаемая) (в центре листа слева) и вторая (расширяемая) (в центре листа справа) ячейки имеют одинаковое внутреннее давление рабочего тела (газа), равное давлению забортной воды, их объем равен V/2. Первая стадия происходит в течение интервала времени t₁ (Фиг.3; 4; 5). Пневматическая система, состоящая из двух парных ячеек, по итогам первой стадии цикла возвращается из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое (давление рабочего тела (воздуха) в парных ячейках выравнивается и становится равным давлению забортной воды). Векторы изменения давления первой (сжимаемой) и второй (расширяемой) ячеек противонаправлены во время первой стадии и давления (и объемы) рабочего тела внутри парных ячеек движутся навстречу друг другу до момента их полного выравнивания (Фиг.5). Необходимости в затратах энергии во время первой стадии нет. Если такие затраты энергии есть, как в одноконтурной ПСВД (Фиг.3), то это делает ПСВД не эффективной.

Вторая стадия (длится в течение интервала времени t₂). В исходном состоянии первая (сжимаемая) (в центре листа слева) и вторая (расширяемая) (в центре листа справа) ячейки имеют одинаковое внутреннее давление (объем каждой из ячеек равен V/2) (Фиг.3; 4; 5). При осуществлении некоторых усилий (дополнительных затратах энергии) давление в первой (сжимаемой) ячейке понижается со среднего (Р_ср) до низкого (Р_низ) и ее объем в конце второй стадии составляет 0 (объем уменьшается с V/2 до 0). Одновременно давление рабочего тела во второй (расширяемой) ячейке повышается со среднего (P_cp) до высокого (Р_выс) и ее объем в конце второй стадии составляет V (объем повышается с V/2 до V). Вторая стадия длится в течение интервала времени t2 (Фиг.3; 4; 5). Вторая стадия означает переход от устойчивого состояния равновесия к неустойчивому состоянию равновесия, когда первая ячейка (сжимаемая) (внизу листа слева) полностью сжата, а вторая ячейка (расширяемая) (внизу листа справа) полностью расширена (Фиг.3; 4; 5). Векторы изменения давления первой (сжимаемой) и второй (расширяемой) ячеек противонаправлены во время второй фазы и ячейки изменяют свое давление и объем до состояния, пока первая сожмется до минимума, а вторая – расширится до максимального объема (Фиг.5). Переток рабочего тела (газа) между парными ячейками во время второй стадии происходит через основной контур (основной компрессор (5.1)) как в одноконтурной ПСВД (Фиг.3), так и в двухконтурной ПСВД (Фиг.4). Затраты энергии (на работу основного компрессора (5.1)) во время второй стадии необходимы и оправданы для функционирования одноконтурной и двухконтурной ПСВД.

Для выбранной конфигурации искусственной волны (ИВ) справедливо утверждение, что для двух парных ячеек объем воздуха, равный V, перекачивается из одной ячейки в другую в течение интервала времени равного 2t(Фиг.3, 4, 5).

Согласно принципу парности для выбранной конфигурации ИВ для одной ИВ, состоящей из шести соседних ячеек, в течение одного и того же интервала времени t существуют две пары парных ячеек, изменяющих свой объем в противоположных направлениях (не считая пары, которая удерживается в максимально расширенном и максимально сжатом состоянии в течение интервала времени t).

Первая пара (ячейки 3 и 6) (Фиг.1; 2; 7) находится в первой стадии цикла, то есть объем этих ячеек стремится от максимально расширенного (ячейка 3) и максимально сжатого (ячейка 6) к среднему уровню давления навстречу друг другу. Для первой пары ячеек затрат энергии не нужно, поскольку система возвращается из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое.

Вторая пара (ячейки 2 и 5) (Фиг.1; 2; 7) находится во второй стадии цикла и также изменяет свой объем в противоположных направлениях, стремясь от среднего объема к максимально сжатому объему (ячейка 2) и от среднего к максимально расширенному объему (ячейка 5) в течение интервала времени t. Вторая пара требует затрат энергии, поскольку система переходит от устойчивого состояния равновесия к неустойчивому.

Третья пара ячеек (ячейки 1 и 4) не изменяет своего объема (и давления содержащегося в них рабочего тела) в течение интервала времени t (Фиг.1; 2; 7). Так ячейка 4 в течение данного интервала времени t находится в максимально расширенном состоянии, а ячейка 1 в течение того же интервала времени t находится в максимально сжатом состоянии. Конструкция ПСВД удерживает ячейки 1 и 4 в постоянном полярном положении в течение интервала времени t. Что касается затрат энергии на удержание ячейки 4 в максимально расширенном состоянии в течение интервала времени t и затрат энергии на удержание ячейки 1 в максимально сжатом состоянии в течение интервала времени t, то необходимость этих затрат определяется конструктивными особенностями основного компрессора (5.1) (Фиг.1; 2). Так если конструкция основного компрессора (5.1) пропускает рабочее тело (воздух) в обратном направлении из ТВД (1) в ТНД (2) (это возможно, если в место основного компрессора стоит вентилятор), то дополнительные затраты энергии на поддержание ячеек 1 и 4 в полярном состоянии в течение интервала времени t необходимы. Если основной компрессор (5.1) не пропускает рабочее тело в обратном направлении из ТВД (1) в ТНД (2) (это возможно, например, если основной компрессор является компрессором поршневого типа), то дополнительные затраты энергии на поддержание ячеек X» 1 и 4 в полярном состоянии в течение интервала времени t не нужны.

Три пары парных ячеек (ячейка 1 и ячейка 4; ячейка 2 и ячейка 5; ячейка 3 и ячейка 6) составляют искусственную волну (ИВ), как часть синусоиды, образованной рядом ячеек, расположенных вдоль борта подводного аппарата (Фиг.1; 2; 7; 8). В двухконтурной ПСВД (Фиг.2) парные ячейки соединены между собой отдельным трубопроводами (4): ячейка 1 соединена трубопроводом с ячейкой 4, ячейка 2 соединена трубопроводом с ячейкой 5, ячейка 3 соединена трубопроводом с ячейкой №6 (совокупность данных трубопроводов (4), соединяющих парные ячейки, в двухконтурной ПСВД составляет дополнительный контур).

Исходя из вышесказанного следует, что ПСВД функционирует под действием двух сил.

Сила F₁ – сила, приводящая давление в системе, состоящей из двух ячеек, из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое. Силу F₁ можно воспринимать, как силу давления забортной воды. Под действием этой силы в соединенных между собой парных ячейках, где в исходном состоянии одна имеет высокое давление (объем V), а другая – низкое давление (объем 0), происходит выравнивание внутреннего давления этих ячеек (до объема V/2) при воздействии внешнего давления забортной воды. Эта сила не требует искусственных затрат энергии, поскольку система (включает две парные ячейки) стремится к возврату в устойчивое состояние равновесия. Таким образом, сила F₁ – это сила давления забортной воды на борт субмарины (Фиг.5). Производной от величины силы F₁ является величина давления Р_ср (среднее давление).

Сила F₂ – сила, приводящая давление в системе, состоящей из двух парных ячеек, из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое. Силу F₂ можно воспринимать, как силу давления рабочего тела (газа), периодически поступающего из ТВД (1) в ячейку (6). Под действием этой силы происходит перекачка воздуха из одной ячейки в другую, где в исходном состоянии две ячейки имеют равное давление (объем V/2), а в конечном – разное (объем 0 и объем V). Действие этой силы обусловлено затратами энергии на работу основного компрессора (5.1), для того чтобы систему вывести из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое (Фиг.5). Производным от величины силы F₂ являются величина давления рабочего тела Р_выс в ТВД (1) и полностью расширенных ячейках (6).

По своей абсолютной величине сила F₁ меньше силы F₂ (иначе пневматическую систему невозможно было бы вывести из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое). Однако сила F₁ действует постоянно как в первой стадии цикла взаимодействия парных ячеек, так и в течение второй стадии (действительно, давление забортной воды не зависит от стадии взаимодействия парных ячеек), а вот интервал, в течение которого действует сила F₂, регулируется искусственно: так в течение первой стадии цикла взаимодействия парных ячеек сила F₂ не действует, а в течение второй стадии цикла взаимодействия парных ячеек сила F₂ действует и превосходит по своей абсолютной величине значение силы F₁. To есть абсолютное значение силы F₁ меньше абсолютного значения силы F₂, но действие силы F₁ постоянно, а сила F₂ пульсирует в зависимости от стадии взаимодействия парных ячеек. Векторы направления действия этих сил противонаправлены (Фиг.5).

F₁2

Поскольку сила F₂ по своей абсолютной величине больше силы F₁, из этого следует, что при погружении субмарины на большую глубину возрастает сила F₁ (сила давления забортной воды), а вместе с ней должна возрастать и сила F₂ (чтобы быть больше силы F₁ на некоторую постоянную величину). Величина, на которую сила F₂ превышает силу F₁, должна быть минимальной и достаточной для расширения ячейки от полурасширенного состояния до максимально расширенного состояния в течение интервала времени t, и не должна быть достаточной, чтобы повредить (разорвать) сосуды (гофрочехлы (6), клапаны (7) и систему трубопроводов (1; 2; 3; 4)).

Измерители процессов, протекающих в ПСВД.

Величина t – интервал времени между моментом времени начала (окончания) расширения (сжимания) какой-либо ячейки и моментом времени начала (окончания) расширения (сжимания) соседней с ней ячейки в ряду ячеек, расположенной по направлению движения искусственной волны (ИВ).

То есть ячейка 6 начинает расширение через интервал времени t после того, как начала расширение ячейка 5 (Фиг.7; 8) в процессе движения ИВ от ячейки 5 к ячейке 6. Полное расширение ячейки из максимально сжатого состояния (давление рабочего тела внутри ячейки – Р_низ, объем рабочего тела внутри ячейки – 0) до максимально расширенного состояния (давление рабочего тела внутри ячейки – Р_выс, объем рабочего тела внутри ячейки – V) происходит в течение интервала времени 2t (Фиг.8). Полное сжатие ячейки из максимально расширенного состояния (давление рабочего тела внутри ячейки – Р_выс, объем рабочего тела внутри ячейки – V) до максимально сжатого состояния (давление рабочего тела внутри ячейки – Р_низ, объем рабочего тела внутри ячейки – 0) происходит также в течение интервала времени 2t.

Величина интервала времкни t является мерой времени для ПСВД.

S – ширина профиля одного чехла (ячейки) (6) плюс ширина одного межчехольного пространства (10) (Фиг.7).

Ширина профиля искусственной волны (ИВ) измеряется в количестве величин S. Так для выбранной в данной работе конфигурации ИВ, ее ширина профиля равна 6S (Фиг.7). ИВ представляет собой часть синусоиды, образуемой рядом из любых шести последовательно расположенных (соседних) ячеек в ряду ячеек, размещенных вдоль борта подводного аппарата, поднятых на разную высоту до высоты h и координированно изменяющих свой объем.

Величина h – высота, на которую поднимается максимально расширенная ячейка (с объемом рабочего тела внутри ячейки – V и давлением рабочего тела внутри ячейки – Р_выс) относительно максимально сжатой ячейки (с объемом рабочего тела внутри ячейки – 0 и давлением рабочего тела внутри ячейки – Р_низ). Величина h также характеризует высоту ИВ в ее наивысшей точке. Высота h показывает максимальную амплитуду колебания синусоиды, образованной ячейками, расширенными до разной высоты, в ряду ячеек (Фиг.7).

Величины S и h являются измерителями расстояния для ПСВД.

v_ив – скорость движения искусственной волны вдоль борта подводного аппарата (вдоль ряда ячеек);

v_я – скорость расширения (сжатия) ячейки от максимально сжатого до максимально расширенного состояния.

Согласно выбранной конфигурации ИВ

v_я=h/2t

V – объем рабочего тела (воздуха), заполняющего полностью расширенную ячейку. В величину объема V не включается тот объем воздуха, который бы содержался в ячейке, если бы она была полностью сжата. То есть V – это превышение объема максимально расширенной ячейки над объемом максимально сжатой ячейки (Фиг.7). Давление рабочего тела (воздуха) в полностью расширенной ячейке (до объема V) соответствует значению Р_выс и равно давлению рабочего тела (воздуха) в ТВД (1). Для ПСВД условимся называть давление воздуха, сосредоточенного в максимально расширенной ячейке до объема V «высоким» (Р_выс).

V/2 – означает объем рабочего тела (воздуха), заполняющего полурасширенную (полу сжатую) ячейку. Давление в объеме V/2 соответствует давлению в ТСД (3) и давлению забортной воды. Условимся называть давление воздуха в полурасширенной (полусжатой) ячейке до объема V/2 «средним» (Р_ср). Среднее давление для всей ПСВД (как одноконтурной, так и двухконтурной) равно давлению забортной воды и является «средним» (Р_ср) (Фиг.7).

0 – означает объем рабочего тела (воздуха), заполняющего полностью сжатую ячейку. Давление в объеме 0 полностью сжатой ячейки соответствует давлению в ТНД (2). Условимся называть давление рабочего тела (воздуха) в объеме 0 «низким» (Р_низ) для ячейки (Фиг.7).

ПС_ив – пропускная способность искусственной волны (ИВ). Означает объем воздуха, входящего в одну ИВ и выходящего из одной ИВ в течение интервала времени t.

ПС_к – пропускная способность основного компрессора (5.1), соединяющего ТНД (2) и ТВД (1). Означает объем воздуха, входящего и выходящего из основного компрессора в течение интервала времени t. Обозначим пропускную способность основного компрессора в одноконтурной ПСВД, как ПС_к(1), а пропускную способность основного компрессора в двухконтурной ПСВД, как ПС_к(2).

Величина n – количество ИВ, перманентно создаваемых рядом ячеек, и находящихся в состоянии движения вдоль этого ряда ячеек;

m – количество ячеек, находящихся в ряду ячеек.

n=m/6 (для выбранной конфигурации ИВ).

Количество ячеек, находящихся в ряду ячеек вдоль борта подводного аппарата (m), должно быть кратно шести, учитывая, что длина одной ИВ равна шести ячейкам (такова выбранная конфигурация ИВ). Если это правило не соблюдать, то невозможно зациклить дополнительный контур (соединить трубопроводами (4) последние три ячейки в ряду ячеек и первые три ячейки в ряду ячеек, расположенных вдоль борта подводного аппарата) (Фиг.2). Под термином «искусственная волна» (ИВ) следует понимать часть движущейся синусоиды, образованной координирование) расширяющимися и сжимающимися ячейками (6) в ряду ячеек, расположенных вдоль борта подводного аппарата, состоящую из шести ячеек.

Р_ср – среднее давление, равное давлению забортной воды, существует в ТСД (3), а также в полурасширенных (полусжатых) ячейках объемом V/2.

Р_низ – низкое давление, существует в ТНД (2), а также в полностью сжатых ячейках объемом 0.

Р_выс – высокое давление, существует в ТВД (1), а также в полностью расширенных ячейках объемом V.

Одноконтурная ПСВД.

Функционирование одноконтурной ПСВД подразумевает, что весь объем содержащегося в ней рабочего тела (воздуха) движется по единственному контуру по следующему маршруту: ячейки (6) – ТНД (2) – основной компрессор (5.1) – ТВД (1) – ячейки (6) (Фиг.1). То есть весь объем рабочего тела (воздуха) перекачивается через основной компрессор (5.1).

Рассмотрим процесс взаимодействия парных ячеек в одноконтурной ПСВД (Фиг.3). Полный цикл перетока воздуха из одной парной ячейки в другую, согласно выбранной конфигурации ИВ, длится в течение двух интервалов времени t (2t=t₁+t₂). На момент начала данного интервала времени (2t) первая ячейка (сжимаемая) (в верхней части листа слева) (6) расширена до предела, ее объем равен V, а давление воздуха в ней равно Р_выс. Вторая ячейка (расширяемая) (в верхней части листа справа) (6) сжата до предела, ее объем равен 0, а давление Р_низ. Разность давления между парными ячейками является наивысшей для цикла взаимодействия парных ячеек (Р_выс-Р_низ). Согласно схеме Фиг.1, где изображена ИВ в статике, первой ячейке (сжимаемой) соответствует положение ячейки 3 (расширена до предела), а второй ячейке (расширяемой) соответствует положение ячейки №6 (сжата до предела). На момент начала интервала времени 2t положение клапанов следующее (Фиг.3).

Первая ячейка (сжимаемая) (слева): Ячейка – ТНД – закрыт, ТВД – Ячейка – открыт.

Вторая ячейка (расширяемая) (справа): Ячейка – ТНД – открыт, ТВД -Ячейка – закрыт.

В течение интервала времени 2t из первой ячейки во вторую перекачивается весь содержащийся в ней воздух. За этот период времени объем первой ячейки снизился с V до 0, а давление воздуха в ней упало с Р_выс до Р_низ. Объем второй ячейки повысился с 0 до V, а давление возросло с Р_низ до Р_выс (Фиг.3). Таким образом, на момент окончания интервала времени 2t разность давления между ячейками достигла наивысшей величины (Р_выс-Р_низ). Согласно схеме Фиг.1, где изображена ИВ в статике, на момент окончания интервала времени 2t, первой ячейке (сжимаемой) соответствует положение ячейки 1 (сжата до предела), а второй ячейке (расширяемой) соответствует положение ячейки №4 (расширена до предела). На момент окончания интервала времени 2t положение клапанов следующее (Фиг.3).

Первая ячейка (сжимаемая) (слева): Ячейка – ТНД – открыт, ТВД – Ячейка – закрыт.

Вторая ячейка (расширяемая) (справа): Ячейка – ТНД – закрыт, ТВД – Ячейка – открыт.

Для одноконтурной ПСВД трудно определить момент, когда пневматическая система вернулась из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое (сила F₁ действует, а сила F₂=0), потому что весь воздух из первой ячейки во вторую ячейку перекачивается основным компрессором (5.1) (Фиг.1, 3). То есть возникает предположение, что весь процесс перетока воздуха происходит под давлением, создаваемым основным компрессором, а давление забортной воды не «помогает» выравниваться давлению воздуха между парными ячейками. На этот счет могу сказать следующее: на момент начала интервала времени 2t, когда открылись клапаны между первой (сжимаемой) ячейкой и ТНД (2), а также между второй (расширяемой) ячейкой и ТВД (1), возникает избыточное давление в ТНД (2) и недостаточное давление в ТВД (1), что понижает разность давлений между ТНД (2) и ТВД (1).

В течение интервала времени 2t между первой (сжимаемой) и второй (расширяемой) ячейками был перемещен объем воздуха V, который прошел по единственному контуру через основной компрессор (5.1) (Фиг.3).

Возникает вопрос: какая должна быть пропускная способность основного компрессора (5.1) в одноконтурной ПСВД? Выше указывалось, что, согласно принятой конфигурации ИВ, в процессе формирования одной ИВ действуют две пары парных ячеек. В течение одного интервала времени t первая пара (ячейка 3 и ячейка 6) (Фиг.1, 7) находится в первой стадии цикла (выравнивание давления), следовательно, для первой пары объем перетока воздуха равен V/2 (в течение интервала времени t) (Фиг.7). Вторая пара (ячейка 2 и ячейка 5) (Фиг.1, 7) находится во второй стадии цикла перетока рабочего тела между парными ячейками (полусжатая ячейка сжимается до предела (ячейка №2), а полурасширенная ячейка расширяется до предела (ячейка 5)), следовательно, для второй пары объем перетока воздуха равен V/2 (в течение интервала времени t). Таким образом в течение одного интервала времени t происходит кругооборот рабочего тела, равный два раза по V/2 (V/2+V/2=V). Следовательно, пропускная способность ИВ в течение одного интервала времени t равна V/t.

ПС_ив=V/t

Что касается пропускной способности основного компрессора (5.1), то следует учитывать, что один основной компрессор (5.1) обслуживает не менее одного ряда ячеек (допустим, один ряд), а в одном ряду ячеек перманентно может быть n ИВ. Тогда пропускная способность основного компрессора в одноконтурной ПСВД (ПС_к(1)) должна быть равна:

ПС_к(1)=Vn/t.

То есть пропускная способность одной ИВ (ПС_ив=V/t) умножается на количество ИВ в одном ряду ячеек (при условии, что один основной компрессор обслуживает один ряд ячеек). Это справедливо, поскольку в одноконтурной ПСВД весь объем рабочего тела проходит через основной компрессор (5.1) (Фиг.1).

Двухконтурная ПСВД.

С технической точки зрения двухконтурная ПСВД отличается от одноконтурной наличием трубопроводов (4), соединяющих между собой парные ячейки и, как следствие, некоторыми особенностями в последовательности срабатывания клапанов (Фиг.2). Совокупность трубопроводов (4), соединяющих между собой парные ячейки, и есть дополнительный контур, через который осуществляется подача рабочего тела (газа) непосредственно из ячейки в ячейку в конструкции волнового движителя подводного аппарата (без участия ТНД (2), ТВД (1) и основного компрессора (5.1)). Трубопроводы, соединяющие парные ячейки (ТЯ) (4), соединяют между собой только парные ячейки и не соединяются с двумя другими сосудами ПСВД: трубопроводом низкого давления (ТНД) (2) и трубопроводом высокого давления (ТВД) (1) (Фиг.2; 6). Парными ячейки называются в том случае, если в процессе движения ИВ одна из них (ячеек) опускается (сжимается), а другая одновременно поднимается (расширяется). Согласно выбранной конфигурации ИВ любые две ячейки, которые разделяет следующие (промежуточные) две ячейки, являются парными (то есть парной является следующая третья ячейка в ряду ячеек). То есть для ячейки 1 парной является ячейка 4 (они соединены между собой трубопроводом (4)), для ячейки 2 парной является ячейка 5 (они соединены между собой трубопроводом (4)), для ячейки 3 парной является ячейка 6 (они соединены между собой трубопроводом (4)) и так далее (Фиг.2). Комплекс трубопроводов (4), соединяющих парные ячейки, имеет форму кольца (зациклен). Так последние в ряду ячейки соединены с парными им первыми в ряду ячейками (если ячейка находится последней в конце ряда, то парной ей является третья ячейка с начала ряда; если ячейка является предпоследней в ряду, то парной ей является вторая ячейка с начала ряда; и так далее) (Фиг.2). Данный закольцованный комплекс трубопроводов является замкнутым контуром, который в дальнейшем будет именоваться дополнительным контуром. ПСВД, оснащенная трубопроводами, соединяющими парные ячейки, имеет два контура (основной и дополнительный) (Фиг.2; 6).

1. Основной контур включает в себя следующие элементы: ячейки (гофрочехлы) (6), трубопровод низкого давления (ТНД) (2), основной компрессор (5.1), трубопровод высокого давления (ТВД) (1), ячейки (6).

2. Дополнительный контур включает в себя следующие элементы: ячейки (гофрочехлы) (6), трубопроводы между парными ячейками (ТЯ) (4).

Единственным объектом, в котором пересекаются основной и дополнительный контуры является ряд ячеек (Фиг.2; 6).

В дальнейшем ПСВД, оснащенная трубопроводами (4), соединяющими парные ячейки, будет называться двухконтурной, а ПСВД, не оснащенная ими, будет называться одноконтурной.

В двухконтурной ПСВД каждая ячейка соединена с двумя парными ей ячейками посредством ТЯ (4). Так, например, ячейка 4 соединена с ячейкой 1 (ячейка «-3») и с ячейкой 7 (ячейка «+3»). Ячейка 5 соединена с ячейкой 2 (ячейка «-3») и с ячейкой 8 (ячейка «+3») и так далее.

Смысл трубопровода, соединяющего парные ячейки, состоит в том, чтобы дать возможность сравнять давление воздуха одной и другой парной ячейки до среднего (между ними) уровня под внешним давлением забортной воды. Это действительно так, потому что трубопроводы, соединяющие парные ячейки (4) не имеют компрессоров. Каждый трубопровод, соединяющий парные ячейки (4), имеет свой клапан (7), который либо открывает, либо закрывает этот трубопровод. Каждую ячейку отделяет от ТВД (1) и ТНД (2) по клапану (7) (Фиг.2).

Рассмотрим теперь процесс взаимодействия парных ячеек в двухконтурной ПСВД (Фиг.4). Полный цикл перетока воздуха из одной парной ячейки в другую, согласно выбранной конфигурации ИВ, длится в течение двух интервалов времени t (2t=t₁+t₂). На момент начала интервала времени t₁ первая ячейка (сжимаемая) (вверху листа слева) (6) расширена до предела, ее объем равен V, а давление воздуха в ней равно Р_выс. Вторая ячейка (расширяемая) (вверху листа справа) (6) сжата до предела, ее объем равен 0, а давление Р_низ (Фиг.4). Разность давления между парными ячейками является наивысшей для цикла взаимодействия парных ячеек (Р_выс-Р_низ). Согласно Фиг.2, где изображена ИВ в статике, на момент начала интервала времени t₁ первой ячейке (сжимаемой) соответствует положение ячейки 3 (расширена до предела), а второй ячейке (расширяемой) соответствует положение ячейки 6 (сжата до предела). На момент начала интервала времени t₁ положение клапанов следующее (Фиг.4):

Первая ячейка (сжимаемая) (слева): Ячейка – ТНД – закрыт, ТВД – Ячейка – открыт.

Трубопровод, соединяющий парные ячейки: Ячейка – Ячейка – закрыт.

Вторая ячейка (расширяемая) (справа): Ячейка – ТНД – открыт, ТВД – Ячейка – закрыт.

В течение интервала времени t₁ протекает первая стадия взаимодействия парных ячеек, в течение которой происходит выравнивание внутренних давлений и объемов между парными ячейками. Для этих целей открывается клапан (7), находящийся в трубопроводе (4), соединяющем парные ячейки (Фиг.4 в середине листа). Под давлением забортной воды внутреннее давление воздуха в первой (сжимаемой) и второй (расширяемой) ячейках выравнивается через соединяющий их трубопровод (4). Для данного перетока воздуха не было искусственно затрачено энергии. Пневматическая система возвратилась из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое. В течение интервала времени t₁ объем первой ячейки (сжимаемой) (в середине листа слева) уменьшился с V до V/2, ее давление снизилось с Р_выс до Р_ср (Фиг.4). Объем второй ячейки (расширяемой) (в середине листа справа) возрос с 0 до V/2, ее давление повысилось с Р_низ до Р_ср (Фиг.4). На момент окончания интервала времени t₁ и момент начала интервала времени t₂ разности давления между первой (сжимаемой) и второй (расширяемой) ячейками нет (Р_ср-Р_ср=0) (Фиг.4 середина листа). На данной стадии (выравнивания давления) действует только одна сила F₁, а противодействующая ей сила F₂ не действует (F₂=0). В течение интервала времени t₁ объем перетока воздуха из первой (сжимаемой) ячейки во вторую (расширяемую) составил V/2 (половину чехла) и весь этот объем прошел через дополнительный контур (трубопровод (4), соединяющий парные ячейки) (Фиг.4). Согласно Фиг.2, где изображена ИВ в статике, на момент окончания интервала времени t₁ (начала интервала времени t₂) первой (сжимаемой) ячейке соответствует положение ячейки 2 (полусжата), а второй (расширяемой) ячейке соответствует положение ячейки 5 (полурасширена). На момент окончания интервала времени t₁ (начала интервала времени t₂) положение клапанов следующее (Фиг.4 середина листа).

Первая ячейка (сжимаемая) (слева): Ячейка – ТНД – закрыт, ТВД – Ячейка – закрыт.

Трубопровод, соединяющий данные парные ячейки (4): Ячейка – Ячейка – открыт.

Вторая ячейка (расширяемая) (справа): Ячейка – ТВД – закрыт, ТВД – Ячейка – закрыт.

В течение интервала времени t₂ протекает вторая стадия взаимодействия парных ячеек, в течение которой пневматическая система переходит из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое (Фиг.4 нижняя часть листа; Фиг.5). Для этих целей происходит полная откачка рабочего тела (воздуха) из первой (сжимаемой) ячейки (6) в ТНД (2) и одновременно накачка до предела второй (расширяемой) ячейки (6) из ТВД (1) под давлением, созданным основным компрессором (5.1). В течение интервала времени t₂ объем первой (сжимаемой) ячейки (внизу листа слева) уменьшился с V/2 до 0, ее давление снизилось с Р_ср до Р_низ (Фиг.4). Объем второй (расширяемой) ячейки (внизу листа справа) возрос с V/2 до V, ее давление повысилось с Р_ср до Р_выс (Фиг.4). Разность давления между первой и второй ячейками достигла наибольшей величины (Р_выс-Р_низ) (Фиг.4 нижняя часть листа). На данном этапе (вторая стадия взаимодействия парных ячеек) действуют одновременно две противодействующие силы: F₁ и F₂, где F₂>F₁ (Фиг.5). В течение интервала времени t₂ объем перетока воздуха из первой (сжимаемой) ячейки во вторую (расширяемую) составил V/2 (половину чехла) и весь этот объем прошел через основной контур (ячейка (6) – ТНД (2) – основной компрессор (5.1) – ТВД (1) – ячейка (6)) (Фиг.4 нижняя часть листа). Согласно Фиг.2, где изображена ИВ в статике, на момент окончания интервала времени t₂, первой (сжимаемой) ячейке соответствует положение ячейки 1 (сжата до предела), а второй ячейке (расширяемой) соответствует положение ячейки 4 (расширена до предела). На момент окончания интервала времени h положение клапанов следующее (Фиг.4 нижняя часть листа).

Первая ячейка (сжимаемая) (слева): Ячейка – ТНД – открыт, ТВД – Ячейка – закрыт.

Трубопровод, соединяющий данные парные ячейки (4): Ячейка – Ячейка – закрыт.

Вторая ячейка (расширяемая) (справа): Ячейка – ТНД – закрыт, ТВД – Ячейка – открыт.

Видно, что в процессе взаимодействия парных ячеек в двухконтурной ПСВД объем перекачанного рабочего тела (воздуха) разделился пополам. Первая его половина V/2 прошла через дополнительный контур, а вторая половина V/2 – через основной контур двухконтурной ПСВД (Фиг.4; 5; 6). Таким образом, через основной компрессор (5.1) двухконтурной ПСВД прошла только половина объема перекачанного рабочего тела (воздуха), а не весь объем, как в одноконтурной ПСВД.

Определим теперь пропускную способность основного компрессора (5.1) в двухконтурной ПСВД (ПС_к(2)). Известно, что при выбранной конфигурации ИВ одновременно существует две пары парных ячеек, между которыми одновременно происходит переток рабочего тела. Первая пара (ячейка 3 и ячейка 6) (Фиг.2) находится в первой стадии цикла (выравнивание давления), следовательно, для первой пары объем перетока воздуха равен V/2. Этот объем воздуха в двухконтурной ПСВД направляется по дополнительному контуру, то есть через трубопровод, соединяющий непосредственно парные ячейки 3 и 6 (Фиг.2; 4) (без участия основного контура и основного компрессора (5.1)). Следовательно, данный объем воздуха через основной компрессор не проходит. Вторая пара (ячейка 2 и ячейка 5) (Фиг.2) находится во второй стадии цикла (полусжатая ячейка сжимается до предела (ячейка 2), а полурасширенная ячейка расширяется до предела (ячейка 5)), следовательно, для второй пары объем перетока рабочего тела равен V/2. Данный объем рабочего тела (воздуха) пропускается через основной контур и через основной компрессор (5.1). Учитывая, что на один ряд ячеек приходится и ИВ, а также то, что один компрессор обслуживает один ряд ячеек, получаем следующую формулу для расчета пропускной способности основного компрессора в двухконтурной ПСВД:

ПС_к(2)=Vn/2t.

Таким образом, видим, что в двухконтурной ПСВД объем рабочего тела (воздуха), проходящего через основной компрессор (5.1), сокращается в два раза (в единицу времени) по сравнению с одноконтурной ПСВД.

Известно, что пропускная способность одной ИВ (как в двухконтурной, так и в одноконтурной ПСВД) равны:

ПС_ив=V/t.

Следовательно, пропускная способность всех ИВ, одновременно существующих на одном ряду ячеек равна:

ПС_ив·n=Vn/t

ПС_ив·n=ПС_к(1)=2ПС_к(2)

То есть в двухконтурной ПСВД через основной компрессор (5.1) перекачивается в два раза меньший объем рабочего тела (воздуха), чем в одноконтурной. Вместе с тем в двухконтурной ПСВД для поддержания необходимой разности давления между ТНД (2) и ТВД (1) основной компрессор (5.1) затрачивает в два раза большие усилия из расчета на единицу объема перекачиваемого воздуха.

Двухконтурная ПСВД характеризуется двукратным снижением объема рабочего тела (воздуха), проходящего через основной компрессор (5.1) (по цепи: ячейка (6); ТНД (2); основной компрессор (5.1); ТВД (1); ячейка (6)), то есть через основной контур по сравнению с одноконтурной ПСВД. Это происходит из-за того, что половина объема рабочего тела (воздуха) перекачивается по дополнительному контуру (по отдельным трубопроводам (4), соединяющим парные ячейки) в двухконтурной ПСВД (Фиг.6 нижняя половина листа). Снижение в два раза объема перекачиваемого рабочего тела (воздуха) через основной компрессор (5.1) должно экономить энергию, затрачиваемую на работу основного компрессора (5.1), а значит делать более экономичным весь волновой движитель, оснащенный двухконтурной ПСВД. Но вопрос в том, как велика эта экономия энергии, потребляемой двухконтурной ПСВД по сравнению с потреблением энергии одноконтурной ПСВД? Если объем рабочего тела (воздуха), перекачиваемого через основной компрессор (5.1), уменьшился в два раза (в двухконтурной ПСВД по сравнению с одноконтурной ПСВД), то это не значит, что затраты энергии на работу основного компрессора (5.1) тоже уменьшились в два раза (в двухконтурной ПСВД по сравнению с одноконтурной ПСВД). Дело в том, что в двухконтурной ПСВД разность давления рабочего тела (воздуха) между сжимающейся ячейкой (с объема V/2 до объема 0) и ТНД (2), а также разность давления рабочего тела между ТВД (1) и расширяющейся ячейкой (с объема V/2 до объема V) в два раза меньше, чем в одноконтурной ПСВД разность давления рабочего тела (воздуха) между сжимающейся ячейкой (с объема V до объема 0) и ТНД (2), а также разность давления рабочего тела между ТВД (1) и расширяющейся (ячейкой (с объема 0 до объема V). Эту в два раза меньшую разность давления нужно компенсировать ростом удельных затрат энергии на единицу объема перекачиваемого рабочего тела (воздуха) через основной компрессор (5.1) в двухконтурной ПСВД. Иначе говоря, в двухконтурной ПСВД давление рабочего тела в сжимающейся ячейке – Р_ср, а в ТНД (2), куда откачивается рабочее тело из сжимающейся ячейки – Р_низ; давление рабочего тела в расширяющейся ячейке – Р_ср, а в ТВД (2), откуда закачивается в нее рабочее тело – Р_выс. То есть в двухконтурной ПСВД перепад давления рабочего тела в сосудах через основной контур (через основной компрессор (5.1)) следующий: Р_ср-Р_низ; Р_ср-Р_выс. В одноконтурной ПСВД давление рабочего тела в сжимающейся ячейке – Р_выс, а в ТНД (2), куда откачивается рабочее тело из сжимающейся ячейки – Р_низ; давление рабочего тела в расширяющейся ячейке – Р_низ, а в ТВД (2), откуда закачивается в нее рабочее тело – Р_выс. То есть в одноконтурной ПСВД перепад давления рабочего тела в сосудах через основной (единственный) контур (через основной компрессор (5.1)) следующий: Р_выс-Р_низ; Р_низ-Р_выс. То есть перепад давления в основном контуре в двухконтурной ПСВД в два раза меньше, чем перепад давления в основном контуре одноконтурной ПСВД. Следовательно, пониженный перепад давления рабочего тела в основном контуре двухконтурной ПСВД (по сравнению с перепадом давления рабочего тела в основном контуре одноконтурной ПСВД) необходимо компенсировать ростом затрат энергии на перекачку единицы объема рабочего тела через основной компрессор (5.1).

Вывод: В двухконтурной ПСВД по сравнению с одноконтурной ПСВД объем рабочего тела, перекачиваемого через основной компрессор уменьшается в два раза, но удельные затраты энергии на перекачку единицы объема рабочего тела (усилия компрессора на перекачку единицы объема рабочего тела), возрастают в два раза при условии сохранения неизменной разности давлений между давлением рабочего тела внутри ТВД и давлением рабочего тела внутри ТНД в двухконтурной и одноконтурной ПСВД.

Однако экономия энергии, затрачиваемой на работу основного компрессора (5.1) в двухконтурной ПСВД, по сравнению с одноконтурной ПСВД все же существует за счет снижения силы трения движущихся деталей основного компрессора из-за того, что объем перекачиваемого рабочего тела уменьшился в два раза. Экономия энергии за счет снижения силы трения весьма велика, например, в поршневом компрессоре, где трение поршня о стенки цилиндра (сила трения) потребляет значительную долю энергии, расходуемой компрессором. Удельный расход энергии на единицу объема перекачиваемого рабочего тела поршневым компрессором из-за силы трения движущихся деталей компрессора велик относительно его расхода энергии на создание необходимой разности давления между давлением рабочего тела в ТВД и давлением рабочего тела в ТНД.

Данная особенность основного компрессора (5.1) позволяет сделать следующий вывод.

Вывод: Конструкция двухконтурной ПСВД позволяет снизить расход энергии, потребляемой основным компрессором, менее чем в два раза за счет двукратного снижения силы трения движущихся деталей основного компрессора (из-за двукратного уменьшения объема рабочего тела, перекачиваемого через основной компрессор) по сравнению с расходом энергии, потребляемым одноконтурной ПСВД. при условии, что объем полезной работы, выполняемой одноконтурной и двухконтурной ПСВД, одинаков.

Иными словами, эффективнее перекачать воздух между двумя парными ячейками по отдельному трубопроводу под давлением забортной воды без затрат энергии на трение, чем этот же воздух перекачивать через компрессор с затратами энергии на трение.

Кроме данного преимущества двухконтурной ПСВД следует обратить внимание на следующую особенность. Двухконтурная ПСВД более экономична относительно одноконтурной ПСВД за счет фактора пространственно кратчайшего пути перемещения половины объема рабочего тела между исходным пунктом (сжимающейся ячейкой) и конечным пунктом (расширяющейся ячейкой). То есть половина объема рабочего тела перекачивается из сжимающейся ячейки в расширяющуюся ячейку по кратчайшему пути – трубопроводу (4), соединяющему парные ячейки (без использования пространственно более дальнего пути: сжимающаяся ячейка (6); ТНД (2); основной компрессор (5.1); ТВД (1); расширяющаяся ячейка (6) – то есть без использования основного контура) (Фиг.6 нижняя половина листа).

В двухконтурной ПСВД компрессор (5.1), перекачивающий воздух из ТНД (2) в ТВД (1) (Фиг.2), выполняет функцию приведения пневмосистемы из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое, обеспечивает вторую стадию цикла перетока воздуха между парными ячейками и формирует силу F₂, противодействующую силе давления забортной воды (F₁).

Основной компрессор (5.1) в процессе перекачки воздуха из ТНД (2) в ТВД (1) должен создавать «высокое» давление (Р_выс) в ТВД (1) и «низкое» давление (Р_низ) в ТНД (2).

Р_выс существует в ТВД и ячейках, расширенных до предела. Р_выс больше давления забортной воды Р_ср на некоторую величину, достаточную, чтобы чехол успел расшириться до предела из полурасширенного (V/2) до максимально расширенного состояния (V) в течение интервала времени t. Однако Р_выс не должно превышать некоторого предельного давления P_extr – давление, при котором разрушается (лопается) гофрочехол и прочие сосуды ПСВД (трубопроводы, клапаны).

Р_ср<Р_выс

extr.

Внутреннее давление воздуха в ТСД (3) должно быть равным давлению забортной воды Р_ср. Среднее давление существует в полурасширенных (полусжатых) ячейках объемом V/2. Среднее арифметическое давление между давлением в ТВД (Р_выс) и ТБД (Р_низ) также должно быть равным среднему давлению (P_cp):

(Р_выс+Р_низ)/2=Р_ср

Низкое давление (Р_низ) формируется в процессе работы основного компрессора (5.1) в ТНД (2) одновременно с образованием высокого давления (Р_выс) в ТВД (1). Низкое давление (Р_низ) должно быть ниже среднего (Р_ср) на величину, достаточную, чтобы полусжатая ячейка объемом V/2 сжалась бы полностью до объема 0 в течение интервала времени t. Низкое давление (Р_низ) существует в ТНД (2) и полностью сжатых ячейках объема 0.

Чем больше заданная разность между Р_низ и Р_выс, тем большее усилие должен прилагать основной компрессор (5.1) в процессе перекачки воздуха из ТНД (2) в ТВД (1), тем больше расход энергии на работу основного компрессора.

Для одноконтурной и двухконтурной ПСВД справедливо следующее равенство:

Р=Р_выс-Р_ср=Р_ср-Р_низ.

Давление воздуха в ТНД (Р_низ) равно:

Р_низ=Р_ср–Р.

Давление воздуха в ТВД (Р_выс) равно:

Р_выс=Р_ср+Р.

Основной компрессор в процессе своего функционирования должен выполнять две задачи.

1. Поддерживать запланированную пропускную способность (ПС_к).

2. Поддерживать запланированную разность давления между ТВД (1) и ТНД (2).

(Р_выс-Р_низ)-const.

Решение данных задач взаимосвязано, так как чем больший объем рабочего тела (воздуха) проходит через основной компрессор (5.1), тем больше разность давления между давлением рабочего тела в ТВД (1) и давлением рабочего тела в ТНД (2).

Пропускная способность основного компрессора (5.1) (ПС_к), то есть объем рабочего тела, проходящего из ТНД (2) в ТВД (1) через основной компрессор (5.1), должна быть равна объему рабочего тела, проходящего из ТВД (1) в ТНД (2) через ряд ячеек. Соблюдение данного условия позволит основному компрессору (5.1) работать равномерно и поддерживать постоянную разность давления между давлением рабочего тела в ТВД (1) и давлением рабочего тела в ТНД (2).

Единственным объектом, где происходит пересечение основного и дополнительного контура в двухконтурной ПСВД является ряд ячеек (Фиг.2; 6 нижняя половина листа). В других местах основной и дополнительный контуры не пересекаются.

В двухконтурной ПСВД циркуляция рабочего тела (воздуха) по основному контуру приводит к выведению пневмосистемы из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое (то есть к преобразованию среднего давления Р_ср в разность давлений (Р_выс-Р_низ) в ряду ячеек) под воздействием работы основного компрессора (5.1). Циркуляция воздуха по дополнительному контуру является следствием обратного процесса: возврат пневмосистемы из неустойчивого состояния равновесия в устойчивое (то есть к преобразованию разности давлений рабочего тела (Р_выс-Р_низ) в среднее давление Р_ср в ряду ячеек) под воздействием давления забортной воды. Объектом изменения (колебания) давления рабочего тела являются ячейки (6) – единственное место, где пересекаются основной и дополнительный контуры двухконтурной ПСВД (Фиг.6 нижняя половина листа).

Рассмотрим теперь ряд ячеек в статике с точки зрения содержания ими рабочего тела (воздуха). Здесь возможны два варианта. 1. Ряд ячеек образует синусоиду, которая в статике не движется вдоль борта подводного аппарата (двухконтурная ПСВД готова к работе). 2. Ряд ячеек не образуют синусоиду, а все ячейки в ряду одинаково расширены и расположены на одной линии (двухконтурная ПСВД находится в нерабочем состоянии).

Итак рассмотрим вариант, когда двухконтурная ПСВД готова к работе и ряд ячеек образует синусоиду (Фиг.7). Данная синусоида состоит из отдельных ячеек (6), расширенных до разной степени. Ячейки (6) имеют разную степень расширенности 1. Полностью сжатые ячейки с объемом содержания рабочего тела – 0, давлением рабочего тела – Р_низ, они подняты на высоту 0 относительно ряда ячеек. 2. Полусжатые (полурасширенные) ячейки с объемом содержания рабочего тела – V/2, давлением рабочего тела – Р_ср, они подняты на высоту h/2 относительно ряда ячеек. 3. Полностью расширенные ячейки (ячейки, расширенные до предела) с объемом содержания рабочего тела – V, давлением рабочего тела – Р_выс, они подняты на высоту h относительно ряда ячеек (Фиг.7). Ряд ячеек (синусоида) состоит из кластеров – искусственных волн (ИВ). Длина одной искусственной волны (кластера) составляет шесть ячеек, то есть один период синусоиды равен шести ячейкам, а сама синусоида состоит из повторяющихся периодов (ИВ) по шесть ячеек каждый. Одна ИВ (один кластер) включает в себя две полностью сжатые ячейки (ячейки 1; 6) с объемом содержания рабочего тела по 0; две полурасширенные ячейки (ячейки 2; 5) с объемом содержания рабочего тела по V/2; две полностью расширенные ячейки (ячейки 3; 4) с объемом содержания рабочего тела по V (Фиг.2; 7). Итого, одна ИВ содержит в себе объем рабочего тела: 2·0+2·V/2+2·V=3 V. Таким образом весь ряд ячеек (вся синусоида) содержит в себе объем рабочего тела 3 Vn (где V – объем рабочего тела, содержащийся в одной полностью расширенной ячейке, a n – количество волн (кластеров) в одном ряду ячеек) (Фиг.7).

Теперь рассмотрим вариант, когда двухконтурная ПСВД находится в нерабочем состоянии. В этом случае все ячейки ряда ячеек находятся в полурасширенном состоянии и содержат объем рабочего тела по V/2 каждая. Таким образом, в одном кластере, содержащем шесть ячеек, содержится объем рабочего тела, равный: V/2+V/2+V/2+V/2+V/2+V/2=3 V. Весь ряд ячеек (в нерабочем состоянии) содержит в себе объем рабочего тела 3 Vn (где V – объем рабочего тела, содержащийся в одной полностью расширенной ячейке, а n – количество волн (кластеров) в одном ряду ячеек).

Видно, что объем рабочего тела, содержащегося в одном ряду ячеек, одинаков и равен 3 Vn, независимо от того, находится этот ряд ячеек в рабочем состоянии (имеет форму синусоиды), либо ряд ячеек находится в нерабочем состоянии (все ячейки полурасширены и находятся на одном уровне). Одна ИВ (один кластер) содержит в себе объем рабочего тела, равный 3 V как в рабочем, так и в нерабочем состоянии (Фиг.7).

В нерабочем состоянии имеем одинаковое среднее давление (Р_ср) как в ТВД (1), так и в ТНД (2). Чтобы привести двухконтурную ПСВД из нерабочего состояния в рабочее состояние в статике (сформировать из ряда ячеек синусоиду), необходимо с помощью основного компрессора (5.1) перекачать из ТНД (2) в ТВД (1) некоторый объем воздуха равный Vn (где V – объем рабочего тела, содержащийся в одной полностью расширенной ячейке, а n – количество волн (кластеров) в одном ряду ячеек) и, тем самым, создать низкое давление (Р_низ) в ТНД (2) и высокое давление (Р_выс) в ТВД (1). При этом подразумевается, что положение клапанов (7), регулирующих обмен рабочим телом между сосудами (ячейки – ТНД; ячейки – ТВД), постоянно находится в рабочем состоянии.

Чтобы двухконтурная ПСВД начала работать (синусоида, составленная из ряда разнонакачанных ячеек начала двигаться в направлении, противоположном направлению движения подводного аппарата), необходимо включить основной компрессор (5.1) и перекачивать из ТНД (2) в ТВД (1) ровно такой объем рабочего тела в единицу времени, который проникает из ТВД (1) в ТНД (2) в единицу времени через ряд ячеек. При этом следует поддерживать постоянную разность давления между давлением рабочего тела в ТВД (1) и давлением рабочего тела в ТНД (2) (Р_выс-Р_низ) (Фиг.6).

Исходя из вышесказанного для того, чтобы двухконтурная ПСВД начала работать и подводный аппарат с ВД начал двигаться, нужно произвести следующие операции.

В исходном состоянии среднее давление в ПСВД равно давлению забортной воды, клапан трубопровода, соединяющего ТНД и ТВД в обход основного компрессора, открыт. Все ячейки находятся в полурасширенном состоянии. Чтобы привести ПСВД в рабочее состояние, нужно следующее.

1. Закрыть клапан трубопровода, соединяющего ТНД (2) и ТВД (1) в обход основного компрессора (Фиг.2).

2. Включить основной компрессор и перекачать воздух из ТНД (2) в ТВД (1) объемом nV. При этом переключение положения клапанов пока не производится (ИВ (синусоида) пока не движется вдоль борта подводного аппарата, но уже существует). На момент окончания данной операции ряд ячеек приобретет форму синусоиды в статичном состоянии.

3. Начать одновременно перекачивать воздух из ТНД (2) в ТВД (1) через основной компрессор с пропускной способностью ПС_к(2)=Vn/2t и одновременно начать изменять положение клапанов с интервалом t. В результате данной операции синусоида (совокупность ИВ) начинает двигаться со скоростью v_ив=S/t.

Изменение скорости движения подводного аппарата с ВД.

Изменение скорости движения подводного аппарата с ВД происходит благодаря изменению скорости движения синусоиды (совокупности ИВ) вдоль бортов подводного аппарата (v_ив=S/t). При изменении скорости движения синусоиды в ПСВД протекают все те же процессы, что и до изменения скорости, но интервал времени t (через который происходит изменение в положении клапанов, и объема воздуха, проходящего через основной компрессор) меняется. При увеличении скорости движения синусоиды уменьшается интервал времени t. При уменьшении скорости движения синусоиды интервал t увеличивается.

Для изменения (увеличения) скорости движения синусоиды (ИВ) нужно одновременно произвести следующие действия.

1. Изменить интервал времени t (уменьшить), через который изменяется положение клапанов, регулирующих обмен рабочим телом между ТВД (1) и ячейками (6); между ячейками (6) и ТНД (2), а также между парными ячейками (в двухконтурной ПСВД).

2. Изменить (увеличить) пропускную способность основного компрессора (ПС_к).

Изменение скорости движения ИВ характеризуется следующей пропорцией:

(t/(t-t))=((v_ив+v_ив)/V_ив)=((ПС_к+ПС_к)/ПС_к),

где t – интервал времени в базовом периоде, через который изменяется положение клапанов;

(t-t) – интервал времени в отчетном периоде, через который изменяется положение клапанов;

v_ив – скорость движения ИВ в базовом периоде;

(v_ив+v_ив) – скорость движения ИВ в отчетном периоде;

ПС_к – пропускная способность основного компрессора (5.1) в базовом периоде;

(ПС_к+ПС_к) – пропускная способность основного компрессора (5.1) в отчетном периоде.

Данная пропорция означает, что увеличение скорости движения ИВ ведет к увеличению количества накачиваемых (расширяющихся) и откачиваемых (сжимающихся) ячеек в единицу времени, а это значит, что пропускная способность основного компрессора должна возрасти, а также должна возрасти скорость последовательного переключения клапанов. Для основного компрессора (5.1) изменение скорости движения синусоиды (ИВ) означает изменение его пропускной способности (ПС_к), которое совпадает с равным и одновременным изменением пропускной способности ряда ячеек в результате одновременного изменения частоты переключения клапанов. Таким образом, становится возможным изменять пропускную способность основного компрессора (ПС_к), одновременно пропорционально изменять скорость перетока рабочего тела из ТВД (1) в ТНД (2) через ряд ячеек (пропускную способность ряда ячеек) и одновременно сохранять неизменной разность давлений между ТНД (2) и ТВД (1) ((Р_выс-Р_низ)-const).

Изменение пропускной способности компрессора (ПС_к) означает изменение количества потребляемой им энергии (при увеличении скорости движения синусоиды (ИВ) пропорционально увеличивается количество потребляемой энергии, при замедлении движения синусоиды (ИВ) энергопотребление пропорционально уменьшается). Таким образом, рост скорости движения подводного аппарата означает рост скорости движения синусоиды (ИВ) вдоль его борта, а это ведет к росту потребления энергии основным компрессором (5.1).

Изменение глубины погружения подводного аппарата с ВД.

При погружении подводного аппарата с ВД (возрастании глубины погружения) возрастает внешнее давление забортной воды. Оно компенсируется подкачкой воздуха в двухконтурную ПСВД из резервуаров со сжатым воздухом (8) для того, чтобы среднее давление рабочего тела в ПСВД (Р_ср) равнялось давлению забортной воды. Напомню, что среднее давление рабочего тела в ПСВД равно среднему арифметическому давлению между величиной высокого давления (в ТВД (1)) и низкого давления (в ТНД (2)):

Р_ср=(Р_выс+Р_низ)/2.

При погружении подводного аппарата среднее давление в ПСВД возрастает (Р_ср+Р). Разница давления между ТВД (2) и ТНД (1) поддерживается постоянной вне зависимости от изменения глубины погружения:

(Р_выс-Р_низ)-((Р_выс+Р)-(Р_низ+Р))=const.

То есть при неизменной разнице давлений между давлением рабочего тела в ТВД (1) и ТНД (2) возрастают абсолютные величины высокого (в ТВД) и низкого (в ТНД) давлений на одинаковую величину Р. Теоретически при изменении глубины погружения подводного аппарата в ВД расход энергии, потребляемой основным компрессором (5.1), не должен меняться, поскольку разность давления рабочего тела между сосудом, из которого забирается рабочее тело (ТВД (2)), и сосудом, куда закачивается рабочее тело (ТВД (1)), остается постоянной. При этом среднее давление в ПСВД должно быть всегда равно внешнему давлению забортной воды, независимо от глубины погружения подводного аппарата с ВД.

При увеличении глубины погружения расход энергии на работу основного компрессора не меняется, потому что для поддержания разности давления ((Р_выс+Р)-(Р_низ+Р)) требуется прежнее количество энергии, что и на поддержание разности давления (Р_выс-Р_низ). Причина тут в следующем: функция основного компрессора (5.1) состоит в том, чтобы выводить двухконтурную ПСВД из устойчивого состояния равновесия в неустойчивое, то есть создавать силу F₂, которая противодействует силе давления забортной воды F₁. При увеличении глубины погружения подводного аппарата сила F₁ возрастает, следовательно, на ту же величину должна возрастать и сила F₂. Таким образом, поддержание прежней разности давления на новой глубине погружения ((Р_выс-Р_низ)=((Р_выс+Р)-(Р_низ+Р))=const) требует приложения прежней силы F₂ и прежних энергозатрат.

Возникает вопрос о том, как соотносятся силы F₂ и F₁ с величинами давления. Учитывая, что величина давления производна от величины силы, справедлива следующая пропорция:

(F₂/F₁)=(P_выс/P_cp)>1.

То есть для создания разности давления рабочего тела меду ТВД (1) и ТНД (2) (Р_выс-Р_низ) требуется сила, равная разности сил (F₂-F₁). Следовательно, для расширения ячеек (6) основной компрессор (5.1) не тратит энергии на создание всей силы F₂, а тратит энергию только на создание части этой силы (F₂-F₁), как бы «опираясь» на силу давления забортной воды и равную ей силу среднего давления в ПСВД (F₁).

Единственным преимуществом волнового движителя, использующего в качестве рабочего тела жидкость (воду), является то, что при погружении не надо подкачивать дополнительную жидкость в гидросистему волнового движителя для выравнивания внутреннего среднего давления с давлением забортной воды. В жидкостном волновом движителе среднее внутреннее давление всегда равно давлению забортной воды, так как вода, в отличии от воздуха, как рабочее тело, практически, не сжимается, следовательно, внешнее воздействие силы равно внутреннему противодействию.

Подкачка в ПСВД дополнительного объема рабочего тела (воздуха) при погружении подводного аппарата с ВД имеет следующие две функции.

1. Минимизация энергозатрат основного компрессора (5.1), так как возрастание низкого давления (Р_низ) в ТНД (2) позволяет затрачивать меньше энергии основным компрессором (5.1) для пропорционального повышения высокого давления (Р_выс) в ТВД (1) в процессе поддержания постоянной разницы давлений (Р_выс-Р_низ).

2. Сохранение постоянной амплитуды колебаний синусоиды (ИВ). Так, если бы давление забортной воды возрастало и не компенсировалось бы ростом среднего внутреннего давления рабочего тела в ПСВД, то гофрочехлы (ячейки (6)) оказались бы «вдавлены» в борт подводного аппарата.

То есть при увеличении глубины погружения, теоретически, расход энергии, потребляемой основным компрессором (5.1), не должен меняться (при поддержании среднего давления рабочего тела в ПСВД, равным давлению забортной воды), однако серьезным ограничением по глубине погружения подводного аппарата с ВД является прочность (способность герметично удерживать внутри ПСВД рабочее тело) трубопроводов, гофрочехлов (ячеек) и клапанов. Способность ПСВД герметично удерживать рабочее тело определяет предельную глубину погружения подводного аппарата с ВД.

Необходимое требование к конструкции ПСВД – герметично удерживать в пределах сосудов ПСВД рабочее тело (необходимость предотвращать утечку рабочего тела наружу в забортную воду и во внутреннее пространство подводного аппарата) – ограничивает глубину погружения подводного аппарата с ВД. Данное ограничение является серьезным недостатком в применении подводного аппарата с ВД.

Подкачка рабочего тела (воздуха) в ПСВД (при погружении подводного аппарата с ВД) (Фиг.1; 2) осуществляется из емкости с запасом сжатого воздуха (8) в ТВД (1) через компрессор (5.2). Откачка рабочего тела (воздуха) из ПСВД (при всплытии) осуществляется в емкость с запасом сжатого воздуха (8) из ТНД (2) через компрессор (5.3) (Фиг.1; 2). Подкачка (откачка) воздуха в (из) ТСД (3) осуществляется через компрессоры (5.4, 5.5) из (в) емкости с запасом сжатого воздуха (8).

Емкость с запасом сжатого воздуха (8) присутствует в конструкции любого подводного аппарата, поэтому пневматическую систему волнового движителя (ПСВД) можно рассматривать, как дополнение к той пневматической системе, которой уже обладает подводный аппарат.

Строение и функционирование искусственной волны (ИВ).

Выбранная конфигурация ИВ состоит из шести ячеек (под ИВ понимается часть ряда ячеек длинной 6S). ИВ представляет собой кластер (часть синусоиды), состоящий из ряда в шесть ячеек. Конфигурация ИВ предполагает наличие трех пар парных ячеек, находящихся в противоположных стадиях цикла образования ИВ в течение интервала времени t (Фиг.7).

Первая пара (ячейки 3 и 6) сближает свой объем от V к V/2 (ячейка 3) и от 0 к V/2 (ячейка 6) в течение интервала времени t (Фиг.7). Ячейки 3 и 6 являются парными и в двухконтурной ПСВД соединены отдельным трубопроводом (4). При сближении объемов ячеек от V к V/2 (ячейка 3) и от 0 к V/2 (ячейка 6) через дополнительный контур энергии основного компрессора (5.1) не затрачивается, то есть давления рабочего тела в данных ячейках выравнивается через дополнительный трубопровод (4) под внешним давлением забортной воды без затрат энергии на работу основного компрессора (5.1) (пневматическая система возвращается из неустойчивого состояния равновесия к устойчивому состоянию равновесия) (Фиг.7).

Вторая пара (ячейки 2 и 5) изменяет свой объем в противоположных направлениях, то есть возрастает разность их давлений в течение интервала времени t (Фиг.7). Так давление рабочего тела в ячейке 5 возрастает от V/2 к V, а давление рабочего тела в ячейке 2 снижается от V/2 к 0 в течение интервала времени t (Фиг.7). Ячейки 2 и 5 являются парными и соединены между собой в двухконтурной ПСВД отдельным трубопроводом (4), но клапан, перекрывающий данный трубопровод (4), является закрытым в течение данного интервала времени t (Фиг.2; 7). Парные ячейки 2 и 5 изменяют свой объем в противоположных направлениях под действием работы, совершаемой основным компрессором (5.1), который откачивает воздух из ячейки 2 и одновременно подкачивает воздух в ячейку 5 в течение интервала времени t (Фиг.2; 7). Пневматическая система, состоящая из ячеек 2 и 5, в течение интервала времени t переходит из устойчивого состояния равновесия к неустойчивому под действием работы основного компрессора (5.1) (Фиг.2; 7).

Третья пара (ячейки 1 и 4) удерживается в течение интервала времени t в максимально накачанном (ячейка 4 удерживает объем содержащегося в ней рабочего тела, равный V) и максимально сжатом (ячейка 1 удерживает объем содержащегося в ней рабочего тела, равный 0) состояниях (Фиг.2; 7). То есть в течение интервала времени t ячейки 1 и 4 удерживаются в неустойчивом состоянии равновесия с помощью координированной работы клапанов (7). Ячейки 1 и 4 являются парными и соединены между собой в двухконтурной ПСВД отдельным трубопроводом (4), но клапан (7), перекрывающий данный трубопровод (4), является закрытым в течение данного интервала времени t (Фиг.2; 7).

Выбранная конфигурация ИВ является, на мой взгляд, оптимальной. Благодаря третьей паре (максимально накачанное и максимально сжатое состояние, удерживаемое в течение интервала времени t) ИВ, постоянно сохраняет свою высоту h, независимо от стадии цикла своего движения (Фиг.7). Поддержание ячеек в предельно сжатом и предельно расширенном состоянии в течение интервала времени t увеличивает амплитуду колебания ИВ, за счет чего возрастает КПД волнового движителя.

Когда говорим об ИВ, следует учитывать, что уровнем давления рабочего тела в ячейке, при котором не затрачивается энергии на создание ИВ, является не сжатое состояние ячейки, а полурасширенное (высота h/2, объем V/2, давление Р_ср). Для достижения гофрочехлом высоты h энергия затрачивается не на расширение его от предельно сжатого состояния до предельно расширенного, а на сжимание одной ячейки с высоты h/2 до нулевой высоты и на расширение другой ячейки с высоты h/2 до высоты h. Обратное движение ячеек (снижение высоты с h до h/2 и повышение высоты с 0 до h/2) затрат энергии не требует (Фиг.7). По ряду ячеек, на практике, должна двигаться не одна ИВ, а множество (Фиг.7). В этом случае, поверхности гофрочехлов образуют синусоиду, предельная амплитуда колебания которой равна h. Чтобы не усложнять процесс анализа, рассматриваем не синусоиду, состоящую из множества ИВ, а одну ИВ (один кластер, состоящий из шести ячеек), но при этом следует помнить, что в ряду ячеек количество максимально расширенных ячеек должно равняться количеству максимально сжатых ячеек. Это объясняется тем, что при перекачке воздуха из ТНД (2) в ТВД (1) основным компрессором (5.1), объем рабочего тела (воздуха), полученный от сжатия ячеек, поступил из ТНД в ТВД и питал расширяющиеся ячейки (иначе, на расширяющиеся ячейки не будет хватать воздуха). Строение синусоиды, состоящей из ряда ячеек, подразумевает, что в каждый конкретный момент времени одна третья часть этих ячеек сжата до предельного уровня (высота 0, объем 0, давление Р_низ), другая третья часть находится в полурасширенном (полусжатом) состоянии (высота h/2, объем V/2, давление Р_ср) и оставшаяся треть ячеек расширена до предела (высота h, объем V, давление Р_выс) (Фиг.7; 8). Такая же структура справедлива и по отношению к одной искусственной волне (ИВ): в каждый конкретный момент времени две ячейки (из шести) (1; 6) сжаты до предельного уровня (высота 0, объем 0, давление Р_низ), две ячейки (из шести) (2; 5) находятся в полурасширенном (полусжатом) состоянии (высота h/2, объем V/2, давление Р_ср) и оставшиеся две ячейки (из шести) (3; 4) расширены до предела (высота h, объем V, давление Р_выс) (Фиг.7; 8).

Для анализа динамических характеристик ИВ полезна информация о том, какой объем волны перемещается на расстояние S в течение интервала времени t. Согласно выбранной конфигурации ИВ в течение одного интервала времени t ячейка 5 расширяется с объема V/2 до объема V (на V/2), а ячейка 6 расширяется с объема 0 до объема V/2 (на V/2) (Фиг.7). На такой же объем перемещается второй склон ИВ: ячейка 3 сжимается с объема V до V/2 (на У 12), а ячейка 2 сжимается с объема V/2 до 0 (на V/2) в течение одного интервала времени t (Фиг.7). То есть в течение интервала времени t ИВ переносит на расстояние S свой объем, равный V. Следовательно, для выбранной конфигурации ИВ данный показатель равен V/S (/t) (Фиг.7 нижняя треть листа).

Следует также напомнить, что для формирования синусоиды (некоторого количества ИВ) из ряда ячеек, расположенных вдоль борта подводного аппарата, количество ячеек должно быть кратно шести (при выбранной конфигурации ИВ):

m/n=6,

где m – количество ячеек в ряду ячеек, расположенных вдоль борта подводного аппарата;

n – количество искусственных волн (ИВ) (кластеров), расположенных вдоль борта подводного аппарата.

Данное свойство необходимо, чтобы зациклить (закольцевать) дополнительный контур в двухконтурной ПСВД (Фиг.2).

Теперь рассмотрим работу клапанов, благодаря которой формируется ИВ.

В одноконтурной ПСВД (Фиг.1) существует две комбинации положения клапанов в зависимости от внутреннего давления воздуха в гофрочехле (ячейке).

1. Ячейка полностью расширена.

Ячейка – ТБД – клапан закрыт.

ТВД – Ячейка – клапан открыт.

2. Ячейка полностью сжата.

Ячейка – ТНД – клапан открыт.

ТВД – Ячейка – клапан закрыт.

В двухконтурной ПСВД (Фиг.2) существует четыре комбинации положения клапанов в зависимости от внутреннего давления воздуха в гофрочехле (ячейке).

1. Ячейка полностью расширена.

Ячейка – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка – Ячейка «+3» – клапан закрыт.

Ячейка «-3» – Ячейка – клапан закрыт.

ТВД – ячейка – клапан открыт.

2. Ячейка расширена наполовину (ячейка полусжата и находится в процессе сжимания).

Ячейка – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка – Ячейка «+3» – клапан открыт.

Ячейка «-3» – Ячейка – клапан закрыт.

ТВД – ячейка – клапан закрыт.

3. Ячейка расширена наполовину (ячейка полурасширена и находится в процессе расширения).

Ячейка – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка – Ячейка «+3» – клапан закрыт.

Ячейка «-3» – Ячейка – клапан открыт.

ТВД – ячейка – клапан закрыт

4. Ячейка полностью сжата.

Ячейка – ТНД – клапан открыт.

Ячейка – Ячейка «+3» – клапан закрыт.

Ячейка «-3» – Ячейка – клапан закрыт.

ТВД – ячейка – клапан закрыт.

Примечание: Слово «Ячейка» в обозначении положения клапана подразумевает «нашу» ячейку, для которой определяется доступность другого сосуда (ТВД, ТНД, Ячейка «-3», Ячейка «+3»).

Примечание: Термин «Ячейка «+3»» обозначает ячейку, парную «нашей» и отстоящую от «нашей» ячейки на 3 ячейки (через две ячейки) по направлению движения ИВ (по направлению счета ячеек в ряду ячеек).

Примечание: Термин «Ячейка «-3»» обозначает ячейку, парную «нашей» и отстоящую от «нашей» ячейки на 3 ячейки (через две ячейки) против направления движения ИВ (против направления счета ячеек в ряду ячеек).

Примечание: При указании положения клапана («клапан закрыт», либо «клапан открыт») подразумевается, что направление движения ИВ соответствует направлению от ячейки 1 к ячейке m (ячейке m – последняя ячейка в ряду ячеек, где количество ячеек в ряду равно m). Если ИВ движется в противоположном направлении (от ячейки к ячейке 1), то положение клапанов «Ячейка – Ячейка «+3»» и «Ячейка «-3» – Ячейка» меняется местами.

Примечание: Данное обозначение комбинаций положения клапанов (для двухконтурной ПСВД) содержит двойной счет. Так для ячейки 1 обозначение клапана «Ячейка – Ячейка «+3»» дублируется для ячейки 3 записью «Ячейка «-3» – Ячейка». Для данных ячеек данные записи обозначают один и тот же клапан. Чтобы два раза не повторять положение одного клапана применительно к двум ячейкам, предлагается «прописать» к каждой ячейке только один клапан, отделяющий от парной ячейки, находящейся по направлению возрастания номера ячейки в ряду ячеек. Таким образом, информация о положении клапанов для одной ячейки будет содержать три строчки:

Ячейка – ТНД – клапан закрыт (открыт).

Ячейка – Ячейка «+3» – клапан закрыт (открыт).

ТВД – ячейка – клапан закрыт (открыт).

Наличие четырех возможных комбинаций положения клапанов для ячейки в двухконтурной ПСВД объясняется тем, что каждая ячейка (в двухконтурной ПСВД) имеет четыре канала обмена рабочим телом: 1. Ячейка – ТНД; 2. Ячейка – Ячейка «+3»; 3. Ячейка – Ячейка «-3»; 4. Ячейка – ТВД (Фиг.2; 6 нижняя половина листа). Конструкция двухконтурной ПСВД подразумевает, что в каждый конкретный момент времени три клапана являются обязательно закрытыми и только один клапан (из четырех) может быть открыт. Потому возможны только четыре комбинации положения клапанов в двухконтурной ПСВД. В одноконтурной ПСВД каждая ячейка имеет только два канала обмена рабочим телом: 1. Ячейка – ТНД и 2. Ячейка – ТВД (причем открыт может быть только один канал), – следовательно, в одноконтурной ПСВД возможны только две комбинации положения клапанов относительно ячейки (Фиг.1; 6 верхняя половина листа).

На Фиг.8 изображена искусственная волна (ИВ) (часть синусоиды, сложенной из ячеек, расположенных вдоль борта подводного аппарата) в динамике. Направление движения ИВ совпадает с направлением счета ячеек от ячейки 1 к ячейке 10. Ячейки 1; 2; 3; 4; 5; 6 составляют кластер – одну искусственную волну (ИВ). Движение ИВ происходит в течение шести интервалов времени t (t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆) (Фиг.8). В течение этих шести интервалов времени ИВ, двигаясь вдоль ряда ячеек, проходит через ячейку 6. Рассмотрим характеристики ячейки 6 в процессе прохождения через нее ИВ в двухконтурной ПСВД (Фиг.8).

На момент окончания интервала времени t₁ (начала интервала времени t₂) ячейка 6 находится в максимально сжатом состоянии (Фиг.8). Ее объем равен 0, внутреннее давление низкое (Р_низ), положение клапанов следующее.

Ячейка 6 – ТНД – клапан открыт.

Ячейка 6 – Ячейка «+3» (9) – клапан закрыт.

ТВД – Ячейка 6 – клапан закрыт.

На момент окончания интервала времени t₂ (начала интервала времени t₃) ячейка

6 находится в полурасширенном состоянии (ячейка расширяется) (Фиг.8). Ее объем равен V/2 (в течение интервала времени t₁ объем рабочего тела в ней возрос с 0 до V/2), внутреннее давление среднее Р_ср (в течение интервала времени t₂ давление рабочего тела в ней возросло с Р_низ до Р_ср). Положение клапанов следующее.

Ячейка 6 – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка 6 – Ячейка «+3» (9) – клапан закрыт.

ТВД – Ячейка 6 – клапан закрыт.

Если бы мы указывали положение клапана, контролирующего доступ к другой парной ячейке – Ячейка «-3» (ячейка 3), то сделали бы запись:

Ячейка «-3» (3) – Ячейка 6 – клапан открыт.

На момент окончания интервала времени t₃ (начала интервала времени t₄) ячейка 6 находится в максимально расширенном состоянии (ячейка расширяется) (Фиг.8). Ее объем равен V (в течение интервала времени t₃ объем рабочего тела в ней возрос с V/2 до V), внутреннее давление высокое Р_выс (в течение интервала времени t₃ давление рабочего тела возросло с Р_ср до Р_выс). Положение клапанов следующее.

Ячейка 6 – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка 6 – Ячейка «+3» (9) – клапан закрыт.

ТВД – Ячейка №6 – клапан открыт.

На момент окончания интервала времени t₄ (начала интервала времени t₅) ячейка 6 удерживается в максимально расширенном состоянии (Фиг.8). Ее объем равен V (в течение интервала времени t₄ объем рабочего тела остался на уровне V), внутреннее давление высокое Р_выс (в течение интервала времени U давление рабочего тела сохранилось на уровне Р_выс). Положение клапанов следующее/

Ячейка 6 – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка 6 – Ячейка «+3» (9) – клапан закрыт.

ТВД – Ячейка 6 – клапан открыт.

На момент окончания интервала времени t₅ (начала интервала времени t₆) ячейка 6 находится в полусжатом состоянии (ячейка сжимается) (Фиг.8). Ее объем равен V/2 (в течение интервала времени t₅ объем рабочего тела уменьшился с V до V/2), внутреннее давление среднее P_cp (в течение интервала времени t₅ давление рабочего тела снизилось с Р_выс до Р_ср).

Положение клапанов следующее.

Ячейка 6 – ТНД – клапан закрыт.

Ячейка 6 – Ячейка «+3» (9) – клапан открыт.

ТВД – Ячейка 6 – клапан закрыт.

На момент окончания интервала времени t₆ ячейка 6 находится в сжатом состоянии (ячейка сжата до предела) (Фиг.8). Ее объем равен 0 (в течение интервала времени U объем рабочего тела уменьшился с V/2 до 0), внутреннее давление рабочего тела низкое Р_низ (в течение интервала времени t₆ давление рабочего тела снизилось с Р_ср до Р_низ). Положение клапанов следующее.

Ячейка 6 – ТНД – клапан открыт.

Ячейка 6 – Ячейка «+3» (9) – клапан закрыт.

ТВД – Ячейка 6 – клапан закрыт.

Таким образом, понятно, как изменяется положение ячейки №6 и положение относящихся к ней клапанов в процессе прохождения ИВ через эту ячейку (Фиг.8).

На схеме Фиг.9 («Последовательность переключения клапанов шести ячеек (ячейки 1; 2; 3; 4; 5; 6) в течение шести интервалов времени t (t₁; t₂; t₃; t₄; t₅; t₆) на основании данных об изменении положения синусоиды, изображенной на схеме Фиг.8») отображено положение клапанов для шести ячеек (ячейки 1, 2, 3, 4, 5, 6) в течение шести интервалов времени t (t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆) в процессе движения ИВ на основании схемы Фиг.8.

Управление работой клапанов и компрессоров должна осуществлять ЭВМ. В программу ЭВМ должны быть включены комбинации положений клапанов для всех ячеек по аналогии с таблицей, показанной на схеме Фиг.9.

Программа ЭВМ должна определять скорость движения ИВ (изменяя величину интервала времени t) и направление движения ИВ («вперед» -«назад»). Но работа ЭВМ не может изменить формы и конфигурации ИВ, так как конфигурация ИВ закреплена в железе (трубопроводы, соединяют между собой парные ячейки), а форма ИВ зависит от формы гофрочехлов, выполненных из гофрированного эластичного материала.

Количество ячеек в ряду ячеек (m) должно быть кратно шести, то есть делиться на шесть без дробей и остатка, так

m=6n (для выбранной конфигурации ИВ).

Данная особенность объясняется тем, что для одного ряда ячеек количество максимально сжатых ячеек (объема 0) должно быть равно количеству максимально расширенных ячеек (объема V); количество расширяющихся ячеек от объема 0 до объема V/2 должно быть равно количеству сжимающихся ячеек от объема V до объема V/2; количество расширяющихся ячеек от объема V/2 до объема V должно быть равно количеству сжимающихся ячеек от объема V/2 до объема 0. Это правило соблюдается также для одной ИВ (кластера длинной в шесть соседних ячеек) в ряду ячеек. Потому количество ячеек в ряду ячеек (m) должно быть кратно шести. Если данное правило для ряда ячеек не будет соблюдаться, то расширяющиеся (сжимающиеся) ячейки могут столкнуться с недостатком (избытком) объема поступающего в них (из них) рабочего тела (воздуха), а поступление рабочего тела (воздуха) из ячеек в ТНД (из ТВД в ячейки) может быть недостаточным (избыточным) на разных стадиях цикла работы ПСВД.

Следует учитывать, что для стабильной работы ПСВД пропускная способность основного компрессора (5.1) (объем рабочего тела, проходящий через основной компрессор из ТНД (2) в ТВД (1) в единицу интервала времени) должна быть равна пропускной способности ряда ячеек (6) (объем рабочего тела, проходящий через ряд ячеек из ТВД (1) в ТНД (2) в единицу интервала времени), при этом высокое давление (Р_выс) рабочего тела в ТВД (1) должно быть больше среднего давления (Р_ср) забортной воды ровно на столько, на сколько среднее давления (Р_ср) забортной воды больше низкого давления (Р_низ) рабочего тела, находящегося в ТНД (2).

Для двухконтурной ПСВД пропускная способность основного компрессора (5.1) равна ПС_к(2)=Vn/2t, следовательно, частота переключения клапанов между сосудами (ячейки (6), ТВД (1), ТНД (2)) двухконтурной ПСВД должна быть таковой, чтобы пропускная способность ряда ячеек из ТВД (1) в ТНД (2) была также равна Vn/2t.

Для одноконтурной ПСВД пропускная способность основного компрессора (5.1) равна ПС_к(1)=Vn/t. Такой же пропускной способностью должен обладать и ряд ячеек в одноконтурной ПСВД.

Чтобы скоординировать пропускную способность компрессоров и ячеек, а также добиться нужной разности давления рабочего тела между сосудами предлагается использовать не интегрированную систему управления функционированием и безопасностью двухконтурной ПСВД.

Принципы создания неинтегрированной системы управления функционированием и безопасностью двухконтурной ПСВД.

При воплощении подводного аппарата, оснащенной волновым движителем с двухконтурной ПСВД, возникает необходимость выбора системы управляющей работой (координирующей функционирование) клапанов и компрессоров. Основной задачей является координация работы клапанов, регулирующих циркуляцию рабочего тела (воздуха) между сосудами (ТВД (1), ячейками (6) и ТНД (2)) с одной стороны и работы основного компрессора (5.1), регулирующего циркуляцию воздуха между ТНД (2) и ТВД (1), с другой стороны. Напомню, что при изменении скорости движения ИВ должна меняться частота срабатывания клапанов (7) с одной стороны и пропускная способность основного компрессора (5.1) с другой стороны. Как скоординировать работу клапанов (7) и основного компрессора (5.1)?

Исходя из вышеизложенного описания двухконтурной ПСВД может возникнуть предположение, что управление мощностью работы основного компрессора (5.1) и частотой (и последовательностью) срабатывания клапанов (7) можно управлять по единым математическим алгоритмам из единого вычислительного центра. Действительно, можно, теоретически, попытаться задать математически эту зависимость между частотой срабатывания клапанов и пропускной способностью основного компрессора, и управлять этими процессами из единого вычислительного центра, но, практически, это делать, на мой взгляд, не желательно по следующей причине: количество возможных вариантов развития ситуации слишком велико для описания всех их единым алгоритмом. Так субмарина на практике может двигаться не только прямолинейно и равномерно, но еще менять скорость (двигаться с ускорением), а также менять глубину погружения. Одновременное изменение скорости движения ИВ, изменение глубины погружения и изменение частоты срабатывания клапанов – слишком сложный процесс для описания общим алгоритмом. Кроме того, система управления клапанами должна учитывать возможность разгерметизации ПСВД (разрыв эластичных гофрочехлов (6) и внешней пленки (9)) и оперативно изолировать поврежденные ячейки посредством закрытия соответствующих клапанов, чтобы ПСВД не потеряло рабочее тело (воздух). Наиболее качественно и просто решить поставленную задачу управления элементами двухконтурной ПСВД можно, создав неинтегрированную систему управления двухконтурной ПСВД (НИСУ). Суть НИСУ состоит в том, что управление работой клапанов и компрессоров осуществляется пятью отдельными, не связанными друг с другом и не зависящими друг от друга вычислительными центрами: ЭВМ №1, ЭВМ №2, ЭВМ №3, ЭВМ №4, ЭВМ №5. Каждый вычислительный центр (ЭВМ) действует по своим собственным алгоритмам и решает свои собственные задачи, не связанные с алгоритмами и задачами других вычислительных центров (других ЭВМ). На каждый ряд ячеек полагается свои собственные пять вычислительных центров. Следовательно, если субмарина имеет шесть рядов ячеек (по три с каждого борта), то всего НИСУ включает в себя 30 (5·6=30) вычислительных центров (Примечание: функционирование ЭВМ №1, управляющей работой клапанов одного ряда ячеек, координирует свои действия с другими ЭВМ №1, относящимися к другим рядам ячеек). Понятие «ЭВМ» означает обособленный вычислительный центр, действующий по обособленной программе, выраженной математическим и логическим алгоритмом.

Для функционирования НИСУ помимо ЭВМ используется два вида датчиков: датчики влажности (12) (предназначены для цели обеспечения живучести и безопасности подводного аппарата с ВД, реагируют на проникновение забортной воды в ПСВД) и датчики давления воздуха и давления забортной воды (13) (предназначены для управления работой компрессоров и некоторых клапанов через ЭВМ). Все датчики (влажности (12) и давления (13)) измеряют и передают свою информацию на соответствующие им ЭВМ в режиме реального времени, а ЭВМ также в режиме реального времени изменяют пропускную способность компрессоров и управляют работой клапанов.

Датчики влажности (12) устанавливаются в следующих местах. 1. Внутри ячеек под эластичными гофрочехлами (12.1), реагируют на проникновение забортной воды в ПСВД в случае повреждения эластичной части ячейки (гофрочехла). 2. В межчехольном пространстве (10), ограниченном двумя соседними эластичными гофрочехлами, эластичной внешней пленкой и жестким корпусом субмарины (12.2), реагируют на проникновение забортной воды в межчехольное пространство в случае повреждения эластичной внешней пленки (9).

Датчики давления (13) устанавливаются в четырех местах. 1. Внутри трубопровода высокого давления (13.1) для измерения (мониторинга) давления воздуха в режиме реального времени внутри ТВД (1). 2. Внутри трубопровода низкого давления (13.2) для измерения (мониторинга) давления воздуха в режиме реального времени внутри ТВД (2). 3. Внутри трубопровода среднего давления (13.3) для измерения (мониторинга) давления воздуха в режиме реального времени внутри ТСД (3). 4. Снаружи на внешнем корпусе подводного аппарата (13.4) для измерения (мониторинга) давления забортной воды в режиме реального времени.

Все ЭВМ действуют в режиме реального времени: получают информацию от датчиков в режиме реального времени, обрабатывают информацию в режиме реального времени и управляют работой клапанов и компрессоров в режиме реального времени.

Особенность НИСУ состоит в том, что все вычислительные центры (ЭВМ) никак не связаны друг с другом (кроме ЭВМ №1 всех рядов ячеек), действуют абсолютно обособленно по своим собственным алгоритмам, но в целом функционирование всех элементов двухконтурной ПСВД оказывается взаимосогласованным. Информация, снимаемая датчиками, отражает меняющуюся под действием множества факторов ситуацию.

ЭВМ №1 предназначена для управления процессом закрытия и открывания клапанов между ячейками (6) и остальными сосудами ПСВД. В программу ЭВМ №1 должна быть заложена последовательность срабатывания клапанов (Фиг.9) (от чего зависит правильность формы синусоиды (ИВ)) и частота срабатывания клапанов (величина интервала времени t) (от чего зависит скорость движения ИВ вдоль борта подводного аппарата (вдоль ряда ячеек)). Кроме того, в программу ЭВМ №1 должна быть заложена функция изоляции поврежденных ячеек при сохранении движущейся ИВ по «здоровым» (не поврежденным) ячейкам. Известно, что каждая ячейка соединена с остальной двухконтурной ПСВД четырьмя каналами, контролируемыми четырьмя клапанами: 1. Ячейка – ТВД, 2. Ячейка – ТНД, 3. Ячейка – Ячейка «-3», 4. Ячейка – Ячейка «+3», – которые все должны быть перекрыты клапанами в случае проникновения забортной воды внутрь ячейки, чтобы вода не попала в другие сосуды ПСВД. Все остальные «здоровые» ячейки ряда ячеек должны участвовать в образовании движущейся ИВ. Схема обмена информацией для ЭВМ №1 изображена на схеме Фиг.11. Согласно схеме Фиг.11 ЭВМ №1 получает информацию от датчиков влажности, которые установлены внутри каждой ячейки (12.1) и пересылает информацию, инициирующую закрытие и открывание клапанов: Ячейка – ТВД; Ячейка – ТНД; Ячейка – Ячейка «-3»; Ячейка – Ячейка «+3». Изоляция ячейки происходит в случае проникновения забортной воды внутрь ячейки сквозь поврежденный эластичный гофрочехол, в результате чего датчик влажности (12.1) определяет этот факт и посылает сигнал в режиме реального времени в ЭВМ №1, а ЭВМ №1 посылает сигнал клапанам (7), окружающим с четырех сторон поврежденную ячейку о закрытии (изоляции поврежденной ячейки). Все остальные клапаны данного ряда ячеек функционируют в режиме образования движущейся ИВ. Никакого влияния ЭВМ №1 на остальные элементы двухконтурной ПСВД не оказывает, в том числе не влияет на работу компрессоров. Каждый ряд ячеек имеет свою персональную двухконтурную ПСВД и свою персональную ЭВМ №1, так вот все ЭВМ №1 (всех рядов ячеек) должны координировать свою работу между собой по формированию ИВ. Это необходимо, чтоб подводный аппарат маневрировал, мог поворачивать в стороны и давать задний ход, а это возможно, когда скорость и направление движения ИВ по разным рядам ячеек разная (разное).

ЭВМ №2 предназначена для поддержания постоянной разницы между давлением воздуха в ТВД (1) и давлением воздуха в ТНД (2) в режиме реального времени путем регулирования пропускной способности (объема перекачиваемого воздуха в единицу времени) основного компрессора (5.1), а также управлением клапана, регулирующего обмен воздуха между ТВД (1) и ТНД (2) в обход основного компрессора. ЭВМ №2 никак не обменивается информацией с ЭВМ №1 и остальными вычислительными центрами, но частота переключения клапанов оказывает влияние на разность давления между ТВД (1) и ТНД (2). Схема обмена информацией для ЭВМ №2 изображена на схеме Фиг.12. Согласно Фиг.12 ЭВМ №2 в режиме реального времени получает информацию от двух датчиков давления рабочего тела (воздуха): датчика давления воздуха, установленного внутри ТВД (13.1) и датчика давления воздуха, установленного внутри ТНД (13.2). Согласно программе ЭВМ №2 необходимо поддерживать постоянную разность давления воздуха между давлением внутри ТВД и ТНД (Р_выс-Р_низ стремится к некоторой постоянной величине const). В том случае, если разность давления Р_выс-Р_низвыс-Р_низ=const, о чем сигнал от датчиков (в режиме реального времени) поступает на ЭВМ №2, после чего ЭВМ №2 подает сигнал основному компрессору (5.1) о снижении объема перекачиваемого воздуха. Аналогичный оборот информации происходит в случае, если датчики давления, установленные в ТВД и ТНД, фиксируют (в режиме реального времени) ситуацию, когда Р_выс-Р_низ>const. Тогда ЭВМ №2 инициирует (в режиме реального времени) уменьшение объема пропускаемого воздуха через основной компрессор (5.1) до того момента, пока Р_выс-Р_низ=const (Фиг.12). То есть разность давления рабочего тела (воздуха) между ТВД и ТНД находится в состоянии стремления к некоторой заданной величине и колеблется вокруг этой величины по следующим причинам: подводный аппарат меняет скорость движения и глубину погружения.

Итак, рассмотрим процесс функционирования двухконтурной ПСВД управляемой ЭВМ №2. До момента начала работы внутреннее давление воздуха в ТВД (1) и ТНД (2) равно давлению забортной воды, а клапан (7), перекрывающий трубопровод, соединяющий ТВД (1) и ТНД (2) в обход основного компрессора, открыт (Фиг.2). Начало работы ПСВД происходит с момента, когда клапан (7), перекрывающий трубопровод, соединяющий ТВД (1) и ТНД (2) в обход основного компрессора закрывается по сигналу с ЭВМ №2. Датчики давления рабочего тела (воздуха) в ТВД и ТНД (13.1 и 13.2) фиксируют равное давление и ЭВМ №2, получив от них сигнал, инициирует работу основного компрессора, в результате чего устанавливается планируемая разность давления рабочего тела между ТВД (1) и ТНД (2) (Р_выс(2)-Р_низ(2)=const). Но пока еще переключение клапанов по инициативе ЭВМ №1 не началось, то есть ИВ уже сформировалось, но еще не движется вдоль ряда ячеек. Движение ИВ вдоль ряда ячеек начинается с момента, когда ЭВМ №1 инициирует переключение клапанов, регулирующих доступ рабочего тела (воздуха) в ячейки. Как только началось переключение этих клапанов, так сразу датчики давления внутри ТВД м ТНД (13.1 и 13.2) фиксируют положение Р_выс-Р_низвыс(2)-Р_низ(2)=const. Рассмотрим теперь ситуацию с изменением глубины погружения. Конструкция двухконтурной ПСВД такова, что любое изменение глубины погружения подводного аппарата (погружение или всплытие) увеличивает разность давлений воздуха между сосудами ТНД и ТВД (Р_выс-Р_низ>const). Действительно, согласно схеме Фиг.2, при погружении подводного аппарата осуществляется подкачка воздуха из резервуара с запасом сжатого воздуха (8) в ТВД (1), таким образом возникает ситуация когда Р_выс(2)-Р_низ(2)>const. При всплытии подводного аппарата осуществляется откачка воздуха из ТНД (2) в резервуар с запасом сжатого воздуха (8), в результате чего возникает аналогичная ситуация, когда Р_выс-Р_низ>const. Таким образом, при изменении глубины погружения датчики давления воздуха в ТВД и ТНД (13.1, 13.2) регистрируют увеличение разности давления рабочего тела между этими сосудами (Р_выс-Р_низ>const), посылают об этом сигнал на ЭВМ №2, которая, в свою очередь, посылает сигнал на основной компрессор (5.1) об уменьшении объема пропускаемого воздуха. При одновременном изменении глубины погружения и увеличении скорости движения ИВ вдоль ряда ячеек рост разности давления воздуха между ТВД и ТЦД (за счет изменения глубины погружения) полностью или частично компенсирует необходимость увеличения пропускной способности основного компрессора (за счет увеличения скорости движения ИВ вдоль ряда ячеек). При одновременном изменении глубины погружения и уменьшении скорости движения ИВ вдоль ряда ячеек рост разности давления воздуха между ТВД (1) и ТНД (2) (за счет изменения глубины погружения) делает необходимым уменьшение пропускной способность основного компрессора под действием двух факторов: 1) за счет уменьшения скорости движения ИВ вдоль ряда ячеек (уменьшения частоты переключения клапанов), 2) за счет изменения глубины погружения субмарины (что вызывает увеличение разности давлений рабочего тела (воздуха) в ТВД (1) и ТНД (2)). Помимо регулирования разности давления рабочего тела (воздуха) внутри ТВД (1) и ТНД (2) посредством изменения пропускной способности основного компрессора (5.1), следует предусмотреть возможность уменьшения разности давлений между ТВД (1) и ТНД (2) посредством пропускания воздуха из ТВД (1) в ТНД (2) через клапан (7), находящийся внутри трубопровода, соединяющего ТВД (1) и ТНД (2) в обход основного компрессора (Фиг.2; 12). Использование данного клапана необходимо, когда подводный аппарат меняет глубину погружения (происходит подкачка воздуха в ТВД и откачка воздуха из ТНД), но не движется горизонтально (ИВ не движется вдоль ряда ячеек и основной компрессор не перекачивает воздух из ТНД (2) в ТВД (1)). Резюмируя вышесказанное, цепь обмена информацией: датчики давления рабочего тела (воздуха) в ТВД и ТНД (13.1, 13.2) – ЭВМ №2 – основной компрессор (5.1) и клапан (7) трубопровода, соединяющего ТНД и ТВД в обход основного компрессора (Фиг.12), – способна обеспечить функционирование двухконтурной ПСВД (функционирование основного компрессора (5.1)).,>

ЭВМ №3 предназначена для поддержания среднего давления рабочего тела (воздуха) для двухконтурной ПСВД в целом, равным давлению забортной воды. Согласно схеме Фиг.13 ЭВМ №3 получает информацию о давлении от трех датчиков давления. Датчик давления, находящийся внутри ТВД (13.1) в режиме реального времени, измеряет и пересылает на ЭВМ №3 информацию о давлении рабочего тела (воздуха) в ТВД (Р_выс). Датчик давления, находящийся в ТНД (13.2), измеряет и пересылает на ЭВМ №3 информацию о давлении рабочего тела (воздуха) в ТНД (Р_низ) в режиме реального времени. Датчик давления забортной воды (13.4), находящийся на внешнем корпусе подводного аппарата, измеряет и пересылает на ЭВМ №3 информацию о давлении забортной воды (Р_зв) в режиме реального времени. Программа ЭВМ №3 предусматривает расчет среднего арифметического давления между давлением рабочего тела (воздуха) в ТВД и давлением рабочего тела (воздуха) в ТНД ((Р_выс+Р_низ)/2=P_cp). Кроме того, ЭВМ №3 производит логическую операцию сравнения среднего давления и давления забортной воды: Р_ср<>=Р_зв. В том случае, если P_cp<Р_зв, то ЭВМ №3 инициирует включение компрессора (5.2), перекачивающего воздух из емкости с запасом сжатого воздуха (8) в ТВД (1). Такая ситуация возможна при погружении субмарины. В случае, если Р_ср>Р_зв, то ЭВМ №3 инициирует включение компрессора (5.3), перекачивающего воздух из ТНД (2) в емкость с запасом сжатого воздуха (8). Такая ситуация возможна при всплытии субмарины. Работа компрессоров 5.2 и 5.3 продолжается до тех пор пока данные расчета (измеряемые и рассчитываемые в режиме реального времени ЭВМ №3) не покажут равенство Р_ср=Р_зв. Все операции ЭВМ №3 по сбору информации (от трех датчиков давления), обработке информации (расчету по заданной программе) и инициированию работы компрессоров 5.2 и 5.3 производятся в режиме реального времени (Фиг.13). Прошу заметить, что и ЭВМ №2 и ЭВМ №3 получают и обрабатывают информацию в режиме реального времени от одних и тех же датчиков давления 13.1 и 13.2.

ЭВМ №4 предназначена для поддержания давления воздуха в ТСД (Р_тсд), равным давлению забортной воды (Р_зв). ЭВМ №4 получает информацию о давлении воздуха в ТСД от датчика давления (13.3) и о давлении забортной воды от датчика давления забортной воды (13.4) в режиме реального времени. В том случае, если Р_тсд>Р_зв инициируется работа компрессора 5.5, перекачивающего воздух из ТСД (3) в емкость с запасом сжатого воздуха (8) (Фиг.14). В том случае, если Р_тсд<Р_зв, то инициируется работа компрессора 5.4, перекачивающего воздух из емкости с запасом сжатого воздуха (8) в ТСД (3). При достижении равенства Р_тсд=Р_зв инициируется прекращение работы компрессоров 5.4 и 5.5. Компрессоры 5.4 и 5.5 функционируют по инициативе ЭВМ №4 при изменении подводным аппаратом глубины погружения (Фиг.14). Процесс измерения давления рабочего тела и забортной воды датчиками давления (13.3; 13.4), передача данной информации от датчиков давления на ЭВМ №4, логическая операция сравнения полученных данных ЭВМ №4, передача информации от ЭВМ №4 к компрессорам 5.4 и 5.5 об их функционировании и процесс функционирования компрессоров 5.4 и 5.5 осуществляется в режиме реального времени (Фиг.14).

ЭВМ №5 предназначена для предотвращения проникновения забортной воды в ТСД (3) из межчехольных пространств (10) в случае повреждения внешней пленки (9) эластичной части волнового движителя (Фиг.15). В межчехольных пространствах (пространствах, ограниченных двумя соседними гофрочехлами, внешней пленкой и жестким корпусом субмарины) устанавливаются датчики влажности (12.2), реагирующие на проникновение забортной воды. В случае попадания в межчехольное пространство (10) забортной воды датчик влажности посылает об этом сигнал в ЭВМ №5. После получения данного сигнала ЭВМ №5 инициирует закрытие прохода (11) между ТСД (3) и данным (поврежденным) межчехольным пространством (10) посредством закрытия соответствующего клапана (7). Таким образом, поврежденный участок эластичной части волнового движителя оказывается изолированным (Фиг.15).

Примечание: Серьезно улучшить (сделать более легкой по весу и менее объемной) конструкцию ПСВД могла бы разработка двустороннего компрессора, способного перекачивать воздух как из первой емкости во вторую, так и из второй емкости в первую (по крайней мере для поршневого компрессора это сделать возможно). В этом случае пара компрессоров 5.2 и 5.3 могла бы быть заменена одним двусторонним компрессором. То же касается пары компрессоров 5.4 и 5.5. Это справедливо потому, что компрессоры 5.2 и 5.3 работают не одновременно, а поочередно (то же касается пары компрессоров 5.4 и 5.5).

Техническая характеристика подводного аппарата с волновым движителем (ВД), а также возможная сфера ее применения.

Подводный аппарат с ВД (Фиг.10) имеет следующие преимущества.

1. Бесшумность, то есть незаметность при пассивной эхолокации.

2. Низкая видимость при активной эхолокации, так как борт покрыт колеблющимися гофрочехлами и эластичной пленкой, отделяющей ряды гофрочехлов от забортной воды. При возможности, следует покрыть резиной остальные части корпуса подводного аппарата для уменьшения его заметности при активной эхолокации.

3. Высокая маневренность.

3.1 На подводный аппарат с ВД не действует инерция при торможении, так как выступающие ИВ являются естественным тормозом. Иными словами, субмарина с ВД движется вперед только в том случае, если ИВ движутся вдоль ее борта в противоположном направлении.

3.2 Подводный аппарат с ВД может поворачиваться на месте в случае, когда ИВ вдоль одного борта движутся в противоположном направлении, чем ИВ вдоль другого борта. Меняя скорость и направление движения ИВ вдоль двух бортов, можно добиться любой маневренности в горизонтальной плоскости.

Подводный аппарат с ВД (Фиг.10) имеет следующие недостатки в сравнении с подводным аппаратом, оснащенным обычным гребным винтом.

1. Малая глубина погружения, что объясняется ограниченной способностью сосудов ПСВД выдерживать высокое внутреннее давление рабочего тела.

2. Подводный аппарат с ВД плохо передвигается в надводном положении.

Примечание: возможно создание подводного аппарата, совмещающего волновой движитель и гребной винт.

Компоновка подводного аппарата с ВД должна совмещать надежность, живучесть и энергетическую экономичность. Число рядов ячеек может быть несколько с каждого борта (на схеме Фиг.10 подводный аппарат с ВД имеет по три ряда ячеек с каждого борта (всего шесть рядов ячеек)). Это необходимо, чтобы в случае повреждения нескольких гофрочехлов либо покрывающей их пленки, подводный аппарат не потерял подвижность (поврежденный ряд ячеек отключается вместе с симметричным ему рядом ячеек с противоположного борта и аппарат с ВД продолжает движение). Поврежденные емкости (чехлы, межчехольные пространства, трубопроводы) должны автоматически и своевременно изолироваться с помощью клапанов от остальной ПСВД. Основной компрессор (а также комплект компрессоров, регулирующих среднее давление в ПСВД) может быть один на все ряды ячеек.

Область применения подводного аппарата с вышеописанным волновым движителем является – перемещение под водой в промышленных, научных и военных целях.

Сведения, подтверждающие возможность и целесообразность осуществления изобретения. Не существует неразрешимых технических проблем, препятствующих воплощению двухконтурной пневматической системы волнового движителя (ПСВД). Самой сложной проблемой является обеспечение герметичности пневматической системы волнового движителя (ПСВД) при высоком внутреннем давлении рабочего тела (воздуха) и высоком наружном давлении забортной воды. Учитывая данную проблему, все механические движущиеся детали (клапаны) должны находиться внутри сосудов ПСВД, что делает проблему герметизации решаемой.

Преимущества пневматической системы волнового движителя, оснащенной системой трубопроводов, непосредственно передающих рабочее тело из ячейки в парную ей ячейку (двухконтурной ПСВД), состоят в следующем.

Двухконтурная ПСВД (система подачи рабочего тела (жидкости, газа) непосредственно из ячейки в ячейку в конструкции волнового движителя подводного аппарата) дает экономию энергии, равную части расхода энергии, поглощаемой трением, в процессе работы основного компрессора, соединяющего ТНД и ТВД.

Формула изобретения

Волновой движитель подводного аппарата, содержащий последовательно расположенные ячейки с чехлами, внешнее покрытие, а также сообщенные с ячейками через управляемые клапаны трубопроводы высокого и низкого давления, соответственно, подачи и откачки рабочего тела для последовательного подъема и опускания чехлов в виде движущейся вдоль борта подводного аппарата волны, отличающийся тем, что он снабжен трубопроводом среднего давления, сообщенным с пространством между чехлами для поддержания давления, равного забортному, и дополнительными трубопроводами, каждый из которых имеет управляемый клапан и соединен с двумя ячейками для сообщения их между собой перед открытием клапана, сообщающего одну ячейку с трубопроводом низкого давления, и клапана, сообщающего другую ячейку с трубопроводом высокого давления, при этом ячейки соединены с интервалом через две ячейки, а рабочим телом является газ.

РИСУНКИ