Статья в Энциклопедическом Фонде

Стабилизатор глубины

Нажмите, чтобы увеличить! Нажмите, чтобы увеличить! Нажмите, чтобы увеличить! Нажмите, чтобы увеличить! Нажмите, чтобы увеличить! Нажмите, чтобы увеличить! Стабилизатор глубины - автоматическое устройство (регулятор, управляющая система), обеспечивающее заданный закон изменения глубины (и её производных по времени) автономного самоходного обитаемого подводного аппарата (ОПА) при отсутствии хода в горизонтальном направлении.
Под заданным законом изменения глубины ОПА (объекта управления) понимается определённое программное движение (ПД) объекта, которое задаётся априорно или вырабатывается на борту в каждый данный момент времени.
Целью управления в системе автоматического управления глубиной (САУГ), т.е. системы состоящей из ОПА и СГ, является отслеживание заданного ПД по тем или иным критериям: минимальная ошибка, минимальные затраты энергии на управление и др. Для различных классов ОПА типовыми ПД являются:
- Приведение (доставка) объекта на заданную глубину h зад.,
- Удержание (стабилизация) объекта на h зад.,
- Переход (маневрирование) объекта с одной h зад. на другую.
Из типовых ПД следует, что функции СГ значительно шире, чем просто стабилизация объекта на h зад. Однако термин СГ прочно закрепился на практике за подобным регулятором глубины, прежде всего, потому, что именно режимы стабилизации глубины на h зад. часто значительно повышают эксплуатационную эффективность и автономность ОПА.
Первые образцы СГ с подобными функциями впервые появились в начале XX-го в/ в подводных лодках и плавающих минах. В конце 2-ой Мировой войны и в первые послевоенные годы исследования и разработки в области указанных СГ имели, в основном, оборонную направленность.
Позднее область применения СГ значительно расширилась в связи с развитием различных самоходных ОПА военного и гражданского назначения. Особенно быстрое развитие получили ОПА гражданского назначения для исследования и практического освоения ресурсов Мирового океана, проведения подводно-технических и спасательных работ, коммерческого подводного туризма и др.
С конструктивно-эксплуатационной точки зрения все самоходные ОПА различного назначения могут быть подразделены на два больших класса: ОПА с экипажем, размещённым в прочном корпусе аппарата типа PISCES, ALVINE, ALUMINAUT и др. (водоизмещение от 6 до 80 тонн, экипаж 2-5 чел.) и ОПА с экипажем из водолазов, размещённых в проточных отсеках аппарата, выполненного на базе электроторпеды, типа: CHARIOT (Англия) - рис. 1, NEGER (Германия) SLC (Италия) - рис. 2,3 и др., а также в аппаратах, выполненных по более удобной компоновке, типа MARK-4 (Франция) и др. (водоизмещение 1-3 тонны, экипаж 1-3 чел).
Способ размещения экипажа в ОПА оказывает существенное влияние на выбор принципа действия и конструкцию СГ. Поэтому рассмотрим кратко эти особенности.
а) СГ для ОПА с экипажем в прочном корпусе аппарата. СГ для ОПА оборонного назначения имели, как правило, один малошумный исполнительный тракт, основанный на принципе изменения остаточной плавучести аппарата за счёт изменения его объёма или его массы. В алгоритмическом плане САУГ этих ОПА имели много общего с аналогичными системами подводных лодок.
Устойчивые (автоколебательные) режимы стабилизации ОПА на h зад. отвечали заданным требованиям, а потому развитие СГ для аппаратов этого типа происходило достаточно медленно.
СГ для ОПА гражданского назначения имели, как правило, два исполнительных тракта: первый формировал управляющее воздействие за счёт изменения остаточной плавучести у аппарата путём изменения его объёма или его массы, а второй - за счёт реактивного воздействия струи воды, отбрасываемой вертикальным гребным винтом или водомётом. В алгоритмическом плане САУГ этих ОПА также имели много общего с аналогичными системами подводных лодок. Наличие второго исполнительного тракта значительно облегчало задачу стабилизации и маневрирования аппарата по глубине и, поскольку, САУГ удовлетворяли поставленным требованиям, то развитие СГ для аппаратов этого типа также происходило достаточно медленно. Наличие оператора на борту в комфортных условиях упрощало процедуру точной вывески аппарата в нулевую плавучесть. Так, например, при отсутствии вертикальных течений оператор мог корректировать плавучесть аппарата на ручном управлении - по визуальной оценке скорости перемещения планктона вблизи иллюминатора.
б) СГ для ОПА с водолазами в проточных отсеках аппарата.
Опыт 2-ой Мировой войны показал, что отсутствие СГ в итальянских, немецких и английских ОПА специального назначения, выполненных на базе электрических торпед калибра 53 см, часто являлось причиной гибели водолазов в результате неуправляемого всплытия аппарата у борта атакуемого корабля. В послевоенные годы задача создания надёжного СГ для аппаратов с водолазами на борту по-прежнему оставалась актуальной для ВМФ различных стран. В то же время малогабаритные аппараты с водолазами на борту оказались востребованными и для новых гражданских задач: проведение подводно-технических работ с конкретными инструментами; обследование подводных трубопроводов, кабелей и донных сооружений; проведение океанографических, геологических, биологических, археологических и др. исследований на континентальном шельфе.
Создание СГ для подобных аппаратов калибра 53-65 см и водоизмещением до 3-х тонн связано с рядом трудностей, главными из которых являлись: жесткие ограничения на распределение объёмов в аппарате и возмущающие воздействия на аппарат водолазами. Ограничения на распределение объёмов, прежде всего, затрагивали вопросы: запасы сжатого воздуха и емкость бортового источника энергии. К воздействию водолазов на аппарат относились: сжимаемые объёмы гидрокомбинезонов, которые при изменении глубины погружения аппарата создавали эффект положительной обратной связи; толчки на аппарат при посадке и выходе их кабин, перемещения в кабинах, дыхание и др.
Создание аппаратов оборонного назначения имело смысл только при размещении водолазов внутри аппарата во время выхода его из трубы торпедного аппарата серийной подводной лодки.
Отсутствие прототипов СГ в технике обусловило поиск решений в области гидробионики. Изучение особенностей взаимодействия грудных плавников и плавательного пузыря у закрытопузырных пеллагических рыб позволило автору найти эти решения. На их основе были разработаны и проверены различные варианты натурных макетов СГ. Лучший из вариантов был установлен в натурный макет ОПА типа, "СИРЕНА". Он имел два исполнительных тракта: малошумный гребной винт в вертикальной шахте аппарата (аналог грудных плавников); балластную цистерну с автоматической пневматической разгрузкой от забортного давления и расположенным внутри неё насосом (аналог плавательного пузыря).
Отличительной особенностью алгоритма работы релейной САУГ аппарата являлось такое совместное действие балластного и безбалластного исполнительных трактов, которое обеспечивало:
- при больших рассогласованиях глубины оба тракта работали в скользящем режиме, в котором аппарат двигался к заданной глубине с априорно заданной скоростью, которая, в свою очередь, определяла заданную величину остаточной плавучести в зоне управления только одного безбалластного тракта (так, например, точность вывески 2-х тонного аппарата составляла всего + - 0,050 КГс),
- при стабилизации аппарата в заданной зоне глубин h зад +-(0.2-0.5) м. устойчивость автоколебательного процесса обеспечивалась за счёт соответствующей амплитудной и фазовой коррекции параметров колебаний (так, например, для 2-х тонного аппарата амплитуда и период колебаний соответственно были 0.1-0.5 м. и 60-200 сек.).
В дальнейшем СГ этого типа были установлены в серийные ОПА типа "СИРЕНА-УМ" и "МАРИНА", рис. 4,5 и 6.

Литература
1). T.J.Waldron, James Gleeson. The Frogmen. PAN-Books, LTD : London, 5th Printing, 1955.
2). В.Боргезе. Десятая флотилия МАС. пер. с итальянского, Изд. Иностранная лит., М. 1957.
3). А.М Чикин. Морские дьяволы. М. Изд. "Вече", 2003.
4). Ю.А. Боженов, А.П. Борков, В.М. Гаврилов и др. Самоходные необитаемые подводные аппараты. Л. Изд. "Судостроение", 1986.
5). Ю.Г. Алеев. Нектон. Киев, Изд. "Наукова Думка", 1976.
6). V.M. Gavrilov. Control algorithms of research AUVs drifting on preset depths. Transactions of CRF-96, St.Petersburg, 1996, v.1, p. 398-409.
7). ,,SIRENA-UME" (A Self-Propelled Automatic Facility for Transportation of Skin Divers) Information Leaflet of the Plant ,,DVIGATEL", 13,Pirogovskaja emb., St.Petersburg, 194175, Russia.
8). "MARINA" (A Self-Propelled Vehicle for Transportation of Skin Divers) Information Leaflet of the Plant "DVIGATEL", 13, Pirogovskaja emb., St.Petersburg, 194175, Russia.
Энциклопедический Фонд