Волновой движитель подводного аппарата

Волновой движитель подводного аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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).

F₁<F₂

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