Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики и прогнозирования работоспособности пусковых устройств подводных аппаратов

Качество любых изделий в. самом широком смысле этого понятия в, огромной степени зависит от уровня технологической подготовки производства. К этой многогранной проблеме, являясь ее важнейшей составляющей, относится проектирование и изготовление технологического оснащения. При этом особая роль отведена созданию исследовательских и испытательных стендов, без которых создание изделий, работающих в особо сложных условиях, часто оказывается невыполнимой задачей.

К категории таких изделий с полным основанием относятся подводные роботы (ПР), а также их пусковые системы, обеспечивающие хранение и безаварийное отделение первых от различных носителей. Для опытной отработки подобных систем и оптимизации их характеристик используются специализированные исследовательские гидродинамические стенды (ГДС). Гидродинамика — наука, в которой без экспериментальных исследований невозможно обойтись при решении многих как теоретических, так и практических задач.

В настоящее в технике имеют место два направления:

— создание ограниченного количества высокоэффективных, но дорогих систем;

— разработка значительного количества менее эффективных, но недорогих образцов техники [1], [2].

В рамках второго пути развития подводных технологий сегодня активно развивается качественно новое направление — самоходные автономные4 необитаемые подводные аппараты (САНПА), в том' числе миниатюрные (калибром до 10 дюймов) различного назначения [2].

Диапазон использования таких подводных аппаратов (ПА) чрезвычайно широк — от разведки и очистки от различных загрязнений гигантских площадей прибрежных шельфов до всегда актуальных задач военно-промышленного комплекса (ВПК).

О больших перспективах использования малогабаритных ПА как в мирных, так и в целях ВПК свидетельствуют многомиллиардные вложения в эту отрасль в странах Запада и уже реализованное крупносерийное их производство*[32]- [45].

Примером подобных технических решений могут служить малогабаритные аппараты разового применения, используемые в военных целях, сформированные как необитаемые подводные аппараты (НПА), имеющие калиброванный корпус.

НПА с минимальными массо-габаритными характеристиками на стадии серийного производства нескольких модификаций имеют низкую себестоимость. При этом миниизделия (в дальнейшем под изделиями будем понимать НПА различного назначения) во многих случаях дают возможность решать поставленные задачи самостоятельно с экономией дорогостоящих образцов НПА больших калибров.

В нашей стране в последние годы также активизируется работа по созданию подобных аппаратов. В частности, к настоящему моменту большой вклад в их развитие и популяризацию в научной среде внесли Котов A.C., Соболев И. И., Кыбальный М. В., Илларионов Г. Ю., Сиденко К. С., Сидоренков В. В. и многие другие.

Использование НПА требует специализированных пусковых устройств (ПУ). В последнее время особую актуальность приобрели работы по созданию транспортно-пусковых контейнеров (TJ.1K) забортного расположения. Такие контейнеры обеспечивают хранение приготовленного к использованию изделия, а также его динамический выпуск с безопасной скоростью отделения от носителя за счет работы автономной энергосистемы. Большой вклад в теорию подводных пусковых систем" и прикладной пневмо-гидроавтоматики внесли Е. П. Шафранский, Ю. П. Еловских, Г. В. Цывкин, И. А. Лежнев, О. И. Ефимов и многие другие.

Актуальность проблемы.

Описываемые технические решения составляют новый вид подводных комплексов, включающих подводные роботы и их пусковые: системы, и поэтому важнейшее значение при их проектировании и внедрении в производство имеют вопросы всесторонних испытаний ТПК, отработки их опытных образцов для последующего серийного изготовления. Многие из этих задач до сих пор требуют как теоретического обоснования, так и его экспериментальной проверки.

На сегодняшний день в мире (в том числе, и в России) отсутствуют публикации, отражающие опыт отработки и испытаний новых образцов имеющих калиброванную часть подводных аппаратов, а также их пусковых систем. Практически все зарубежные фирмы, широко рекламируя достижения в области подводных технологий, в том числе раскрывая тактико-технические характеристики (ТТХ) НПА, тщательно скрывают секреты технологий их создания и отработки, состав и устройство технологического обеспечения заявляемых показателей изделий.

Отработка. перспективной морской техники в натурных условиях действующих подводных и надводных кораблей (НК) неизбежно приводит к значительным временным и финансовым затратам. Кроме того, своевременное планирование проводимых исследований затруднено из-за постоянно изменяющихся внешних факторов. [34].

Например, из опыта создания традиционных пусковых устройств известно, что для осуществления наладочных работ и доказательства работоспособности таких ПУ, а также их ресурсных испытаний, как правило, требуется 1500−2000 циклов технологических срабатываний создаваемого нового образца техники.

Поэтому создание специализированных испытательных стендов, позволяющих многократно имитировать работу проектируемого устройства в воспроизводимых условиях, максимально приближенных к естественным, является одной из наиболее сложных и актуальных задач при решении вышеупомянутых проблем [8].

Цель работы и задачи, исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методик и программного обеспечения проектирования гидродинамических стендов (ГДС) и их конструктивных элементов, предназначенных для исследований и испытаний пусковых устройств ПА в большом диапазоне глубин их пуска.

Основные направления и задачи исследования определяются комплексным характером технологического обеспечения поставленной проблемы, что потребовало:

— разработки унифицированной конструктивной схемы ГДС;

— математического описания физических явлений, протекающих в ГДС во время испытаний, с оценкой их влияния на работу ТПК;

— разработки методики прогнозирования характеристик работы ПУ ПА при его отработке на ГДС;

— теоретического исследования процессов в ГДС и в оригинальных конструкциях их элементов;

— разработки методики обоснования конструктивных характеристик выпускного клапана системы подержания постоянного давления в резервуаре-имитаторе ГДС;

— разработки методики оценки рабочих характеристик тормозного устройства (ТУ) ГДС.

Общая методика исследования.

Общая методика исследования — расчетно-аналитическая, с экспериментальным подтверждением зависимостей, используемых при описании" динамических процессов. Разработка математической модели функционирования ГДС основана на применении уравнений газои гидродинамики ([30], [36], [9]), а также обоснования и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. Эти приложения важнейших физических законов хорошо зарекомендовали себя в практике проектирования и опытной отработки специфических изделий морской техники, т. е: расчетные методики, разработанные в настоящей диссертации, опираются ¦ на большой опыт экспериментальных исследований с использованием существующей технологической базы подводного аппаратостроения: Так, при настройке вновь создаваемых комплексов ПА для приближения* опытных результатов контроля их технических характеристик в условиях ГДС к показателям, наблюдаемым в натурных условиях, используется специальный критерий соответствия.

Отличительной особенностью разработанной автором математической модели работы тормозного устройства ГДС является учет его высокой динамичности, т.к. суммарное время торможения изделия составляет от 0,03 до ОД с.

Быстротечность процессов пуска малогабаритных ПА из ТПК (общее время процесса составляет от 0,15 до 0,4 с) обусловила необходимость экспериментального исследования устройства поддержания постоянного давления в демпфирующей полости ГДС, характеризующегося повышенными требованиями к точности работы и чувствительности реагирования на изменение давления.

При исследовании работы быстродействующих пневмоэлементов используется опыт реального проектирования автоматически управляемых клапанов импульсных пневмосистем.

Научная новизна.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: разработаны новые методики проектирования ГДС и их составляющих элементовразработаны оригинальные, защищенные Патентами РФ, конструкции ГДС и входящих в их состав устройств-. разработано математическое описание работы различных вариантов ГДС и торможения ПА в тормозном устройстве ГДСразработаны методики и программное обеспечение, позволившие оценить влияние ГДС на работу диагностируемого ПУпредложена и доведена.

10 • до счисленного примера методика оптимизации конструктивно-технологических характеристик, выпускного • клапана системы поддержания давления в полости-имитаторе где.

Практическая ценность, результатов работы.

Разработанные в диссертацииметодики используются при разработке реальных образцов аппаратуры, предназначенной для технической диагностики и прогнозирования работоспособности вновь создаваемых ПУ подводных аппаратов.

Создание специализированных ГДС для отработки ПУ перспективных подводных аппаратов позволит существенно сократить финансовые и временные затраты, необходимые для запуска в производство новых образцов малогабаритной морской техники.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием при составлении математического описания процессов функционирования ГДС и их элементов неоднократно экспериментально подтвержденных методик и зависимостей, хорошо зарекомендовавших себя при проектировании действующих образцов подводной морской техники.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических исследований и методика проектирования гидродинамических стендов для испытания быстродействующих пусковых устройств подводных аппаратов.

2. Математические модели физических процессов, сопровождающих работу исследуемого ПУ в условиях различных вариантов ГДС, и их программное обеспечение.

3: Методика оценки коэффициента соответствия стенда ш его представление в виде непрерывной функции от заданнойглубины испытаний.

4. Методика расчетной оптимизации конструктивных характеристик устройства поддержания постоянного давления в демпфирующей полости ГДС.

5. Методика оценки рабочих характеристик тормозного устройства ГДС.

Внедрение результатов работы.

Основные результаты работы использованы в исследованиях, проводимых ОАО «Концерн &bdquo-Морское подводное оружие-Гидроприбор» «, ЦКБ МТ «Рубин» и включены в план дальнейших исследований НОЦ 1 НИУ ИТМО.

Апробация работы.

Отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на общеакадемическом научном семинаре «Системный анализ при создании кораблей, вооружения и военной техники», Санкт-Петербург, BMA им. Н. Г. Кузнецова, 2009 г., на XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2010 г, VII Конференции молодых ученых, СПбГУ ИТМО, 2010 г.

Общая структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и содержит 136 страниц, в том числе 44 рисунка, 107 формул, 13 таблиц и список использованной литературы, включающий 53 источника на 6 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам данной диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. Решение актуальной задачи освоения шельфа Мирового океана, в т. ч. Арктического шельфа России в настоящее время наиболее рационально с использованием подводных аппаратов различного назначения [31], [42], экономически и технологически приемлемое производство которых требует создания методик и аппаратуры для их отработки, испытаний и серийного выпуска.

2. В диссертации представлены разработанные методические рекомендации по проектированию ГДС для стендовых испытаний ПУ НПА, на базе которых предложены 2 оригинальные конструктивные схемы ГДС.

3. Разработаны математические модели функционирования основных узлов ГДС и создано программное обеспечение расчетного моделирования физических процессов для различных конструктивных исполнений ГДС, обеспечивающее реализацию системного подхода к проектированию ГДС с минимальными массогабаритными характеристиками.

4. Исследованы основные аспекты взаимного влияния элементов ГДС и ПУ и предложены варианты управления этим влиянием при испытаниях ПУ в большом диапазоне гидростатического противодавления с помощью коэффициента соответствия стенда.

5. Разработана конструкция и предложена методика оценки рабочих характеристик оригинального тормозного устройства ГДС, обеспечивающего торможение и остановку ПА в большом диапазоне начальных скоростей его движения.

6. Разработана и конструктивно оформлена оригинальная система автоматического регулирования давления в воздушной демпфирующей полости ГДСразработана математическая модель ее функционирования в виде системы ПУ — ГДС — выпускной клапан.

7. С использованием элементов теории математического планирования эксперимента предложена и апробирована методика аналитического выбора оптимального сочетания конструктивных параметров выпускного клапана системы автоматического регулирования давления в демпфирующей полости ГДС, обеспечивающего высокую степень соответствия стендовых характеристик работы системы пуска ПА расчетным характеристикам в условиях открытой воды. Аналитически доказана эффективность данной методики применительно к ГДС для испытаний ПУ НПА.

Таким образом, представленные в диссертации технологические решения позволяют существенно сократить, а в будущем, при испытаниях серийных образцов техники, возможно, вообще исключить необходимость проведения очень дорогостоящих и трудоемких натурных испытаний пусковых устройств подводных аппаратов.