4.6. Стабилизация продольного движения судна на подводных крыльях

СПК со стационарными крыльями малого заглубления при движении на волнении испытывают значительные возмущающие воздействия. Возникающая при этом переменная подъемная сила и вертикальные ускорения ухудшают условия обитаемости, создают дополнительную нагрузку на элементы конструкции и механизмы. Вертикальная качка СПК сопровождается килевой качкой, так как переднее и заднее крылья располагаются в разных точках волны, что приводит к появлению возмущающего дифферентующего момента.

В связи с тем, что вертикальные перемещения элементарных частиц жидкости при волнении носят орбитальный характер, волновое возмущение на крыльях оказывается различным при движении СПК на встречных и попутных курсовых углах к волнению.

Вертикальные составляющие скоростей движения частиц воды накладываются на скорость потока жидкости относительно крыла вследствии поступательного продольного движения СПК. В результате изменяется угол атаки на крыле при движении СПК на встречных курсовых углах к волне. Такое положение потоков жидкости приводит к увеличению подъемной силы во время прохождения переднего склона волны и к ее уменьшению, когда крыло проходит задний склон. Поэтому при встречном волнении судно стремится следовать за профилем волны, сохраняя продольную устойчивость. Вертикальные перегрузки при этом имеют относительно высокие амплитуды и частоту. При попутном волнении картина оказывается обратной: подъемная сила на крыле снижается во время прохождения переднего склона и растет, когда крыло находится на заднем склоне волны. В результате нарушается продольная устойчивость движения СПК, и судно может испытывать удары волны о корпус даже в том случае, когда высота волны меньше клиренса. (Клиренс - это расстояние между нижней точкой корпуса и водной поверхностью при движении СПК в крыльевом режиме на тихой воде).

Подверженность волновым возмущениям отрицательно сказывается на мореходность СПК со стационарными крыльями. Чтобы использовать эти судна при интенсивном волнении, необходимы средства компенсации возмущающих воздействий. Для этого в конструкцию крыльев вводят подвижные элементы закрылки, положением которых управляют автоматически, изменяя тем самым угол атаки крыла и, следовательно, величину подъемной силы.

СПК с глубоко погруженными крыльями также требуют автоматического управления подъемной силой. Это связано с тем, что при такой крыльевой схеме подъемная сила на крыле практически не зависит от заглубления. Глубина погружения крыла начинает сказываться только при движении на волнении, когда крыло оказывается в поверхностном слое воды. В нормальном ходовом режиме СПК такого типа собственной продольной устойчивостью не обладают. Для создания ее необходимо автоматическое управление положением крыльев или закрылков.

Снижение вертикальных перегрузок СПК, обеспечение продольной устойчивости судна достигаются с помощью автоматической системы стабилизации продольного движения, которая предназначена для поддержания на заданном уровне ординаты центра масс и угла дифферента. Функция управления этой системы заключается в минимизации текущих отклонений кинематических параметров от заданных значений

При случайном характере внешних возмущений функция управления определяется минимумом дисперсий управляемых переменных

По условиям движения СПК на волнении стабилизация ординаты центра масс и угла дифферента возможна при высоте волн меньшей, чем клиренс. Если же высота волн больше клиренса система переходит в режим слежения за профилем волны.

Расчет законов управления системы можно вести на основе линейной модели (2.45). В соответствии с вектором состояния продольного движения СПК сигналы управления носовым и кормовым крыльями формируются в виде

Оба крыла, носовое и кормовое, используют для управления положением ординаты центра масс и углом дифферента.

При создании подъемной силы они разворачиваются в одном направлении, а для образования нужного дифферентующего момента в разных направлениях. Поэтому знаки коэффициентов закона управления одинаковы (все отрицательны), имеют знаки противоположные знакам отрицательны, - положительны). Согласно (4.14) каждый канал управления формируется из основных обратных связей по управляемым переменным (позиционные связи по углу дифферента и ординате центра и корректирующих связей (демпфирующие связи по угловой скорости и углу атаки ). Внутренние обратные связи по углам перекладки носового и кормового крыльев улучшают характеристики гидроусилителей исполнительных органов системы и обеспечивают следящий режим их работы. Измерение угла дифферента осуществляется с помощью гировертикали, сигнал которой подается через масштабные преобразователи на суммирующие устройства, где формируются законы управления крыльями. Этот же сигнал используется при образовании демпфирующей обратной связи по угловой скорости килевой качки. Для этого его пропускают через дифференцирующий фильтр с передаточной функцией .

Более сложную задачу представляет собой измерение ординаты центра масс. Иногда для этой цели используют акселерометры (датчики линейных ускорений), выходные сигналы которых подвергаются двойному интегрированию. Если акселерометр жестко связан с корпусом судна, то с его помощью определяются линейные перемещения в связанной системе координат, которые на основе обратной кинематической матрицы преобразуют в неподвижную координатную систему. Для образования демпфирующей обратной связи по углу атаки можно использовать сигнал, получаемый в результате однократного интегрирования выходного сигнала акселерометра, так как он пропорционален скорости вертикального перемещения центра масс в связанной системе координат и, следовательно, углу атаки.

В других системах вместо акселерометров используют гидростатические датчики давления, устанавливаемые в крыльях. С их помощью измеряется глубина погружения крыла. Система, в которой используются такие датчики, стремится поддерживать постоянное заглубление крыльев, отслеживая профиль волны.