Гидродинамические аспекты проектирования подводных ружей

Пригожаев А.К., Чалов С.А.

АннотацияГидродинамические аспекты проектирования подводных ружей

В  статье  изложены особенности  устройства  и  использования подводных  ружей. Поставлена  и решена  задача  об  определении  параметров движения  гарпуна, представлены соответствующие  дифференциальные  уравнения  и  метод  их решения. На  основании  результатов решения  сформулированы основные направления  совершенствования подводных  ружей.

В  настоящее  время  в  России  и  за  рубежом  наблюдается  рост  интереса  к  такому виду  отдыха, как  подводная охота, где  одним  из  необходимых элементов  снаряжения подводного  охотника  является  подводное  ружье. Существует  множество  типов  подводных ружей, но  наибольшее распространение  получили  ружья, выстреливающие  гарпун  посредством энергии, аккумулируемой  пружиной, резиновым  жгутом  или  сжатым воздухом. Использование  сжатого  воздуха  имеет  ряд  преимуществ. Главным является  то, что  в  этом случае  можно  добиться  более  эффективного использования  аккумулируемой  энергии  за счет  создания  оптимального закона  изменения  разгоняющей  гарпун  силы, чем  в  случае применения пружины  или  резинового  жгута. У  ружей, разгоняющих  гарпун  с  помощью резинового  жгута  или  пружины  зависимость  разгоняющего  усилия от пути  гарпуна убывающая  практически  до  нуля  в  конце  пути  разгона  и близка  к  прямой. У пневматических  подводных  ружей  эта  зависимость убывает  только  до  значения, на  8-10  % меньшего  разгоняющего  усилияу  в  начале  пробега  и  тоже  близка  к  прямой.

Таким  образом,  наиболее  эффективными  являются  пневматические подводные  ружья, поскольку  в  этом  случае  при  правильном  подборе  параметров удается  передать  гарпуну большую, чем  у  других  типов  ружей энергию  при  том  же  максимальном  усилии  зарядки. По  этой  причине  в работе  мы  будем рассматривать  пневматические  подводные ружья.

Достижения современной  гидроаэродинамики  позволяют предсказать предска­зать с  достаточной точностью  характеристики  ружья  на  стадии  про­ектирования, исследованию  этого  вопроса  и описанию  соответствующей методики  проектирования  пневматических  подводных  ружей посвящена работа  [ 1 ] .Там подробно  изложены  правила  определения оптимальных  значений параметров  практически  всех  конструктивных узлов ружья, но  явно  недостаточно  освещен вопрос  о  влиянии  пара­метров ружья  и  гарпуна  на  характеристики  движения  последнего  при выстреле. Рассмотрение  этого  вопроса  и  является  темой  данной статьи.

Конструкция  ружья  выполняется  такой, чтобы  при  разгоне  траек­тория  гарпуна  была максимально близка  к  прямой, включающей  ось  его симметрии  и  поэтому  при расчетах будем считать, что  во  время  разго­на  он  движется  поступательно.

Гарпун  представляет  собой сильно  удлиненное  плохообтекаемое тело, форма  которого  очень близка  к  осесимметричной. В  кормовой  части  гарпун  имеет  стабилизатор, к  которому  крепится соединяющий его  с  ружьем  линь. Исходя  из  прак­тики  использования  подводных  ружей  можно утверждать, что  сила, раз­гоняющая  гарпун  при  выстреле,  в  начальный  момент  времени  Fo пример­но  в 50  —  100 раз  превышает  его  силу  тяжести  в  воде, а расстояние от  ружья до  цели S, при  котором ее поражение реально, как  правило, не превышает 4 м. Все  вышеперечисленное  позволяет  сделать  вывод  о том, что  можно  принять следующие далее  допущения. Первое о  том, что  гарпун движется  по  прямой, включающей  ось  его  симметрии, а  линь будем  счи­тать согласно  второму  допущению  цилиндром, длина которого  равна  рас­стоянию от  переднего  среза  ружья до  стабилизатора  гарпуна  и ось  это­го  цилиндра совпадает  с  осью  симметрии  гарпуна. Кроме  того, поскольку масса  линя  во  много  раз  меньше  массы гарпуна  будем  считать  ее  нуле­вой. Исходя  из  практики  использования  подводных  ружей  следует  расс­матривать  движение  в  безграничной  жидкости.

Результаты  исследований разгона  гарпуна, приведенные  в  работе  [1], позволяют предположить, что  зависимость  разгоняющей  гарпун силы от  его  пути  можно  заменить наклонной  прямой. Для  проверки этого  предположения  фирмой ADV  был  проведено сравнение  рассчитанных  с  учетом  этого  предположения  и  полученных  с  помощью подводной киносъемки  параметров  движения  гарпуна  при  разгоне. При  эксперимен­те  перед выстрелом  измерялись  значения  усилия  зарядки  при  несколь­ких  значениях  перемещения гарпуна. Результаты  эксперимента  показа­ны  на  рис. 2. Сравнение  экспериментальных  и расчетных  результатов позволяет  говорить о  правомочности  замены  зависимости разгоняющей силы от  пути  гарпуна  наклонной  прямой. По  этой  причине  и  принимая  во внимание  пренебрежение  силой  тяжести  гарпуна, приведенные  в  работе [1]  уравнения движения  гарпуна  при  выстреле  были  несколько  упрощены.

При  движении  гарпуна  по  инерции  будем  считать, что  коэффициен­ты сопротивления  гарпуна Сх и  линя Схl равны соответствующим  коэф­фициентам  сопротивления  гарпуна  с  линем, движущихся  с  постоянной скоростью, равной  мгновенной  скорости  в  этот  момент  времени, аналогично  тому,  как  это  принято  в  работе  [2]  для  расчета  выбега  судна. Необходимо заметить, что  длина  линя  при расчете  коэффициента  его сопротивления берётся равной мгновенной длине  линя  в данный  момент времени.

Имеющаяся  в  книгах  [3]  и [4]  информация  позволяет  сделать  вы­вод  о  том, что постоянным  Будет  только  коэффициент  составляющей соп­ротивления  формы Cv, а коэффициент  составляющей  трения  Cf  Будет  за­висеть от  числа Рейнольдса, а  следовательно и от  скорости, согласно  известной  формуле  Прандтля  —  Шлихтинга. С  целью определения зна­чения  коэффициента  составляющей  сопротивления  формы  гарпуна  были проведены его буксировочные  испытания. Этот  коэффициент  определялся как  разность  Сх  и  Cf , вычисленного  по  формуле  Прантля  —  Шлихтинга.

Введем координатную ось QX, направленную по оси симметрии гар­пуна, за начало отсчета примем точку, в которой находится носик гар­пуна  до  выстрела  (рис.1).

Таким  образом, уравнения  движения  гарпуна  будут  иметь  вид:

 

при  начальных  условиях: где:

m  —  масса  гарпуна,

l —  длина  пути разгона  гарпуна  (длина  ствола ),

L —  длина  гарпуна,

D-    диаметр  гарпуна,

E-     ρ-  плотность  воды,

d —  диаметр  линя,

ν — кинематическая  вязкость  воды.

Присоединенную  массу  гарпуна λ11 можно определить на основании  имеющейся  в книге  [5]  информации.

Значение параметра δ определяется  на  основании  информации, опубликованной в работе [1].

Для решения  уравнений  1  и 2  был разработан  численный  метод, основанный на предположении о  том, что  в  течении  любого  малого  промежутка времени  зависимость скорости  гарпуна  от  времени  можно  заменить прямолинейным отрезком. На  базе  этого метода  была  создана  программа для РС-АТ и с ее помощью выполнены расчеты зависимостей характеристик движения гарпуна при выстреле от его массы, геометрических параметров и усилия зарядки.

Из результатов  этих  расчетов  наибольший  интерес  представляют зависимости кинетической  энергии  гарпуна  и  времени  прохождения  им интересующего  участка  пути от его  параметров  и усилия  зарядки. На рис. 3  показаны  зависимости  кинетической  энергии гарпуна  от  его  пе­ремещения  при различных  усилиях  зарядки, а  на  рис. 4  аналогичные  за­висимости  для  гарпунов  различных  длин. Представленные  на  этих  рисун­ках  результаты позволяют  сделать  выводы о  том, что  кинетическая энергия  гарпуна  во  всех  точках  пути практически  прямо  пропорцио­нальна  его  длине  и усилию  зарядки. Время движения  гарпуна весьма незначительно  изменялось  при  изменении  параметров  ввода  и  никогда не превышало  0.6  с, что  позволяет  не считать  этот  параметр определяющим  при проектировании  подводных  ружей.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Бегак М.В., Лобанов С.И. Проектирование  пневма­тических  подводных  ружей. Тезисы доклада  кон­ференции  «Научно-технический  прогресс  в  рыбной промышленности». Калининград, 1979.
  2. Артюшков Л.С.,Ачкинадзе А.Ш.,Русецкий  А.А. Судовые  движители. Л. «Судостроение»,1988.
  3. К.К.Федяевский, Я.И.Войткуне кий, Ю. И. Фаддеев.  Гидромеханика.  Л. «Судостроение» , 1968.
  4. Справочник по теории  корабля  т.1.Под  обшей ред. Войткунского  Я.И. Л. «Судостроение»,1985.
  5. Короткий А. И. Присоединенные массы судна. Справочник. Л.»Судостроение»,1986.