Some ways of hydrodynamic fin application for underwater supercavitating vehicles

Abstract

The paper deals with considering the two non-traditional ways of application of hydrodynamic fins for a high-speed underwater supercavitating vehicles. The techniques for active roll stabilization and course control of the moving supercavitating vehicle are developed that use the regulation of the roll angle by means of both the special roll fin, and the automatic error-closing control system. The examples of a computer simulation of the course of maneuvering of the supercavitating vehicle controlled with the vertical hydrodynamic fins having zero roll angle stabilization are given along with the cases of the roll angle regulation. A method for determining the equilibrium motion parameters (balancing) of the supercavitating vehicle is developed for the case when a pair of identical horizontal cavity-piercing fins is used for complete or partial compensation of the vehicle's weight. The examples of a computer simulation of the motion of the supercavitating vehicle with horizontal fins in both the planing avoidance mode, and the combined mode are presented. It is shown that the steady-state longitudinal motion of the balanced supercavitating vehicle in the planing avoidance mode is stable "in the small", in contrast to its motion with planing in the cavity. It is found that, the horizontal fins in the combined motion mode can play a damping role suppressing the supercavitating vehicle motion instability "in the small", however, after a long time interval, the motion loses the global stability. The computer simulation suggests that the activation of the automatic depth stabilization makes the supercavitating vehicle motion stable in general in all the examined cases. Also it is revealed that course maneuverability of the supercavitating vehicle controlled with the vertical fins is maximal when starting the balancing in planing avoidance mode, but it deteriorates dramatically when starting the balancing in the combined mode.

Рассмотрены два нетрадиционных способа применения гидродинамических рулей при движении высокоскоростных подводных суперкавитирующих аппаратов. Разработан метод активной стабилизации движения суперкавитирующего аппарата по крену и метод управления его движением по курсу путем регулирования угла крена с помощью специального руля крена и автоматической системы управления с обратной связью. Приведены примеры компьютерного моделирования маневрирования суперкавитирующего аппарата по курсу при управлении с помощью вертикальных гидродинамических рулей со стабилизацией нулевого угла крена и путем регулирования угла крена. Разработан метод нахождения равновесных значений параметров движения (балансировки) суперкавитирующего аппарата в случае, когда для полной или частичной компенсации его веса используется пара одинаковых горизонтальных рулей, проникающих из каверны в воду. Приведены примеры компьютерного моделирования движения суперкавитирующего аппарата с горизонтальными рулями в режиме без глиссирования и в смешанном режиме. Показано, что установившееся продольное движение сбалансированного суперкавитирующего аппарата без глиссирования, в отличие от его движения в режиме глиссирования в каверне, является устойчивым "в малом". Установлено, что в смешанном режиме движения горизонтальные рули могут играть демпфирующую роль, подавляя неустойчивость движения аппарата "в малом", однако на большом интервале времени движение теряет устойчивость в целом. Моделирование показало, что применение автоматической стабилизации движения по глубине во всех рассмотренных случаях делает его устойчивым в целом. Показано также, что курсовая маневренность такого аппарата при управлении с помощью вертикальных рулей максимальна при начальной балансировке в режиме без глиссирования, но резко ухудшается при начальной балансировке в смешанном режиме.

Розглянуто два нетрадиційні способи застосування гідродинамічних рулів при русі високошвидкісних підводних суперкавітуючих апаратів. Розроблено метод активної стабілізації руху суперкавітуючого апарату за креном і метод керування його рухом за курсом шляхом регулювання кута крену за допомогою спеціального руля крену й автоматичної системи керування зі зворотним зв'язком. Наведено приклади комп'ютерного моделювання маневрування суперкавітуючого апарату за курсом при керуванні за допомогою вертикальних гідродинамічних рулів зі стабілізацією нульового кута крену і шляхом регулювання кута крену. Розроблено метод знаходження рівноважних значень параметрів руху (балансування) суперкавітуючого апарату у випадку, коли для повної чи часткової компенсації ваги апарату використовується пара однакових горизонтальних рулів, які проникають з каверни у воду. Наведено приклади комп'ютерного моделювання руху суперкавітуючого апарату з горизонтальними рулями в режимі без глісування і в змішаному режимі. Показано, що усталений поздовжний рух збалансованого суперкавітуючого апарату без глісування, на відміну від його руху в режимі глісування в каверні, є стійким "в малому". Встановлено, що в змішаному режимі руху горизонтальні рулі можуть грати демпфуючу роль, пригнічуючи нестійкість руху апарату "в малому", однак на великому інтервалі часу рух втрачає стійкість в цілому. Моделювання показало, що застосування автоматичної стабілізації руху по глибині у всіх розглянутих випадках робить його стійким в цілому. Показано також, що курсова маневровість такого апарату при керуванні за допомогою вертикальних рулів максимальна при початковому балансуванні в режимі без глісування, але різко погіршується при початковому балансуванні в змішаному режимі.