SIMULAREA NUMERICĂ A TRAIECTORIEI SUBACVATICE PE PORȚIUNEA AUTONOMĂ PENTRU O TORPILĂ ELECTRICĂ [304969]

ACADEMIA NAVALĂ „MIRCEA CEL BĂTRÂN”

FACULTATEA DE MARINĂ MILITARĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

Lt. cdor. Ș.L. dr. Ing. BURLACU PAUL

ABSOLVENT: [anonimizat]. [anonimizat]

2009

ACADEMIA NAVALĂ „MIRCEA CEL BĂTRÂN”

FACULTATEA DE MARINĂ MILITARĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

TEMA: „SIMULAREA NUMERICĂ A TRAIECTORIEI SUBACVATICE PE PORȚIUNEA AUTONOMĂ PENTRU O TORPILĂ ELECTRICĂ”

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

Lt. cdor. Ș.L. dr. Ing. BURLACU PAUL

ABSOLVENT: [anonimizat]. [anonimizat]

2009

ROMÂNIA

MINISTERUL APĂRĂRII

ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

APROB

ȘEFUL FACULTĂȚII DE MARINĂ MILITARĂ

Conf. dr. ing.

Cpt. Cdor. DOBREF Vasile

TEMA nr. 36

a proiectului de diplomă al absolvent: [anonimizat], [anonimizat], hidrografie și echipamente navale.

Tema proiectului: „Simularea numerică a traiectoriei subacvatice pe porțiunea autonomă pentru o torpilă electrică”

Detalii asupra temei:

Recomand următoarea structură a conținutului lucrării:

Sisteme actuale de conducere pe traiectorie a vehiculelor subacvatice autonome

Descrierea Torpilei Sting Ray.

Descrierea Torpilei Set-53.

Ecuațiile de mișcare ale vehiculului subacvatic.

Liniarizarea ecuațiilor de mișcare ale vehiculului subacvatic.

Sinteza unor sisteme noi de control pentru vehiculele subacvatice autonome.

Simularea sistemului de reglare a adâncimii și direcției în plan orizontal pentru modelul neliniar.

Bibliografie recomandată:

Tărăbuță, O., colectiv – Manualul pentru instrucție al torpilorului

Voinea, R., colectiv – Introducere în mecanica solidului cu aplicații în inginerie

Burlacu P., colectiv – Movement Analysis of the Rapid Autonomous Underwater Vehicle

PRECIZĂRI ORGANIZATORICE

Conducătorul lucrării: Lt. cdor. Ș.L. dr. Ing. Burlacu Paul

Data primirii lucrării: 16.04.2008

Termen de predare: 03.07.2009

Locul unde se execută: Academia Navală „Mircea Cel Bătrân”

Șeful catedrei:

Cdor(r) conf. univ.

dr. ing. Constantinescu Mircea

Rezumat

Obiectivul acestei lucrări de diplomă este evidențierea posibilităților viitoare de îmbunătățire a sistemelor de conducere pe traiectorie pentru vehiculele subacvatice autonome.

Fie că vorbim de torpile sau de alte tipuri de vehicule subacvatice principiile constructive și de funcționare rămân aceleași. Astfel, soluțiile realizate pot fi implementate cu succes indiferent de tipul sau destinația vehiculului.

Pentru a putea aduce îmbunătățiri este necesară cunoașterea variantelor actuale. [anonimizat], în speță Torpila SET – 53 și Torpila Sting Ray mod 0.

Realizarea unui sistem de conducere pe traiectorie presupune un model matematic bazat pe ecuațiile de mișcare ale vehiculului. Astfel, prin liniarizarea ecuațiilor de mișcare neliniare și folosind modelul numeric neliniar simplificat al vehiculului subacvatic putem obține un model liniarizat cu ajutorul căruia putem sintetiza un regulator optimal.

Posibilitatea realizării unor simulări deosebit de complexe pe calculator a redus enorm timpul de lucru și costurile de realizare a oricărui model nou. Deci, pentru validarea regulatorului optimal s-a [anonimizat] a condițiilor de lucru și a reacțiilor vehiculului la comenzile primite.

Simularea s-a efectuat pentru diverse cazuri și condiții și a validat eficiența sistemului.

Abstract

The goal of this graduation thesis is to highlight future trajectory control improvement possibilities for autonomous underwater vehicles.

Whether the subject is torpedoes or other types of underwater vehicles, command systems building and working principles remain the same. Thus, established solutions may be implemented successfully regardless of the vehicles’ type or its’ purpose.

In order to improve anything knowledge of current variants is required. To this end I synthesized and analyzed current trajectory control solutions, with emphasis on the torpedoes in service of the Romanian Naval Forces, mainly the SET – 53 Torpedo and The Sting Ray Torpedo.

The successful creation of a trajectory control system requires a mathematical model based on the vehicles equations of motion. Thus, by the linearization of the nonlinear equations of motion and by using the simplified nonlinear numerical model of an underwater vehicle, we can reach a linear model which can be used for synthesizing an optimal regulator.

The possibility of complex computer simulations has greatly reduced the work time and the production costs for any new system. So, for establishing the efficiency of the optimal regulator, the Simulink program, which is part of the Matlab suite of programs, was used. This software allows for an accurate simulation of the working conditions and of the vehicles responses to the received commands.

The simulation was undertaken for different conditions and cases and proved the systems efficiency.

Introducere

Spațiul enorm al oceanului planetar oferă posibilități nenumărate de exploatare a resurselor de orice fel (minerale, biologice, energetice) și chiar de colonizare. Fostul director NASA, William W. Parsons afirma într-un interviu că următorul pas către spațiu este oceanul. Astfel, apare din ce în ce mai pronunțat nevoia de vehicule subacvatice cât mai variate pentru a acoperi întreg spectrul activităților umane. De la submarine nucleare la mici vehicule telecomandate, eforturi, cercetări și cele mai noi tehnologii sunt puse în slujba explorării și exploatării noului „pământ” al făgăduinței.

Un AUV(Autonomus Underwater Vehicle – Vehicul Subacvatic Submarin) este un aparat robotic a cărui mișcare prin apă este asigurată de un sistem de propulsie și controlată de un sistem de comandă de la bord, având posibilitatea mișcării în trei dimensiuni. Acest nivel de control permite vehiculului să urmărească precis o traiectorie programată anterior, în aproximativ orice condiții de mediu. Dootarea acestor vehicle cu diverși senzori prelevarea unor eșantioane sau efectuarea unor serii de măsurători spațio-temporale cu acuratețe deosebită.

Originea AUV ar trebui legată de Torpila „Pește” a celor de la Whitehead Autmobile. Robert Whitehead este creditat cu proiectarea, construirea și demonstrarea funcționării primei torpile în Austria în 1866. Torpilele au fost numite astfel după peștele torpilă, un tip de țipar electric. Prima torpilă a lui Whitehead a atins o viteză de peste 3 m/s și a parcurs peste 700m. Vehiculul era propulsat cu ajutorul aerului comprimat și avea o încărcătură explozivă. Dacă ignorăm faptul că avea o încărcătură explozivă poate fi considerat primul AUV din lume.

Necesitatea de a obține informații oceanografice urmând traiectorii precise chiar și pe sub straturi de gheață i-a motivat pe Stan Murphy, Bob Francois și mai târziu Terry Ewart de la Laboratorul de Fizică Aplicată de la Universitatea din Washigton, să înceapă dezvoltarea a ceea ce a fost probabil primul „adevărat” AUV, la sfârșitul anilor ‘50. Munca lor s-a concretizat prin SPURV(Self-Propelled Underwater Vehicle – Vehicul Subacvatic Auto-Propulsat). SPURV I avea un deplasament de 480 kg și putea opera cu o viteză de 2.2 m/s la adâncimi de 3 km. Împreună cu succesorul său SPURV II a fost folosit de-a lungul anilor ‘70 și ’80 fiind înregistrate peste 400 de utilizări ale lor.

La începutul anilor ’90 Centrul de Oceanografie din South Hampton a realizat Autosub, un AUV destinat explorării și monitorizării oceanului planetar. Autosub a fost un succes al vremii sale înregistrnd performanțe nemaiîntâlnite până atunci. Cântărește 1700 kg are o autonomie de șase zile la o viteză de trei noduri și o adâncime de 1.6 km. Autosub a participat la 271 de misiuni științifice, totalizând 750 de ore și acoperind 3596 km. Cea mai mare imersiune la care a fost folosit a fost de 1000 m iar ceam lungă misiune a durat 50 ore. În 1998 Consiliul pentru Studii ale Mediului din Marea Britanie a acordat o bursă de studiu în valoare de 2,6 milioane de lire pentru folosirea lui Autosub. Această bursă a trezit interesul comunității științifice, stimulând eforturile pentru dezvoltarea vehiculelor subacvatice.

Cerințe operaționale și posibilități viitoare:

Considerentele cele mai importante pentru măsurarea performanțelor unui AUV la ora actuală ar fi:

Inspiră sistemul încredere? Este ușor de folosit și demn de încredere?

Oferă o soluție completă (planificarea misiunii, executarea, analiza datelor și generarea unui raport)?

Oferă vehiculul accesul la o varietate de senzori?

Există o metodă sigură de lansare și recuperare?

Poate fi operat de pe orice tip de navă?

În general AUV-urile, mai ales modelele timpurii, operau plecând de la premisa că oceanul este un loc foarte mare cu foarte puține obstacole c ear putea împiedica deplasarea. Ele se deplasau după un itinerariu prestabilit ce le purta de la obiectiv la obiectiv, folosind eventual date de la senzori pentru a se menține la o adâncime constant. Însă majoritatea informațiilor obținute de la ansamblul de senzori existent erau înregistrate pentru o analiză ulterioară și nu procesate momentan pentru a oferi vehiculului posibilitatea de a se adapta și de a-și schimba eventual obiectivul current.

Implementarea unui software capabil să schimbe misiunea inițială în funcție de datele înregistrate de senzori va reduce timpul necesar atingerii obiectivului prioritar și, per ansamblu, va face vehiculul mai inteligent și folositor. De asemenea capacitate ca un vehicul să transmită informații altora, printr-o legătură acustică, ar crea posibilitatea lucrului în echipă pentru o mai mare eficiență și o îndeplinire mai rapidă a obiectivelor.

Sisteme actuale de conducere pe traiectorie a vehiculelor subacvatice autonome

1.1 Sisteme de conducere în plan vertical

Generalități

Vehiculul subacvatic rapid autonom efectuează deplasarea după o traiectorie stabilită din timp, cu precizia necesară.

Toate sistemele de comandă, inclusiv sistemele de comandă a acestor vehicule subacvatice, se pot împărți în: sisteme de stabilizare automate, sisteme de reglaj după program și sisteme de urmărire.

Sistemele de stabilizare automată – sunt sisteme care servesc la menținerea constantă a valorii uneia sau a mai multor mărimi reglabile.

Sistemele de reglaj programat – sunt sisteme care nu numai că mențin valoarea mărimii reglabile, dar și o pot modifica după un program prestabilit.

Sistemele de urmărire – sunt sisteme la care mărimea reglabilă urmărește modoficarea acțiunii de comandă a cărei lege de variație nu este cunoscută dinainte (sistemele de autodirijare ale vehiculelor subacvatice rapide autonome.).

Trebuie remarcat că termenul comandă, este un termen mai general decât cel de reglaj, stabilizare, urmărire etc. Sistemul de comandă automată poate rezolva oricare din problemele menționate.

Schema, construcția și principiul de acțiune al sistemului de comandă sunt condiționate de legea de reglaj, care stabilește dependența dintre parametrii reglați și derivatele lor, pe de o parte, și unghiul de bandă al cârmelor pe de altă parte.

Legea de reglaj depinde de proprietățile dinamice ale vehiculului subacvatic și datele sale tehnico-tactice. La fundamentarea legii de reglaj trebuie în primul rând pornit de la acei parametri care determină poziția vehiculului subacvatic în cazul deplasării după o traiectorie dată.

În cazul deplasării vehiculului subacvatic în plan vertical, poziția lui este determinată de trei parametri independenți: distanța de marș (bătaia), abaterea de la adâncimea impusă (y) și asieta vehiculului (θ).

Comanda privind distanța de marș poate fi obținută prin reglajul corespunzător al funcționării instalației energetice. Comanda automată după coordonatele y și θ se face cu automatul de adâncime.

În acest fel, problemele privind comanda deplasării vehiculului subacvatic rapid autonom trebuie rezolvate complex, privind vehiculul cu instalația lui energetică și aparatele de comandă ca sistem unitar.

Prin urmare, automatul de adâncime trebuie să execute conducerea automată după legea:

δoriz = K’1y + K’2θ (1.1)

unde K’1 și K’2 sunt coeficienți de reglaj sau amplificare după parametrii lor respectivi.

Pentru ridicarea calității reglajului, în legea menționată poate fi inclusă comanda după derivatele în raport cu y și θ.

În rezolvarea problemelor de stabilizare a deplasării vehiculului subacvatic rapid autonom, după unul din parametri, de exemplu după θ, comanda se poate reașeza după legea:

δoriz = K’3θ (1.2)

1.2 Traductoare specifice ale sistemului de conducere în planul vertical

Precizia mișcării vehiculului subacvatic rapid autonom în imersiune constituie unul din elementele tehnico-tactice principale. Ea depinde de foarte mulți factori și, în special, de datele constructive ale vehiculului cât și de condițiile în care se deplasează în apă.

Sistemul de conducere a vehiculului în planul vertical cuprinde următoarele elemente :

— aparatul hidrostatic ;

— servomotorul cârmelor orizontale ;

— cârmele orizontale.

Poziția vehiculului subacvatic rapid autonom la mișcarea pe orice traiectorie în planul vertical poate fi determinată cu ajutorul a 3 parametri independenți :

— distanța de marș (X) ;

— imersiunea (Y) ;

— tangajul torpilei (θ).

Rezultă că, pentru a asigura vehiculului subacvatic o mișcare stabilă pe traiectoria dată, este necesar să se comande mișcarea lui după cei trei parametri. Conducerea vehiculului, pe distanța de marș se asigură prin reglarea instalației de forță.

Reglarea mișcării vehiculului subacvatic rapid autonom în imersiune și a tangajului se asigură de către sistemul de conducere în planul vertical. În acest caz mișcarea cârmelor orizontale trebuie să se facă după relația (legea):

(1.3)

δ — unghiul de deschidere a cârmelor orizontale;

y — abaterea torpilei de la imersiunea reglată ;

K1— coeficient de reglare în imersiune ;

K2 — coeficient de reglare a tangajului.

Pentru conducerea mișcării vehiculului subacvatic rapid autonom se folosesc elemente sensibile care măsoară (înregistrează) imersiunea vehiculului, tangajul, vitezele și accelerațiile unghiulare.

1.2.1. Elemente sensibile pentru determinarea imersiunii vehiculului subacvatic rapid autonom

Pentru măsurarea imersiunii de marș a vehiculului subacvatic rapid autonom se folosesc dispozitive cu membrane de cauciuc sau cu burdufe (cutii metalice gofrate).

Toate aceste elemente transformă presiunea hidrostatică într-o acțiune mecanică.

În comparație cu membranele de cauciuc, burdufele au o serie de avantaje din care amintim :

— sensibilitatea lor nu se schimbă în timpul exploatării și în mod practic nu depinde de factorii exteriori;

— au o rezistență mecanică foarte mare și stabilitate împotriva coroziunii. Aceasta le permite ca să se folosească pentru măsurarea imersiunii de marș a vehiculului până la 200 m și cu o precizie destul de mare;

— având o cursă activă mare, la folosirea în dispozitive automate de adâncime, cu coeficienți de transfer mici, ele simplifică construcția acestor mecanisme și sporesc și același timp sensibilitatea aparatului;

— fiind supuse puțin influenței temperaturilor joase, permit folosirea lor până la temperaturi de – 500.

Calitățile elastice ale burdufului se caracterizează prin dependența cursei (contracției) lui, de forța efectivă (fig.1.1) Pentru porțiunea liniară a caracteristicii, raportul dintre sarcina P și deplasarea provocată de ea, se numește rigiditate:

unde – se numește sensibilitatea burdufului.

Fig. 1.1 – Dependența dintre comprimarea burdufului și forța P care acționează asupra lui

La toate vehiculele subacvatice rapide autonome moderne se folosesc burdufele în calitate de elemente sensibile — care înregistrează imersiunea acestora.

1.2.2. Elemente sensibile pentru determinarea tangajului vehiculului subacvatic rapid autonom

În prezent pentru determinarea tangajului vehiculelor subacvatice rapide autonome din dotarea Forțelor Navale ale României se folosesc pendulele fizice. Ele sunt simple din punct de vedere constructiv, au proprietăți de stabilitate foarte mari și din această cauză au găsit o largă răspândire în construcția regulatoarelor de imersiune. În același timp au și o serie de servituți legate de inerția lor. Datorită inerției, pendulele sunt supuse acțiunii forțelor întâmplătoare. Este suficient ca vehiculul subacvatic de exemplu — să gireze sau să-și schimbe viteza, ca pendulul să și înceapă să se orienteze în direcția accelerației și ca rezultat să măsoare tangajul vehiculului cu erori mari. Din această cauză se face imobilizarea pendulului pe porțiunea mișcării neuniforme a vehiculului subacvatic (imobilizarea în poziție și durată).

Pentru clarificarea unor proprietăți dinamice ale pendulului se vor analiza caracteristicile lui de frecvență. Să presupunem că pendulul este așezat pe o platformă rotativă. Ecuația diferențială a oscilațiilor pendulului, în aceste condiții are aspectul:

(1.4)

sau

(1.5)

unde

I – este momentul de inerție al pendulului în raport cu punctul de suspensie;

ε – coeficientul de amortizare a oscilațiilor pendulului;

Gp – greutatea pendulului;

Lp – distanța de la axul punctului de suspensie până la centrul de greutate al pendulului;

– constanta de timp a pendulului;

În cazul condițiilor inițiale nule, ecuația diferențială va avea forma:

(1.6)

1.2.3. Elemente sensibile pentru determinarea vitezei verticale de mișcare a vehiculului subacvatic rapid autonom

Pentru măsurarea vitezei verticale a vehiculului se folosesc dispozitivele numite variometre (fig. 1.2 ).

Figura 1.2 Variometru

interiorul burdufului;

cameră de cauciuc;

tuburi capilare.

Principiul de funcționare a variometrului este următorul :

— presupunem că vehiculul subacvatic rapid autonom rapid care merge la imersiune (Hi) corespunzătoare presiunii hidrostatice (Pi) își schimbă imersiunea și după o secundă ajunge la adâncimea (Ha) corespunzătoare presiunii hidrostatice (Pa).

— presiunea aerului din interiorul camerei de cauciuc (2) poate să urmărească schimbarea presiunii apei, în timp ce presiunea din interiorul burdufului (1) care comunică cu camera de cauciuc prin intermediul tuburilor capilare (3) — nu reușește să se schimbe (varieze) cu aceeași viteză, cu care s-a schimbat în exteriorul burdufului și a camerei de cauciuc.

— în interiorul burdufului presiunea va fi mai mare decât presiunea hidrostatică exterioară. Din această cauză la ieșirea vehiculului subacvatic rapid autonom spre suprafață diferența de presiune determină burduful să se extindă (lărgească) și invers, la afundare — să se strângă.

1.2.4. Elemente sensibile pentru determinarea accelerațiilor liniare a vehiculului subacvatic rapid autonom

Pentru măsurarea accelerației se folosesc elemente sensibile care se numesc accelerometre. Aceste dispozitive sunt asemănătoare cu cele care se întâlnesc în tehnica rachetelor.

1.3 Sisteme de conducere în plan orizontal

Generalități

Conducerea automată a mișcării vehiculului subacvatic rapid autonom în direcție se asigură cu ajutorul aparatului giroscopic.

Sistemul de conducere a vehiculului subacvatic autonom în planul orizontal cuprinde următoarele elemente:

— aparatul giroscopic;

— servomotorul cârmelor verticale;

— cârmele verticale.

Aparatul giroscopic

Pentru păstrarea direcției vehiculului subacvatic rapid autonom se folosește giroscopul direcțional. Acest giroscop este mobil în jurul centrului său de greutate printr-o suspensie cardanică.

Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească acest giroscop direcțional pentru buna lui funcționare sunt :

1. perfecta centrare pentru a nu se produce mișcarea de precesie datorită momentului greutății proprii;

2. giroscopul trebuie să transmită comanda pentru mișcarea cârmei printr-un mecanism foarte sensibil (sertăraș de distribuție), astfel încât reacțiunea inevitabilă a mecanismului asupra giroscopului să fie neglijabilă. În caz contrar se produce o mișcare de precesie datorită momentului produs de reacțiunea mecanismului ;

3. viteza de rotație proprie trebuie să coincidă cu axa giroscopului și cu axa vehiculului subacvatic autonom;

4. giroscopul trebuie să fie astfel montat încât să nu fie dereglat de șocul lansării vehiculului subacvatic autonom;

5. timpul între lansarea vehiculului subacvatic și atingerea navei țintă trebuie să fie scurt, pentru ca axa giroscopului să nu se deplaseze sub influența rotației pământului.

Schema de principiu a giroscopului folosit la vehiculul subacvatic rapid autonom este prezentată în figura 2.4:

Fig. 1.4 Schema de principiu a giroscopului

Rotor

Axă principală de rotație;

Cadru de suspensie interior;

Axă de rotație a cadrului interior;

Cadru de suspensie exterior;

Axa de rotație a cadrului exterior;

Cadru de fixare în vehiculul subacvatic.

Axa de rotație a giroscopului este fixată în două lagăre legate la rândul lor de o suspensie cardanică; s-a creat astfel posibilitatea orientării axei de rotație a giroscopului în orice direcție. Un astfel de giroscop are deci trei grade de libertate. Dacă se încearcă să se modifice direcția axei de rotație a giroscopului observăm că acesta se opune, reacționează imediat. Reacția giroscopului se materializează prin forțele fa și fb denumite presiuni giroscopice care acționează asupra lagărelor dând un cuplu giroscopic cu momentul

Mg = FA . l = FB . l. (1.7)

Din această relație se observă că momentul cuplului giroscopic este egal cu momentul forțelor exterioare (Mext.) care tinde să modifice direcția axei de rotație având sensul de acțiune opus. Cuplul giroscopic se datorează forțelor de inerție ce acționează asupra rotorului. Așadar, datorită inerției, giroscopul își păstrează direcția axei de rotație. Dacă de axa giroscopului sau de cadrul mobil în care el se rotește se leagă o tijă care are capătul opus fixat de transmisia cârmelor verticale atunci orice schimbare a direcției vehiculului subacvatic autonom va face ca giroscopul să acționeze asupra cârmelor, întrucât direcția axei sale de rotație rămâne fixă. Giroscopul acționează deci la orice schimbare a direcției de mișcare a vehiculului subacvatic. El nu are legătură decât cu cârmele verticale, de aceea nu corectează decât abaterile vehiculului subacvatic de la direcția dată în planul orizontal. Ca rezultat al acțiunii factorilor perturbatori și a cârmelor verticale, traiectoria vehiculului nu este o linie dreaptă, ci o sinusoidă neregulată care are mici abateri într-o parte sau alta de la direcția dată fig. 1.5.

Fig. 1.5 Traiectoria în plan orizontal a vehiculului subacvatic autonom

traiectoria în plan vertical în cazul lansării de pe navele de suprafață;

traiectoria în planul vertical în cazul lansării din submarine;

traiectoria în planul orizontal.

Dacă asupra vehiculului subacvatic autonom acționează curenți de apă care îl deplasează în așa fel încât direcția axei longitudinale rămâne paralelă cu direcția dată, giroscopul nu mai acționează și vehiculul deplasată în acest fel nu mai poate fi adusă la. direcția de mișcare inițială. De aceea la lansare este indicat să se cunoască direcția curenților marini din zona respectivă și să se țină seama de ei la fixarea direcției de lansare.

Din cele arătate mai înainte, rezultă că giroscopul trebuie pus în mișcare de rotație încă în tubul de lansare, în momentul în care acesta a fost orientat pe direcția de lansare. În caz contrar este posibil ca în momentul căderii în apă vehiculul subacvatic să se încline față de direcția de lansare și giroscopul să păstreze apoi această direcție greșită. Practic giroscopul începe să se rotească în momentul când vehiculul subacvatic începe să se deplaseze în. tubul de lansare.

La vehiculele subacvatice autonome cu mașină termică, precum și la o parte din vehiculele subacvatice autonome cu motor electric, rotorul giroscopului este pus în mișcare cu ajutorul unei turbine cu aer comprimat. Un jet puternic de aer comprimat imprimă rotorului turbinei, într-un timp foarte scurt (0,2— 0,4 sec.) turația de regim. 18000—20000 rot/min rotorului. După atingerea turației de regim, turbina se decuplează automat și se oprește.

Pentru a avea siguranța că giroscopul nu-și micșorează turația, mișcarea sa este întreținută printr-un jet de aer dirijat în scobiturile practicate pe periferia torului.

Giroscopul acționat cu aer comprimat, precum și, instalațiile pneumatice anexe, ridică nivelul general de zgomot al vehiculului subacvatic autonom. De aceea la vehiculele subacvatice electrice moderne s-a renunțat la acționarea pneumatică și se folosesc giroscoape electrice (giromotor electric). Acest giromotor este de o construcție specială și reprezintă un motor de curent alternativ asincron — ce se alimentează de la un convertizor special de curent trifazic (Figura 1.6).

Figura 1.6 Giromotor

Giromotorul are în compunere:

Rotor electric;

Stator;

Corp.

Aparatele giroscopice de la vehiculele subacvatice autonome au mecanisme și dispozitive care permit schimbarea traiectoriei acestora, atât după lansare cît și în apropierea țintei.

Pentru schimbarea traiectoriei vehiculului subacvatic imediat după ce a fost lansat la apă se folosește un mecanism de unghiulare care permite acestuia să gireze într-un bord sau altul cu un unghi 0°—90°. Astfel, după lansare vehiculul subacvatic poate să meargă o anumită parte din cursă într-o direcție diferită de cea care duce la impact și numai după aceea să-și modifice această direcție și să se îndrepte spre țintă. O astfel de lansare se numește unghiulată și are avantajul că exclude necesitatea efectuării unor manevre cu nava pentru a ocupa cea mai bună poziție de lansare.

Pentru a mări și mai mult probabilitatea de lovire a țintei, la unele vehicule subacvatice la aparatul giroscopic este fixat un mecanism de manevrare care permite acestuia să se miște fie în zigzag fie în spirală, fie după un cerc — în apropierea țintei. Programul de manevrare se fixează înainte de lansare și constă în reglarea unghiurilor cu care acesta va executa diferite girații la anumite intervale de timp. La aceste vehicule subacvatice autonome programul fixat nu depinde în nici un fel de elementele de mișcare ale țintei ci mărește numai probabilitatea de lovire; aceasta fiindcă pe de o parte vehiculul se poate întâlni de mai multe ori cu ținta iar pe de altă parte fiindcă îngreuiază manevrele de evitare.

1.4 „Cantitatea de mișcare” a rotorului giroscopului

„Cantitatea de mișcare” a punctului material al giroscopului Qi este produsul dintre masa mi a acestui punct și viteza lui vi. „Cantitatea de mișcare” este o mărime vectorială iar direcția ei coincide cu direcția vectorului vitezei. Pentru întregul rotor, „cantitatea de mișcare” este dată de expresia:

(1.8)

Întrucât rotorul este un corp simetric, cantitatea lui de mișcare în raport cu axa Ox, este egală cu zero.

Momentul „cantității de mișcare” a punctului materialal giroscopului (), în raport cu axa lui de mișcare, este produsul dintre raza vectoruluiacestui punct () și „cantitatea lui de mișcare”.

Pentru întregul rotor, momentul „cantității de mișcare” este dat de expresia:

(1.9)

Întrucât rotorul este simetric în raport cu axa lui de rotație, direcția lui coincide cu axa de rotație Ox.

Mărimea vectorului momentului „cantității de mișcare” este dat de expresia:

(1.10)

Unghiul dintre vectorii și este egal cu 900, din care cauză sin()=1.

Având în vedere că și , vom obține , unde

Ixx – este momentul de inerție al rotorului, în raport cu axa lui de rotație;

ω- viteza unghiulară de rotire a rotorului.

Trebuie remarcat că în teoria giroscoapelor, momentul „cantității de mișcare”, de obicei, se numește moment cinetic.

Concluzii privind aspectele generale ale dezvoltării conducerii pe traiectorie a vehiculelor subacvatice

Din analiza efectuată asupra problematicii conducerii vehiculelor subacvatice rapide autonome pot fi rezumate următoarele aspecte tehnice de sinteză, ce pot constitui modalități ulterioare de abordare teoretică:

vehiculele subacvatice autonome existente în exploatarea curentă prezintă următoarele aspecte:

utilizează sisteme de reglare bazate pe echipamente electromecanice;

pe ansamblu, conducerea se face numai independent pe subsisteme, respectiv numai la nivelul 1, neexistând o structură de reglare pe ansamblul subsistemelor de nivel 2;

conducerea în plan orizontal și vertical se face prin reglări tripoziționale ce prezintă abateri în regim staționar;

în literatura de specialitate aflată la dispoziție nu este abordată sistemic problematica conducerii acestor vehicule subacvatice autonome (modelare – simulare – sinteză);

pentru vehiculele subacvatice autonome de construcție modernă aflate în exploatare în cadrul forțelor navale străine, nu sunt prezentate și deci accesibile informații tehnice, soluții și performanțe referitoare la conducerea acestora pe traiectorie;

este deci utilă într-o primă etapă analiza comportării dinamice ale vehiculelor subacvatice rapide autonome de construcție clasică pentru care există date tehnice care să conducă la o modelare și simulare pe subsisteme și pe ansamblu care să reproducă performanțele cunoscute ale conducerii pe traiectorie.

Pornind de la această etapă este ulterior posibilă sinteza unei soluții de reglare continuă cu reacții după stare care să îmbunătățească performanțele dinamice în regim tranzitoriu și stabilirea unei viitoare soluții de modernizare.

2. Torpila Stingray

INTRODUCERE

Sting Ray mod 0 este o torpilă antisubmarin de calibru mic (ușoară), proiectată pentru lansarea din elicoptere, avioane și de pe navele de suprafață. Are un sonar multidirecțional, capabil să detecteze ținte subacvatice care emit semnale sonore de puteri joase. Este o torpilă silențioasă, care dispune de un sistem de propulsie performant. Sistemul de propulsie asigură torpilei o viteză de deplasare de 45Nd. Timpul maxim de deplasare la această viteză este de circa 8 minute. Imersiunea maximă de marș a torpilei poate ajunge până la 1000 m. Pentru controlul evoluției torpilei pe traiectoria submarină, aceasta, dispune de un computer digital complet programabil. Computerul îi permite să ia decizia tactică cea mai potrivită în timpul marșului în scopul configurării unei căutări preprogramate care să-i mărească șansele de a detecta ținta, pentru realizarea optimizării autoghidării și a comportării față de țintă, astfel încât să se asigure lovirea țintei în părțile cele mai vulnerabile.

Optimizarea evoluției tactice a torpilei are la bază un algoritm de căutare bazat pe obținerea semnalelor acustice eficiente în raioane cu ape de adâncimi relativ mici. Acest program se adaptează singur la condițiile tactice și mediul înconjurător de flecare dată când torpila este lansată.

Acțiunea acustică a torpilei este asigurată de un mare număr de traductori montați în prova torpilei. Prin cercetarea direcției de atac, acești traductori pot emite sunete de înaltă putere în apă și să detecteze sau să recepționeze semnale de joasă putere. Computerul de la bord formează și selectează semnalele transmise și primite în funcție de condițiile mediului înconjurător și parametrii programați ai țintei. în modul de acțiune activ, semnalul transmis este modulat pe frecvență pentru a recunoaște țintele; pentru a le distinge față de alte obiecte și pentru a evita contramăsurile lansate de către acestea. La achiziția țintei computerul și senzorii acustici ai torpilei fac aproape imposibilă evitarea atacului de către aceasta. Lansarea softului sistemului de autoghidare permite filtrarea zgomotului de fundal și cel generat de către contramăsuri sau capcane.

Activarea exploziei componentei de luptă se face la impactul cu ținta. Încărcătura de exploziv este de tipul cumulativ.

Caracteristici tehnico tactice

Torpila Sting Ray mod 0 prezintă următoarele principale caracteristici:

Lungime aprox. 2,5 mm

Diametru aprox. 300 mm

Greutate aprox. 250 Kg

Greutatea încărcăturii de luptă aprox. 40 Kg

Propulsie Electrică

Viteză aprox. 40 Nd

Bătaia aprox. 5 Mm

Imersiune maximă aprox. 1000 m

Timp de funcționare aprox. 10 min.

Suprasarcină la impactul cu apamax aprox. 1000g.

Variația temperaturii mediului exterior aprox. -25°C la +50°C

Temperatura apei aprox. – 5°C la +30°C

Salinitatea apei aprox. 0.70% la 4.0%

Gradul mării max. 7

Viteza vântului max. 50 Nd

Vectori purtători:

avioane – Nimrod; P3C Orion; Canberra; Fokker F27;

nave specializate – STWS 2; Mk 32 Tubes; MTLS; Wessex; WaspHASl;

elicoptere – Lynx Mk 2, 3 & 8; Sea King HAS 1,2, 5 & 6; Merlin; Chute Launchers

Studii de interoperabilitate realizate pentru următoarele mijloace de lansare și vectori purtători:

P3K Orion; Atlantique;Sea King Mk 50; Sea Sprite SH2F; Super Puma; Sea Hawk SH60B; Dauphin; SRN6 Hovercraft.

Torpila Sting Ray mod 0 este împărțită în cinci secțiuni funcționale după cum urmează:

Secțiunea prova (1000 section)

Secțiunea componentei de luptă (2000 section)

Secțiunea aparaturii electronice (3/4000 section)

Secțiunea sistemului de propulsie (5000 section)

Secțiunea motor și control (6000 section)

2.1 SECȚIUNEA PROVA TORPILEI (Secțiunea 1000)

2.1.1 Generalități

Secțiunea prova a torpilei Sting Ray este dispusă după cum se observă din fig. 2.1, în partea din față a acesteia, prezentând o construcție care să permită funcționarea aparaturii de autodirijare și de comandă inerțială a exploziei.

Fig. 2.1. Torpila Sting Ray mod 0 în secțiune longitudinală

Secțiunea prova a torpilei, fig. 2.2, reprezintă porțiunea care cuprinde senzorii de autodirijare ai torpilei după țintă. Astfel în această secțiune se găsește rețeaua de 31 de traductori cu rolul de a emite sau recepționa undele sonore, cu ajutorul cărora se autodirijează torpila spre țintă. Acești traductori sunt în contact direct cu mediul extern pentru a putea emite și recepționa semnalele acustice. în spatele rețelei de traductori se găsește partea de circuite electronice ale secțiunii prova, care are rolul de a primi, transmite și prelucra toate comenzile de la și înspre Unitatea de Procesare a Semnalelor (SPU). Tot în această secțiune se găsesc senzorii sistemului inerțial (accelerometrele) ale dispozitivului de inițeire a exploziei componentei de luptă și aparatul de aprindere inerțial (impact pistol).

Fig. 2.2. Vedere în secțiune, partea frontală a torpilei

Sting Ray mod 0 (Secțiunea 1000)

Această unitate are rolul de a emite și recepționa semnale acustice necesare conducerii torpilei pe porțiunea de autodirijare spre țintă. Autodirijarea spre țintă se realizează prin transmisia semnalelor acustice bine definite prin:

Recepționarea și prelucrarea semnalelor acustice ale țintei în semnale caracteristice.

Generarea semnalelor acustice de diferite frecvențe și corelarea acestora cu semnalele recepționate.

Măsurarea caracteristicilor acustice ale țintei, necesare recunoașterii, clasificării și achiziției acesteia.

Conducerea torpilei pe traiectoria autodirijată;

Schimbarea traiectoriei acesteia în funcție de situația tactică concretă.

Generarea unei interfețe între subsistemul de comandă și control a undelor acustice create și computerul de bord;

Posibilitatea de a accepta și a memora datele acustice presetate.

Ca rol secundar secțiunea prova a torpilei prezintă următoarele funcțiuni:

posibilitatea introducerii și prelucrării datelor presetate de către centrala de lansare;

asigură legăturile externe necesare programului de testare a sistemelor caracteristice secțiunilor: componentei de lupta și ale secțiunii prova;

asigură legăturile specifice pentru analiza parametrilor înregistrați de către varianta de exercițiu a torpilei.

2.1.2 Compunerea de principiu a secțiunii prova a torpilei

Funcțional secțiunea prova conține subsistemele:

subsistemul de recepție a semnalelelor acustice;

subsistemul de emisie a semnalelor;

subsistemul de comandă a înregistrării parametrilor acustici ai țintei;

În fig. 2.2, este reprezentată secțiunea prova a torpilei (Secțiunea 1000) în care se disting următoarele două subsisteme funcționale principale:

rețeaua de traductoare acustice;

aparatura electronică care deservește rețeaua de traductori (NUE);

2.2 COMPONENTA DE LUPTĂ (SECȚIUNEA 2000)

2.2.1. Generalități

Componenta de luptă după cum se observă din fig. 2.3, este dispusă în imediata apropiere a secțiunii prova a torpilei respectiv în spatele traductoarelor acustice și a aparaturii electronice a secțiunii prova, având rolul ca prin detonație să avarieze sau să distrugă țintele subacvatice.

Fig. 2.3. Dispunerea Componentei de luptă a torpilei sting Ray mod 0

Componenta de luptă a torpilei Sting Ray mod 0, este de tipul cumulativ. Funcționarea la explozie a încărcăturii de exploziv este comandată la impactul torpilei cu ținta. Componenta de luptă funcționează la explozie numai în condiții bine stabilite de către aparatura de siguranță și armare (SAU).

2.2.2. Organizarea de principiu a componentei de luptă

Pentru a răspunde acestor cerințe componenta de luptă prezintă următoarea organizare funcțională, reprezentată în figura 2.4:

corpul componentei de luptă;

încărcătura de exploziv 28.7 Kg de EDC1S;

detonatorul (încărcătura de inițiere);

coafa cumulativă (inserții de cupru pentru jetul de plasmă);

lanțul de foc (care face parte din secțiunea de conducere a torpilei)

accelerometrele și dispozitivul inerțial de inițiere a exploziei care se găsește în secțiunea 1000 (secțiunea prova-traductoare acustice).

Fig. 2.4. Organizarea Componentei de luptă a torpilei Sing Ray mod 0

Din punct de vedere funcțional, încărcătura de luptă, este activată pentru funcționare de către sistemul de comandă și control, care-i asigură următoarele funcțiuni:

siguranță la manipulare, depozitare, transport, ambarcare-debarcare;

devierea alimentării detonatorului;

izolarea alimentării cu energie electrică a sistemului de siguranță și armare (SAU), care se conectează înainte de lansare prin scoaterea capacului conectorului Test Acces – EBW;

izolarea condensatorului de dare a focului;

Schematic și sugestiv, lanțul de foc poate fi reprezentat în figura 2.4, în care se observă componentele principale ale acestuia, semnale prelucrate, semnale generate:

Fig. 2.4. Schema bloc a Lanțului de foc, componente principale

2.2.3. Funcționarea la explozie a încărcăturii de luptă a torpilei

Funcționarea la explozie a încărcăturii de luptă a torpilei prezintă următoarea succesiune:

Torpila se află în tubul de lansare pregătită pentru lansare:

Sistemul de putere este inert, iar contactul hidrostatului de imersiune este deschis;

Siguranța mecanică (firul de siguranță SAL) este acroșat 1a dispozitivul tubului de lansare

Dispozitivul de pornire a bateriei (capacul de obturare a bateriei BPC) este la poziție obturând orificiul de pătrundere a apei;

Regulatorul de alimentare cu energie (SWP) este închis, siguranța fuzibilă (SLR) nu este activă, pistonul blochează axele elicelor.

Fig. 2.5. Schema de armare a torpilei pe traiectoria submarină.

La deplasarea torpilei prin tubul de lansare, se succed următoarele secvențe, prezentate în fig. 2.5:

prin deplasarea torpilei în tub, are loc retragerea șnurului de armare și siguranță (SAL) din dispozitivul de siguranță și armare (SAU).

Astfel dispozitivul de armare și siguranță este la poziția armat;

Capacul de obturare a bateriei, se retrage;

Torpila iese din tub, se deplasează pe traiectoria aeriană și intră în apă:

apa de mare pătrunde, prin orificiul bateriei de alimentare a torpilei creând, conform schemei din fig. 2.6, tensiunea de alimentare inițială de 11V, necesară inițierii siguranței fuzibile (SLR) care prin ardere, eliberează pistonul de blocare a axelor portelice, permițând astfel rotirea elicelor;

4 sec 7 sec

Fig. 2.6. Diagrama de funcționare a bateriei (SWB) la lansarea torpilei în apă, până la intrarea în regim nominal.

presiunea hidrostatică crește odată cu mărirea imersiunii (7 – 29 m), de regulă la 25 m, comutatorul hidrostatului de imersiune este închis;

în circa 4 secunde tensiunea la baterie este de 100V, regulatorul de tensiune al bateriei (BVR) este închis;

în circa 7 secunde de la intrarea în apă a torpilei, tensiunea ajunge la valoarea nominală de 300V, când are loc deschiderea circuitului și a regulatorului de tensiune al bateriei (BVR);

Circuitul de putere este deschis; în acest moment bateria funcționează în regim nominal;

Torpila se deplasează pe traiectoria autonomă și autodirijată, fiind pe porțiunea finală de ghidare spre țintă. în această etapă au loc următoarele secvențe:

torpila este armată definitiv datorită funcționării contactului de imersiune (PAD) și a primirii semnalului de proximitate (PAP) de la autopilot (APU), pe porțiunile specificate în schema 3. În cazul în care torpila se deplasează la o imersiune mai mică decât cea a "plafonului (imersiunii) de securitate", care poate fi 15 m sau 37 m, în funcție de presetarea făcută înainte de lansare. Computerul de bord comandă în circa 10 ms dezarmarea acesteia (componenta de luptă nu funcționează la explozie), dacă revine la imersiunea corespunzătoare se aplică din nou semnalul de "armare permisă" în circa 1s.

La impactul cu ținta accelerometrele de impact comandă tensiunea electrică necesară sistemului de inițiere a exploziei (portamorsa-EBW) care inițiază în lanț detonatorul și apoi încărcătura de exploziv.

2.3. UNITATEA HARDWARE (SECȚIUNEA 3 / 4000)

2.3.1. Generalități

Unitatea hardware a torpilei Sting Ray mod 0, după cum se observă din fig. 2.7, este poziționată în spatele componentei de luptă.

Fig. 2.7 Dispunerea Unității Hardware a torpilei sting Ray mod 0

Această unitate reprezintă "creierul torpilei" deoarece în această secțiune se întâlnește aparatura electronică de comandă și control a torpilei pe traiectoria autonomă, respectiv pe traiectoria autodirijată. Unitatea hardware a torpilei pe lângă faptul că poate genera și controla evoluția torpilei pe traiectoria submarină, are capacitatea de a stoca informațiile necesare, presetate înaintea lansării, pentru respectarea programelor tactice de căutare și atac ale țintei în diverse condiții putând astfel corecta și optimiza în orice moment de timp traiectoria.

Funcțional această unitate conține următoarele sisteme după cum se poate observa în fig. 2.8:

a) Sistemul de armare și siguranță (SA), care după cum se știe face parte din componenta de luptă cu rolul de a asigura nefuncționarea accidentală a torpilei fiind acționat prin lansarea torpilei de către cablul de siguranță armare (SAL);

Fig. 2.8. Vedere longitudinală prin secțiunea aparatură electronică a torpilei Sting Ray mod 0.

b) Unitatea de control a senzorilor (CSU), care oferă informațiile primite de la senzorii de mișcare și de orientare în spațiu (accelerometrele corespunzătoare celor trei axe de rotație, fluxul magnetic și senzorul de imersiune al torpilei) autopilotului, care coordonează evoluția și traiectoria autonomă a torpilei. Astfel unitatea de control a senzorilor prezintă două roluri principale:

Determină parametrii de mișcare ai torpilei pe traiectoria submarină autonomă: imersiunea, vitezele și accelerațiile.

Transferă semnalele necesare sistemului de propulsie și contra pentru modificarea regimurilor de deplasare.

c) Unitatea autopilotului (APU), reprezintă creierul torpilei deoarece dispune de o memorie de stocare de 32 bits și procesor de date de aproximativ 1MHz, pentru a putea memora date referitoare la imersiunea de deplasare a țintei și necesare programului tactic de operare a torpilei în funcție de imersiunea de căutare; detectează și determină evoluția tactică a torpilei pe baza informațiilor presetate. Unitatea autopilot oferă următoarele funcțiuni:

Oferă datele de control și execuție asupra evoluției torpilei pe traiectorie:

Acceptă datele presetate referitoare la: Modul de căutare în coridor longitudinal sau circular; Distanță de armare; Drumul de atac (relevmentul la poziția de impact) de la 0° – 359°; Variația câmpului magnetic (Est sau Vest); Inițierea procedurii de armare inițială corespunzătoare imersiunii de armare/dezarmare de 15 sau 37 m.

Monitorizează și controlează tensiunea bateriei de alimentare a torpilei;

Acceptă date referitoare la direcția și orientarea torpilei în spațiu;

Selectează programul de căutare inițială a torpilei;

Controlează modul de ghidare operațională a torpilei și a sistemului de propulsie;

Analizează informațiile despre țintă;

Oferă semnalele (comenzile) necesare controlului și conducerii torpilei în plan vertical și orizontal (orientarea cârmelor);

Controlul total al armării finale a componentei de luptă.

d) Unitatea electronică de procesare a semnalelor (SPU), are rolul de a optimiza funcționarea dispozitivelor de emisie active și pasive pe opt canale diferite. Conține astfel un disc mecanic de înregistrare a semnalelor pentru mai multe regimuri de emisie. Aceste informații le pune la dispoziție pentru comparare cu semnalele recepționate de la țintă. Unitatea de procesare a semnalelor acustice prezintă următoarele funcțiuni:

acceptă instrucțiunile operaționale de lucru de la autopilot (APU);

produce semnale acustice pulsatorii pe care le modulează în frecvență;

acceptă toate tipurile de semnale provenite de la traductorii acustici pe baza unui program logic de receptare și le corelează cu semnalele înregistrate;

Produce și transmite periodic informații de la autopilot.

2.3.2. Compunerea și organizarea unității hardware a torpilei

2.3.2.1. Unitatea de control a senzorilor (CSU)

Unitatea de control a senzorilor (CSU), este dispusă în imediata apropieri a sistemului de armare și siguranță (SAU). În figura 2.8, se pot observa principalele subsisteme ale unității care prelucrează date referitoare la parametrii de mișcare ai torpilei. Adică accelerometrele și giroscoapele necesare orientării torpilei pe traiectorie, senzorul de determinare a imersiunii torpilei pe baza măsurării presiunii hidrodinamice și circuitul de control a senzorilor cu circuitul de distribuție a datelor măsurate de senzori ca date de intrare pentru unitatea de procesare a acestora respectiv de către autopilot.

Informațiile primite de la senzorii de mișcare și de orientare în spațiu (accelerometrele corespunzătoare celor trei axe de rotație, circuitul de distribuție a datelor și senzorul de imersiune al torpilei) sunt distribuite autopilotului, care coordonează evoluția și traiectoria autonomă a torpilei. Astfel unitatea de control a senzorilor prezintă două roluri principale:

Determină parametrii de mișcare ai torpilei pe traiectoria submarină autonomă: imersiunea, vitezele și accelerațiile.

Transferă semnalele necesare sistemului de propulsie și control pentru modificarea regimurilor de deplasare.

2.3.2.2. Unitatea electronică de procesare a semnalelor (SPU)

Unitatea electronică de procesare a semnalelor (SPU), este așezată în spatele autopilotului după cum se observă în fig. 2.8, reprezentând unitatea care generează semnalele acustice prelucrează semnalele recepționate de la țintă și optimizează funcționarea dispozitivelor de emisie active și pasive pe opt canale diferite. Patru module de receptoare active care conțin în total opt canale de emisie recepție, generează și prelucrează semnalul acustic cu ajutorul discului mecanic de înregistrare. Corelarea semnalelor pentru mai multe regimuri de emisie se face după același program tactic controlat de către autopilotul torpilei.

Aceste informații sunt puse la dispoziția autopilotului pentru comparare cu semnalele recepționate de la țintă. Unitatea de procesare a semnalelor; acustice prezintă următoarele funcțiuni:

acceptă instrucțiunile operaționale de lucru de la autopilot (APU);

produce semnale acustice pulsatorii pe care le modulează în frecvență;

Acceptă toate tipurile de semnale provenite de la traductorii acustici pe baza unui program logic de receptare și le corelează cu semnalele înregistrate;

Produce și transmite periodic informații de la autopilot necesare adoptării programului optim de urmărire și corectării traiectoriei.

Aceste funcțiuni pot fi observate și rezultă din analiza schemelor bloc funcționale și a diagramelor funcționale ale diverselor module ce constituie unitatea de procesare a semnalelor (SPU).

2.3.2.3. Unitatea autopilotului (APU)

Unitatea autopilotului (APU), este dispusă după cum se observă în figura 2.9, în spatele unității de control a senzorilor (CSU), fiind poziționată în centrul secțiunii aparatură electronică a torpilei. Autopilotul este de tipul MDVR2C, dispune de o memorie de stocare de 32 bits și procesor de date de aproximativ 1MHz, pentru a putea memora date referitoare la parametrii de deplasare ai țintei și necesare programului tactic de operare a torpilei.

Fig. 2.9. Ansamblul Autopilotului torpilei Sting Ray mod 0.

În figura 2.9, se observă construcția autopilotului și în special subansamblurile principale ale acestuia. Se disting astfel unitatea centrală de procesare a datelor, memoria cu miezuri toroidale de ferită, memoria pentru datele presetate, și placa de interfață cu aparatura electronică a torpilei. Schema bloc din fig. 2.10, reprezintă legăturile logice dintre blocurile de control ale subsistemelor funcționale ale torpilei, interfața autopilotului și blocurile de procesare și comandă ale autopilotului.

Fig. 2.10 Schema bloc funcțională și diagrama de lucru a autopilotului torpilei

Sting Ray mod 0, model MDVR2C.

2.4. SECȚIUNEA SISTEMULUI DE PROPULSIE (SECȚIUNEA 5000)

2.4.1. Generalități

Acest compartiment se găsește în secțiunea 5000, după cum se observă în fig. 2.11, și are în compunere două subsisteme principale, Subsistemul din față care cuprinde bateria cu apă de mare (SWB) și subsistemul din spate care reprezintă dispozitivul de alimentare auxiliară (APS) cu rolul de a alimenta cu tensiunea corespunzătoare a tuturor blocurilor și etajelor funcționale ale torpilei.

Fig. 2.11 Torpila Sting Ray mod 0.

Primul compartiment după cum se observă în fig. 2.12, este inundabil la lansare. Apa de mare furnizează electrolitul pentru bateria electrică a torpilei. Compartimentul posterior este închis etanș.

Subsistemul de alimentare, asigură următoarele funcțiuni:

Recircularea electrolitului prin bateria cu apă de mare (SWB);

Reglarea tensiunii bateriei (SWB);

Controlul fluxului de apă (a debitului).

Fig. 2.12. Vedere longitudinală prin secțiunea generatorului de putere, motor și control

2.5 Programul tactic de operare al torpilei STING RAY mod 0

Operarea tactică a torpilei cuprinde trei faze principale:

Faza inițială de căutare a țintei submarine (TBA);

Procedurile tactice de căutare și contact (LCP);

Procedurile tactice de urmărire, însoțire (CCT);

2.5.1. Faza inițială de căutare a țintei submarine (TBA)

La lansarea în apă, torpila este în măsură să manevreze pe traiectoria autonomă după un program bine stabilit. Comanda traiectoriei autonome este dată de către aparatura de conducere, atât în plan vertical cât și în plan orizontal, generând astfel o traiectorie curbilinie în spațiu după cum se observă din fig. 2.13.

Fig. 2.13 Manevra torpilei în plan vertical și orizontal.

Forma și dimensiunile segmentelor de traiectorie sunt comandate de către computerul de bord (autopilotul) după cum se observă din fig. 2.14 Computerul de bord (APU) comandă evoluția torpilei pe traiectorie astfel:

inițiază programul de căutare;

comandă modul de căutare în funcție de adâncimea raionului în care se deplasează torpila;

Fig. 2.14. Drumul torpilei pe traiectoria autonomă condusă de către autopilot

achiziția țintei;

autoreglarea și calibrarea semnalelor emise-recepționate înspre și de la țintă;

însoțirea țintei;

armarea torpilei;

proceduri de căutare la pierderea contactului cu ținta submarină:

2.5.2. Inițierea programului de căutare:

În conformitate cu schema din fig. 2.15, torpila prezintă următoarei evoluție:

traiectoria autonomă inițială;

stabilizarea deplasării pe traiectoria în plan orizontal (căutarea în azimut);

comanda deplasării pe traiectoria în plan vertical (intrare și deplasarea la imersiunea de căutare).

Fig. 2.15. Evoluția torpilei pe traiectoria autonomă (2) și autodirijată (3).

2.5.3. Căutarea țintei în funcție de adâncimea raionului de deplasare

În schema de mai jos se observă forma traiectoriei torpilei în cazul căutării țintei în "apă puțin adâncă" (căutarea pe un coridor) conform fig. 2.17 și .în. cazul "apelor adânci" căutare circulară):

căutarea țintei se execută în două regimuri de funcționare a sonarului presetate de către computerul de bord, conform schemei 2.16:

căutare în bandă îngustă (NB);

căutare în bandă largă (BB);

Fig. 2.16 Căutare pe un corridor în ”ape puțin adânci”.

Căutarea țintei în ape adânci, cuprinde 6 subfaze conform fig. 2.18:

Fig. 2.17. Căutarea circulară a țintei in "ape puțin adânci".

2.5.1.3 Achiziția țintei

Se realizează în două regimuri de funcționare a sonarului:

regimul pasiv de ascultare;

regim activ de funcționare a sonarului.

Fig. 2.18. Traiectoria de căutare a țintei în ape adânci.

Concluzii:

În concluzie putem spune că unitatea autopilot a torpilei Sting Ray oferă următoarele funcțiuni:

Oferă datele de control și execuție asupra evoluției torpilei pe traiectorie;

Acceptă datele presetate referitoare la: Modul de căutare în coridor longitudinal sau circular; Distanță de armare; Drumul ce atac (relevmentul la poziția de impact) de la 0° – 359°; Variați câmpului magnetic (Est sau Vest); Inițierea procedurii de armare inițială corespunzătoare imersiunii de armare/dezarmare de 15 sau 37 m

Monitorizează și controlează tensiunea bateriei de alimentare a torpilei;

Acceptă date referitoare la direcția și orientarea torpilei în spațiu;

Selectează programul de căutare inițială a torpilei;

Controlează modul de ghidare operațională a torpilei și a sistemului de propulsie;

Analizează informațiile despre țintă; '

Oferă semnalele (comenzile) necesare controlului și conducerii torpilei în plan vertical și orizontal (orientarea cârmelor);

Controlul total al armării finale a componentei de luptă.

Prin rapiditate, inteligență și capacitate de manevră ridicată, torpila Sting Ray demonstrează că este o armă cu performanțe ridicate nu numai în apele adânci dar și în apele puțin adânci unde condițiile de funcționare ale sonarelor sunt mai dificile.

3. TORPILA SET-53

3.1 Destinație, caracteristici tehnico-tactice

Destinație

Este o torpilă electrică antisubmarin autodirijată în două planuri (orizontal și vertical) și cu dispozitiv de explozie fără contact de tipul “ACTIV” cu acțiune circulară.

Torpila este destinată pentru distrugerea submarinelor în imersiune. Se lansează de către nave de suprafața și submarine.

Caracteristicile tehnico-tactice ale torpilei SET-53

Principalele caracterisitici tehnico-tactice ale torpilei SET-53 sunt:

diametrul aprox. 500 mm

lungimea aprox. 8000 mm

greutatea încărcăturii de exploziv aprox. 100 kgf

vitezaaprox. 25 Nd

cursa maximă aprox. 7500 m

greutatea torpilei gata de lansare aprox. 1500 kg

greutate torpilei de exercițiu gata de lansare aprox. 1400 kg

flotabilitatea pozitivă a torpilei de exercițiu la sfârșitul cursei aprox. 20 kgf

deplasament aprox. 1500 l

presiunea exterioară maximă admisă .aprox. 20 kgf/cm2

numărul acumulatoarelor de la baterie aprox. 50 buc.

tensiunea medie de lucru a bateriei… …………………………. aprox. 80 V

curentul mediu de lucru a bateriei……… …………………….. aprox. 600 A

numărul de rotații a inductorului și indusului aprox. 1400 rot/min

imersiunea de marș a torpilei aprox. 20-200 m

sectorul de căutare a aparaturii de autodirijare

în plan vertical și orizontal aprox. 1500

presiunea aerului în rezervor aprox. 200 kgf/cm2

numărul maxim de rotații a elicei aprox. 1400 rot/min

viteza de ieșire a torpilei din tub aprox. 20m/sec

3.2 Părțile componente ale torpilei

Torpila SET-53 este formată din patru părți principale demontabile:

conul de luptă (de exercițiu);

compartimentul acumulatoarelor;

flotorul cozii;

cadrul cu cârmele și elicele.

Conul de luptă – este montat în partea din față a torpilei și servește pentru dispunerea:

încărcăturii de exploziv;

aparatelor de explozie cu încărcăturile de amorsaj;

dispozitivelor de recepție și amplificare a aparaturii de autodirijare (cap de autodirijare);

– bobinelor de recepție a dispozitivului de explozie fără contact.

Conul de exercițiu – este montat în locul conului de luptă la lansările de exercițiu. În acest con sunt dispuse:

dispozitivele de recepție și amplificare a aparaturii de autodirijare;

bobinele de recepție de la dispozitivul de explozie fără contact;

aparatul de iluminat;

înregistratorul de bandă, imersiune, ruliu, viteza;

dispozitivul de marcare cu fum a locului de ieșire la suprafată a torpilei.

Compartimentul acumulatoarelor – reprezintă partea centrală a torpilei și este împărțit în două camere ermetice printr-un perete: camera acumulatoarelor și camera motorului.

În camera acumulatoarelor se află dispuse:

bateria de acumulatoare;

amplificatorul dispozitivului de explozie fără contact;

instalația de ventilație a compartimentului;

razervoarele (buteliile) cu aer comprimat;

supapa de siguranță;

aparat de autoscufundare (lichidator).

În camera motorului se află dispuse:

supapa de încărcare a rezervoarelor de aer;

valvula de conservare;

transmisia pentru reglarea imersiunii din exteriorul torpilei;

partea din fața electromotorului care este montat în flotorul cozii;

contactorul pneumatic;

întrerupătorul manual;

valvula de punere în marș, aparatul de distanță și stopare și degetul de punere în marș;

întârzietorul de punere în marș cu supapa respectivă;

redresorul aparaturii de autodirijare;

cutia cu relee a aparaturii de autodirijare;

cabluri de legatură;

supapa de sigurață.

Flotorul cozii – reprezită partea posterioară a torpilei și este destinată pentru dispunerea electromotorului , aparatelor de conducere, agregatelor aparaturii de autodirijare și a dispozitivului de explozie fără contact.

În flotorul cozii se află dispuse următoarele:

electromotorul;

regulatorii de imersiune cu servomotorul cârmelor orizontale;

stabilizatorul de ruliu cu servomotorul eleroanelor;

automatul giroscopic de drum cu servomotorul cârmelor verticale;

mecanismul pentru punerea elementelor la automatul gyroscopic;

regulatorul de presiune;

filtrul pentru filtrarea aerului comprimat;

borne de încărcare a bateriei de acumulatoare;

degetul pneumatic cu întrerupător;

convertizorul cu stabilizatorul de frecvență;

transmisiile pentru reglarea imersiunii;

transmisiile cârmelor orizontale, verticale și eleroane;

cabluri de legatură.

În exteriorul flotorului cozii se află montată bobina de emisie a dispozitivului de explozie fără contact.

Cadrul cu cârmele și elicele – cadrul este destinat pentru a asigura stabilitatea torpilei pe traiectorie și a asigura cu ajutorul cârmelor conducerea torpilei in imersiune și pe direcție. Pe cadrul torpilei se află dispuse:

două cârme orizontale;

două cârme verticale;

două cârme fixate pe axele cârmelor orizontale.

După cadrul torpilei se află dispuse elicele care sunt fixate pe axele electromotorului. Toate părțile demontabile se cuplează între ele cu ajutorul unor șuruburi prezoane și garnituri de cauciuc. În exteriorul torpilei sunt practicate diferite orificii necesare pentru controlul și montajul mecanismelor și dispozitivelor torpilei.

Regulatorul de presiune (fig. 3.1) – este destinat pentru a reduce presiunea aerului comprimat care vine de la valvula de punere în marș până la valori care să permită funcționarea servomotoarelor.

Fig. 3.1 Regulatorul de presiune.

Regulatorul reduce presiunea de aprox. 200 kgf/cm2 la:

aprox. 30 kgf/cm2 presiune necesară pentru funcționarea servomotorului cârmelor orizontale, servomotorului eleroanelor, și, degetului pneumatic ;

aprox. 20 kg/cm2 presiune necesară pentru funcționarea servomotorului cârmelor verticale;

Regulatorul de presiune este format din următoarele părți principale: corpul cu orificii de intrare și plecare a aerului; valvula principală; diafragma metalică cu resort; valvula auxiliară cu resort; dop de închidere .

Valvula principală cu diafragmă și resort formează prima treaptă de reducere. Aerul de înaltă presiune ajunge în cavitatea de sub valvula principală.

A doua treaptă de reducere este formată din valvula auxiliară cu resort. Sub acțiunea resortului la început valvula auxiliară este închisă.

Automatul giroscopic de drum (fig. 3.3) – este destinat pentru :

a asigura conducerea torpilei în direcție pe porțiunea conducerii autonome ;

a asigura conducerea în planul orizontal pe timpul autodirijării și căutării repetate a țintei .

Traiectoria torpilei conform fig. 3.2, pe porțiunea conducerii autonome se împarte în trei părți:

Fig. 3.2 Traiectoria inițială a torpilei după lansare.

În prima parte torpila parcurge distanța de la 0-250 m (porțiune notată cu L).

În a doua parte torpila parcurge distanța de dispersiune reglată (DD).

În a treia parte torpila parcurge o distanță până la primirea primului semnal de la nava țintă când aparatura de autodirijare elaborează prima comandă.

Parametrii traiectoriei conducerii autonome – respectiv unghiurile (ω) și (ά) cât și distanța (DD)se introduc la automatul giroscopic de către centrala de lansare înainte de plecarea torpilei din tub. Parametrii dau posibilitatea dispersării torpilelor atunci când se lansează în număr mai mare.

Automatul giroscopic de drum conform fig. 3.3, cuprinde următoarele părți:

blocul giroscopic.

capul de reglare.

blocul cu relee.

servomotorul cârmelor verticale.

Fig. 3.3 Schema cinematică a automatului giroscopic de drum.

I. Blocul giroscopic

Este format din două părți principale : A) ansamblul giroscopic și B) capul de conducere.

A. Ansamblul giroscopic – constituie elementul sensibil al automatului giroscopic de drum. Este format din următoarele părți principale :

a. sistemul giroscopic ;

b. mecanismul de stopare și eliberare ;

c. dispozitivul de nivelare .

a. Sistemul giroscopic constituie giroscopul propriu-zis. Este format dintr-un
giromotor electric suspendat la un inel de suspensie orizontal și unul vertical. Pe
suprafața exterioară a giromotorului sunt practicate palere (alveole) destinate pentru
punerea în funcțiune a rotorului giromotorului de către aerul comprimat.

Giromotorul se pune în funcțiune cu aer comprimat la presiunea de 190kgf/cm2, iar menținerea în continuare a turației se realizează cu ajutorul curentului electric alternativ trifazic care alimentează giromotorul. Alimentarea se face de la capul de conducere prin inelul cardanic vertical.

b. Mecanismul de stopare și eliberare este destinat pentru stoparea
sistemului giroscopic înainte de lansarea torpilei și pentru eliberarea automată a
sistemului după ce giromotorul ajunge la turația maximă. Mecanismul este dispus
în corpul sistemului giroscopic și este format din :

pârghia de stopare cu cama de stopare

resort de armare ;

piedică ;

resort de readucere ;

pistonul de eliberare .

Sistemul giroscopic se stopează cu ajutorul pârghiei de stopare. Resortul de armare tinde să rabată această pârghie pentru a elibera giroscopul. Eliberarea este împiedicată de către o piedică care este legată printr-o traversă cu pistonul de eliberare. Resortul de readucere caută să mențină pistonul în poziția limită extremă, (dreapta).

c. Dispozitivul de nivelare servește pentru a menține axul giroscopic în planul orizontal. Este format din :

întrerupătorul cu lichid (elementul sensibil) ;

motorul electric de corecție (elementul de execuție).

Dispozitivul de nivelare se află dispus în partea inferioară a blocului giroscopic.

B. Capul de conducere – este format din următoarele părți componente :

d. mecanismul de programare ;

e. dispozitivul de amplificare ;

f. mecanismul de distanță .

d. Mecanismul de programare este destinat pentru a imprima torpilei o anumită traiectorie în funcție de valorile parametrilor care se introduc înainte de lansare (ω,Dd ά).

Mecanismul este format dintr-o serie de axe și roți dințate ce lamele de contact. Pe lamelele de contact alunecă colectoarele de curent.

e. Dispozitivul de amplificare este format dintr-un motor electric, o roată de urmărire și un reductor cu melc.

Roata de urmărire are în partea superioară un disc pe care se sprijină colectorul de curent. Roata de urmărire se pune în mișcare de către un motor de inducție cu două faze cu care este legată prin intermediul unui reductor.

f. Mecanismul de distanță se pune în ax de către o mufă cu melc legată cu ajutorul unui ax și a o serie de transmisii cu axul elicei. Mecanismul reprezintă un reductor care transmite mișcarea de la mufă la discuri.

II. Capul de reglare

Capul de reglare este destinat pentru introducerea la blocul giroscopic al parametrilor de lansare, adică a datelor necesare pentru ca torpila să aibă i anumită traiectorie de mișcare în planul orizontal. Introducerea datelor se face de la centrala de lansare sau manual de la torpilă.

Capul de reglare este format dintr-un corp în care se găsesc trei axe cu cap pătrat, un reductor planetar și o serie de transmisii cu roți dințate. Axele cu cap pătrat servesc pentru reglarea distantei de dispersiune (DD), unghiului (co) și unghiului (α/ ). Reductorul planetar permite reglarea unghiului (α/) independent de mărimea unghiului (ω), în timp ce reglarea unghiului (ω) in mod automat se rotește roata dințată (α/) cu un unghi egal (ω).

Când se reglează parametrii la capul de reglare, la o rotație a axului (DD) corespunde o valoare de 1 000 m; la o rotație a axului (α/) corespunde o valoare de 100 și la o rotație a axului (ω) corespunde o valoare de 50.

III. Blocul cu relee

Este format dintr-un bloc în care se află o serie de relee, diode și rezistenți. Blocul cu relee este legat prin intermediul unor cabluri cu sursa de alimentare, cu blocul giroscopic, cu servomotorul cârmelor verticale și cu stația de control.

IV. Servomotorul cârmelor verticale

Servomotorul reprezintă mecanismul de forță al automatului de drum. Legătura dintre automatul giroscopic și servomotor este electrică. Servomotorul cârmelor verticale este format din :

corp ;

piston cu tijă ;

sertăraș de distribuție cu resort ;

electromagnet ;

pârghia de legătură .

Corpul servomotorului este format din trei cavități în care se montează pistonul cu tijă, sertărașul și electromagnetul. Cavitatea pistonului este legată cu cavitatea sertărașului prin intermediul a două canale pe care se distribuie aerul la cele două fețe ale pistonului. Cavitatea sertărașului are în partea superioară trei orificii: orificiul din mijloc servește pentru introducerea aerului iar cele două laterale – pentru evacuarea aerului.

Cavitatea electromagnetului reprezintă un cilindru în care se fixează bobina cu miez de fier. Electromagnetul se alimentează cu un curent continuu de 27 V.

Pistonul cu tijă este destinat ca sub presiunea aerului comprimat să acționeze transmisiile de mișcare a cârmelor verticale în funcție de poziția sertărașului.

Sertărașul este destinat pentru distribuirea aerului comprimat la pistonul servomotorului. Este prevăzut la mijloc cu două barete de distribuție iar la capete cu barete de etanșare. În partea din spate sertărașul are un resort care are rolul de a deplasa sertărașul spre înainte.

Electromagnetul este destinat pentru acționarea sertărașului de distribuție cu ajutorul unei pârghii de legătură (deplasează sertărașul spre pupa) atunci când primește alimentarea de 27 V.

Funcționarea servomotorului cârmelor verticale

În momentul lansării topilei, aerul reglat la 20 kgf/cm2 vine la sertărașul de distribuție. Sertărașul sub acțiunea resortului său este deplasat în poziția extremă prova. În felul acesta aerul poate trece pe partea anterioară a pistonului. Pistonul se va deplasa spre pupa și va pune cârmele la tribord.

Când electromagnetul primește alimentarea acționează asupra pârghiei de legătură care va trage sertărașul în poziția extremă pupa. În această poziție se bandează resortul sertărașului. Aerul poate trece pe partea posterioară a pistonului care va pune cârmele în bordul babord. În felul acesta pistonul servomotorului cârmelor verticale, poate ocupa două poziții extreme: spre înapoi când este scos de sub curent electromagnetul și spre înainte când se alimentează electromagnetul.

Regulatorii de imersiune (fig. 3.4) – sunt destinați pentru conducerea torpilei în planul vertical. Funcționarea regulatorilor se bazează pe lucrul independent al hidrostatului și pendulului care acționează asupra sertărașului servomotorului cârmelor orizontale individual sau împreună.

La afundarea sau la ieșirea spre suprafață, cât și pe timpul executării comenzilor de la aparatura de autodirijare, conducerea în imersiune se realizează numai cu ajutorul pendulului.

La mișcarea torpilei în planul orizontal, cât și la trecerea la o mișcare orizontală (regim tranzitoriu) conducerea torpilei în imersiune se realizează prin acțiunea comună a hidrostatului și pendulului.

Regulatorii de imersiune asigură:

ieșirea torpilei la imersiunea reglată anterior în limitele 20-200 m și cu o asietă constantă de 250;

mișcarea orizontală a torpilei la imersiunea reglată până la primirea semnalului de la aparatura de autodirijare;

mișcarea torpilei în plan vertical după semnalele primite de la aparatura de autodirijare. Regulatorii au un dispozitiv care limitează comenzile pentru marșul în imersiune, în partea superioară până la 20 m, iar în partea inferioară până la o imersiune de două ori mai mare decât valoarea reglată.

Regulatorii de imersiune conform fig. 3.4, prezintă următoarea organizare:

mecanismul hidrostatic;

mecanismul cu pendule;

cutia cu relee.

Fig. 3.4 Regulatorii de imersiune.Blocurile principale.

Reglarea imersiunii se face printr-o transmisie de la mecanismul ce se află în camera motorului. La trei rotații a cheii de rotire corespunde imersiunea reglată de 10 m. Când se reglează imersiunea direct de la mecanismul hidrostatic axul de reglare trebuie să facă șase rotații pentru valoarea 10 m.

Reglarea imersiunii de limitare în sus pentru executarea comenzilor aparaturii de autodirijare se face când se reglează aparatura la banc prin stoparea șaibei Reglarea aparaturii „în jos” se face automat.

Regulatorii de imersiune se alimentează cu tensiune continuă 27 V și presiune de aer 30 kgf/cm2.

I. mecanismul hidrostatic , este format din hidrostatul propriu-zis și

mecanismul cu contacte. Hidrostatul este format din următoarele părți principale:

corp de formă cilindrică;

două burdufuri metalice legate între ele cu inel;

cilindrul de limitare a compresiei burdufurilor;

resortul hidrostatic;

tija hidrostatului cu cremalieră.

Mecanismul cu contacte este format dintr-un electromagnet, diferite roți dințate de transmisie și discuri dințate cu lamele de contact pentru comenzile electrice.

Electromagnetul este destinat pentru acționarea mufei de cuplare. Roțile dințate sunt pentru a transmite mișcarea de la cremalieră la discul de contact la care, pe o parte snt dispuse lamelele de contact “în sus” și “în jos”, iar pe cealaltă parte inelele lor colectoare de curent. Pe discul de contact alunecă contactele de limitare în sus și limitare în jos și contactul de reglare a imersiunii care este fixat pe discul de contact.

Discul de contact are pe ambele fețe inele colectoare de curent. Sectorul dințat al discului de contact este cuplat cu un melc pe axul căruia se află roata dințată pentru reglarea imersiunii.

Contactele normal închise pentru avertizare limitare “sus” și avertizare limitare “în jos”, la intrarea torpilei în zona de avetizare se vor deschide de către roțile dințate, care se deplasează de-a lungul axului.

Contactele servesc pentru alimentarea discurilor cu lamelele de contact.

II. Mecanismul cu pendule , format din următoarele părți principale :

pendulul principal ;

amplificatorul de impulsuri ;

pendulul auxiliar .

Pendulul principal este sub forma unei carcase suspendată pe axe de susținere. În interiorul carcasei se află dispuse trei solenoide (electromagneți): un electromagnet de afundare jos, un electromagnet de ieșire spre suprafață sus (bepx) și un electromagnet de limitare. Miezurile electromagneților (sus) și (jos) sunt legate de axul pendulului cu ajutorul unor pârghii. În partea stângă a carcasei este fixată o greutate destinată pentru deplasarea centrului de greutate înainte pentru micșorarea tangajului torpilei la girație. Rasoartele limitează tangajul torpilei la mișcarea sub comanda aparaturii de autodirijaree.

Pe peretele din stânga al ramei de susținere a pendulului principal se află fixat amplificatorul de impulsuri cu un dispozitiv cu ajutaj și regulator.

În interior, amplificatorul are un sertăraș și un piston cu tijă care este legată cu pârghia de însumare.

Pendulul auxiliar are rolul de a limita unghiul de tangaj (asietă) al torpilei până la 150± 20 când ajunge cu 25m înainte de imersiunea limită „în sus” sau „în jos”.

III. Cutia cu relee , reprezintă o cutie metalică în care se află dispuse patru relee tip OR.13, patru diode, o rezistență și un condensator.

3.2 Aparatura de autodirijare

3.2.1Destinație

Aparatura de autodirijare a torpilei SET-53 este destinată pentru descoperirea submarinului după câmpul acustic creat de acesta la mișcarea pe sub apă. Aparatura de autodirijare îndeplinește următoarele funcții:

asigură căutarea și descoperirea submarinului în mișcare, în limitele sectorului de căutare;

determină poziția submarinului-țintă față de planul orizontal și planul vertical care trec prin axul longitudinal al torpilei;

deconectează conducerea mișcării torpilei în planul orizontal de sistemul giroscopic și în planul vertical de mecanismul hidrostatic al regulatorilor de imersiune, după ce s-a obținut contactul acustic cu submarinul; preia conducerea torpilei asupra sa și elaborează comenzile pentru servomotoarele cârmelor orizontale și verticale.

controlează în continuu existența țintei pe direcția de mișcare a torpilei și corectează traiectoria torpilei.

în cazul pierderii contactului acustic asigură descoperirea a doua oară a țintei numai în planul orizontal.

3.2.2Caracteristici tehnico-tactice

aparatura de autodirijare este de tipul pasiv-acustic care folosește în calitate de câmp fizic de comandă, presiunea acustică ultrasonoră creată de submarinul în mișcare.

aparatura are două canale autonome de dirijare – orizontal și vertical, care funcționează independent.

canalele de autodirijare determină precizia drumului torpilei prin egalitatea semnalelor la lobul din dreapta și din stânga sau la lobul de sus și de jos – de la diagramele de directivitate.

distanța de descoperire a aparaturii de autodirijare este determinată de sensibilitatea canalului orizontal și depinde de viteza, înclinarea, imersiunea și tipul submarinului, cât și de condițiile hidrologice în raionul de lansare.

sectorul de căutare a aparaturii de autodirijare în planul orizontal este de ±600 față de axul longitudinal al torpilei.

sectorul de căutare în plan vertical este același.

“unghiul mort” al canalului orizontal și canalului vertical variază între ±300 la distanța maximă, și ±50 în apropierea țintei (presiunea acustică maximă).

timpul minim de acțiune a semnalului acustic necesar pentru elaborarea comenzilor la cârme este de 2-3 secunde pentru canalul orizontal și căutarea a doua în sector; 0,5 secunde pentru canalul vertical și canalul orizontal la căutarea circulară.

traiectoria torpilei sub conducerea aparaturii de autodirijare în ambele planuri, reprezintă o curbă în spațiu sub formă șerpuită. Această mișcare poate avea loc atât simultan în ambele planuri, cât și separat.

la pierderea contactului acustic în planul orizontal, aparatura de autodirijare asigură căutarea a doua oară a țintei în direcția cea mai probabilă a țintei. La pierderea contactului în plan vertical, aparatura de autodirijare predă conducerea mecanismului hidrostatic al regulatorilor de imersiune, care va menține torpila la imersiunea de pierdere a contactului.

aparatura de autodirijare asigură căutarea a doua oară într-un sector, când contactul acustic a fost pierdut la o distanță mare de țintă. În acest caz torpila girează în bordul unde a avut ultima oară semnalul, timp de 4-6 secunde – după care dacă nu apare semnalul, conducerea torpilei este preluată de automatul giroscopic de drum. Giroscopul aduce torpila la un drum parale cu direcția dată – până la obținerea din nou a contactului acustic sau până la terminarea cursei. La pierderea semnalului după contactul acustic cu ținta de minimum 7- 9secunde aparatura de autodirijare execută căutarea a doua oară în regim circular. În acest caz torpila girează în bordul în care a avut ultima oară semnalul, până când obține iar contactul acustic sau până la terminarea cursei.

aparatura de autodirijare se pune în funcțiune după un timp de 30-40 secunde de la lansare.

sursa de alimentare a aparaturii de autodirijare o constituie un convertizor care se

alimentează de la bateria de acumulatoare. Puterea consumată este de circa 120 w.

aparatura de autodirijare își păstrează parametrii tehnici în decurs de 3 luni de zile de la verificare.

greutatea aparaturii de autodirijare – fără cablurile de legătură, convertizor și stabilizator de frecvență este de circa 70 kgf.

3.2.3 Părțile componente ale aparaturii de autodirijare

Acestea sunt :

dispozitivul de recepție și amplificare

cutia cu relee

redresor

cabluri de legătură a elementelor între ele

La funcționarea aparaturii de autodirijare mai participă: bateria de acumulatoare; contactorul pneumatic; întrerupătorul manual; degetul pneumatic; convertizorul cu stabilizatorul de frecvență; automatul giroscopic de drum și cutia cu relee; regulatorii de imersiune și cutia cu relee.

I. Dispozitivul de recepție amplificare

Este destinat pentru descoperirea submarinului –ținta după câmpul acustic creat de acesta, elaborarea comenzilor în funcție de semnalele primite și transmiterea lor prin cutia cu relee a aparaturii de autodirijare, la aparatele de conducere în planul orizontal și planul vertical.

Dispozitivul de recepție și amplificare reprezintă un bloc separat dispus în prova torpilei. Este format din următoarele elemente:

A – dispozitivul de recepție;

B – două dispozitive de amplificare;

C – bloc cu relee.

A. Dispozitivul de recepție Dispozitivul de recepție este destinat pentru recepționarea oscilațiilor create de submarinul -țintă și transformarea acestor oscilații în tensiuni electrice, a căror mărime depinde de poziția țintei în raport cu axul longitudinal al torpilei.

Dispozitivul de recepție este format din două grupe de receptori hidroacustici, una destinată pentru relevarea țintei în planul orizontal și alta pentru relevarea în planul vertical. Fiecare grupă este formată dintr-un bloc de receptori magnetostrictivi a oscilațiilor ultrasonore și un convertor fază – amplitudine. Receptorii – transformă oscilațiile ultrasonore în t.e.m. defazate.

Convertorul fază – amplitudine transform diferența de fază dintre tensiunile electromotoare în diferența de amplitudine – a semnalelor ieșite de la dispozitivul de recepție.

Fiecare grupă de receptori împreună cu convertorul fază – amplitudine creează caracteristica de directivitate necesară în planul vertical și planul orizontal.

Aceste caracteristici (diagrame) constituie parametrii principali ai dispozitivului de recepție. Caracteristicile de directivitate reprezintă variația tensiunilor de ieșire de la dispozitivul de recepție în funcție de unghiul format între direcția la nava – țintă (sursa de zgomot) și normala pe planul receptorilor.

Rezultă că, la dispozitivul de recepție vom avea o caracteristică de directivitate cu două loburi în planul vertical.

Fig. 3.5. Loburile de directivitate (sectorul de căutare) de la capul de autodirijare al torpilei.

B. Dispozitivele de amplificare

Dispozitivele de amplificare sunt destinate pentru a amplifica tensiunile care vin de la dispozitivul de recepție, de a le analiza și a determina poziția țintei în raport cu axul longitudinal al torpilei și pentru a elabora comenzile necesare care vor fi transmise cutiei cu relee a aparaturii de autodirijare.

Fiecare dispozitiv de amplificare este format din :

comutatorul de intrare;

amplificatorul de înaltă frecvență;

amplificatorul diferență;

detectorul de fază;

puntea de echilibru;

heterodina.

Ii. Cutia cu relee a aparaturii de autodirijare

Cutia cu relee a aparaturii de autodirijare este destinată pentru a transmite aparatelor de conducere a mișcării torpilei, comenzile elaborate de dispozitivele de amplificare; de asemenea mai are rolul de a forma comenzile căutării repetate când torpila pierde contactul acustic cu nava țintă în planul orizontal.

Corespunzător destinației, cutia cu relee are două canale de transmitere a comenzilor la aparatele de conducere a torpilei:

canalul orizontal;

canalul vertical.

Canalul orizontal al cutiei cu relee are o întârziere în executarea comenzilor de circa 2-3 secunde la începutul primirii semnalului acustic, și la descoperirea a doua oară a țintei când durata semnalului este mai mică se 7-9 secunde. La pierderea semnalului acustic în acest caz, va executa căutarea a doua oară în regim sector.

Dacă durata de acțiune a semnalului acustic este mai mare se 7-9 secunde, atunci cutia cu relee asigură o întârziere în executarea comenzilor cu un timp de 0,5 secunde; la pierderea contactului în acest caz se va executa căutarea a doua oară a țintei în regim circular.

În afară de aceasta, întârzierea de 0,5 secunde, se realizează și la căutarea în regim sector. Executarea comenzilor în canalul vertical al cutiei cu relee se face fără întârziere. Căutarea repetată în planul vertical nu se poate executa.

Schema electrică a cutiei cu relee a aparaturii de autodirijare cuprinde 19 relee electromagnetice, 16 diode cu germaniu, 4 tiratroane și o serie se rezistențe și condensatori.

Releele electromagnetice îndeplinesc următoarele funcțiuni:

Re-5 și R-6 – sunt repetitoare ale Re-10 (în jos) și Re-9 (în sus), care sunt dispuse în blocul cu relee a dispozitivului de amplificare, fiind destinate pentru transmiterea comenzilor la regulatorii de imersiune;

Re-7, Re-8, Re-19 – repetitoare ale Re-4 (stânga) și Re-3 (dreapta);

Re-17, Re-18, Re-19 – relee de execuție destinate pentru transmiterea comenzilor la automatul giroscopic de drum;

Re-4 – asigură întârzierea în funcționarea releelor de mai înainte;

Re-11, Re-12, Re-15, Re-16 – asigură executarea căutării în sector la pierderea țintei în planul orizontal;

Re-1, Re-3 – asigură timpul de executare a căutării în sector;

– Re-2, Re-14 – asigură trecerea de la căutarea în sector la căutarea circulară.
Timpul de întârziere pentru funcționarea releelor Re-1, Re-2, Re-3 și Re-4

care sunt în circuitele tiratroanelor, se asigură de către rezistențele și condensatoarelor: C-6 și R-8; C-7 și R-12; C-8 și R-16; C-9 și R-20.

Rezistențele R-6, R-7, R-10, R-11, R-14, R-15, R-18, R-19 sunt divizoare ale tensiunilor care se aplică la grilele de comandă a tiratroanelor.

3.2.4 Funcționarea aparaturii de autodirijare

Traiectoria torpilei:

I. Funcționarea aparaturii de autodirijare la prima descoperire a submarinului

Aparatura de autodirijare corectează mișcarea torpilei în direcție și în imersiune (în planul orizontal și planul vertical) reacționând la zgomotul submarinului țintă și astfel realizând dirijarea torpilei.

În cazul pierderii țintei, ceea ce poate avea loc la început când contactul acustic este foarte slab și semnalul este foarte mic sau când torpila trece pe lângă o țintă la o distanță mai mare decât raza de acțiune a dispozitivului de explozie fără contact, aparatura de autodirijare asigură a doua descoperire a țintei numai în planul orizontal.

Schema 1. Traiectoria mișcării torpilei sub conducerea sistemului de autodirijare cu executarea căutării țintei în regimul – sector.

Schema 2. Traiectoria mișcării torpilei sub conducerea sistemului de autodirijare cu executarea căutării țintei în regimul – circular.

La o distanță mai mare de țintă, aparatura asigură torpilei o căutare în sector pentru descoperirea a doua oară a țintei – iar când contactul a fost pierdut în apropierea țintei, aparatura asigură o căutare circulară.

Când torpila pierde contactul acustic cu ținta în planul vertical, aparatura nu asigură descoperirea a doua oară. În acest caz torpila rămâne la imersiunea la care a pierdut contactul, și este condusă în continuare de către regulatorii de imersiune.

În momentul lansării torpilei – funcționează contactorul pneumatic și se pune în funcțiune degetul pneumatic. Ca urmare a funcționării contactorului (prin circuitele sale suplimentare), tensiunea (-27 v) de la bateria de acumulatoare trece prin cutia cu relee a regulatorilor de imersiune.

Tensiunea (+27 v) de la bateria de acumulatoare trece prin întrerupătorul manual și cutia cu conexiuni cabluri nr.2 la contactele releelor de execuție din cutia cu relee a aparaturii de autodirijare. În afară de aceasta tensiunea ( 27 v) trece prin contactele degetului pneumatic și la convertizor.

După lansare, torpila se va mișca sub conducerea automatului giroscopic de drum și a regulatorilor de imersiune.

Convertizorul transformă tensiunea de 27 volți în tensiunea alternativă de 40 volți care vine de la redresor, care o transformă în tensiune continuă 230 v, 30 v, 6,3 v și tensiune alternativă de 6,3 volți.

Tensiunea alternativă de 6,3 volți servește pentru încălzirea tiratroanelor de la cutia cu relee.

Tensiunea continuă 6,3 volți servește pentru încălzirea tuburilor și tiratroanelor de la dispozitivul de amplificare.

Tensiunea continuă 30 volți servește pentru alimentarea releelor cutiei cu relee și a dispozitivului de amplificare. Tensiunea continuă de 230 volți servește pentru alimentarea tiratroanelor cutiei cu relee și a tuburilor și tiratroanelor dispozitivului de amplificare.

După un timp de 30-40 secunde de la lansare , funcționează releele Re-1 și Re-11 din blocul cu relee a dispozitivului de amplificare și tensiunea continuă de +30 volți se conectează în circuitele polarizate Re-1 și Re-2 de la dispozitivele de amplificare (releele primare de execuție a aparaturii de autodirijare) și releele Re-7, Re-8, Re-9, Re-10 de la blocul cu relee.

În felul acesta aparatura de autodirijare se pune în stare de funcționare. Această întârziere asigură protecția aparaturii împotriva semnalelor false și exclude posibilitatea funcționării sub acțiunea zgomotelor navei lansatoare.

Dacă pe timpul conducerii torpilei de către automatul giroscopic și regulatorii de imersiune submarinul de află în limitele sectorului de căutare, atunci sub acțiunea câmpului acustic creat de submarin la dispozitivul de recepție a aparaturii de autodirijare se formează tensiuni electromotoare. Aceste tensiuni vor determina ca la ieșirea dispozitivului de amplificare să apară tensiuni a căror mărime depinde de poziția țintei.

Pe măsură ce torpila se apropie de țintă, mărimea tensiunilor de ieșire de la receptori crește și ajunge la valori suficiente (după amplificarea de dispozitivul de amplificare) pentru funcționarea releelor polarizate a canalelor orizontal și vertical de la aparatura de autodirijare.

Polarizarea tensiunilor, la bobinele releelor polarizate Re-1 și Re-2 de la punțile de echilibru a dispozitivelor de amplificare de la canalele orizontal și vertical este determinată de poziția submarinului țintă față de axul longitudinal al torpilei în planul orizontal și în planul vertical.

Dacă ținta se află în același plan vertical cu torpila, atunci tensiunile care vin la intrarea dispozitivului de amplificare de la canalul orizontal sunt egale ca mărime iar dispozitivul de amplificare a canalului orizontal nu furnizează tensiunea de comandă pentru funcționarea releelor polarizate – și torpila continuă să meargă sub conducerea automatului giroscopic de drum.

Dacă ținta se află în bordul Td al torpilei, atunci dispozitivul de amplificare al canalului orizontal va furniza o tensiune continuă a cărei polarizare asigură funcționarea releului Re-2 (dreapta) care determină funcționarea releului de execuție Re-19 de la cutia cu relee și a releului Re-17.

Prin contactele releului Re-19 se alimentează cu + 27 V releul Re-8 de la cutia cu relee a automatului giroscopic de drum care comandă cârmele în bordul tribord – dar conducerea torpilei se va continua de către giroscop până la funcționarea Re-17 care prin contactele sale alimentează cu tensiunea de + 27 V releul Re-12 de la blocul cu relee a automatului giroscopic după care torpila se va deplasa în continuare sub conducerea aparaturii de autodirijare.

Re-17 funcționează cu o întârziere de 2÷3 secunde cu scopul de a proteja canalul de a funcționa la acțiunea unor semnale accidentale cu o durată mai mică de 2 secunde.

În felul acesta, la primirea semnalului din Td și cu o durată de acțiune mai mare de 2 secunde conducerea mașinii torpilei se transmite aparaturii de autodirijare.

Torpila începe să gireze la Td până când se va ajunge la egalitatea tensiunilor la ieșirile dispozitivului de recepție, adică până când ținta se va afla în limitele “unghiului mort” a aparaturii de autodirijare. În acest moment se întrerupe alimentare Re-19 și respectiv de la releul care comandă punerea cârmei în bordul Td și torpila merge pe o linie dreaptă (tangentă la curba de girație) fără să depășească 2 secunde până în momentul apariției semnalului în bordul Bd

La sosirea semnalului din Bd într-un interval de timp de 2 secunde după pierderea contactului, funcționează releul care comandă punerea cârmelor verticale din bordul Bd cu o întârziere de 0,5 secunde. După 0,5 secunde, cârmele se pun la Bd și torpila va începe să gireze până la apariția țintei iar în “unghiul mort”.

Astfel traiectoria de mișcare a torpilei în planul orizontal sub acțiunea aparaturii de autodirijare, reprezintă o traiectorie șerpuită, formată din arcuri ale razei de girație și porțiuni drepte.

Existența țintei în sectorul de căutare în planul vertical se determină prin funcționarea releelor polarizate Re-1 și Re-2 de la dispozitivul de amplificare al canalului vertical. Dacă torpila a descoperit ținta sus va funcționa Re-1 (sus). Funcționarea acestui releu determină funcționarea Re-5 din blocul cu relee și după 0,5 secunde a releului Re-9. Întârzierea de 0,5 secunde protejează canalul vertical de la funcționare sub acțiunea semnalelor accidentale cu o durată până la 0,5 secunde.

După funcționare Re-9 funcționează Re-6 (sus) de la cutia cu relee a aparaturii de autodirijare. Prin contactele acestui releu, tensiunea + 27 V se conectează la cutia cu relee a regulatorilor de imersiune.

În felul acesta, când ținta se află în partea de sus față de axul longitudinal al torpilei și când durata de acțiune a semnalului este mai mare de 0,5 secunde, cutia cu relee a regulatorilor de imersiune, deconectează regulatorii de conducerea torpilei în imersiune și predă conducerea aparaturii de autodirijare, comanda căreia este transmisă la electromagnetul E-2-6 (ieșire la suprafață). Torpila începe să gireze în sus până când ținta se va afla în limitele unghiului “mort”. În acest moment după 0,5 secunde se deconectează releele și Re-9 ale blocului cu relee și Re-6 al cutiei cu relee a aparaturii de autodirijare și ca urmare se întrerupe circuitul de alimentare al E-2-6 și conducerea torpilei se predă iar regulatorilor de imersiune.

Mișcarea torpilei sub conducerea regulatorilor se va continua până la apariția următorului semnal, torpila din nou începe să se deplaseze în sus în direcția țintei până când iar ținta apare în limitele unghiului “mort”. În acest moment după 0,5 secunde torpila trece la mișcarea sub conducerea regulatorilor de imersiune.

Dacă nu se mai stabilește contactul acustic cu ținta conducerea mișcării torpilei în plan vertical se va asigura de către regulatorii de imersiune care vor menține torpila la imersiunea la care a pierdut semnalul.

Dirijarea torpilei spre țintă în plan vertical când zgomotele țintei vin de jos față de axul longitudinal al torpilei – se face în mod asemănător când nava – ținta se află deasupra.

Când apare ținta de jos după 05, secunde funcționează Re-10 din blocul cu relee și Re-5 din cutia cu relee a aparaturii de autodirijare. Prin funcționarea Re-5 prin contactele sale tensiunea de + 27 V de la bateria de acumulatoare se conectează la cutia cu relee a regulatorilor de imersiune și torpila începe să se afunde până când ținta apare în limitele “unghiului mort”. În acest moment după =,5 secunde aparatura de autodirijare predă conducerea mișcării torpilei regulatorilor de imersiune.

Astfel, mișcarea torpilei în planul vertical se face prin conducerea periodică de către aparatura de autodirijare și regulatorii de imersiune.

Traiectoria torpilei în planul vertical (în imersiune) are o formă șerpuită în trepte.

În cazul când torpila ajunge la imersiunea limită superioară sau inferioară, ceea ce este posibil când acționează asupra aparaturii semnalele de la submarinul țintă ce se reflectă de suprafața apei sau de fundul mării, conducerea torpilei este preluată de regulatorii de imersiune. În acest moment dispozitivul de amplificare al canalului vertical continuă să elaboreze comenzile (în sus sau în jos) care se transmit la cutia cu relee a aparaturii de autodirijare. Când ajunge la imersiunea limită în sus, electromagneții regulatorilor de imersiune execută comenzile pentru afundare iar când ajunge la imersiunea limită în jos – comenzile pentru ieșire spre suprafață.

II Funcționarea aparaturii de autodirijare când descoperă a doua oară nava țintă

Aparatura de autodirijare are un regim de căutare a doua oară a țintei – care reprezintă o combinare între căutarea în regim sector cu căutarea în regim circular. Căutarea în sector se execută în cazul când s-a pierdut contactul acustic la o distanță mare de țintă (contactul a durat mai puțin de 7-9 secunde).

Căutarea circulară – se execută când s-a pierdut contactul acustic cu ținta (contactul a durat înainte peste 7-9 secunde) când torpila trece în apropierea țintei.

Căutarea în sector

La pierderea contactului acustic cu submarinul-țintă se deconectează releul de execuție din Bd Re-18 de la cutia cu relee a aparaturii de autodirijare. După aceasta se întrerupe alimentarea și de la releul automatului giroscopic de drum, care comandă punerea cârmelor verticale în bordul contactului la o mișcare pe tangenta la curba de girație în direcția pierderii contactului în timp de 2,0 secunde. După 2,0 secunde tensiunea + 30 V din nou este conectată la Re-18. Releul funcționează și dă alimentarea de + 27 V releul automatului giroscopic de drum, care comandă punerea cârmelor în Bd. Torpila din nou începe să gireze în direcția pierderii contactului. După 5 secunde de la pierderea contactului se deconectează Re-17 și Re-19 și prin deschiderea contactelor sale întrerupe alimentarea releului automatului giroscopic și conducerea torpilei în planul orizontal este transmisă blocului giroscopic, care aduce torpila la un drum paralel cu direcția de lansare. În acest drum torpila va merge până la o doua descoperire a țintei sau până la consumul sursei de energie. În cazul descoperirii țintei pentru a doua oară torpila se va dirija spre țintă ca mai înainte.

Când descoperă a doua oară ținta – în bordul Td de exemplu la girația inițială în direcția pierderii semnalului – în interval de timp mai mic de 5 secunde, torpila va continua să gireze în direcția pierderii țintei încă 0,5 secunde după care torpila va gira spre dreapta și mai departe cum a fost arătat între puntele 1 și 5, până la apropierea de submarinul-țintă.

Concluzii:

Deplasarea torpilei după o traiectorie impusă anterior se realizează de către sistemele de comandă a traiectoriei (S.C.T.) respectiv, în planul orizontal și planul vertical. În același timp, pentru excluderea influenței reciproce a tangajului și ambardeei, torpila este menținută pe ruliu aproximativ nul de către un sistem corector de ruliu.

Așadar, conducerea torpilei pe traiectorie este realizată de către:

automatul giroscopic de drum (A.G.D.), în plan orizontal;

regulatorul de imersiune cu pendul (R.I.P.) în plan vertical;

stabilizatorul de ralia (aparatul corector de ruliu).

Toate acestea reprezintă sisteme de reglare automată după parametrul de intrare specific, capabile să amortizeze sau să mențină constante amplitudinile mișcărilor perturbate.

Traiectoria submarină a torpilei se divide în două segmente principale și anume:

traiectoria autonomă, a cărei formă este programată înainte de lansare;

traiectoria autodirijată, impusă de drumul și viteza țintei (de suprafață sau submarine).

Sistemul de autodirijare are rolul de a descoperi ținta și de a conduce torpila la impactul cu aceasta. În caz de pierdere a contactului – realizat prin intermediul unui câmp fizic – sistemul de autodirijare realizează un program de redescoperire a țintei.

Din cauza absorbției ridicate a emisiilor de energie de către mediul marin, sistemele de dirijare (pasive sau active) folosesc în principal câmpul acustic emis de țintă (sistemul pasiv) sau reflectat de aceasta (sistemul activ).

În momentul descoperirii țintei, sistemul de autodirijare decuplează sistemul de conducere a mișcării în cele două planuri și preia comanda deplasării torpilei, elaborând semnalele pentru bracarea cârmelor.

4. Ecuațiile de mișcare ale vehiculului subacvatic

4.1 Sisteme de referință pentru studiul mișcărilor generale ale vehiculului subacvatic

În studiul mișcărilor generale ale unui vehicul subacvatic, considerat ca solid rigid liber, se propune utilizarea a două sisteme de referință. Acestea sunt reprezentate în figura ce urmează și vor fi descrise în capitolele următoare.

Fig.4.1 Sistemele de referință și vitezele de translație și rotație ale vehiculului subacvatic

Sistemul de referință mobil. Notat GXGYGZG, este solidar cu vehiculul subacvatic având originea de regulă în centrul de greutate, G, al acestuia. Axele – longitudinală GXG, (pozitivă spre prova), transversală, GYG, (pozitivă spre bordul tribord), GZG, (pozitivă spre sensul creșterii de imersiune) – sunt și axele centrale de inerție ale vehiculului.

Sistemul de referință fix. Notat OX0Y0Z0, este considerat drept sistem inerțial, având originea, O, în planul suprafeței libere a apei liniștite. Axele au sensurile sistemului de referință mobil.

Abaterea vehiculului subacvatic autonom de la poziția inițială de echilibru, la un moment, t al mișcării, conduce la modificarea poziției relative a celor două sisteme de axe (caracterizată prin vectorul de poziție rG, al punctului G față de O).

Poziția și orientarea unui punct din vehicul, fie A din fig.4.2., în momentul t al mișcării în raport cu sistemul de referință fix OX0Y0Z0, poate fi precizată prin șase coordonate independente, dintre care:

trei sunt liniare și descriu mișcările de translație ce pot fi efectuate după axele de coordonate;

trei sunt unghiulare și descriu mișcările de rotație ce pot fi efectuate în jurul axelor de coordonate.

Aceste coordonate, împreună cu vitezele de mișcare, cu forțele și momentele care acționează asupra vehiculului subacvatic autonom în punctul considerat, au definițiile și simbolurile impuse de reglementările SNAME (Society of Naval Architects and Marine Engineers) în anul 1950 (tabelul 1).

Fig. 4.2 Sistemele de referință ale unui vehicul subacvatic autonom cu vectorii de poziție și de viteză

Prin urmare, ecuațiile generale de mișcare ale vehiculului subacvatic autonom, considerat solid rigid cu șase grade de libertate, pot fi scrise cu ajutorul mărimilor vectoriale:

; ;

; ; (4.1)

; ;

unde:

η – reprezintă vectorul de poziție general al punctului oarecare din vehiculul subacvatic autonom, exprimat în raport cu sistemul de referință fix, OX0Y0Z0, având drept componente:

η1 – vectorul coordonatelor liniare caracteristice mișcărilor de translație;

η2 – vectorul coordonatelor unghiulare caracteristice mișcărilor de rotație.

v – reprezintă vectorul viteză generală a punctului oarecare din vehiculul subacvatic autonom, exprimat în raport cu sistemul de referință mobil GXGYGZG, având drept componente:

v1 – vectorul vitezelor liniare caracteristice mișcărilor de translație;

v2 – vectorul vitezelor unghiulare caracteristice mișcărilor de rotație.

τ – reprezintă vectorul forțelor și momentelor ce acționează asupra vehiculului subacvatic rapid autonom, exprimat în raport cu sistemul de referință mobil, GXGYGZG, având drept componente:

τ1 – vectorul forțelor care acționează asupra vehiculului;

τ2 – vectorul momentelor care acționează asupra vehiculului subacvatic.

Tabelul 1 – Nomenclarea și simbolizarea elementelor ce intervin în mișcările vehiculului subacvatic[2]

4.2. Ecuațiile de mișcare neliniare ale vehiculului subacvatic

Pentru studiul dinamicii unui vehicul subacvatic utilizăm ecuațiile de mișcare generale ale acestuia, vehiculul fiind considerat un solid rigid cu 6 grade de libertate. Rezultă de aici că vom avea 3 ecuații pentru mișcările de translație și 3 ecuații pentru mișcările de rotație. Acestea prezintă următoarea formă:

(4.2)

(4.3)

Aceste ecuații pot fi reprezentate într-o formă mai compactă conform [1]:

(4.4)

unde: MRB – matricea de inerție

Coeficienții matricii de inerție sunt constanți și satisfac relațiile:

; (4.5)

unde:

(4.6)

CRB – matricea forțelor Coriolis și forțelor centripete al corpului rigid, de forma:

(4.7)

Conform (2), CRB poate fi prezentată sub forma următoare:

(4.8)

τRB – vectorul forțelor și momentelor ce acționează asupra corpului vehiculului subacvatic, de forma:

(4.9)

unde: – vectorul forțelor și momentelor hidrodinamice, de forma:

, unde: (4.10)

MA – matricea maselor aderente, de forma:

(4.11)

CA – matricea forțelor Coriolis și forțelor centripete ale maselor aderente de apă, de forma:

(4.12)

D(v) – matricea totală a forțelor de împingere și este definită ca:

(4.13)

unde:

Dp – matricea forțelor de împingere;

Dv – matricea forțelor de împingere induse.

(4.14)

g(η) – reprezentarea forțelor și momentelor hidrostatice de revenire, de forma:

(4.15)

vectorul forțelor și momentelor de propulsie

Având în vedere cele prezentate până acum, putem scrie că ecuația (4.4) poate fi scrisă sub forma:

(4.16)

unde:

; (4.17)

4.3. Modelul neliniar simplificat al vehiculului subacvatic

Din cele prezentate anterior, la punctul 4.1 în relațiile (4.6) și (4.11), rezultă că matricea M are forma:

(4.18)

Pentru simplificarea modelului analogic de la pct. 4.1, utilizat în studiul comportamentului dinamic și sinteza parametrilor de reglare, mișcarea vehiculului se poate studia funcție de tipul de mișcare considerat, în două cazuri uzuale funcție de misiunile stabilite pentru vehiculul subacvatic, respectiv:

mișcare în plan orizontal;

mișcare în plan vertical.

Considerăm în continuare, spre exemplu, că vehiculul subacvatic se mișcă în planul orizontal mișcarea fiind descrisă doar de componentele u, v, ψ.

Rezultă că vectorii v și η au următoarele valori:

(4.19)

Aceasta implică: w=p=q=0.

Considerăm mai departe că vehiculul are o distribuție omogenă a maselor sale iar axele xG și zG sunt axe de simetrie. Rezultă că:

(4.20)

În continuare, considerăm că originea sistemului de coordonate legat se află în centrul liniei longitudinale a vehiculului astfel încât yG=0.

Față de cele prezentate anterior, ecuațiile

asociate solidului rigid, vor avea următoarea formă:

(4.21)

(4.22)

Acestea duc la următoarele reduceri:

(4.23)

(4.24)

Cum M=MT și C(v)= -CT(v), rezultă că:

(4.25)

(4.26)

Pentru simplitate vom considera că forța de împingere este constantă și că translația de pe axa orizontală a vehiculului subacvatic este decuplată de translațiile de pe axele transversală și verticală (forța de împingere este aplicată numai pe direcția axei longitudinale a vehiculului).

De aici rezultă că:

(4.27)

Rezultă de aici că modelul simplificat poate fi scris sub forma:

(4.28)

unde: B este matricea de control, iar,

u este vectorul mărimilor de comandă, mărimi reprezentate de forțele și momentele determinate de unghiurile de comandă la cârme și de forțele și momentele exterioare (de exemplu propulsorul).

4.4 Forțele determinate de unghiurile de comandă la cârme

De multă vreme guvernarea nu numai a vehiculelor subacvatice ci în primul rând a navelor de suprafață se face cu ajutorul cârmelor. Folosirea acestora este și astăzi aproape universală, cu toate că în ultimii 30 – 40 de ani au apărut mai multe invenții care ar putea pune în discuție calitățile cârmelor ca organe de guvernare, dintre care putem aminti: guvernarea prin jet de apă, propulsorul Voith-Scheineder sau propulsorul cu aripioare, instalații de guvernare cu cârme active, etc. Trebuie menționat că, pentru guvernarea vehiculelor subacvatice mici și lente și a celor rapide se folosește aproape în exclusivitate cârma clasică.

La alegerea profilului acestor cârme se ține seama că aceste vehicule trebuie să fie foarte manevrabile și să aibă o bună stabilitate de drum. Profilul unui contur hidrodinamic al acestor cârme este determinat prin ordonatele secțiunilor (în procente din lungimea lui). Unul din cele mai utilizate profile este profilul hidrodinamic NACA (National Advisory Commitee for Aeronautics).

4.4.1 Elementele geometrice ale cârmelor cu profil hidrodinamic

Elementele geometrice caracteristice ale cârmelor cu profil hidrodinamic sunt prezentate în figura 4.3:

Fig. 4.3. – Elementele geometrice caracteristice cârmei

Unde:

l – lungimea medie a profilului;

h – înălțimea cârmei;

e – distanța de la extremitatea prova a cârmei până la centrul de presiune C, în care se aplică forța P;

d – distanța de la extremitatea prova a penei până la axul cârmei;

A – aria totală a cârmelor;

Ac – aria părții compensate a cârmei aflată spre prova axului;

s – grosimea maximă, determinată în funcție de diametrul elicei cu relația:

(4.29)

Profilul cârmei este caracterizat prin următoarele elemente:

– grosimea relativă a profilului, (4.30)

– poziția relativă a grosimii maxime a profilului (4.31)

Ambele valori sunt date în tabele în bibliografie […] funcție de tipul profilului. Spre exemplificare, pentru profilul NACA, .

Alungirea relativă a profilului este raportul dintre înălțimea cârmei și lungimea medie a profilului:

(4.32)

Unghiul de înclinare al cârmei β, este unghiul pe care îl face planul de simetrie al cârmei cu planul diametral al navei. Pentru o anumită valoare a acestui unghi se obține forța portantă maximă pe pana cârmei. De obicei acest unghi nu depășește 30° (pentru profilul NACA δ = 18 …..22,5°). Peste un anumit unghi de înclinare, scurgerea fluidului nu se mai face normal, firele de fluid desprinzându-se de pe fața de absorbție a penei și calitățile hidrodinamice ale cârmei se înrăutățesc. Aceste este numit unghi de bandă, sau unghi de înclinare critic βcr.

4.4.2 Forțe ce acționează asupra cârmelor

Se consideră o cârmă cu profilul hidrodinamic complet scufundată izolată de vehiculul subacvatic care se deplasează cu o anumită viteză v față de apă. Când această cârma, este înclinată cu un unghi δ , scurgerea apei pe cele două fețe ale cârmei se face cu viteze diferite și în consecință, se produc presiuni diferite. Din această cauză asupra cârmei va acționa o forță P, care este rezultanta presiunilor pe cele două fețe ale cârmei, forță care este aplicată în punctul C, numit centru de presiune (fig. 4.4).

Fig. 4.4 – Forțe ce acționează asupra penei cârmei

Forța P, poate fi descompusă în următoarele componente:

Py – portanța profilului;

Px – rezistența la înaintare a safranului;

Pn – componenta normală;

Pt – componenta tangențială.

Între aceste componente există relațiile:

(4.33)

(4.34)

(4.35)

Momentul de răsucire la axul cârmei este dat de relația:

(4.36)

iar momentul față de muchia de atac:

(4.37)

Calculul cârmelor cu profil hidrodinamic se bazează pe rezultatele încercărilor pe modele, prezentate în literatura de specialitate sub forma următorilor coeficienți hidrodinamici adimensionali:

coeficientul portanței: (4.38)

coeficientul rezistenței la înaintare: (4.39)

coeficientul momentului: (4.40)

unde: vr este viteza cu care jetul de apă se scurge pe cârmă iar ρ este densitatea apei.

Între coeficienții hidrodinamici adimensionali Cy, Cx și Cm, și coeficienții componentei normale Cn, al componentei tangențiale Ct și al rezultantei presiunilor Cp există următoarele relații:

(4.41)

; (4.42)

. (4.43)

Distanța e de la muchia de atac la centrul de presiune rezultă din relațiile:

(4.44)

de unde: (4.45)

Raportul este denumit coeficientul centrului de presiune, iar raportul reprezintă o altă caracteristică denumită calitate hidrodinamică a profilului.

Calculul forțelor care acționează asupra cârmelor se face cu ajutorul coeficienților hidrodinamici adimensionali, determinați din tabele, pentru un anumit profil, în funcție de unghiul δ.

4.5. Terminologia specifică utilizată pentru definirea variabilelor și coeficienților

Din analiza referințelor bibliografice, din domeniul studiului mișcării vehiculelor subacvatice a reieșit faptul că acestea conțin diferite simboluri pentru variabilele și constantele care intervin în ecuațiile de mișcare, ceea ce îngreunează înțelegerea fenomenelor și pot conduce la confuzii.

Elaborarea unui model matematic general pleacă de la premisa definirii corecte a termenilor utilizați. Având în vedere necesitatea utilizării metodelor de simulare numerică pentru studiul mișcării vehiculului subacvatic, terminologia utilizată va fi cea acceptată în domeniile conexe roboticii și a controlului mișcării spațiale.

Pentru generalizarea concluziilor obținute în studiul mișcării vehiculelor subacvatice, date fiind dimensiunile diverse ale acestora, în ecuațiile de mișcare se folosesc mărimi adimensionale, normalizate în raport cu lungimea vehiculului L.

Printre mărimile descrise în continuare se regăsesc coeficienți constanți care introduc efectele dinamice care apar, atât în regimul de deplasare pe orizontală, cât și cei care apar la modificarea imersiunii. Pentru vehiculele care au viteze de croazieră mari, coeficienții devin dependenți de numărul Reynolds, care ia în considerare trecerea de la regimul laminar la cel turbulent de curgere. Influența numărului Reynolds asupra diverșilor coeficienți este discutată în literatura de specialitate.

Variabile hidrodinamice de control ale sistemului și mărimile utilizate la definirea modelului hidrodinamic sunt prezentate în tab. 4.2.

Tabelul 4.2

Concluzii:

Vehiculul subacvatic rapid autonom are șase grade de libertate: trei dintre ele exprimând poziția vehiculului în spațiu (x, y, z), iar celelalte trei, orientarea acestuia față de axele sistemului de coordonate terestru (φ, θ, ψ).

Vectorul de stare include cele șase valori pentru poziție și orientare și șase valori pentru vitezele corespunzătoare, acesta putând descrie poziția și orientarea vehiculului în orice moment, t. Scopul rezolvării ecuațiilor de mișcare este determinarea vectorului de stare care definește poziția și orientarea vehiculului.

În comportarea dinamică a vehiculului intervin o mulțime de factori, a căror acțiune s-ar putea finaliza într-o funcționare oscilantă sau instabilă a acestuia, dacă algoritmii folosiți pentru controlul direcției, adâncimii sau vitezei nu iau în considerare multiplele posibilități de răspuns ale vehiculului subacvatic. Un model analitic corect trebuie să se bazeze pe legile mecanicii și trebuie să fie suficient de precis pentru efectuarea analizei și elaborarea unor algoritmi de control care să fie valabili pentru o gamă diversă de mișcări potențiale ale vehiculului.

Analiza detaliată a comportării dinamice a vehiculului nu poate fi făcută nici chiar pe baza tehnicilor de simulare actuale, deoarece nu există informații suficiente despre răspunsul real al vehiculelor supuse diverselor testări.

Mișcarea unui solid rigid liber este determinată complet dacă se cunosc, în orice moment, t, viteza și accelerația unui punct oarecare, P, în raport cu sistemul de referință, OX0Y0Z0 , presupus fix.

5. Liniarizarea ecuațiilor de mișcare ale vehiculului subacvatic

5.1 Puncte de echilibru în jurul cărora se face liniarizarea

Ecuațiile de mișcare liniare se obțin din liniarizarea ecuațiilor de mișcare neliniare

în jurul unui punct de echilibru astfel:

; (5.1)

;

η0 – reprezintă vectorul de poziție general al punctului în care se face liniarizarea;

vo – reprezintă vectorul viteză generală a punctului în care se face liniarizarea.

Perturbațiile de la traiectoria de referință v0(t) și η0(t) sunt prezentate sub formă de diferențe:

; ; (5.2)

În continuare vom introduce următoarele notații vectoriale:

; (5.3)

Liniarizarea ecuației de mișcare prezintă forma:

(5.4)

Efectele perturbațiilor (5.2) au forma:

(5.5)

Substituind în expresia (5.5), rezultă:

(5.6)

Cum termenii de ordin secund se pot neglija (), relația (5.6) devine:

(5.7)

Rearanjând ultimul termen al relației (5.5), avem relația:

(5.8)

Având în vedere cele prezentate până acum, în continuare putem obține ecuațiile de mișcare ale vehiculului liniarizate.

5.2 Ecuațiile liniare de mișcare ale vehiculului subacvatic

Definind: și (5.9)

obținem următorul model liniar:

(5.10)

unde:

; ; ; (5.11)

; .

Definind vectorii

și (5.12)

și introducându-i în (5.11) vom obține modelul în spațiul stărilor:

(5.13)

Această relație se poate scrie sub formă abreviată:

(5.14)

În sistemul descris de ecuația 5.14 mărimea de intrare u este un vector de 6 elemente ce reprezintă forțele și momentele însumate determinate de: unghiurile de comandă la cârme și de forțele și momentele exterioare (de exemplu propulsorul).

Vectorul de comandă δ, este format din unghiurile celor 4 cârme amplasate la pupa vehiculului conform fig.6.1., și forțele și momentele exterioare.

Relația dintre forțe și momentele exterioare u1 și unghiurile de comandă δ se poate scrie vectorial sub forma:

(5.15)

în care , se determină conform datelor teoretice prezentate în cap……

Rescriem relația 5.14, folosind relația 5.15, rezultând:

(3.16)

în care , vectorul format de cele 4 unghiuri la cârme și

Pentru simplificarea modelului liniarizat vom considera că vehiculul se mișcă cu viteze nenule, u0 și w0 pe direcțiile Ox și respectiv Oz.

Mai departe, stările vitezelor liniare și unghiulare devin: v0=p0=q0=r0=0 și vom defini ca „punct” de echilibru starea pentru care unghiurile de rotație în jurul axei longitudinale și în jurul axei transversale sunt zero, . Rezultă de aici, că matricile modelului (5.16) se simplifică fiind constante, și ajung de forma:

(5.17)

Dacă vom considera că ψ0=constant și că , matricea de transformare J va avea forma:

; (5.18)

având în vedere faptul că, J*=0.

Rezultă de aici că modelul liniarizat (5.15, 5.16) poate fi scris sub forma:

(5.19)

sau:

(5.20)

unde: A și B sunt matrice constante.

Se remarcă că matricea C din (5.17) va fi zero dacă iar ceea corespunde unei realități fizice.

6. SINTEZA UNOR SISTEME NOI DE CONTROL PENTRU VEHICULELE SUBACVATICE AUTONOME

Controlul vitezei, direcției și adâncimii pentru vehiculul cu 6 grade de libertate se poate face decuplat, mărimile controlate fiind, după caz, astfel:

viteza u(t), componenta vectorului vitezei v (din tabelul 4.2);

mărimile pentru controlul direcției v, r, ψ (cu semnificația fizică din tabelul 4.2);

mărimile pentru controlul adâncimii z, θ, u, w, q (cu semnificația din tabelul 4.2).

Configurațiile de mai sus sugerează că cele 3 subsisteme pot fi controlate prin intermediul unei elici ce se rotește cu viteza n(t), sau o serie de cârme dispuse corespunzător cu unghiuri de rotație δ. Mai pot fi folosite și alte elemente de comandă cum ar fi bow-thrustere (elici dispuse în lateral) pentru controlul direcției. Ne vom axa pe soluția cârmelor dispuse în pupa navei simetric, în număr de 4 conform figurii 6.1.

6.1 Structura constructivă a vehiculului subacvatic utilizat în studiu

Pentru studiul modelului neliniar al vehiculului subacvatic am luat ca referință vehiculul subacvatic prezentat în figura 6.1. cu datele numerice prezentate mai jos:

m=1444 kg; zG=0.061 m; yG=0 m; xG=0 m; xB=0 m; zB=0 m; yB=0 m;

Ix=2038 kgm2; Ixy=-13.58 kgm2; Izx=-13.58 kgm2; Ixz=Izx kgm2; Iy=13587 kgm2;

Iz=13587 kgm2; Iyz=-13.58 kgm2;

W=53.4e3 N; B=53.4e3 N.

Coeficienții hidrodinamici caracteristici corpului sunt:

Xup = -55.7000; Xvp = 0; Xwp = 0; Xpp =0; Xqp = -164.6160; Xrp = 0.

Yvp =-1460; Ywp =0; Ypp =164.6160; Yqp =0; Yrp =2629; Ywp =0.

Zwp =-1460; Zpp = 0; Zqp =-2629; Zrp = 0.

Kpp =1.8118e+003; Kqp =13.5800; Krp =13.5800; Mqp =7390.

Mrp =13.5800.

Nrp =7408.

Semnificația fizică a acestora este prezentată în tabelul 4.2.

6.2 Simularea numerică a sistemului neliniar în buclă deschisă

Pentru simularea modelului neliniar, am folosit o variantă constructivă pentru un vehicul subacvatic cu 8 cârme prezentat în [8] și adaptat modului de comandă al vehiculelor subacvatice rapide autonome, prin utilizarea doar a celor 4 cârme din pupa vehiculului numerotate ca în figura 6.1. Utilizând Mathlab Simulink 7.01, pentru simulare, am considerat perturbațiile exterioare datorită curenților marini ca fiind nule, unghiurile la cârme sunt de asemenea nule (fiind buclă deschisă, nu sunt controlate) iar vehiculul este acționat de o forță de împingere doar pe axa Ox de 10 000 N, conform figurii 6.2.

Fig.6.1. Vehiculul subacvatic cu suprafețele de comandă1, 2, 3 și 4

Simulând sistemul rezultă următoarele:

– în figura 6.3 este prezentată variația stării z (adâncimea) în timp;

Fig.6.3 – Variația adâncimii (z) modelului în buclă deschisă

– în figura 6.4 sunt prezentate variațiile componentelor vectorului viteză u și v;

– în figura 6.5 este prezentată traiectoria în plan orizontal a vehiculului neliniar în buclă deschisă.

Studiind graficele prezentate în figurile 6.3, 6.4 și 6.5, se poate concluziona că partea fixată a sistemului, respectiv corpul vehiculului are un comportament dinamic instabil pe traiectorie atât în plan orizontal cât și în plan vertical, în condițiile în care perturbațiile și unghiurile la cârme au fost considerate nule, menținându-se constantă numai forța de împingere pe orizontală dată de sistemul de propulsie (elice)

Ținând seama de misiunile specifice unui vehicul subacvatic autonom, este necesară sintetizarea unor regulatoare pentru reglarea și menținerea adâncimii cât și pentru urmărirea unei direcții sau a unei traiectorii în planul orizontal.

6.3 Modelul numeric al sistemului liniarizat

Modelul liniarizat teoretic

va fi aplicat pentru diferite „puncte” de funcționare și conform datelor specifice pentru vehiculul subacvatic studiat, prezentate la pct 6.1. Punctele de funcționare în jurul cărora vom liniariza sistemul sunt caracteristice tipului de vehicul a cărui coeficienți hidrodinamici sunt disponibili.

Am ales trei puncte de funcționare în jurul cărora vom liniariza sistemul, astfel:

a. Punctul 1 de funcționare caracterizat prin:

viteza nominală de înaintare 3 m/s;

forța de împingere nominală la elici de 416 N;

adâncime nominală de croazieră alese de 4 m.

Modelul liniarizat în jurul punctului:

()

cu intrările:

()

Cu coeficienții prezentați la pct 2.8 și cu valorile de mai sus, modelul devine:

(6.1)

Sistemul liniarizat are valorile proprii corespunzătoare stărilor astfel: 0, 0, 0, 0, -4.6172, 0.3433+0.3317i, 0.3433-0.3317i, -0.1852, -10.8441, -4.6767, -1.2046, 0.7625.

b. Punctul 2 de funcționare caracterizat prin:

viteza nominală de înaintare 4 m/s;

forța de împingere nominală la elici de 1000 N;

adâncime nominală de croazieră alese de 4 m.

Modelul liniarizat în jurul punctului:

() (6.2)

cu intrările:

() (6.3)

Cu coeficienții prezentați la pct 2.8 și cu valorile de mai sus, modelul devine:

(6.4)

Sistemul liniarizat are valorile proprii corespunzătoare stărilor astfel: 0, 0, 0, 0, -6.2027, 0.5533, 0.4087, -0.247, -15.2034, -6.236, 1.0156, -0.8601.

c. Punctul 3 de funcționare caracterizat prin:

viteza nominală de înaintare 5 m/s;

forța de împingere nominală la elici de 2000 N;

adâncime nominală de croazieră alese de 4 m.

Modelul liniarizat în jurul punctului:

()

cu intrările:

(6.5)

() (6.6)

Cu coeficienții prezentați la pct 2.8 și cu valorile de mai sus, modelul devine:

(6.7)

Sistemul liniarizat are valorile proprii corespunzătoare stărilor astfel: 0, 0, 0, 0, -7.7802, 1.0053, 0.2242, -0.3087, -19.4037, 1.2685, -0.6744, -7.7950.

Modelul liniarizat în jurul altor nivele de adâncime are aceeași formă deoarece adâncimea nu intervine în dinamica sistemului (vehiculul subacvatic se comportă la fel indiferent de adâncime).

Se observă că sunt 7 moduri instabile, așa cum s-a observat la simularea modelului neliniar în buclă deschisă (pct. 6.5).

Reglarea adâncimii și direcției în plan orizontal

Din cerințele tehnice constructive se impun diferite adâncimi prestabilite de croazieră a vehiculului subacvatic autonom.

Sistemul de ecuații necesar pentru reglarea adâncimii se reduce la:

(6.8)

unde:

(6.9)

(6.10)

6.4 Sinteza unui regulator optimal

Se va sintetiza un regulator optimal cu reacție după stările sistemului. Schema bloc de reglare este prezentată în figura 6.6:

unde:

x – stări sistem

xref – comanda

w – perturbații

Sistemul în buclă închisă este descris de ecuația:

(6.11)

Având astfel K, comanda u este:

(6.12)

Alegem următoarele ponderi:

, (6.13)

Având în vedere modelele reduse prezentate la punctele 6.3 a, 6.3 b, 6.3 c, rezultă:

a. Aplicând algoritmul pentru modelul de la punctul 6.3 a, rezultă regulatorul K de forma:

(6.14)

(6.15)

b. Aplicând algoritmul pentru modelul de la punctul 6.3 b, rezultă regulatorul K de forma:

(6.16)

(6.17)

c.Aplicând algoritmul pentru modelul de la punctul 6.3 b, rezultă regulatorul K de forma:

(6.18)

(6.19)

Pentru validarea regulatorului vom folosi modelul neliniar (pct. 6.1), în care vom introduce și modelul actuatorului (sistemul de acționare al cârmei).

Pentru creșterea realismului simulării, am inclus în modelul pentru simulare un actuator cu întârziere, cu limitare a poziției și a ratei acesteia. Comanda la cârme se poate da atât liniar cât și tripozițional prin introducerea unui modulator în cadrul modelulului actuatorului.

Unghiul maxim la cârmă este 300 iar în cazul tripozițional comanda maximă se dă la depășirea valorii de prag de 150. Pe calea de reacție negativă, semnalul este măsurat, condițiile inițiale sunt extrase și doar variabilele măsurate sunt selectate.

7. Simularea sistemului de reglare a adâncimii și direcției în plan orizontal pentru modelul neliniar

Pentru simularea regulatorului optimal aplicat modelului neliniar a fost realizat un model în Simulink, conform fig.7.1:

Cazul I :

Adâncime inițială 4 metri, unghi direcție plan orizontal 0 radiani, viteză inițială 3 m/s, comanda adâncime 7 metri, unghi comandă direcție plan orizontal 0.5236 rad (300) la secunda 10. Sistemul este supus perturbațiilor exterioare datorate curenților marini pe toate direcțiile.

Se prezintă mai jos simulările realizate pentru comanda liniară:

Fig. 7.2 Adâncime vehicul subacvatic și comanda adâncimii

Fig. 7.3 Unghi vehicul subacvatic și comanda vehiculului subacvatic

Fig. 7.4 Traiectorie plan orizontal

Fig. 7.5 Comenzi cârme 1 și 3 pentru vehiculul subacvatic

Fig. 7.6 Comenzi cârme 2 și 4 pentru vehiculul subacvatic

În continuare se va prezenta cazul reglării tripoziționale:

Fig. 7.7 Adâncime vehicul subacvatic și comanda adâncimii acestuia

Fig 7.8 Unghi vehicul subacvatic și comanda vehiculului subacvatic

Fig 7.9 Traiectoria în plan orizontal a vehiculului subacvatic

Fig. 7.10 Comenzi cârme 1 și 3 pentru vehiculul subacvatic

Fig. 7.11 Comenzi cârme 2 și 4 pentru vehiculul subacvatic

Cazul II :

Adâncime inițială 4 metri, unghi direcție plan orizontal 0 radiani, viteză inițială 4 m/s, comanda adâncime 7 metri, unghi comandă direcție plan orizontal 0.5236 rad (300) la secunda 10. Sistemul este supus perturbațiilor exterioare datorate curenților marini pe toate direcțiile.

În continuare se prezintă varianta reglării liniare:

Fig. 7.12 Adâncime vehicul subacvatic și comanda adâncimii acestuia

Fig. 7.13 Unghi vehicul subacvatic și comanda vehiculului subacvatic

Fig. 7.14 Traiectoria în plan orizontal a vehiculului subacvatic

Fig. 7.15 Comenzi cârme 1 și 3 pentru vehiculul subacvatic

Fig. 7.16 Comenzi cârme 2 și 4 pentru vehiculul subacvatic

În continuare se prezintă varianta reglării tripoziționale:

Fig. 7.17 Adâncime vehicul subacvatic și comanda adâncimii acestuia

Fig. 7.18 Unghi vehicul subacvatic și comanda vehiculului subacvatic

Fig. 7.19 Traiectoria în plan orizontal a vehiculului subacvatic

Fig. 7.20 Comenzi cârme 1 și 3 pentru vehiculul subacvatic

Fig. 7.21 Comenzi cârme 2 și 4 pentru vehiculul subacvatic

Cazul III :

Adâncime inițială 4 metri, unghi direcție plan orizontal 0 radiani, viteză inițială 5 m/s, comanda adâncime 7 metri, unghi comandă direcție plan orizontal 0.5236 rad (300) la secunda 10. Sistemul este supus perturbațiilor exterioare datorate curenților marini pe toate direcțiile.

În continuare se prezintă cazul reglării liniare:

Fig. 7.22 Adâncime vehicul subacvatic și comanda adâncimii acestuia

Fig. 7.23 Unghi vehicul subacvatic și comanda vehiculului subacvatic

Fig. 7.24 Traiectoria în plan orizontal a vehiculului subacvatic

Fig. 7.25 Comenzi cârme 1 și 3 pentru vehiculul subacvatic

Fig. 7.26 Comenzi cârme 2 și 4 pentru vehiculul subacvatic

În continuare se va prezenta cazul reglării tripoziționale:

Fig. 7.27 Adâncime vehicul subacvatic și comanda adâncimii

Fig. 7.28 Unghi vehicul subacvatic și comanda vehiculului subacvatic

Fig. 7.29 Traiectoria în plan orizontal a vehiculului subacvatic

Fig. 7.30 Comenzi cârme 1 și 3 pentru vehiculul subacvatic

Fig. 7.31 Comenzi cârme 2 și 4 pentru vehiculul subacvatic

Concluzii:

Din simulările prezentate în figurile anterioare se remarcă faptul că varianta reglării liniare este superioară reglării tripoziționale. Performanțele sistemului sunt net superioare variantei reglării tripoziționale. Din punct de vedere tehnologic, varianta reglării tripoziționale este mai simplă de implementat, iar răspunsul sistemului se află în limite normale.

Implementarea ei necesită elemente de execuție în bucla de reglare de tipul distribuitoarelor pneumatice sau hidraulice pentru comanda cârmelor orizontale sau verticale de tip „tot – nimic”.

În urma progreselor tehnologice care au permis realizarea servovalvulelor și distribuitoarelor proporționale s-a creat posibilitatea implementării legilor de reglare continue cu performanțe superioare în regim tranzitoriu și mai ales în regim staționar, ceea ce conduce pentru cazul de față la precizie în conducerea vehiculului în direcție și imersiune și mai ales stabilitate la factorii perturbatori ai mediului extern (ex. curenți).

Avantajele tehnice ale aparatelor proporționale constau în primul rând în transferurile de comenzi controlate, comanda fără trepte a valorilor nominale.

8. CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

8.1 CONCLUZII

Din analiza efectuată asupra problematicii conducerii vehiculelor subacvatice rapide autonome pot fi rezumate următoarele aspecte tehnice de sinteză, ce au constituit modalitățile ulterioare de abordare teoretică a modelului vehiculului subacvatic:

vehiculele subacvatice rapide autonome existente în exploatarea curentă prezintă următoarele aspecte:

utilizează sisteme de reglare bazate pe echipamente electromecanice;

pe ansamblu, conducerea se face numai independent pe subsisteme, respectiv numai la nivelul 1, neexistând o structură de reglare pe ansamblul subsistemelor de nivel 2;

conducerea în plan orizontal și vertical se face prin reglări tripoziționale ce prezintă abateri în regim staționar;

în literatura de specialitate aflată la dispoziție nu este abordată sistemic problematica conducerii acestor vehicule subacvatice rapide autonome (modelare – simulare – sinteză);

pentru vehiculele subacvatice rapide autonome de construcție modernă aflate în exploatare în cadrul forțelor navale străine, nu sunt prezentate și deci accesibile informații tehnice, soluții și performanțe referitoare la conducerea acestora pe traiectorie; este deci utilă într-o primă etapă analiza comportării dinamice ale vehiculelor subacvatice rapide autonome de construcție clasică pentru care există date tehnice care să conducă la o modelare și simulare pe subsisteme și pe ansamblu care să reproducă performanțele cunoscute ale conducerii pe traiectorie.

Dinamica vehiculelor subacvatice poate fi considerată complexă și dificil de modelat, în principal, datorită dificultăților de observare și de măsurare a răspunsului hidrodinamic al acestora. Efectele forțelor și momentelor pe direcțiile verticale, laterale și orizontale pot fi cuplate ceea ce conduce la complicații în rezolvarea ecuațiilor de mișcare.

Există peste 100 de coeficienți și variabile legate de efectele liniare și neliniare ale rezistenței la înaintare, mase aderente etc. care apar în ecuațiile de mișcare ale vehiculului subacvatic rapid autonom. Deși un număr din acești coeficienți sunt de ordinul 2 sau au valoare neglijabilă, determinarea coeficienților mai importanți este dificilă și implică experimente scumpe. De aceea mișcarea vehiculului în mediul acvatic este, până la urmă, rezultatul controlului pe care acesta reușește să îl mențină asupra forțelor și momentelor complexe care apar în funcționarea sa.

În cazul funcționării reale, forțele pot fi estimate în aceeași manieră, în timp ce vitezele și accelerațiile pot (sau nu) fi disponibile ca date de ieșire ale aparatelor de navigație inerțială sau a celor de determinare a vitezei. În ambele cazuri estimarea corectă a schimbărilor de viteză a vehiculului constituie o cerință preliminară pentru determinarea vitezei, a poziției și a orientării acestuia prin integrare cumulativă în timp. Estimarea corectă a modificărilor vitezei vehiculului pe perioade scurte de timp constituie o cerință de bază pentru modelarea dinamică corectă a mișcării sale.

Mișcarea unui vehicul subacvatic autonom se studiază pe baza ecuațiilor de mișcare, ale unui solid rigid cu 6 grade de libertate, rezultând un model analogic neliniar cu 3 ecuații pentru mișcările de translație și 3 ecuații pentru mișcarea de rotație.

Terminologia utilizată în modelul analogic este cea actuală din domeniul roboticii și a controlului mișcărilor spațiale, folosindu-se mărimi adimensionale normalizate în raport cu lungimea L a vehiculului.

Ecuațiile de mișcare se exprimă în raport cu sistemul de coordonate legat de vehicul în vederea utilizării mărimilor de comandă și în raport cu sistemul de referință fix, legat de pământ pentru introducerea mărimilor de stare.

Exprimarea ecuațiilor de mișcare în raport cu sistemul de referință fix se face prin aplicarea transformărilor cinematice aferente ecuațiilor de mișcare legate de vehicul în vederea evidențierii mișcării vehicululi subacvatic față de pământ.

Un model analogic neliniar simplificat, se poate obține din cel general în condițiile în care în baza funcțiilor cerute vehiculului subacvatic, interesează în principal numai mișcarea fie numai mișcarea în plan vertical sau mișcarea în plan orizontal. În aceste două cazuri uzuale, liniarizarea modelului și sinteza parametrilor de reglare (alegerea regulatorului) este mult simplificată.

Problematica sintezei unui sistem de comandă pentru un vehicul subacvatic, sistem validat prin simulări pe modelul numeric al sistemului, necesită cunoașterea cât mai precisă a modelului analogic ce înglobează coeficienții hidrodinamici ai corpului, determinați în general prin încercări la bazin. Suplimentar problema capătă aspecte particulare ce nu țin de aspectul conducerii vehiculului ci de calitățile hidrodinamice intrinseci ai corpului stabiliți de către specialiștii navali, calități adaptate misiunilor specifice cerute. Așadar, pentru studiul comportamentului dinamic am luat ca model de referință vehiculul subacvatic din [5] pentru care dispunem de valorile coeficienților hidrodinamici,

Pentru facilitarea sintezei unui regulator este necesară linirizarea modelului în jurul unor puncte statice de funcționare. S-a obținut astfel un model liniarizat în forma clasică din spațiul stărilor cu vectorul de comandă format din 10 elemente corespunzătoare celor 4 unghiuri ale cârmelor verticale și orizontale accesibile comenzilor fizice și forțelor și momentelor externe corespunzătoare perturbațiilor. Din acest model rezultă și vectorul de stare cu cele 12 elemente a căror cunoaștere permite aprecierea detaliată a comportării dinamice.

Simularea dinamicii sistemului liniarizat, simplificat pentru comanda adâncimii, și a direcției a părții fixate, indică ca și la simularea modelului analogic neliniar instabilitatea vehiculului subacvatic.

8.2 Contribuții personale

Contribuțiile personale pot fi sintetizate astfel:

1. Am preluat și sistematizat informațiile din literatura de specialitate, referitoare la vehiculele subacvatice autonome de mare viteză, prezentând detaliat sistemele de control din dotarea actuală.

4. În capitolul 5 am liniarizat numeric modelul neliniar cu 12 stări al vehiculului subacvatic analizat, pentru 3 puncte staționare uzuale domeniului de viteze.

5. În subcapitolul 6.4 am sintetizat un regulator optimal.

6. În capitolul 7 am simulat sistemul de reglare a adâncimii și direcției în plan orizontal pentru modelul neliniar.

7. Validarea prin simulare pe modelul neliniar al vehiculului subacvatic a regulatorului optimal pentru adâncime și direcție.

9. Bibliografie

Alt, Ch. von, Autonomous Underwater Vehicles, Prepared for the Autonomous Underwater Lagrangian Platforms and Sensors Workshop, 2003.

Burlacu P., Bucur C., Alexa M:, „Movement Analysis of the Rapid Autonomous Underwater Vehicle”, Proceedings of IEEE-TTTC International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics,, 23 – 25 Mai, Cluj-Napoca, vol. I, ISBN 973-9357-10-3, pg.7-14, 2002

Burlacu P., Bucur C., Alexa Mihai, „Simulation of underwater vehicle dynamics”, Proceedings of IEEE-TTTC International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics,, 13 – 15 Mai, Cluj-Napoca, vol. I, ISBN 973-713-046-4, pg.505, 2004.

Burlacu. P., Aspecte semnificative și interpretări ale simulărilor legate de sistemele de control automat în tehnica armamentului naval, Referat nr.3 doctorat, Universitatea Tehnică Cluj Napoca, 2005

Campa, G., Inocenti, M. și Nasuti, F., Model of Underwater Vehicle, University of Pisa, 1999.

Cornel, M., Micu, M., Georgescu, Șt., Broască, R. – „Torpila Sting Ray mod 0”, Constanța, 2006.

Luque, J.C. și Donha, D., „Two dof robust controller for a six dof Underwater Autonomous Vehicle”, Symposium Series in Mechatronics – Vol. 3, ABCM, 2008.

Tărăbuță, O., Micu, M., Ichimoaei, Gh., Gherghina, A., Burlacu, P. – „Manualul pentru instrucție al torpilorului”, Constanța, 2004.

Voinea, R., Voiculescu, D., Simion, F., Introducere în mecanica solidului cu aplicații în inginerie, Ed. Academiei, București, 1989.