Подкильный обтекатель антенны судовой гидроакустической станции
Владельцы патента RU 2685743:
Павлов Геннадий Алексеевич (RU)
Подкильный обтекатель (ПО) антенны судовой гидроакустической станции (ГАС) выполнен в виде хорошо обтекаемого тела с наружной оболочкой, подкрепленной поперечной переборкой, отделяющей носовой приборный отсек ПО со звукопрозрачной оболочкой от расположенного кормовее его "сухого отсека" с незвукопрозрачной оболочкой, и снабжен по всей своей длине килевой продольной балкой, проходящей через поперечную переборку и консольно выступающей в нижнюю часть приборного отсека ПО. Трехслойная звукопрозрачная оболочка (ТЗО) приборного отсека ПО выполнена из полимерного композиционного материала (ПКМ), включающего несущие слои из высокопрочного армированного пластика и расположенный между ними средний слой, выполненный из синтактного пенопласта (СП), усиленного расположенными эквидистантно наружным поверхностям ТЗО слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, чередующимися со слоями пластика, армированного тканью объемного плетения. В качестве ткани объемного плетения, армирующей слои пластика, усиливающего СП среднего слоя его ТЗО, используется способное к растяжению трикотажное ластичное полотно. Для армирования слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, могут быть использованы как плоско растянутая, так и пространственно растянутая ткани объемного плетения. В качестве слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя его ТЗО, армированных пространственно растянутой тканью объемного плетения, могут быть использованы слои пластика, выполненные в виде непрерывного пространственного полотнища, снабженного направленными в одну сторону стаканообразными высадками, боковые поверхности которых имеют форму трубчатых оболочек с осями, направленными нормально к наружной поверхности пространственного полотнища, образованной его участками, расположенными между упомянутыми стаканообразными высадками. Участки наружного и внутреннего несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, образующие внешний профиль килевой трапецеидальной балки, охватывают собой один или несколько ориентированных вдоль продольной оси ПО и примыкающих друг к другу своими боковыми поверхностями пенопластовых оформителей, обформованных, каждый, поперек пластиком, армированным тканью плоского плетения. При этом между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой балки и примыкающими к ним участками соответственно внутреннего и(или) наружного несущих слоев приборного отсека ПО расположены дополнительные слои пластика, армированные однонаправленным, в направлении продольной оси килевой балки, высокопрочным и(или) высокомодульным армирующим материалом. 13 з.п. ф-лы, 15 ил.
Сокращения, принятые в тексте описания изобретения:
ПО - подкильный обтекатель;
ГАС - гидроакустическая станция;
ПКМ - полимерный композиционный материал;
СП - синтактный пенопласт;
ТЗО - трехслойная звукопрозрачная оболочка;
ДП - диаметральная плоскость;
НО - нейтральная ось
Изобретение относится к судостроению, в частности, к вопросам конструирования подкильных обтекателей (ПО) антенных устройств судовых гидроакустических станций (ГАС).
Известен ПО антенны судовой ГАС, включающий приборный отсек с расположенной в нем антенной ГАС и наружной обшивкой, подкрепленной набором ребер жесткости [1].
Недостаток этого ПО в том, что подкрепляющие наружную обшивку его приборного отсека ребра жесткости вызывают рассеяние энергии звуковой волны, проходящей через наружную обшивку ПО, что приводит к снижению дальности и точности пеленгования.
С целью снижения величины эффекта рассеяния звуковой волны на некоторых судах применяются ПО, обшивка приборного отсека которых, выполненная из металла с повышенной удельной прочностью (например, из титана) подкреплена "ажурным" ферменным набором [2], [3].
Такое техническое решение, благодаря уменьшению поверхностной плотности наружной обшивки звукопрозрачной части ПО и поперечных размеров элементов подкрепляющего ее набора, позволяет существенно повысить дальность и точность пеленгования. Однако, оно характеризуется относительно низкой технологичностью и относительно высокой стоимостью при реализации.
Известен ПО антенны судовой ГАС с безнаборной звукопрозрачной оболочкой приборного отсека, подкрепленной всего лишь поперечной переборкой, отделяющей приборный отсек от расположенного кормовее "сухого" отсека с незвукопрозрачной наружной обшивкой, подкрепленной, в свою очередь, поперечным набором и килевой балкой [4].
Полное отсутствие ребер жесткости на звукопрозрачной оболочке приборного отсека данного ПО способствует повышению эффективности судовой ГАС. Однако, неподкрепленная набором ребер жесткости звукопрозрачная оболочка приборного отсека ПО быстроходного судна должна иметь достаточно большую толщину, чтобы успешно противостоять высоким внешним нагрузкам, воздействующим на ПО в процессе эксплуатации судна. Это существенно увеличивает массу и стоимость ПО. Данное обстоятельство усугубляется, если антенна ГАС размещена в носовом бульбе корпуса быстроходного судна, который в процессе своего движения "на волнении" испытывает очень высокие внешние нагрузки, вследствие "слеминга".
Известен ПО антенны ГАС судна, конструкция которого позволяет обеспечить необходимую прочность и жесткость безнаборной звукопрозрачной оболочки ПО антенны судовой ГАС, расположенной в носовом бульбе корпуса судна. В соответствии с изобретением [5] звукопрозрачную оболочку обтекателя выполняют в виде стеклопластиковой вставки, охватывающей антенну ГАС в горизонтальной плоскости спереди и с обоих бортов, вплоть до поперечной переборки, расположенной сзади антенны. Снизу и сверху звукопрозрачная вставка опирается на прочные металлические конструкции корпуса судна, соединенные между собой, с помощью двух съемных пиллерсов, проходящих через антенное устройство.
Такая конструкция ПО позволяет в значительной степени изолировать его звукопрозрачную оболочку от высоких вертикальных усилий, воздействующих на носовую часть корпуса быстроходного судна в результате "слеминга", замкнув их на конструкции прочного металлического корпуса. Благодаря этому толщина звукопрозрачной стеклопластиковой вставки может быть назначена, исходя лишь из условия обеспечения ее прочности и жесткости под действием, гораздо меньших по величине, горизонтальных гидродинамических сил, создаваемых набегающим потоком воды и статическим давлением воды, находящейся внутри ПО. Это способствует достижению относительно высокой звукопрозрачности оболочки ПО, несмотря на высокие внешние нагрузки, воздействующие на него в процессе эксплуатации судна.
К недостатку данного ПО можно отнести лишь то, что его конструкция накладывает дополнительные требования на конструкцию антенного устройства ГАС, с точки зрения прохождения сквозь него прочных связей корпуса судна. А также то, что при монтаже и демонтаже антенного устройства, например, в процессе его ремонта, необходимо то же самое делать и с упомянутыми выше связями прочного корпуса судна.
В качестве наиболее близкого аналога к предлагаемому, принят ПО антенны судовой ГАС, выполненный в виде хорошо обтекаемого тела с наружной оболочкой, подкрепленной поперечной переборкой, отделяющей носовой приборный отсек ПО со звукопрозрачной оболочкой от расположенного кормовее его "сухого" отсека с незвукопрозрачной оболочкой. "Сухой" отсек снабжен по всей своей длине килевой балкой, проходящей через поперечную переборку и консольно выступающей в нижнюю часть приборного отсека. При этом килевая коробчатая балка имеет переменное поперечное сечение, а боковые стенки ее участка, расположенного в пределах приборного отсека, выполнены, параллельными плоскостям, ограничивающим рабочую зону антенны ГАС [6].
Преимущество данного ПО над другими аналогичными конструкциями в том, что нижний участок оболочки его приборного отсека, расположенный вне пределов рабочей зоны антенны ГАС, использован для размещения килевой коробчатой балки, подкрепляющей безнаборную звукопрозрачную оболочку ПО. Это позволяет уменьшить ее толщину и за счет этого повысить звукопрозрачность и снизить массу ПО.
Целью изобретения является дальнейшее повышение акустических характеристик и снижение массы ПО судовой ГАС, как в варианте его расположения под днищем средней части корпуса судна, так и в носовом бульбе.
Указанная цель достигается тем, что в конструкцию ПО антенны судовой ГАС, выполненного в виде хорошо обтекаемого тела с наружной оболочкой, подкрепленной поперечной переборкой, отделяющей носовой приборный отсек ПО со звукопрозрачной оболочкой от расположенного кормовее его сухого отсека с незвукопрозрачной оболочкой, снабженного по всей своей длине килевой балкой, проходящей через поперечную переборку и консольно выступающей в нижнюю часть приборного отсека, внесено изменение, заключающееся в том, что:
- звукопрозрачная оболочка приборного отсека ПО выполнена из полимерного композиционного материала (ПКМ) трехслойной конструкции с несущими слоями из высокопрочного армированного пластика и расположенным между ними средним слоем пониженной прочности, выполненным из синтактного пенопласта (СП), усиленного расположенными эквидистантно наружным поверхностям трехслойной звукопрозрачной оболочки (ТЗО) ПО слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, чередующимися со слоями пластика, армированного тканью объемного плетения.
При этом:
- в качестве ткани объемного плетения, армирующей слои пластика, усиливающего СП среднего слоя ТЗО обтекателя, используется способное к растяжению трикотажное ластичное полотно, микроструктура которого представляет собой систему переплетенных между собой незамкнутых упругих колец из непрерывной нити или жгута, плоскости которых направлены, по отношению к поверхности полотна, под углом, и которые соединены между собой, в местах своего незамыкания, участками нити или жгута, направленными поперек, по отношению к плоскостям их незамкнутых упругих колец;
- в качестве слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных тканью объемного плетения, используются слои пластика, армированные плоско растянутой тканью объемного плетения;
- количество одинаковых, по толщине, слоев СП, усиленных пластиком, армированным плоско растянутой тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, по мере приближения к нейтральной оси поперечного сечения ТЗО, постепенно увеличивается;
- в качестве слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных тканью объемного плетения, используются слои пластика, армированные пространственно растянутой тканью объемного плетения;
- в качестве слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных пространственно растянутой тканью объемного плетения, используются слои пластика, выполненные в виде непрерывного пространственного полотнища, снабженного направленными в одну сторону стаканообразными высадками, боковые поверхности которых имеют форму трубчатых оболочек с осями, направленными нормально к наружной поверхности пространственного полотнища, образованной его участками, расположенными между упомянутыми стаканообразными высадками;
- соотношение между диаметром (d) круглых, в плане, стаканообразных высадок пространственного полотнища слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных тканью объемного плетения, и расстоянием (a) между осями соседних стаканообразных высадок, при их гексагональной упаковке в плане, выбрано из условия:
- высота (h) стаканообразных высадок пространственного полотнища слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, по мере приближения к нейтральной оси поперечного сечения ТЗО, постепенно увеличивается;
- наружная оболочка, расположенного в пределах приборного отсека участка килевой балки с трапецеидальным поперечным сечением, образована продолжениями наружного и внутреннего несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО;
- участки наружного и внутреннего несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, охватывают собой один или несколько ориентированных вдоль продольной оси ПО и примыкающих друг к другу своими боковыми поверхностями пенопластовых оформителей, обформованных, каждый, поперек пластиком, армированным тканью плоского плетения;
- между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой балки и примыкающими к ним участками, соответственно, внутреннего и(или) наружного несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО расположены дополнительные слои пластика, армированные однонаправленным, в направлении продольной оси килевой балки, высокопрочным и(или) высокомодульным армирующим материалом;
- в качестве ткани плоского плетения, армирующей слои пластика, усиливающего СП среднего слоя ТЗО приборного отсека ПО, используется та же ткань, что и для армирования пластика ее несущих слоев;
- пластики несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, слои пластика, усиливающего СП ее среднего слоя, армированные тканью плоского плетения, а также дополнительные слои пластика, расположенные между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой трапецеидальной, в поперечном сечении, балки и примыкающими к ним участками, соответственно, внутреннего и(или) наружного несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, выполнены на основе армирующей ткани из углеродных волокон; слои пластика, усиливающего СП среднего слоя ТЗО, армированные тканью объемного плетения, выполнены на основе армирующей ткани из стеклянных волокон; а в качестве наполнителя СП среднего слоя ТЗО ПО используются полые стеклянные микросферы.
Применение СП, представляющего собой ПКМ на основе отвергающегося связующего, наполненного полыми микросферами, в качестве среднего слоя ТЗО ПО является оптимальным с точки зрения удачного сочетания его физико-механических, акустических и технологических свойств.
Благодаря усилению СП среднего слоя ТЗО ПО расположенными эквидистантно ее наружным поверхностям слоями пластика, армированными тканью плоского плетения, чередующимися со слоями пластика, армированного тканью объемного плетения, обеспечивается повышение механических характеристик ПКМ среднего слоя ТЗО, снижение ее массы, а также повышение ее технологичности, способствующей более точному соблюдению заданной акустическим расчетом толщины ее среднего слоя, а, следовательно, и общей толщины ТЗО ПО.
При этом усиление СП слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, обеспечивает повышение прочности и жесткости ПКМ среднего слоя ТЗО ПО под действием нормальных напряжений, а усиление слоями пластика, армированного тканью объемного плетения, обеспечивает повышение прочности и жесткости ТЗО под действием касательных напряжений.
Обычно при изготовлении ТЗО криволинейной формы со средним слоем из СП, особую сложность представляет задача обеспечения постоянства заданной толщины ее среднего слоя по всей поверхности ТЗО ПО. Причина в том, что желеобразная масса связующего, наполненного микросферами, в момент ее нанесения на наклонные участки внутренней поверхности наружного несущего слоя ТЗО стекает вниз, вследствие чего к моменту ее отверждения толщина среднего слоя ТЗО становится неконтролируемо переменной по ее поверхности. В то же время, от решения этой задачи существенно зависит дальность и точность пеленгования цели, обеспечиваемого бортовой ГАС.
В предлагаемой конструкции ПО заданная толщина каждого слоя СП, расположенного в среднем слое его ТЗО, между смежными слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, с достаточной степенью точности обеспечивается на стадии формовании среднего слоя ТЗО ПО путем заполнения связующим, наполненным полыми микросферами, внутреннего объема сетчатой структуры предварительно отвержденного пластика, армированного тканью объемного плетения. Так как сетчатая структура пластика, армированного плоско растянутой тканью объемного плетения, например, трикотажным ластичным полотном, представляет собой систему переплетенных между собой незамкнутых упругих колец из непрерывной нити или жгута, плоскости которых направлены, по отношению к условной поверхности полотна, под углом, она имеет определенную постоянную по всей своей поверхности толщину, которая и задает толщину соответствующего слоя СП.
В некотором узком интервале толщину слоя СП, усиленного пластиком, армированным плоско растянутой тканью объемного плетения, можно изменять с целью получения ее заданной величины, путем увеличения или уменьшения степени предварительного плоского растяжения трикотажного ластичного полотна, пропитанного связующим, перед его отверждением.
В более широком интервале толщину слоя СП, усиленного пластиком, армированным тканью объемного плетения, можно изменять с целью получения ее заданной величины, если в качестве слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, применить пластик, армированный пространственно растянутой тканью объемного плетения, например, пластик в виде непрерывного пространственного полотнища, снабженного направленными в одну сторону стаканообразными высадками, боковые поверхности которых имеют форму трубчатых оболочек с осями, направленными нормально к наружной поверхности пространственного полотнища, образованной его участками, расположенными между упомянутыми стаканообразными высадками. Для этого необходимо предварительно отформовать и отвердить упомянутое выше пространственное полотнище со стаканообразными высадками требуемой высоты (h), а затем его использовать для формования самого слоя СП.
При этом, если соотношение между диаметром (d) круглых, в плане, стаканообразных высадок пространственного полотнища слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных тканью объемного плетения, и расстоянием (a) между осями соседних стаканообразных высадок, при их гексагональной упаковке в плане, выбрано из условия:
то обеспечивается равенство суммарных площадей донышек стаканообразных высадок пространственного полотнища, выходящих на поверхность соответствующего слоя СП с одной его стороны, с суммарной площадью промежутков между ними, выходящих на поверхность слоя СП с другой его стороны. Это способствует достижению равной прочности адгезионного или когезионного соединения рассматриваемого слоя СП с обеих его сторон со смежными слоями ПКМ среднего слоя ТЗО ПО, армированными тканью плоского плетения.
Постепенное увеличение количества одинаковых, по толщине, слоев СП, усиленных пластиком, армированным плоско растянутой тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, по мере приближения к нейтральной оси (НО) поперечного сечения ТЗО ПО, а также постепенное увеличение высоты стаканообразных высадок пространственного полотнища слоев пластика, усиливающих СП среднего слоя ТЗО, армированных тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, по мере приближения к НО поперечного сечения ТЗО ПО, обеспечивается наиболее рациональное использование армирующего стекловолокна, в виде стеклотканей плоского и объемного плетений, в слоях СП среднего слоя ТЗО ПО.
С одной стороны, такая структура армирования СП ТЗО соответствует треугольнообразной эпюре распределения внутренних нормальных напряжений по поперечному сечению среднего слоя ТЗО, возникающих в ней при изгибе под действием эксплуатационной внешней нагрузки на ПО. Чем ближе слой СП находится к НО поперечного сечения ТЗО, тем ниже уровень нормальных напряжений, возникающих в нем под действием внешнего изгибающего момента -тем меньше потребность в усилении его с помощью пластика, армированного тканью плоского плетения, имеющего значительно более высокую прочность при растяжении-сжатии, чем пластик, армированный тканью объемного плетения.
С другой стороны, если учесть, что чем больше толщина слоя СП, усиленного одним слоем пластика, армированного тканью объемного плетения, тем меньше его объемная плотность, то плавный характер изменения толщины слоев СП, усиленных пластиком, армированным тканью объемного плетения, обеспечивает плавность изменения объемной плотности ПКМ среднего слоя ТЗО ПО по ее толщине. При этом, отсутствие резко выраженных скачков плотности ПКМ среднего слоя ТЗО на границах отдельных слоев СП способствует существенному снижению коэффициента отражения акустической волны при ее прохождении через ТЗО ПО.
В дополнение к этому, следует отметить, что сама возможность регулирования объемной плотности и модуля нормальной упругости ПКМ среднего слоя ТЗО ПО путем изменения толщины слоев СП, усиленных слоями пластика, армированного тканью объемного плетения, обеспечивает возможность придания ПКМ всей ТЗО ПО усредненного акустического сопротивления, максимально приближающегося к акустическому сопротивлению морской воды. Это также способствует повышению акустических характеристик и снижению массы ПО судовой ГАС.
Благодаря тому, что наружная оболочка, расположенного в пределах приборного отсека участка килевой балки с трапецеидальным поперечным сечением, образована продолжениями наружного и внутреннего несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, обеспечивается надежное соединение основных силовых элементов ТЗО и килевой балки без применения каких-либо соединительных элементов, что способствует минимизации массы ПО.
Благодаря тому, что участки наружного и внутреннего несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, охватывают собой один или несколько ориентированных вдоль продольной оси ПО и примыкающих друг к другу своими боковыми поверхностями пенопластовых оформителей, обформованных, каждый, поперек пластиком, армированным тканью плоского плетения, трапецеидальный профиль килевой балки получает, в дополнение к своим двум боковым стенкам, еще одну или несколько вертикальных стенок из высокопрочного армированного пластика. Это способствует повышению прочности и жесткости килевой балки при сдвиге в продольной вертикальной плоскости, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить уровень внешних нагрузок, приходящихся на ТЗО ПО, уменьшить ее толщину и массу ПО.
Благодаря тому, что между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой балки и примыкающими к ним участками, соответственно, внутреннего и(или) наружного несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО расположены дополнительные слои пластика, армированные однонаправленным, в направлении продольной оси килевой балки, высокопрочным и(или) высокомодульным армирующим материалом, обеспечивается существенное увеличение приведенного момента инерции поперечного сечения трапецеидального профиля килевой балки. Это способствует повышению прочности и жесткости килевой балки при изгибе в продольной вертикальной плоскости, что в свою очередь, также позволяет существенно снизить уровень внешних нагрузок, приходящихся на ТЗО ПО, уменьшить ее толщину и массу ПО.
Благодаря тому, что пластики несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, слои пластика, усиливающего СП ее среднего слоя, армированные тканью плоского плетения, а также дополнительные слои пластика, расположенные между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой трапецеидальной, в поперечном сечении, балки и примыкающими к ним участками, соответственно, внутреннего и(или) наружного несущих слоев ТЗО приборного отсека ПО, выполнены на основе армирующей ткани из углеродных волокон, слои пластика, усиливающего СП ее среднего слоя, армированные тканью объемного плетения, выполнены на основе армирующей ткани из стеклянных волокон, а в качестве наполнителя СП среднего слоя ТЗО ПО используются полые стеклянные микросферы, обеспечивается возможность максимальной реализации несущей способности и звукопрозрачности ПКМ ТЗО приборного отсека ПО.
Максимальная реализация механических характеристик основных элементов ТЗО ПО: несущих слоев из углепластика и жесткого заполнителя из СП на основе полых стеклянных микросфер, обусловлена тем, что относительные удлинения этих материалов наиболее близки между собой, по сравнению с другими сочетаниями указанных выше материалов, например, стеклопластик - СП на основе стеклянных микросфер или органопластик - СП на основе стеклянных микросфер.
Более низкая плотность углепластика в сочетании с более высокой его удельной прочностью, по сравнению со стеклопластиком, предоставляют конструктору больше возможностей для создания, в сочетании с СП, ТЗО с акустическим сопротивлением, максимально приближающимся к акустическому сопротивлению морской воды, что также способствует повышению звукопрозрачности ТЗО ПО.
Предлагаемая конструкция ПО судовой ГАС проиллюстрирована чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1 - продольный разрез ПО, располагаемого под днищем средней, по длине, части корпуса судна;
Фиг. 2 - поперечный разрез: А-А (см. фиг. 1,) ПО в районе приборного отсека;
Фиг. 3 - поперечные сечения: Б(a) и Б(б) (см. фиг. 2), вариантов конструкции килевой балки ПО в районе приборного отсека;
Фиг.4 - продольный разрез ПО, располагаемого в носовом бульбе корпуса
судна;
Фиг. 5 - поперечный разрез: В-В (см. фиг.4), ПО в районе приборного отсека;
Фиг. 6 - поперечные сечения: Г(a) и Г(б) (см. фиг. 5), вариантов конструкции килевой балки ПО в районе приборного отсека;
Фиг. 7 - фрагмент микроструктуры (в сильном увеличении) усиливающего СП среднего слоя ТЗО ПО пластика (кривизна условных наружных поверхностей условно не показана), армированного плоско растянутой тканью объемного плетения;
Фиг. 8 - разрез Д-Д (см. фиг. 7);
Фиг. 9 - фрагмент микроструктуры (в сильном увеличении) усиливающего СП среднего слоя ТЗО ПО пластика (кривизна условных наружных поверхностей условно не показана), армированного плоско растянутой тканью объемного плетения, при ее более интенсивном растяжении;
Фиг. 10 - поперечное сечение (схематично) ТЗО ПО (кривизна наружных поверхностей условно не показана) со средним слоем из СП, усиленного слоями пластика, армированными тканью плоского плетения и плоско растянутой тканью объемного плетения;
Фиг. 11 - фрагмент усиливающего СП среднего слоя ТЗО пластика (кривизна наружных поверхностей условно не показана), армированного пространственно растянутой тканью объемного плетения;
Фиг. 12 - поперечное сечение фрагмента пластика (см. фиг. 11) в плоском (см. фиг. 12(a)) и изогнутом (см. фиг. 12(б)) состояниях;
Фиг. 13 - фрагмент ТЗО ПО (кривизна наружных поверхностей условно не показана) со средним слоем из СП, усиленного чередующимися слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, и пластика, армированного тканью объемного плетения;
Фиг. 14 - поперечное сечение (схематично) ТЗО ПО (кривизна наружных поверхностей условно не показана) со средним слоем из СП, усиленного слоями пластика, армированными тканью плоского плетения, и пластика, армированного пространственно растянутой тканью объемного плетения;
Фиг. 15 - фотография опытного образца ПО, изготовленного с использованием предлагаемого изобретения.
ПО (фиг.: 1-6) судовой ГАС выполнен в виде хорошо обтекаемого тела, внутренний объем которого с помощью поперечной переборки 1 разделен, как минимум, на два отсека: заполненный водой носовой приборный отсек 2, внутри которого расположена антенна 3 судовой ГАС 4, и расположенный кормовее его "сухой" отсек 5.
ТЗО 6 приборного отсека 2 ПО выполнена из ПКМ с несущими слоями 7 (см. фиг.: 3, 6) из высокопрочного армированного пластика и расположенным между ними средним слоем 8, выполненным из СП.
Незвукопрозрачная оболочка 9 (см. фиг.: 1, 5) "сухого" отсека 5 ПО может быть выполнена как из ПКМ (см. фиг.1), так и из конструкционного материала основного корпуса судна, например, из стали (см. фиг. 4). Первый вариант характерен для ПО, располагаемого под днищем средней, по длине, части корпуса судна. Второй вариант характерен для ПО, располагаемого в носовом бульбе корпуса судна.
ПО (см. фиг.: 1, 2), или его звукопрозрачная часть (см. фиг.: 4, 5), соединены с основным корпусом 10 судна с помощью крепежных элементов 11, пропущенных через фланцы 12 своей наружной оболочки 6, 9 и соответствующие им фланцы 13 основного корпуса 10 судна.
Незвукопрозрачная наружная оболочка 9 "сухого" отсека 5 ПО подкреплена шпангоутами 14 и расположенной в диаметральной плоскости (ДП) судна килевой балкой 15. Наружная оболочка 6 ПО в районе приборного отсека 2 выполнена по всей поверхности безнаборной и подкреплена лишь снизу килевой балкой 15, проходящей сквозь поперечную переборку 1 и выступающей в приборный отсек 2 ПО. По крайней мере, в приборном отсеке килевая балка 15 имеет, в поперечном сечении, трапецеидальную форму (см. фиг.: 2, 5).
Килевая балка 15, на всем своем протяжении в "сухом" отсеке 5 жестко соединена с упомянутыми шпангоутами 14, а на выходе в приборный отсек 2, с поперечной переборкой 1, С учетом этого она может считаться жестко заделанной на поперечной переборке 1, а ее консольно выступающая в приборный отсек часть может являться хорошим подкреплением ослабленной отсутствием набора, с целью обеспечения максимальной звукопрозрачности, ТЗО 6 приборного отсека 2 ПО.
Наружная оболочка 16 килевой балки (см. фиг. 2, 3, 5, 6) может быть образована продолжениями несущих слоев 7 ТЗО 6 приборного отсека 2 ПО, которые охватывают собой один (см. фиг. 3(a)) или несколько (см. фиг.: 3(б), 6(a), 6(б)) ориентированных вдоль продольной оси ПО и примыкающих друг к другу своими боковыми поверхностями пенопластовых оформителей 17, обформованных, каждый, поперек пластиком 18, армированным тканью плоского плетения.
Участки этого пластика 18, соответствующие боковым поверхностям пенопластовых оформителей 17, в том числе, и совместно с соответствующими участками наружной оболочки 16 килевой балки образуют плоские продольные вертикальные ребра жесткости, надежно соединяющие между собой верхние и нижние участки наружной оболочки 16 килевой балки.
Между верхними и(или) нижними участками обформовок 18 пенопластовых оформителей 17 килевой балки и примыкающими к ним участками ее наружной оболочки 16 расположены дополнительные слои пластика 19, армированные однонаправленным, в направлении продольной оси килевой балки, высокопрочным и(или) высокомодульным армирующим материалом.
Несущие слои 7 ТЗО ПО могут быть выполнены, например, из полиэфирного или эпоксидного стеклопластика, армированного тканью плоского плетения, например, марки Т-11-ГВС-9 или Т-10(ВМП) по ГОСТ 19170-2001. Дополнительные слои 19 (см. фиг. 6(б)), обеспечивающие максимальное повышение изгибной жесткости расположенной в приборном отсеке консольной части килевой балки, могут быть выполнены, например, из углепластика, армированного, например, углеродной лентой марки ЛУ-П или Элур-П по ГОСТ 28006-88.
ТЗО ПО, кроме указанных выше несущих слоев, содержит также расположенный между ними средний слой жесткого заполнителя пониженной прочности и объемной плотности из СП, усиленного расположенными эквидистантно наружным поверхностям ТЗО слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, чередующимися со слоями пластика, армированного тканью объемного плетения.
Сам СП может быть выполнен на основе, например, полиэфирного или эпоксидного связующего, наполненного, например, стеклянными микросферами марки МС-А9 по ТУ 6-48-108-94. В качестве ткани плоского плетения, армирующей слои пластика, усиливающие СП среднего слоя ТЗО ПО, могут быть использованы, например, те же армирующие материалы, что и для армирования несущих слоев ТЗО ПО.
В качестве ткани объемного плетения, армирующей слои пластика, усиливающие СП среднего слоя ТЗО ПО, может быть использовано, например, полотно стеклотрикотажное ластичное марки ЛО-0,5 по ТУ 5952-223-18087444-2014, микроструктура которого (фиг.: 7-9) представляет собой систему переплетенных между собой незамкнутых упругих колец 20 из непрерывной нити или жгута, плоскости 21 которых направлены, по отношению к условным наружным поверхностям 22 полотна, проходящим через его крайние точки 23, по толщине (f), под углом, и которые соединены между собой, в местах своего незамыкания, участками 24 нити или жгута, направленными поперек по отношению к плоскостям 21 их незамкнутых упругих колец 20.
Такая микроструктура трикотажного полотна обеспечивает ему достаточно хорошую растяжимость в процессе формования пластика, усиливающего СП среднего слоя ТЗО ПО, позволяя ему, с одной стороны, покрывать без складок криволинейную поверхность любой сложной кривизны, а с другой стороны, придавать ему заданную толщину (t), путем регулирования степени его плоского растяжения (см. фиг. 9).
Слои пластика, усиливающие СП среднего слоя ТЗО высоко нагруженного ПО, могут быть армированы плоско растянутой тканью объемного плетения (фиг. 10). При этом, возможны варианты чередования слоев пластика, армированных тканью плоского плетения 25, и одинаковых между собой, по толщине (f), слоев пластика, армированных плоско растянутой тканью объемного плетения 26.
На фиг. 10(a) схематично изображена структура среднего слоя ТЗО ПО из СП 27, усиленного одинаковым количеством слоев пластика с толщиной (t), армированных плоско растянутой тканью объемного плетения 26, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированными тканью плоского плетения 25. ПКМ такого среднего слоя ТЗО имеет одинаковые физико-механические характеристики по всей своей толщине.
На фиг. 10(б) схематично изображена структура среднего слоя ТЗО ПО из СП 27, усиленного слоями пластика на тканой основе с иным чередованием слоев. В этом случае количество одинаковых, по толщине (t), слоев пластика, армированных плоско растянутой тканью объемного плетения 26, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения 25, по мере приближения к НО поперечного сечения ТЗО ПО, постепенно увеличивается. ПКМ такого среднего слоя ТЗО имеет переменные физико-механические характеристики по всей своей толщине. Объемная плотность, прочность и жесткость ПКМ среднего слоя такой ТЗО изменяется пропорционально изменению величины внутренних нормальных напряжений, возникающих в ПКМ среднего слоя ТЗО под действием эксплуатационных нагрузок, воздействующих на ПО. В некоторой степени реализуется идея конструкции равного сопротивления изгибу, имеющей, по сравнению с ее традиционным вариантом, более низкую массу при равной прочности.
Для усиления СП среднего слоя ТЗО менее нагруженного внешней эксплуатационной нагрузкой ПО, могут быть использованы слои пластика, армированные пространственно растянутой тканью объемного плетения,. В этом случае для усиления СП среднего слоя ТЗО ПО в промежутках между слоями пластика, армированными тканью плоского плетения, могут быть применены слои пластика (фиг. 11-13), выполненные в виде непрерывного пространственного полотнища 28, снабженного направленными в одну сторону стаканообразными высадками 29, боковые поверхности 30 которых имеют форму трубчатых оболочек с осями 31, направленными нормально к наружной поверхности 32 пространственного полотнища 28, образованной его участками 33, расположенными между упомянутыми стаканообразными высадками 29.
Особенностью формы указанного пространственного полотнища 28 является то, что со стороны промежутков 33 между стаканообразными высадками 29 оно имеет сплошную наружную поверхность с отверстиями в местах расположения стаканообразных высадок 29, а с противоположной стороны - сплошной наружной поверхности нет. Условная наружная поверхность с этой стороны образована отделенными друг от друга донышками 34 стаканообразных высадок 29. Благодаря этому, несмотря на свою значительную толщину (h), ему легко может быть придана значительная цилиндрическая кривизна и, в несколько меньшей степени, даже сферическая кривизна (см. фиг. 12).
Это позволяет при формовании среднего слоя ТЗО, имеющей переменную, по длине ПО, криволинейную наружную поверхность, использовать одинаковые плоские заготовки рассматриваемого непрерывного пространственного полотнища 28, изготавливаемые с помощью достаточно простой, по конструкции, универсальной пресс-формы. Способность к значительной вытяжке пропитанной связующим ткани объемного плетения позволяет с помощью упомянутой пресс-формы формовать из нее непрерывное пространственное полотнище, неразворачивающееся на плоскость.
При этом, для обеспечения равной прочности адгезионного или когезионного соединения рассматриваемого слоя СП 27 с обеих его сторон со смежными слоями 25 ПКМ среднего слоя ТЗО ПО, армированными тканью плоского плетения, соотношение между диаметром (d) круглых, в плане, стаканообразных высадок 29 пространственного полотнища 28 слоев пластика, усиливающих СП 27 среднего слоя его ТЗО, армированных тканью объемного плетения, и расстоянием (а) между осями 31 соседних стаканообразных высадок 29, при их гексагональной упаковке в плане (см. фиг. 11, 13), должно быть выбрано из условия:
которое обеспечивает равенство суммарных площадей донышек 34 стаканообразных высадок 29 пространственного полотнища 28, выходящих на поверхность 35 соответствующего слоя СП с одной его стороны, с суммарной площадью промежутков между ними 33, выходящих на поверхность 32 слоя СП с другой его стороны, так как по поверхностям контакта именно этих площадей с соседними слоями пластика 25, армированного тканью плоского плетения, происходит передача наибольших внутренних трансверсальных напряжений, возникающих в среднем слое ТЗО ПО, под действием внешней эксплуатационной нагрузки.
Использование показанного выше непрерывного пространственного полотнища 28 для усиления слоев СП 27 среднего слоя ТЗО ПО, расположенных между соседними слоями пластика 25, армированного тканью плоского плетения, позволяет увеличивать расстояние между ними, по мере приближения к НО поперечного сечения ТЗО (фиг. 14), не прибегая, как это показано выше (см. фиг. 10(б)), к дополнительным слоям пластика, армированного тканью объемного плетения. Для этого достаточно, по мере приближения к НО поперечного сечения ТЗО ПО, для усиления СП 27 в промежутках между слоями пластика 25, армированного тканью плоского плетения, использовать рассматриваемое непрерывное полотнище 28 с увеличенной высотой (h) его стаканообразных высадок 29 (h1<h2<h3) (см. фиг. 14(б)).
Использованные источники
1. А.Л. Простаков. Гидроакустические средства флота. М., Военгиз, 1974,
рис. 5.
2. А.А. Митько. Гидроакустические средства связи и наблюдения. Л., Судостроение, 1982, стр. 113-118.
3. Патент РФ №2056318. Обтекатель судовой гидроакустической станции. Заявл.: 07.02.1992. Опубл.: 20.03.1996.
4. Авторское свидетельство СССР №917445. Подкильный обтекатель гидролокатора судна. Заявл.: 21.03.1980.
5. Патент РФ №2265549. Подкильный обтекатель гидроакустической станции корабля. Заявл.: 20.04.2004. Опубл.: 10.12.2005.
6. Авторское свидетельство СССР №999404. Подкильный обтекатель гидролокатора. Заявл.: 09.03.1981 (прототип).
1. Подкильный обтекатель антенны судовой гидроакустической станции, выполненный в виде хорошо обтекаемого тела с наружной оболочкой, подкрепленной поперечной переборкой, отделяющей носовой приборный отсек обтекателя со звукопрозрачной оболочкой от расположенного кормовее его сухого отсека с незвукопрозрачной оболочкой, снабженного по всей своей длине килевой балкой, проходящей через поперечную переборку и консольно выступающей в нижнюю часть приборного отсека, отличающийся тем, что звукопрозрачная оболочка приборного отсека обтекателя имеет трехслойную конструкцию с несущими слоями из высокопрочного армированного пластика и расположенным между ними средним слоем, выполненным из синтактного пенопласта, усиленного расположенными эквидистантно наружным поверхностям звукопрозрачной оболочки обтекателя слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, чередующимися со слоями пластика, армированного тканью объемного плетения.
2. Подкильный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ткани объемного плетения, армирующей слои пластика, усиливающего синтактный пенопласт среднего слоя его трехслойной звукопрозрачной оболочки, используется способное к растяжению трикотажное ластичное полотно, микроструктура которого представляет собой систему переплетенных между собой незамкнутых упругих колец из непрерывной нити или жгута, плоскости которых направлены, по отношению к поверхности полотна, под углом и которые соединены между собой, в местах своего незамыкания, участками нити или жгута, направленными поперек по отношению к плоскостям их незамкнутых упругих колец.
3. Подкильный обтекатель по п. 2, отличающийся тем, что в качестве слоев пластика, усиливающих синтактный пенопласт среднего слоя его трехслойной звукопрозрачной оболочки, армированных тканью объемного плетения, используются слои пластика, армированные плоско растянутой тканью объемного плетения.
4. Подкильный обтекатель по п. 3, отличающийся тем, что количество одинаковых по толщине слоев синтактного пенопласта, усиленных пластиком, армированным плоско растянутой тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, одинаково.
5. Подкильный обтекатель по п. 3, отличающийся тем, что количество одинаковых по толщине слоев синтактного пенопласта, усиленных пластиком, армированным плоско растянутой тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, по мере приближения к нейтральной оси поперечного сечения трехслойной звукопрозрачной оболочки постепенно увеличивается.
6. Подкильный обтекатель по п. 2, отличающийся тем, что в качестве слоев пластика, усиливающих синтактный пенопласт среднего слоя его трехслойной звукопрозрачной оболочки, армированных тканью объемного плетения, используются слои пластика, армированные пространственно растянутой тканью объемного плетения.
7. Подкильный обтекатель по п. 6, отличающийся тем, что в качестве слоев пластика, усиливающих синтактный пенопласт среднего слоя его трехслойной звукопрозрачной оболочки, армированных пространственно растянутой тканью объемного плетения, используются слои пластика, выполненные в виде непрерывного пространственного полотнища, снабженного направленными в одну сторону стаканообразными высадками, боковые поверхности которых имеют форму трубчатых оболочек с осями, направленными нормально к наружной поверхности пространственного полотнища, образованной его участками, расположенными между упомянутыми стаканообразными высадками.
8. Подкильный обтекатель по п. 7, отличающийся тем, что соотношение между диаметром (d) круглых, в плане, стаканообразных высадок пространственного полотнища слоев пластика, усиливающих синтактный пенопласт среднего слоя его трехслойной звукопрозрачной оболочки, армированных тканью объемного плетения, и расстоянием 
между осями соседних стаканообразных высадок, при их гексагональной упаковке в плане, выбрано из условия:
9. Подкильный обтекатель по п. 8, отличающийся тем, что высота (h) стаканообразных высадок пространственного полотнища слоев пластика, усиливающих синтактный пенопласт среднего слоя его трехслойной звукопрозрачной оболочки, армированных тканью объемного плетения, расположенных между каждыми двумя соседними слоями пластика, армированного тканью плоского плетения, по мере приближения к нейтральной оси поперечного сечения трехслойной звукопрозрачной оболочки постепенно увеличивается.
10. Подкильный обтекатель по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что наружная оболочка расположенного в пределах приборного отсека участка килевой балки с трапецеидальным поперечным сечением образована продолжениями наружного и внутреннего несущих слоев трехслойной звукопрозрачной оболочки приборного отсека обтекателя.
11. Подкильный обтекатель по п. 10, отличающийся тем, что участки наружного и внутреннего несущих слоев трехслойной звукопрозрачной оболочки приборного отсека обтекателя охватывают собой один или несколько ориентированных вдоль продольной оси обтекателя и примыкающих друг к другу своими боковыми поверхностями пенопластовых оформителей, обформованных, каждый, поперек пластиком, армированным тканью плоского плетения.
12. Подкильный обтекатель по п. 11, отличающийся тем, что между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой балки и примыкающими к ним участками соответственно внутреннего и(или) наружного несущих слоев трехслойной звукопрозрачной оболочки приборного отсека обтекателя расположены дополнительные слои пластика, армированные однонаправленным, в направлении продольной оси килевой балки, высокопрочным и(или) высокомодульным волокном.
13. Подкильный обтекатель по п. 12, отличающийся тем, что в качестве ткани плоского плетения, армирующей слои пластика, усиливающего синтактный пенопласт среднего слоя трехслойной звукопрозрачной оболочки приборного отсека обтекателя, используется та же ткань, что и для армирования пластика ее несущих слоев.
14. Подкильный обтекатель по п. 13, отличающийся тем, что пластики несущих слоев трехслойной звукопрозрачной оболочки приборного отсека обтекателя, слои пластика, усиливающего синтактный пенопласт ее среднего слоя, армированные тканью плоского плетения, а также дополнительные слои пластика, расположенные между верхними и(или) нижними участками обформовок пенопластовых оформителей килевой трапецеидальной, в поперечном сечении, балки и примыкающими к ним участками соответственно внутреннего и(или) наружного несущих слоев трехслойной звукопрозрачной оболочки приборного отсека обтекателя, выполнены на основе армирующей ткани из углеродных волокон, слои пластика, усиливающего синтактный пенопласт ее среднего слоя, армированные тканью объемного плетения, выполнены на основе армирующей ткани из стеклянных волокон, а в качестве наполнителя синтактного пенопласта среднего слоя трехслойной звукопрозрачной оболочки обтекателя используются полые стеклянные микросферы.
