Способ движения и устройство типа «Рыба»

На фиг.10 схематично показаны две проекции (а – вид сбоку, b – вид сверху) тела «рыбы», составленного из двух последовательно соединенных частей: 1 – хвост, 2 и 3 – туловище, причем туловище представлено гибкой частью 2 и массивной частью 3. 5 – точка воздействия на хвост, а 6 – точка воздействия на туловище. 7 – разрезы позволяющие отдельным элементам массивной части туловища осуществлять изгибные деформации.

Фиг.10

На фиг.11 фотографии общего вида а – устройства для испытания модели рыбы и вид b – устройство спущено на воду. 1 – хвост, 2 и 3 –туловище, 4 – рейка для передачи в процессе движения колебательной энергии судна с помощью жесткого поводка 5 туловищу рыбы.

Фиг.11

На фиг.12 схематично показаны две проекции (а – вид сбоку, b – вид сверху) движителя состоящего из двух частей туловища с двумя элементами 1 и 4, а также плавника 2. Часть туловища 1 изготавливалось из пенопласта с силиконовым продолжением 4 до хвостовой части. Пенопласт использовался с той целью, чтобы можно было металлическими внедряемыми в него грузиками 5 добиться равновесия туловища в погруженном в жидкость состоянии, т.е. чтобы Архимедова сила уравновешивалась силой тяжести.

Фиг.12

На фиг.13 фотографии устройства для испытаний в сборе (а) и в движении (b). На этих фотографиях 1 – испытуемое движитель-туловище.

Фиг.13

Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.

А. Выбор условий эффективного воздействия на плоское обтекаемое гибкое упругое тело.

Для проведения исследований и демонстрации поведения гибкого крылоподобного тела под действием ударного воздействия в поперечном к его результирующему движению направлении (патент № 2259302 RU) собрана установка (фиг.3, а). Установка состоит из крыло-контейнера 1, груза сравнения 2, штатива 3, электрического двигателя 4, аквариума 5. Крыло-контейнер (фиг.3, b) с несущей гибкой плоскостью 6, собственно контейнером 7 (с грузом или без груза) захватывается нитью в точке захвата 8, определяемой правилом U=0.29 (патент № 2259302 RU). В заполненном водой аквариуме при включении электродвигателя барабаном, расположенным на валу двигателя, с одинаковой скоростью наматываются нити, удерживающие крыло-контейнер и груз сравнения. При этом груз сравнения поднимается вертикально вверх, а крыло-контейнер по криволинейной траектории. В этих условиях на фотографии (фиг.4) зафиксирован момент достижения крыло-контейнером 1 поверхности воды, когда груз сравнения 2 еще находится далеко от поверхности воды. Увеличение поперечной силы воздействия на крыло-контейнер приводит к увеличению его скорости движения вперед настолько, что на фотографии (фиг.5) остается только размытый след. На фиг.6 приведены экспериментальные данные сравнения траекторий движения крыло-контейнера для разных точек его захвата нитью. X – горизонтальное, а Н – вертикальное смещение крыло-контейнера в процессе движения. Кривая А – тренд для случая захвата в соответствии с нашим правилом U=0.29 описывается уравнением Н=0,0734Х²+0,6422Х с коэффициентом корреляции R2=0,9837. Кривая Б - тренд для случая захвата за носик, описывается уравнением Н=0,3854Х²+1,4749Х с коэффициентом корреляции R2=0,9978. В случае захвата за центр траекторией движения будет просто вертикальная прямая. Различие в траекториях заключается в том, что при одинаковой скорости выбора нити быстрее всего крыло-контейнер покидает воду, двигаясь по траектории А.

Из этих данных следует, что знакопеременное поперечное воздействие на гибкое обтекаемое тело в соответствии с правилом U=0.29 должно приводить, во-первых, к его результирующему движению вдоль прямой линии, во-вторых, сила тяги должна быть максимальной для заданного тела.

Б. Гибкое упругое обтекаемое тело как движитель

В качестве устройства, задающего возвратно-поступательное движения испытываемым поверхностям, используется радиоуправляемая плавающая модель судна (фиг.7), несущего электрический двигатель, четыре источника питания типа АА напряжением 1.5 В каждый, электронную схему включения-выключения питания двигателя, понижающий шестеренчато-ременной редуктор 50/5 обор./с и кривошипно-шатунный механизм со штоком, имеющим точку захвата испытываемого движителя, расположенную вглубь жидкой среды. На фиг.8 приведена фотография движителя. На фиг.9 кадры видеосъемки движения модели, демонстрирующие два состояния движителя 1: а – фаза движения штока вверх, b – фаза движения штока вниз. Такие движения штока приводят к соответствующим изгибным движениям движителя и, как следствие, к возникновению потока жидкости, обратного направлению движения модели (модель движется слева направо). Коэффициент полезного действия (КПД) такого движителя превосходит КПД гребковых движителей, например, винта.

Поясним это.

Приведем результаты экспериментальных измерений.

F_ср — сила, действующая на шток: определяется динамометром в процессе работы. Угловая скорость ω определялась числом n возвратно-поступательных движений штока за одну секунду, умноженным на 2π радиан.

Сила тяги F_тяги, создаваемая движителем, определялась путем ее измерения с помощью динамометра, закрепленного, с одной стороны, корпусом в штативе, а, с другой стороны, захватом для измерений за корпус модели. Динамометр располагался параллельно свободной поверхности воды; высота расположения – 1 см над поверхностью. Удержание действующей модели на месте с помощью динамометра позволяло измерить силу тяги.

Скорость V, установившегося движения модели под действием силы тяги, определялась путем измерения интервала времени Δt прохождения моделью заранее заданного интервала пути ΔS.

Плечо r кривошипа, равное 0,008 метра, конструктивно определило полный путь S, проходимый штоком за один полный цикл его возвратно-поступательного движения, как S=4×r=0,032 М. В свою очередь, величина d=S×n, определяет путь, пройденный штоком или точкой захвата движителя штоком за одну секунду; поэтому средняя скорость U движения численно равна d.

РАССЧИТЫВАЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Коэффициент полезного действия η определяется отношением

η=А_пол /А_затр (1)

где А_пол – полезная работа движителя, а А_затр – затраченная работа движителя.

Поскольку мощность – это работа в единицу времени, то N_noл= А_пол/Δt, а

N_затр=А_затр/Δt (2),

где Δt – интервал времени (в нашем случае Δt=1С), в течение которого выполнялась работа.

Тогда коэффициент полезного действия может быть определен как

η=N_пол/N_затр (3).

Определим полезную мощность из выражения

N_пол=F_тяги×V (4),

а затрачиваемую мощность как

N_затр=F_ср×d (5)

Для сравнения с гребным винтом введем еще такую характеристику, как относительная поступь λ определяемую выражением λ=V/U, (5)

где V – скорость поступательного движения движителя или, для дальнейшего сравнения, гребного винта, a U=d×Δt – скорость прохождения движителем пути d за интервал времени Δt (в нашем случае Δt=1 С) или U=r×ϖ - окружная скорость, упомянутого винта.

В табл.1 приведены результаты измерений и вычислений для предлагаемого движителя, а также для сравнения приведены данные для модели с гребным винтовым движителем (Сахновский Б.М. Модели судов новых типов. Судостроение,1987 г. http://www.shipmodeling.ru/books/NewTypeShips/newtypeships.pdf.).

Таблица 1.

Дополнительная информация. О зависимости коэффициента полезного действия η от относительной поступи λ известно (Гидр о аэродинамика. Л. Прандтль. R@C Dynamics.Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2002, 572 стр.), что максимальное значение η_mах коэффициента полезного действия для винта летательного аппарата достигает значения 80% при относительной поступи λ ≈0,25. При меньших значениях λ, близких к нулю, летательный аппарат приближается к состоянию покоя, а винт находится в режиме холостого хода, т.е. η=0. При значениях λ, больших указанного значения, летательный аппарат движется с такой скоростью, что встречный поток начинает раскручивать винт, что схоже с режимом холостого хода винта. И в этом случае η=0. Т.е., например, полет летательного аппарата с поступью винта, близкой к единице, вообще исключен из возможных режимов движения.

Обращаясь к результатам, содержащимся в табл.1, видим, что в случае плавающей модели гребной винт дает более низкое значение коэффициента полезного действия η=45%, чем для использованных нами средств, для которых η=76%. Существенно и различие в значениях относительной поступи: для предлагаемых средств λ=1,1, что приблизительно на 30% выше значения λ=0,855 относительной поступи для гребного винта. Модель с гребным винтом движется в семь с половиной раз быстрее – 1,5 > 0,2 м/с, но при этом, и энергетические потери у модели с гребным винтом весьма существенные 7,34/0,0264 = 282!!! Т.е. "провал" в среду, сопровождающий гребковые движители, приводит к существенным экономическим потерям. Полученные результаты позволяют судить о существенном экономическом выигрыше предлагаемых безопорных вихревых средств возбуждения силы тяги перед всеми вариантами гребковых средств.

Таким образом, выбирая форму хвоста и вариант передачи ему энергии движения в соответствии с вышеизложенными результатами, получаем высокоэкономичный движитель для системы хвост-туловище рыбы.

В. Система из двух последовательно соединенных элементов движитель-хвост и движитель-туловище.

Для этого используется физическая модель.

На фиг.10 схематично показаны две проекции (а – вид сбоку, b – вид сверху) модели тела «рыбы», составленного из двух последовательно соединенных частей: 1 – хвост, 2 и 3 – туловище, причем туловище представлено гибкой частью 2 и массивной частью 3. 5 – точка воздействия на хвост, а 6 - точка воздействия на туловище. 7 – разрезы позволяющие отдельным элементам массивной части туловища осуществлять изгибные деформации. На фиг.11 фотографии общего вида а – устройства для испытания модели рыбы и b - вид этого устройства, спущенного на воду. 1 – хвост, 2 и 3 – туловище, 4 – рейка для передачи в процессе движения колебательной энергии судна туловищу рыбы с помощью жесткого поводка 5, шарнирно соединенного с рейкой 4 и туловищем 3. Такое соединение туловища рыбы с корпусом судна позволяет осуществлять движение туловища в противофазе хвосту и тем самым моделировать движение тела натуральной рыбы. Причем моделирование осуществляется в виде двух последовательно соединенных гибких упругих гидродинамически обтекаемых элементов – туловища и хвоста, испытывающих одновременное в противофазе знакопеременное ударное воздействие, что имитирует движение натуральной рыбы, вызываемое сокращением боковых мышц ее туловища.

Г. Результаты испытаний модели рыбы.

В таб.2 приведены данные о скорости движения плавающего устройства в трех вариантах: 1 – вариант, когда устройство содержит радиоуправляемую плавающую модель судна, снабженного моделью хвоста рыбы в качестве движителя, 2 – вариант, когда к варианту 1 добавлен элемент туловище-движитель или судно в качестве движителя имеет все тело рыбы в качестве движителя, 3 – вариант, когда элемент туловище рыбы не является активным элементом устройства, а является буксируемым пассивным телом, плоскость которого расположена вдоль направления движения всего устройства.

Таблица 2.

Из данных табл.2 (стр.2 и 3) следует, что, как и ожидалось, вариант активного туловища по скорости движения существенно превосходит вариант пассивного туловища, 0.14 > 0.09 м/с.

Поскольку в избранном варианте устройства значительная энергия затрачивалась на перемещение судна, то в варианте размещения источников питания, двигателя, привода и схемы радиоэлектронного управления в туловище модели рыбы, будут получены результаты, соответствующие строке 1 и лучше.

Д. О влиянии продольных колебаний туловища.

Продольные колебания туловища моделировались следующим образом. На фиг.12 показаны проекции движителя-туловища: а – вид сбоку, b – вид сверху. Движитель-туловище состоял из двух частей собственно туловище с двумя элементами 1 и 4, а также плавник 2. Часть туловища 1 изготавливалось из пенопласта с гибким упругим силиконовым продолжением 4 до хвостовой части. Пенопласт использовался с той целью, чтобы можно было металлическими внедряемыми в него грузиками 5 добиться равновесия туловища в погруженном в жидкость состоянии, т.е. чтобы Архимедова сила уравновешивалась силой тяжести. Силиконовое обтекаемое продолжение от головной к хвостовой части выбиралось для того, чтобы добавить жесткости в гибкий плавник, не позволяющей плавнику в его средней части образовывать волну сжатия из-за сминания плавника в процессе возвратно-поступательного движения туловища. На фотографиях (фиг.13) можно видеть устройство в сборе (а) и в движении (b). На этих фотографиях 1 – движитель-туловище.

Необходимо отметить, что движитель-туловище лишь в одной точке захвата 3 (фиг.12) имел связь с судном.

Запуск двигателя привел к тому, что хвостовая часть плавника движителя в точке захвата стала совершать колебательные движения под действием колеблющегося в поперечном направлении штока. Сам движитель-туловище стал совершать горизонтальные возвратно- поступательные колебательные движения. При этом судно стало двигаться вперед (это можно видеть на фотографии фиг.13, а) со скоростью 0.07 м/с.

В случае принудительного движения судна с такой же скоростью, но с выключенным двигателем, встречный поток воды приводит к тому, что движитель в его головной части сразу же отклоняется от своего первоначального уровня, приходя в состояние крайнего загиба.

Описанное поведение движителя как массивного тела, имеющего точку подвеса, колеблющуюся и заставляющуюся колебаться само тело в потенциальном поле обтекающего потока, соответствует условиям поведения перевернутого маятника. Действительно, амплитуда колебаний а=0.005 м, частота колебаний ϒ=2×3.5 кол./с =2×2π× 3.5 рад/с = 44 рад/с, длина l=0.13 м и ускорение g'=0.027 м/с² дают для величины (а²×ϒ ²)/2l= 0.188 м/с² >0.027 м/с². Т.е. условие стабильности перевернутого маятника а²ϒ²>2g'l выполняется. Выполняется и условие ϒ>> (g'/l)^0,5, поскольку 44²>>(0,027/0,13) = 0,21.

При движении устройства под действием работающего движителя вывод слабым щелчком головной части движителя из положения равновесия приводит его к затухающим колебаниям с окончательным выстраиванием движителя по направлению движения устройства. Частота затухающих колебаний оказывалась в несколько раз (примерно 4) меньше частоты колебаний точки захвата. Более резкий толчок приводит движитель к необратимому отклонению движителя от направления движения судна. Такое поведение движителя объясняет стабильность движения быстрых рыб и дельфинов: быстрый встречный поток воды не может столкнуть их с выбранного курса. Но отклонившись на угол, достаточный для выхода из области стабильности, дельфин без особых энергетических затрат может быть выброшен встречными потоками из воды – это и есть известные прыжки дельфина из воды при их движении параллельно курсу движущегося судна.

Е. Таким образом, из всего вышеизложенного вытекает, что можно два движителя соединить последовательно в одно тело по типу рыбы, причем один движитель, основной, функционально аналогичен хвосту рыбы, а второй - аналогичен туловищу рыбы. При этом в туловище рыбы-робота по аналогии с натуральной рыбой сосредоточены все основные органы, необходимые для его «жизнедеятельности». Движение такого устройства осуществляется под действием силы тяги, порождаемой одновременным поперечным ударного типа воздействием на окружающую текучую среду хвостом и туловищем. Это воздействие реализуется путем периодических знакопеременных изгибных движений туловища, приводящих к изгибным деформациям хвоста, подобных крылоподобному профилю, но обратных деформациям туловища. Движения и деформации хвоста и туловища подобны маховым движениям двух крыльев, соединенных последовательно, причем маховое движение осуществляется в противоположные стороны. Такое поперечное движение хвоста и туловища порождают движение рыбы-робота вперед.

Разработанные устройство и способ его движения позволяет использовать их для решения задач исследования подводного пространства как в мирных, так и в военных целях. Разработка может использоваться для решения задач военной подводной разведки и для боевого применения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ движения "рыба" в сплошных текучих средах, основанный на поведении двух движителей махового типа, выполненных в виде гибких упругих гидродинамически обтекаемых плоских или объемных тел, совершающих маховые движения и создающих собственные силы тяги, отличающийся тем, что движители соединены последовательно в одну систему, в которой они совершают колебательные движения в противофазе друг к другу, причем один из них, называемый хвостом, является основным движителем, а второй движитель, называемый туловищем, является источником изгибно-ударного воздействия хвоста и туловища на окружающую среду, при этом изгибно-ударное воздействие самого туловища на среду осуществляется таким образом, что возникают явления отсоса жидкости в пограничном слое с выпуклой стороны и вливания жидкости в пограничный слой с вогнутой стороны, что повышает критическое число Рейнольдса и снижает сопротивление движения, обусловленное турбулизацией пограничного слоя, а возникающие из-за изгибных деформаций туловища и хвоста продольные колебания тела воспроизводят условия стабилизации направления действия силы тяги, подобные условиям стабилизации обратного маятника Капицы, и способствуют возникновению дополнительной силы тяги тела, подобной силе, приводящей массивное тело в вибрирующей жидкости по Челомею в состояние вертикального движения вверх, но уже для произвольного в пространстве направления колебаний тела вдоль действия результирующей силы тяги.

Устройство типа "рыба" для создания силы тяги в текучих средах, состоящее из двух гибких упругих гидродинамически обтекаемых плоских или объемных тел, предназначенных как движители для создания продольной силы тяги при их поперечном маховом движении, отличающееся тем, что тела как хвост и туловище рыбы соединены последовательно в одну систему, причем маховые движения тел совершаются одновременно и в противофазе друг другу, при этом первое тело, называемое хвостом, представляет собой сплошное тело и как главный движитель предназначен для создания основной силы тяги устройства, второе тело, называемое туловищем, представляет собой объемное массивное тело, заполняемое средствами обеспечения автономной работоспособности устройства с центром масс, расположенным в области U=0.29, осуществляющее изгибно-ударные знакопеременные движения в среде, приводящие в маховое движение хвост, закрепленный в хвостовом окончании туловища так, что реализуется правило U=0.29 применительно к хвостовой поверхности.