INITIAL STABILITY OF LIGHT AMPHIBIOUS HOVERCRAFTS WITH FLEXIBLE BALLONET ENCLOSURE
Authors:
1.
Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev
2.
Designing group Ltd "N Sitek"
3.
Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseeva
4.
Ltd Shipbuilding company "Aerohod"
Type:
Article
Pages:
from 59
to 64
Status:
Published
Received:
20.02.2015
Accepted:
25.02.2015
Published:
25.02.2015
Subject area:
UDK 629.5.015.141:629.57
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
amphibious vessel, ballonet, air bubble, flexible enclosure, initial stability, metacentric height, center of gravity
Abstract (English):
The known methods of calculation of stability of hovercrafts tend to be cumbersome and poorly accurate and due to this, their use for practical calculations is complicated. The proposed method of calculation of amphibious hovercraft with flexible ballonet enclosure assumes the use of the classical theory of stability, based on the Euler’s hypothesis about coextensive inclinations. The results are based on the known method of accounting for the effect of free surface of liquid on stability. It is shown that with the excess of width of constructive waterline over the width of the free surface in the cavity under the air bubble the metacentric radius will have a positive value. There was adopted a number of assumptions in the calculation scheme of the vessel: the ballonet with flexible enclosure have a circular shape, an air gap between the ballonet with flexible enclosure and the surface of the water after the air outflow is not considered. The plane elastic problem, where the length of the vessel in the longitudinal direction equals to 1, is analyzed. The calculation formulas are derived to define the initial metacentric radius. Though the direct analysis of the obtained dependences is very complex, the latter were converted into dimensionless form. On the basis of the carried out calculations, the graph of the dependence of the initial metacentric radius on the relative radius of the ballonets of the lower tier and the relative distance between the ballonets is designed. An example of using the results to estimate the initial stability of the real amphibious hovercraft with a flexible ballonet enclosure "Gulf" (developed and produced in JSC "N Sitek") is presented. The analysis demonstrated that the center of gravity of the vessel may occupy a high position, but structurally it is usually much lower, which contributes to the confrontation of the dynamic inclining moment.
The known methods of calculation of stability of hovercrafts tend to be cumbersome and poorly accurate and due to this, their use for practical calculations is complicated. The proposed method of calculation of amphibious hovercraft with flexible ballonet enclosure assumes the use of the classical theory of stability, based on the Euler’s hypothesis about coextensive inclinations. The results are based on the known method of accounting for the effect of free surface of liquid on stability. It is shown that with the excess of width of constructive waterline over the width of the free surface in the cavity under the air bubble the metacentric radius will have a positive value. There was adopted a number of assumptions in the calculation scheme of the vessel: the ballonet with flexible enclosure have a circular shape, an air gap between the ballonet with flexible enclosure and the surface of the water after the air outflow is not considered. The plane elastic problem, where the length of the vessel in the longitudinal direction equals to 1, is analyzed. The calculation formulas are derived to define the initial metacentric radius. Though the direct analysis of the obtained dependences is very complex, the latter were converted into dimensionless form. On the basis of the carried out calculations, the graph of the dependence of the initial metacentric radius on the relative radius of the ballonets of the lower tier and the relative distance between the ballonets is designed. An example of using the results to estimate the initial stability of the real amphibious hovercraft with a flexible ballonet enclosure "Gulf" (developed and produced in JSC "N Sitek") is presented. The analysis demonstrated that the center of gravity of the vessel may occupy a high position, but structurally it is usually much lower, which contributes to the confrontation of the dynamic inclining moment.
Keywords:
amphibious vessel, ballonet, air bubble, flexible enclosure, initial stability, metacentric height, center of gravity
amphibious vessel, ballonet, air bubble, flexible enclosure, initial stability, metacentric height, center of gravity
Введение Остойчивость амфибийного судна в режиме парения на подушке является сложным процессом, а известные методы расчета остойчивости [1, 2] отличаются громоздкостью и плохо подходят для анализа. Методы расчета остойчивости скеговых судов на воздушной подушке (СВП) основаны на использовании грузового размера скега с вычислением восстанавливающего момента от сил плавучести на погружаемом скеге [2]. Такой подход вместе со сложностью расчета не учитывает изменение формы погружаемой части СВП и появление дополнительного восстанавливающего момента. В целом сложилось мнение [3-5], что камерные амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) без ресивера и сопловой схемы не обладают остойчивостью. Применение таких судов в качестве ледоколов на ВП [4] показало наличие у них положительной остойчивости, однако метод расчета также был громоздким и недостаточно точным. Теоретические основы оценки остойчивости камерных СВП Прогресс в теоретических способах решения задачи остойчивости был основан на теории Эйлера о равнообъемных ватерлиниях с учетом свободной поверхности воды во впадине под ВП [6] (рис. 1). На рис. 1 показаны ватерлинии на поверхности воды и под СВП при наличии развала гибкого ограждения (ГО) в соответствии с формулой Эйлера для метацентрического радиуса. , где Jх квл - момент инерции площади действующей ватерлинии (конструктивная ватерлиния (КВЛ) при парении на подушке) относительно оси Х, перпендикулярной плоскости чертежа; Jх вп - момент инерции площади свободной поверхности во впадине; V - водоизмещение судна. Рис. 1. Схема камерного СВП в режиме парения на воде с пренебрежимо малым расходом воздуха из ВП: 1 - жесткий корпус; 2 - гибкое ограждение Считая длину судна единичной Lквл = Lвп = 1, V = [(Вквл + Ввп)hвп]/2; Jквл = ; Jвп = , получим , откуда следует, что метацентрический радиус в данном случае определяется разностью между шириной свободной поверхности под ВП и шириной действующей КВЛ. Таким образом, при превышении ширины КВЛ над шириной свободной поверхности во впадине под ВП метацентрический радиус будет иметь положительное значение. Зависимости для определения начальной остойчивости АСВП баллонетного типа Исходя из этих соображений, рассмотрим поперечное сечение АСВП с ГО баллонетного типа. Принят следующий ряд допущений для уменьшения громоздкости расчетов судна: - баллоны имеют круговую форму (в действительности нижний ярус баллонов может терять эту форму при регулировании давления в баллоне); - не учитывается воздушный зазор при истечении воздуха из ГО; - рассматривается плоская задача, где длина судна в продольном направлении равна 1. Упрощенная форма поперечного сечения показана на рис. 2. Нижний ярус баллонов-скегов АСВП погружен в воду на глубину (осадку) hвп. Ширина свободной поверхности на дне воздушной впадины Ввп равна расстоянию между центрами скегов В1. Ширина КВЛ связана с радиусом баллона R1, шириной В1 и шириной сегмента [7]: аск = , определяемым в зависимости от глубины hвп: . Водоизмещение впадины L = 1 определяется с помощью зависимости V1 = hвп · B1 + Sск, где площадь кругового сегмента [7] погруженной части скега (погрешность 3 %). Рис. 2. Схема для оценки начальной остойчивости АСВП с ГО баллонетного типа В соответствии с формулой (1), поперечный начальный метацентрический радиус будет иметь следующее выражение: . (2) Непосредственный анализ этой зависимости затруднен ее громоздкостью, поэтому приведем ее к безразмерному виду, взяв за определяющий линейный параметр глубину впадины под СВП hвп (осадка в режиме парения на подушке). Обозначая: ; ; , перепишем формулу (2): . (3) Очевидно, что начальный метацентрический радиус будет равен нулю при , а максимум будет соответствовать . Наиболее интересна связь между геометрическими параметрами, изображенными на рис. 2, и значением начальной поперечной метацентрической высоты h0 = rm0 + zc - zg, где zc - аппликата центра величины; zg - аппликата центра тяжести судна. Положительное значение h0 будет обеспечиваться соотношением между rm0 и zg, поскольку величина zc на практике значительно меньше zg, поэтому приближенно можно считать, что закритическое (с позиций начальной остойчивости) положение центра тяжести судна определяется как rm0 > zg . Таким образом, выражение (3) связывает вместе необходимое положение центра тяжести zg, радиус баллона первого яруса R1, ширину судна Вквл и глубину впадины под ВП hвп, численно равную давлению воздуха в ВП, м вод. ст. Эта связь для безразмерных аргументов и показана линиями уровня (рис. 3). Рис. 3. Зависимость безразмерного начального метацентрического радиуса от относительного радиуса баллона первого яруса и относительного расстояния между баллонами В качестве примера была произведена оценка начальной остойчивости реального АСВП с ГО баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек» [8]). Это судно имеет ширину В1 = 3,1 м, радиус баллона R1 = 0,12 м, давление в ВП - 0,98 кПа (hвп = 0,1 м вод. ст.). Относительные значения аргументов = 31; = 1,4, на пересечении этих значений на графике находим = 30. Переводя в размерное значение, получим rm0 = hвп = 30 ∙ 0,1 м = 3,0 м. Заключение Таким образом, для АСВП, характеристики которого близки к реальным, центр тяжести судна может занимать достаточно высокое положение - zg < 3,0 м. Фактически центр тяжести этого судна находится на уровне zg ≈ 1,4 м, начальная метацентрическая высота составит h0 ≈ 1,4 м, что будет способствовать противостоянию динамическому кренящему моменту. Однако окончательное решение этого вопроса может быть получено при рассмотрении остойчивости на больших углах крена.
1. Kolyzaev B. A. Osobennosti proektirovaniya sudov s novymi principami podderzhaniya / B. A. Kolyzaev, A. I. Kosorukov, V. A. Litvinenko, G. I. Popov. L.: Sudostroenie, 1974. 324 s.
2. Smirnov S. A. Suda na vozdushnoy podushke skegovogo tipa / S. A. Smirnov. L.: Sudostroenie, 1983. 216 s.
3. Vaganov A. M. Proektirovanie skorostnyh sudov / A. M. Vaganov. L.: Sudostroenie, 1978. 279 s.
4. Zuev V. A. Nekotorye voprosy proektirovaniya ledokol'nyh pristavok na vozdushnoy podushke / V. A. Zuev, Yu. A. Dvoychenko, S. G. Mohon'ko, G. M. Perelygina, A. V. Savateev // Teoriya i prochnost' ledokol'nogo korablya. Gor'kov. politehn. in-t im. A. A. Zhdanova, 1982. S. 41-48.
5. Yun L. Theory and design air cushion craft / L.Yun, A. Bliault. London: Arnold Publ., 2000. 647 p.
6. Semenov-Tyan'-Shanskiy V. V. Statika i dinamika korablya / V. V. Semenov-Tyan'-Shanskiy // Teoriya plavuchesti, ostoychivosti i spuska. L.: Sudpromgiz, 1960. 576 s.
7. Bronshteyn I. N. Spravochnik po matematike dlya inzhenerov i uchaschihsya vtuzov / I. N. Bronshteyn, K. A. Semendyaev. M.: Nauka, 1980. 975 s.
8. URL: www.nsitek.ru (data obrascheniya: 10.07.2014).
