Плавниковый движитель (ПД)

Плавниковый движитель (ПД)

д.т.н., инженер кораблестроитель Е. Арановский.

НТА «Экологический императив»

Многочисленными авторами предлагались и патентовались разные конструкции технических средств, которые предназначались для надводного и подводного плавания и в которых используется плавник. Простейшие из них – это ласты и моноласты.

Однако технические характеристики всех предлагаемых средств по сравнению с аналогичными характеристиками гидробиотов остаются весьма низкими.

Можно выделить два фактора, обуславливающих низкие показатели предложенных ранее плавниковых движителей и ограничивающих их применение.

1. Малое количество мышц человека, участвующих в локомоторном акте, по сравнению с гидробиотами, что определяет повышенные требования к физическим возможностям пловца и, соответственно, ограничивает как продолжительность плавания, так и круг пользователей.

2. Необходимость длительных тренировок для обеспечения приемлемого угла атаки ПД по отношению к направлению набегающего потока. Это возможно лишь при малых амплитудах поперечных колебаний точки вращения плавника из-за постоянной его жесткости на изгиб (см. далее рис 2 и 3). Малые амплитуды колебаний обуславливают необходимость в повышенной их частоте, для обеспечения расхода воды (масса в единицу времени), отбрасываемой для преодоления гидравлического сопротивления. Повышенная частота колебаний около 1/сек против 0,5/сек, естественной для человека, существенно влияет на утомляемость пловца.

Ниже приводятся некоторые результаты исследований, позволивших в определённой мере уменьшить влияние названных факторов и приблизить характеристики системы «Пловец-ПД» к характеристикам гидробионтов, а именно:

а) Ощутимо снизить требования к физическим возможностям пловца, путем вовлечения в работу большего количества мышц, участвующих в локомоторном акте за счёт введения специального привода ПД.

б) Полностью ликвидировать потребность в тренировках, за счёт того, что обеспечивается оптимальный угол атаки плавника в пределах всего размаха стебля при любых его амплитудах, при естественной для человека частоте колебаний 0,5 сек^-1 без участия пловца за счёт специального механизма.

Схемы использования плавниковых движителей представлены на рис. 1-3.

Испытания натурных экспериментальных образцов предлагаемых ПД, оснащенных названным приводом и специальным механизмом, проводились на Черном море. Испытания ПД для пловца в надводном положении проводились также в Израиле.

Основные результаты испытаний представлены в таблице 1. Схема основных геометрических параметров, названных в таблице, даны на рис. 4 (а) и (в)

Основные параметры и гидродинамические критерии,

предлагаемых ПД, и гидробиота (дельфина Афалина).

Таблица

№№	Наименование показателей	Обоз- наче- ние	Еди- ница изме-рения	Система «Шлюпка -ПД» Рис.1	Система «Пловец-ПД» Рис.2	Дельфин Афелина
№№	Наименование показателей	Обоз- наче- ние	Еди- ница изме-рения	Система «Шлюпка -ПД» Рис.1	Система «Пловец-ПД» Рис.2	Пока- затели	Источ- ник
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Отношение размаха плавника (ℓ ) к характерной длине гидробионта или к длине системы (L)	ℓ / L	-	0,18	0,33	0,23-0,24	[1], Табл.3
2	Площадь плавника	S	м²	0,2	0,2	0.2	[1] , Рис.12
3	Относительное удлинение плавника	λ	-	3,2	3,2	3,5-4	[2] , Рис. 33
4	Отношение размаха точки вращения плавника A₀ к характерной длине L	A₀/ L	-	0,3	0,38	0,1-0,35	[2] , стр. 196
5	Частота колебаний плавника	n	1/сек	0,47	0,67	0,5-4	[2] , стр 196
6	Угол атаки между хордой плавника и вектором скорости (см. рис.4).	α⁰	-	15	18	5-20	[1] , стр.45
7	Скорость движения	u₀	м/сек	1,33	1,05	1-3	[3] , Табл.4.1
8	Критерий Рейнольдса Re= u₀*L/ν	Re*10^-6	-	2,15	3,32	3-6,3	[1] , Табл.3
9	Критерий Струхаля, Sh= v₀ / 2u₀ (см. рис.4).	2*Sh	-	0,88	0,6	0,87	[2] , стр.89
10	Относительная масса системы управления углом атаки плавника (мозг гидро-биота или *специальный* механизм) в % от общей массы системы.	m₁	%	1	~1,5	0,7-2,5	[1] , Табл.2
11	Относительная масса плавника в % от общей массы системы	m₂	%	0,5	1	0.9-1.5	[1], Табл.2

Примечания:

1. Дополнительные обозначения и пояснения на рис. 4

2. В таблице приведены данные при скорости движения 1-1,33 м/с, соответствующей средней скорости подводных пловцов (не рекордсменов) и малых подводных аппаратов ]3, 4], т. е. для случая, представляющего наибольший практический интерес (Поскольку при больших скоростях существенно возрастает гидравлическое сопротивление из-за неизмеримо худшего по сравнению с гидробиотами обтекания тела пловца). [3, стр. 103]

Испытания ПД для надводного судна (Рис. 1) проводились для определения соотношений параметров между скоростью, мощностью, частотой, углом атаки плавника.

Испытания ПД для пловца проводились только в надводном плавании из-за отсутствия снаряжения (Рис.2).

Испытания проводились на скоростях движения 1-1,33 м/с, которые представляют наибольший практический интерес. (При больших скоростях резко возрастает коэффициент гидравлического сопротивления для пловца, в отличие от коэффициента гидравлического сопротивления для гидробиотов [3 стр. 103]

Заключение

1. Представленные сведения о плавниковом движителе основываются на многолетних разработках, выполненных непосредственно автором данного предложения, и на имеющихся в его распоряжении моделях и материалах натурных испытаний.

2. Испытания подтвердили полное соответствие геометрических характеристик систем, представленных на рис. 1 и 2 аналогичным характеристикам гидробионта (строки 1-4 таблицы)

3. Величина кпд систем (около 60%), полученная в результате эксперимента, подтверждается близким соответствием параметров систем в гидробиотах ( строки 5-9 таблицы).

4. Дальнейшее приближение кпд систем к кпд гидробиота, который более 90%, возможно только после кардинального снижения удельного сопротивления систем и, следовательно, приближения величины α к нижнему пределу, т.е. к 5%. Например, при применения ПД для малых подводных аппаратов с хорошей обтекаемостью.

5. Относительный вес системы управления (фазовый механизм) соответствует аналогичному показателю гидробиота. То же относится к массе плавника (строки 10-11).

6. В процессе морских испытаний в районе Хайфы образцов ПД для одиночного пловца, подтвердились, как их высокие технические характеристики, так и то, что не требуется тренировки плаца. Достаточно 10 минутного инструктажа для полного освоения аппарата.

7. Система ПД-ФМ для надводного судна (Рис.1) , имеющаяся у разработчиков аппарата, после привязки к конкретной шлюпке длиной ~ 3-3,5 м может быть использована в качестве испытательной системы для отработки и совершенствования подводных и надводных аппаратов.

8. Система ПД-СФ для одиночных пловцов (Рис. 2и 3) может быть предъявлена и компетентной комиссии и испытана.

9. Предлагаемый плавниковый движитель обеспечит надводному или подводному пловцу или аппарату возможность преодолевать значительные расстояния при минимальных затратах энергии, а в особых случаях исключить возможность обнаружения движущегося под водой объекта известными способами.

10. Предлагаемый плавниковый движитель может быть использован для подводного или надводного перемещение пловцов любителей (любого возраста) или спортсменов -профессионалов, а также транспортировка различных объектов для выполнения подводных работ различного назначения, таких как обследования водных сооружений, археологические исследования и т.п.

11. Для массового производства и распространения предлагаемого плавникового движителя требуется:

а) Подача заявки на патентование, б) Изготовление второго опытного образца (в течение нескольких месяцев); в) Приемные испытания опытного образца; г) Изготовление рабочей документации непосредственно на ПД и на оснастку для штамповки отдельных деталей;

д) изготовление опытной партии; е) Рекламирование ПД в действии непосредственно в плавательных бассейнах , на пляжах и др. известными средствами.

Ориентировочно для плавникового движителя с мускульным приводом ( Рис.1 приложения ) требуется финансирование в объеме 40 тыс. шекелей на первый экземпляр и 100- 200 тыс. шекелей на серию в 10 -20 аппаратов.

Предлагаемый плавниковый движитель может быть запатентована совместно с инвестором или производителем.

12. Кроме названного автора данной статьи в разработке и изготовлении аппарата принимали участия инженеры кораблестроители Сергей Арановский и Дмитрий Арановский

13.

14. Заинтересованным лицам может быть направлен информационный листок с дополнительными сведениями.

Литература к разделу 2.

1. Першин С. В. Основы гидробионики. Ленинград. «Судостроение». 1988 г.

2. Козлов Л. Ф. Теоретическая биогидродинамика. Киев. «Вища школа». 1983 г.

3. Оноприенко Б. И. Биомеханика плавания. Киев. «Здоровье». 1981 г.

4. Дмитриев А. Н. Проектирование подводных аппаратов. Ленинград. «Судостроение». 1978 г.