третий канал управления, или начальные этапы разработки системы креновыравнивания торпед.

(проект статьи)   

Торпеды, как таковые, появились в 1876 году.

Первым образцом такого устройства принято считать самоходную мину Уайтхеда.

Известно, что эта торпеда в своем составе содержала систему управления движением торпеды на заранее установленной глубине.

Далее, порядка 20 лет, человечество не могло произвести какие-либо принципиальные улучшения в системе управления этим устройством, пока в 1894 году не был изобретен гироскопический прибор Обри, составивший основу системы управления ходом торпеды по направлению, в горизонтальной плоскости.

После этого, почти 60 лет никаких принципиальных новшеств в системе управления движением торпед не происходило.

За это время произошло несколько глобальных катастроф, называемых мировыми войнами, происходили многочисленные кровопролитные войны с применением торпед в самых широких масштабах, но принцип управления ходом торпед в принципе не изменялся.

В его основе по-прежнему находились две системы управления - система управления ходом торпеды на заданной глубине, и система управления ходом в горизонтальной плоскости по заданному направлению.

Какие-либо новые принципиальные дополнения системы управления не появлялись, поскольку надобности в их появлении не было никакой. Торпеды прекрасно выполняли свои задачи без каких-либо принципиальных усложнений своего управления, даже после создания систем самонаведения, в годы второй мировой войны.

В течение этого времени в конструкцию торпед вносились значительные усовершенствования.

Совершенствовалась энергосиловая установка, были созданы электрические торпеды, торпеды с самонаведением, появились неконтактные взрыватели, кроме надводных и подводных кораблей торпеды стали широко использоваться авиацией, и ряд других моментов, расширяющих эффект применения торпед.

Однако система управления ходом торпеды, как уже было отмечено, в принципе оставалось такой же, какой она была создана к концу ХIХ века.

На рис.1 приведена функциональная схема этой, можно назвать классической, системы управления торпедой.

Р

рис.1.

Классическая система управления торпедой состояла из двух каналов: канала управления вертикальными рулями торпеды, ВР, и канала управления горизонтальными рулями, ГР.

Функциональные схемы, представленные на рис.1., соответствуют, по крайне мере, устройствам во всех отечественных торпедах на начало пятидесятых годов ХХ века.

На рис.1. обозначено:

 

Т – торпеда (точнее, ее корпус);

ПК – прибор курса (гироскопический прибор Обри);

ГА – гидростатический аппарат (прибор управления ходом торпеды по глубине);

РМ – рулевая машинка.

Прямоугольниками с обозначениями внутри, отмечены блоки каналов управления торпедой.

Вместе с рулями и торпедой, каждый канал управления является системой управления: по направлению, и по глубине, соответственно.

Функциональные связи между блоками систем управления обозначены линиями с надписями над ними. Двойные линии между блоками означают механическую связь.

Ψ – угол курса;

θ – угол дифферента;

H – глубина;

SB – перемещение регулируемой тяги вертикальных рулей;

SГ – перемещение регулируемой тяги горизонтальных рулей;

SР - перемещение распределительного золотника пневматической РМ горизонтальных рулей;

МВ – гидродинамический момент поворота торпеды, создаваемый ее вертикальными рулями;

МГ – гидродинамический момент поворота торпеды от горизонтальных рулей.

В 1952 году на одной из торпед, а именно на реактивной твердотопливной авиационной торпеде РАТ-52, был применен третий канал управления – канал стабилизации крена торпеды, или иначе, канал креновыравнивания торпеды.

Торпеда РАТ-52 была разработана в НИИ-2 (ныне ГосНИИАС) под руководством Г.Я.Дилона.

Под углом крена торпеды принимался угол поворота торпеды относительно ее продольной оси.

От системы креновыравнивания в идеале требовалось обеспечение нулевого угла крена, когда совпадают плоскости – вертикальная Земная и плоскость вертикальных стабилизаторов торпеды.

Функциональная схема третьего канала управления и системы креновыравнивания торпеды РАТ-52 приведена на рис.2..

Необходимость создания канала креновыравнивания в торпеде была обусловлена некоторыми особенностями конструкции торпеды и условиями ее использования.

К этим особенностям можно отнести:

вместо обычной винтомоторной конструкции энергосиловой установки, впервые была создана торпеда с твердотопливным реактивным двигателем;

- сброшенная с самолета на высоте от 1500 метров и выше, как обычная авиационная бомба, после приводнения, торпеда была должна продолжать прямолинейное движение на участке 500 – 600 метров на, установленной в самолете, глубине в диапазоне от 2 метров и более, в направлении заданном ей на самолете перед сбрасыванием.

скорость движения реактивной торпеды РАТ-52 намного превосходила скорость обычных винтомоторных торпед и достигала величину около 70 узлов.

Обеспечить, в таких условиях применения, требуемые параметры хода, было возможно только при условиях обеспечения у торпеды угла крена минимальной величины – такой величины, при которой бы исключалось ее выскакивание на поверхность воды после приводнения и в процессе прямолинейного движения.

На рис.2. обозначено:

ЭП – элеронный прибор;

МР РАТ-52 – механизм рассогласования горизонтальных рулей торпеды РАТ-52;

БГА – безынерционный гидростстатический аппарат;

ГРп – горизонтальный руль правый;

ГРл – горизонтальный руль левый;

γ – угол крена;

SК – перемещение регулируемой тяги элеронного прибора;

SГП – перемещение тяги правого горизонтального руля;

SГЛ – перемещение тяги левого горизонтального руля;

Fвн – внешние силы, создающие крен торпеды, γ, и другие отклонения.

 

Рис.2.

Из схемы на рис.2. видно, что горизонтальные рули торпеды, левый и правый, ГРл и ГРп, перекладываются каждый от перемещения своей тяги, SГЛ и SГП.

Перемещение каждой тяги является суммой перекладок:

SГП = SГ +/- SК 

(1)

SГЛ = SГ -/+ SК

Преобразование перемещений тяг перекладки горизонтальных рулей, SГ, и элеронного прибора, SК, в отдельные перемещения тяг правого и левого горизонтального руля, SГП и SГЛ, производится с помощью суммирующего механического устройства, МР РАТ-52, представляющего собой специальную угловую качалку с эксцентриками.

В данном описании системы креновыравнивания позволим себе назвать это устройство механизмом рассогласования горизонтальных рулей торпеды РАТ-52.

Из выражений (1) следует, что перекладка каждого горизонтального руля выполняется на одинаковый для каждого руля угол, δГ, и на добавленную величину, для левого и правого горизонтального руля – (+/- δГК) и (-/+δГК), соответственно.

Такую суммарную перекладку каждого горизонтального руля можно записать в виде следующей формулы:

δ = δГ + |δГК|sign γ                                         (2)

 

Абсолютное значение поворота, |δГК|, каждого горизонтального руля также определяет величину их рассогласования:

|δгр| = 2|δГК|                                    (3)

С учетом знака угла рассогласования горизонтальных рулей торпеды, напишем следующее выражение:

δгр = 2|δГК|sign γ                               (4)

Составляющая, δГ, суммарной перекладки, горизонтальных рулей, δ, является реакцией безынерционного гидростатического аппарата, БГА, на изменение глубины хода торпеды, H, и дифферента, θ.

Термин «безынерционный» подчеркивает, что в конструкции БГА был использован гироскопический датчик дифферента вместо маятника, используемого в конструкции «классического» гидростатического аппарата, ГА.

Перекладки горизонтальных рулей, δГ, создают гидродинамический момент, МГ, воздействующий на торпеду в ее вертикальной плоскости и обеспечивающий требуемое движение на установленной глубине.

Рассогласование горизонтальных рулей, δгр, является реакцией элеронного прибора, ЭП, на угол крена торпеды, γ.

Эта перекладка создает гидродинамический кренящий момент, МК, поворачивающий торпеду относительно ее продольной оси таким образом, чтобы устранить у нее крен, γ.

Конструкторы торпеды РАТ-52 в качестве прототипа торпедного гироскопического элеронного прибора, ЭП, использовали торпедный гироприбор курса, ПК – прибор Обри. Для них это было наиболее естественно и удобно.

Рис.3.

 

На рис.3. приведены, частично, функциональные схемы обоих приборов, откуда видно, как был изменен элеронный прибор торпеды РАТ-52 по сравнению с прибором курса – блоком функциональной схемы классической системы управления торпедой по направлению, показанной на рис.1.

На рис.3. обозначено:

ПУ – программное устройство ПК, представляющее собой шестерню угловой установки, поворачиваемую перед выстрелом торпеды;

ЗР – золотник распределитель подачи сжатого воздуха в одну из полостей поршневой рулевой машинки;

РМ – поршневая рулевая машинка;

ω – угол поворота шестерни угловой установки ПУ, т.е. заданный угол хода торпеды по направлению;

β – сигнал гироскопа, которым является угол поворота торпеды относительно оси наружной рамки трехстепенного гироскопа, в пространстве «неподвижной»;

Ä -

  -  «классическое» суммирующее устройство трехстепенного гироскопического прибора курса, представляющее собой узел «кулак – скоба».

Кулачек жестко связан с осью наружного кольца гироскопического прибора, а его головка, при повороте торпеды на угол β, скользит в прорезях скобы, вызывая ее поворот относительно оси шестерни угловой установки и смещение SР распределительного золотника, ЗР, связанного со скобой.

Таким образом, распределительный золотник перемещается на величину пропорциональную алгебраической сумме двух углов поворота (в пределах, так называемого «угла следности»):

SР = к(ω + β)                                        (5)

Заданным (программным) параметром для системы креновыравнивания является нулевой угол поворота торпеды относительно продольной оси, и поэтому, естественно, программное устройство с его шестерней угловой установки в ЭП не применено. Скоба суммирующего устройства поворачивается относительно оси, закрепленной в корпусе прибора ЭП, жестко связанном с корпусом торпеды.

Таким образом, в элеронном приборе суммирующее устройства «кулак-скоба» превратилось в устройство преобразования углового перемещения β в линейное SР, которое на рисунке обозначено:

«β→SР».

Гироскопический датчик «гироскоп курса» в ЭП был заменен на гироскопический датчик «гироскоп крена», что позволило элеронному прибору воспринимать повороты торпеды относительно своей продольной оси – углы крена, γ.

Каким образом гироскоп курса был превращен в гироскоп крена, видно после рассмотрения схем гироскопических датчиков, приведенных ниже.

На рис.4. приведена схема гироскопического датчика угла курса, Ψ, торпеды.

На рис.5. приведена схема гироскопического датчика крена γ.

. На рисунках обозначено:

X, Y, Z – собственные оси торпеды,

X – продольная ось торпеды;

Y – вертикальная ось торпеды;

Z – поперечная ось, направленная в сторону правого борта.

A, B, C – оси гиросистемы,

A – ось ротора гироскпа, установленная в подшипниках внутреннего кольца;

B – ось внутреннего кольца гироскопа, установленная в подшипниках наружного кольца;

C – ось наружного кольца гироскопа, установленная в подшипниках корпуса прибора, жестко связанного с корпусом торпеды;

 

Рис.4.

β – сигнал, возникающий в процессе хода торпеды в виде угла между наружной рамкой (кольцом) гироскпа и корпусом прибора, жестко закрепленного в торпеде

α - сигнал, возникающий в процессе хода торпеды в виде угла между наружной и внутренней рамками гиросистемы.

 

Рис.5.

.

Перед выстрелом, кольца гиросистемы находятся в заарретированом состоянии. В этом положении оси гиросистемы жестко фиксированны по отношению к корпусу прибора, по отношению к собственным осям торпеды.

Для прибора курса, ПК:

Ось ротора A расположена параллельно продольной оси торпеды X;

Ось внутреннего кольца B параллельна поперечной оси Z;

Ось наружного кольца C параллельна вертикальной оси Y.

Для элеронного прибора, ЭП:

Ось ротора A расположена параллельно вертикальной оси Y;

Ось внутреннего кольца B параллельна поперечной оси Z;

Ось наружного кольца C параллельна продольной оси торпеды X.

Из изложенного ясно, что в качестве гироскпа крена в торпеде РАТ-52 был использован гироскоп курса, повернутый вокруг поперечной оси Z торпеды на 90°.

В качестве элеронного прибора торпеды РАТ-52 был использован прибор курса, после удаления из него механизма угловой установки, и после разворота его на 90° относительно поперечной оси торпеды Z.

Кроме описанной выше системы креновыравнивания на подводном участке траектории, в торпеде осуществлялась также стабилизация крена на воздушном участке траектории, после отделения торпеды от самолета и до момента ее приводнения.

Еще до завершения разработки торпеды РАТ-52, в НИИ-400 в 1950 году под руководством В.А.Калитаева началась разработка торпеды ТАН-53 – авиационной торпеды низкого торпедометания, калибра 53 см.

С 1954 года работа велась под руководством В.А.Поликарпова, а в 1955 году она была прекращена.

Энергосиловая установка этой торпеды в свой состав включала традиционную винтомоторную группу.

Дальность хода этой торпеды должна была составлять до 10 километров, а скорость до 50 узлов.

Торпеда проектировалась бесследной, работающей на топливе «спирт-кислород».

Как и у торпеды РАТ-52 проектировалось, что она будет работать с системой креновыравнивания на воздушном и подводном участках траектории своего движения.

Необходимость активного креновыравнивания для этой торпеды обуславливалась условиями ее использования, подобными условиям на торпеде РАТ-52, а также возможностью применения системы самонаведения, эффективность применения которой снижается с увеличением у торпед крена.

По системе креновыравнивания конструкторы решили использовать опыт разработок торпеды РАТ-52 с максимально-возможным приближением.

Однако применить рассогласование горизонтальных рулей оказалось невозможным, поскольку в кормовом отделении торпеды ТАН-53, с винтомоторной энергосиловой установкой, был невозможно разместить конструкцию механизма рассогласования торпеды РАТ-52, приспособленную для установки в кормовом отделении с размещенным там соплом реактивного двигателя.

Поэтому решили канал управления горизонтальными рулями в торпеде ТАН-53 оставить «классическим», как показано на рис.1., а креновыравнивание в воде обеспечить рассогласованием специальных рулей – элеронов.

Эта же система предназначалась для креновыравнивания торпеды на воздушном участке траектории, только площадъ воздушных элеронов была гораздо больше площади «водяных».

Функциональная схема этой системы креновыравнивания показана на рис.6.

На рисунке 6. обозначено:

Эпр – элерон правый;

Элев – элерон левый;

Р – рычаг первого рода, преобразующий перемещение тяги элеронного прибора, SК, во взаимно противоположные перемещения тяг элеронов, правого и левого.

В результате указанных взаимно противоположных перемещений тяг элеронов возникает угол рассогласования элеронов, δэр, аналогичный углу рассогласования горизонтальных рулей, δгр, (см. формулу (4)).

Предполагалось, что рассогласование элеронов, δэр, аналогично рассогласованию горизонтальных рулей, δгр, будет создавать креновыравнивающий момент торпеды, МК, и устранять появляющийся крен, γ. Однако торпеда на перекладку элеронов в воде совершенно не реагировала, какой бы площади их не устанавливали!

 

 

 

Рис.6.

После некоторых рассуждений решили, что причиной отрицательного результата может являться система подачи воздуха к поршню РМ элеронного прибора (см. рис.3.).

Конструктивная схема используемых рулевых машинок, РМ, применяемых в каналах управления вертикальными рулями и элеронами показана на рис.7.

Рис.7.

В зависимости от положения золотника распределителя сжатого воздуха, ЗР, (см. рис.3.), последний, под давлением, p, подается к поршню, либо в одну, либо в другую, полости рулевой машинки.

При такой схеме работы перекладка поршня происходила с заметным гистерезисом и со сравнительно небольшой скоростью перекладки. В результате движение торпед по направлению выполнялось часто по траектории «змейки».

Для устранения отмеченных недостатков была спроектирована рулевая с дополнительным золотником, распределяющим подачу сжатого воздуха в поршневые полости, непосредственно на самой рулевой машинке, как показано на конструктивной схеме, приведенной на рисунке 8. 

                                                

Рис.8.

В модернизированной РМ сжатый воздух под давлением p, от распределительного золотника, ЗР, элеронного прибора, ЭП, подавался не в поршневые полости рулевой машинки, а с одной из сторон дополнительного золотника, вызывая, тем самым, его перемещение в одну из сторон. Поскольку к этому дополнительному золотнику постоянно подведен сжатый воздух из торпедной воздушной магистрали, то он, при перемещении золотника в одну из сторон, мгновенно поступает к поршню в одну из его полостей.

В свою очередь золотник, установленный на РМ, мгновенно перекладывается при подаче к нему воздуха от распределительного золотника, поскольку на его перемещение требуется значительно меньшее усилие, чем на перекладку поршня рулевой.

После установки в торпеду такой модернизированной РМ, перекладка элеронов стала происходить быстрее и с меньшим временем запаздывания от момента подачи сигнала элеронным прибором, ЭП, но торпеда, по-прежнему, в воде на перекладку элеронов не реагировала.

В 1953 году автор настоящей статьи, будучи молодым специалистом и аспирантом-заочником, проанализировав ход разработок и испытаний системы креновыравнивания торпеды, пришел к выводу, что элероны, установленные снаружи корпуса торпеды на ее кормовом отделении, не могут быть работоспособными в принципе. Причиной такой неработоспособности должен являться пограничный слой жидкости, увлекаемый вместе с торпедой при ее движении. О наличии у торпед такого явления имелась информация в соответствующей технической литературе.

При движении торпеды рули-элероны, расположенные в пограничном слое, не обтекаются встречным потоком жидкости и, поэтому, их повороты не создают подъемную силу на рулях – рули не эффективны.

В то же время, вся практика эксплуатации торпед показывает эффективность перекладок горизонтальных рулей торпеды – следовательно, креновыравнивание торпеды может быть обеспечено только рассогласованием горизонтальных рулей торпеды, или элеронов, расположенных на осях горизонтальных рулей.

Опыт применения торпеды РАТ-52 являлся тому подтверждением.

Однако использование конструктивного принципа рассогласования горизонтальных рулей, как у торпеды РАТ-52, в торпеде ТАН-53 оказывалось делом невозможным. Поэтому автор настоящей статьи, после совещания с другим молодым специалистом, В.С.Лужиным, принял решение о конструировании специального для ТАН-53 суммирующего механизма рассогласования, работающего от рулевой машинки гидростатического аппарата торпеды и от модернизированной рулевой системы креновыравнивания.

Принцип конструкции указанного механизма рассогласования горизонтальных рулей был основан на применении способа перемещения тяг горизонтальных рулей по отдельности, SГП и SГЛ, (см. рис.2.), с помощью устройства «винт-гайка», когда используются «левая» и «правая» резьбы, для перемещения каждой тяги рулей во взаимно противоположных направлениях. Поворот «гайки» каждой тяги производился от поворота единой шестерни, и создавался этот поворот перемещением, SК, штока креновыравнивющей рулевой машинки, рмк.

Совместное перемещение, SГ, обеих тяг горизонтальных рулей производилось от перемещения штока рулевой машинки горизонтальных рулей РМГ.

Чертеж, сконструированного механизма рассогласования, который был назван «шестеренчато-винтовым», в конце 1953 года был предъявлен на рассмотрение главному конструктору торпеды ТАН-53 В.А.Калитаеву, который в тот момент свои полномочия передавал В.А.Поликарпову, и В.А.Калитаев этот чертеж подписал.

Таким образом, схема канала креновыравнивания винтомоторной торпеды ТАН-53, показанная на рисунке 9., в принципе осталась такой же, как у реактивной торпеды РАТ-52, см. рис.2., только конструкция ряда узлов системы изменилась.

 

Рис.9.

Создание гидродинамических моментов, МГ и МК, обеспечивающих движение торпеды на заданной глубине и креновыравнивание, происходят также, как у торпеды РАТ-52, и в соответствии с формулами (1), (2), (3) и (4).

Поскольку в канале управления использовалась релейная рулевая машинка (см. рис.8), то и рассогласование горизонтальных рулей, δр, в торпеде выполнялось по релейному закону управления

Составляющая перекладки горизонтальных рулей δГ, управляющая торпедой в вертикальной плоскости, происходила по линейному закону управления от «следящей» РМГ – рулевой машинки горизонтальных рулей.

При релейном управлении рассогласование, δр, всегда имеет максимальное значение, а знак его определяется знаком крена торпеды.

В 1954 году было изготовлено 5 комплектов устройств МРтан и разработана вся необходимая техническая документация.

Кроме вышеописанного был проработан вариант механизма рассогласования со «следящей» РМК, обеспечивающей линейное управление рассогласованием горизонтальных рулей, δр, подобно линейным перекладкам δГ.

В мае – июне 1955 года изготовленные механизмы рассогласования были установлены в торпеде ТАН-53, которыми было сделано порядка 5 выстрелов.

Все эти испытания были успешными и имели положительный результат.

Таким образом состоялось рождение третьего канала управления торпедами с винтомоторной силовой установкой – канала креновыравнивания.

Однако вскоре в том же 1955 году работы по проектированию торпеды ТАН-53 были прекращены, несмотря на то, что практически все ее системы уже были отработаны.

Однако вся техническая документация по креновыравниванию торпеды ТАН-53 вскоре была использована сотрудниками филиала НИИ-400 в городе Ломоносове при конструировании перекисно-водородной торпеды ДБСТ под руководством В.С.Осипова.

В принципе функциональная схема креновыравнивания этой торпеды полностью соответствует функциональной схеме, приведенной на рисунках 2. и 9.

Единственным серьезным изменением конструкции системы креновыравнивания в торпеде ДБСТ являлась конструкция механизма рассогласования МР.

В торпеде ДБСТ, опытные конструкторы филиала, шестеренчато-винтовой МРтан заменили более простым и надежным устройством, состоящим из каретки с установленным на ней поворотным угловым рычагом. Конструктивная схема этого устройства приведена на рис.10.

 

Рис.10.

Создание гидродинамических моментов, МГ и МК, обеспечивающих движение торпеды на заданной глубине и креновыравнивание, происходят также, как у торпеды РАТ-52, и в соответствии с формулами (1), (2), (3) и (4).

Поскольку в канале управления использовалась релейная рулевая машинка (см. рис.8), то и рассогласование горизонтальных рулей, δр, в торпеде выполнялось по релейному закону управления

Составляющая перекладки горизонтальных рулей δГ, управляющая торпедой в вертикальной плоскости, происходила по линейному закону управления от «следящей» РМГ – рулевой машинки горизонтальных рулей.

При релейном управлении рассогласование, δр, всегда имеет максимальное значение, а знак его определяется знаком крена торпеды.

В 1954 году было изготовлено 5 комплектов устройств МРтан и разработана вся необходимая техническая документация.

Кроме вышеописанного был проработан вариант механизма рассогласования со «следящей» РМК, обеспечивающей линейное управление рассогласованием горизонтальных рулей, δр, подобно линейным перекладкам δГ.

В мае – июне 1955 года изготовленные механизмы рассогласования были установлены в торпеде ТАН-53, которыми было сделано порядка 5 выстрелов.

Все эти испытания были успешными и имели положительный результат.

Таким образом состоялось рождение третьего канала управления торпедами с винтомоторной силовой установкой – канала креновыравнивания.

Однако вскоре в том же 1955 году работы по проектированию торпеды ТАН-53 были прекращены, несмотря на то, что практически все ее системы уже были отработаны.

Однако вся техническая документация по креновыравниванию торпеды ТАН-53 вскоре была использована сотрудниками филиала НИИ-400 в городе Ломоносове при конструировании перекисно-водородной торпеды ДБСТ под руководством В.С.Осипова.

В принципе функциональная схема креновыравнивания этой торпеды полностью соответствует функциональной схеме, приведенной на рисунках 2. и 9.

Единственным серьезным изменением конструкции системы креновыравнивания в торпеде ДБСТ являлась конструкция механизма рассогласования МР.

В торпеде ДБСТ, опытные конструкторы филиала, шестеренчато-винтовой МРтан заменили более простым и надежным устройством, состоящим из каретки с установленным на ней поворотным угловым рычагом. Конструктивная схема этого устройства приведена на рис.10.

Рис.10.

Каретка перемещается поступательно в направлении перемещения штока РМГ – SГ.

Поворотный угловой рычаг поворачивается на оси каретки от перемещения штока РМК в направлении SК.

Тяги правого и левого горизонтальных рулей перемещаются, соответственно, в направлениях SГП и SГЛ.

С 50-тых годов разворачивалось проектирование электроторпед, предназначенных для уничтожения подводного флота противостоящих государств.

При этом все острее вставал вопрос о создании для новых торпед также и приборов управления, обеспечивающих выполнение торпедами вновь поставленных задач, и работающих на основе энергетики, удобной для использования во вновь проектируемых торпедах.

Киевский завод, специализирующийся на разработке торпедных приборов управления и регистрации, ввиду отсутствия опыта, продолжал разработку приборов, использующих традиционную энергетику торпед – сжатый воздух.

В основе всех конструкций, разрабатываемых заводом для системы управления ходом торпеды по направлению, а также для появляющихся систем креновыравнивания, лежало использование пневматического гироприбора Обри с пневматическими рулевыми машинками.

В связи с возрастающими требованиями к тактико-техническим характеристикам торпед, в связи с необходимостью создания противолодочных торпед, возникла проблема реформации торпедных систем управления и регистрации.

Представлялась необходимой разработка электрифицированных приборов, обеспечивающих пространственное маневрирование торпед, при минимальном использовании сжатого воздуха, что киевский завод им. Г.И.Петровского, выполнить в те времена не мог. Поэтому в 1955 году назрела необходимость создания в НИИ-400 специального приборного отдела, №14.

Структура созданного отдела соответствовала структуре системы управления торпедой и состояла из следующих подразделений:

сектор канала управления по направлению во главе с начальником сектора В.А.Калитаевым, в котором была выделена группа по каналу креновыравнивания, во главе (с 1956 года) с автором настоящей статьи (в 1960 году назначен и.о. зам. главного конструктора по проектированию системы управления и регистрации движения мины-ракеты);

сектор канала управления торпедой в вертикальной плоскости, во главе с начальником сектора С.Г.Полеско (через 2 – 3 года его сменил А.Гуревич);

сектор приборов регистрации под руководством Б.П.Шефтеля (в 1961 году его сменил И.Т.Шестопалов);

лаборатория приборов управления и регистрации, под руководством П.М.Трошина (в 1957 году его сменил ктн Р.В.Исаков).

Во главе отдела №14 был поставлен ктн И.Т.Шестопалов.

В секторе управления по направлению в первые годы создания приборного отдела № 14 основной задачей представлялось создание электрического прибора курса взамен пневматического прибора Обри, ибо пневматический прибор курса, ПК, представлял собой комплекс основных блоков канала управления вертикальными рулями торпеды. (См. рис.3.)

Новая для торпедостроения, - система креновыравнивания, создаваемая на торпеде ДБСТ, проектировалась на основе элеронного прибора, ЭП, который был тем же прибором Обри, что и ПК, только повернутым на 90°. (См. рисунки3 и 9).

Таким образом, электрификация прибора курса решала задачу электрификации системы управления бокового движения торпед, включающего управление по направлению и активную стабилизацию крена.

 

Для создания необходимых конструкций приборов в 1956 году в отделе приступили к изучению, передовой по тому времени, техники авиационного приборостроения.

С этой целью специалисты отдела №14 приступили к изучению, появившихся к этому времени, литературных источников информации, для консультации в отдел приглашались преподаватели института авиационного приборостроения, а самым интересным и ценным являлось приобретение нескольких «живых» образцов электрических гиромоторов и регистраторов, используемых в авиации.

Приобретенные образцы авиационной техники тщательно изучались. Анализировалась возможность их непосредственного применения для торпед, а также возможности создания на их основе новых электрифицированных торпедных приборов управления и регистрации.

Наряду с гиромоторами ГМ-07, ГМ-04, и другими, специалисты отдела №14 рассматривали и изучали конструкции авиационных приборов, предназначенных для визуального контроля положения самолета в условиях его «слепого» полета, то есть когда летчик, управляющий самолетом, направление своего полета и горизонтальное положение самолета может определить только по указателям приборов. Этими приборами являлись:

Указатель направления - гирополукопас ГПК-47;

Авиагоризонт бомбардировщика - АГБ;

Авиагоризонт истребителя - АГИ.

Непосредственно использоваться в торпедах эти приборы не могли, поскольку торпеда, в отличие от самолета, являлась изделием автоматическим, и наблюдать за показаниями приборов в торпеде, по этой причине, некому.

Однако многие электрические элементы гиросистем этих приборов нашли применение и в торпедных приборах.

В 1956 году возникла идея применить авиационный регистратор горизонтального положения самолета – авиагоризонт, в качестве основы для создания торпедного креновыравнивающего прибора, взамен используемого в торпедах РАТ-52, ТАН-53, и ДБСТ, элеронного прибора, ЭП.

Авиагоризонты АГБ и АГИ отличались от прибора ЭП, во-первых, тем, что они являлись электромеханическими приборами, не использующими для своей работы сжатый воздух.

Во-вторых, вместо свободного трехстепенного гироскопа чувствительным элементом в авиагоризонтах АГБ и АГИ являлся гирогоризонт на основе жидкостного маятникового переключателя, ЖМП.

Схема гироскопического датчика угла крена на основе свободного трехстепенного гироскопа приведена на рис.5.

На рис.11. приведена схема авиагоризонта АГБ, представляющего собой гирогоризонт на основе ЖМП.

Основное отличие конструкции и принципа работы гирогоризонта от свободного трехстепенного гироскопа состоит в наличии у гирогоризонта элемента ЖМП – жидкостной маятниковый переключатель, и двух датчиков момента, ДМс и ДМв, корректирующих положение колец гиросистемы гирогоризонта.

ЖМП представляет собой электрический переключатель, установленный на внутреннем кольце трехстепенного гироскопического датчика, ВК. В этом переключателе находится капелька токопроводящей жидкости, которая, при отклонении ЖМП от горизонтального положения, замыкает одну из двух пар контактов ЖМП, в результате чего поступает электрический сигнал к ДМс, или к ДМв.

Включение датчиков моментов воздействует на гиросистему таким образом, что ее кольца прецессируют (поворачиваются) так, чтобы ось ротора гироскопа, А, была бы приведена в положение по направлению земной вертикали – вдоль оси Yg.

В этом положении к датчикам моментов ДМс и ДМв сигналы от ЖМП не поступают.

 

Рис.11.

Наружное кольцо (рамка) гиросистемы прибора АГБ на рисунке 11. обозначена – НК.

Если такой авиагоризонт установить в торпеде соориентировав его, как показано на рис.11, то, при поворотах торпеды по углу крена, γ, ( см. также рис.12), изменяется угол между кольцами гиросистемы, α, который может быть использован в системе креновыравнивания.

В приборе АГБ, установленном в самолете, указанное изменение угла между кольцами гиросистемы механически связано с изменением положения силуэта самолета, по которому летчик определяет крен.

Капелька жидкости ЖМП не позволяет гиросистеме прибора отклониться, в силу каких либо причин, от этой самой вертикали места, а если такое отклонение все же произойдет, то от ЖМП мгновенно будет подан электрический сигнал на один из двух коррекционных датчиков момента.

На рис.11 обозначены оси:

X, Y, Z – собственные оси торпеды,

X – продольная ось торпеды;

Y – вертикальная ось торпеды;

Z – поперечная ось, направленная в сторону правого борта.

A, B, C – оси гиросистемы,

A – ось ротора гироскпа, установленная в подшипниках внутреннего кольца ВК;

B – ось внутреннего кольца гироскопа, установленная в подшипниках наружного кольца;

C – ось наружного кольца гироскопа, установленная в подшипниках корпуса прибора, жестко связанного с корпусом торпеды;

Хотя в 1956 году еще не ставилась задача о создании электрифицированной, и вообще какой либо, системы креновыравнивания для какой либо торпеды, использование в перспективе креновыравнивающего прибора на основе авиагоризонта представлялось заманчивым.

Во-первых, для превращения авиагоризонта в торпедный креновыравнивающий прибор требовался минимальный объем переделок авиагоризонта. Основная часть прибора, электромеханическая гиросистема с элементами коррекции, совершенно при этом не изменялась, и никаких ее доработок не требовалось

Во-вторых, использование конструкции авиагоризонта в качестве креновыравнивающего прибора соответствовало решению задачи электрификации торпедных систем управления.

В авиагоризонтах применялся ротор гироскопа – электромотор. Следовательно, поддержка его вращения при движении торпеды обеспечивалась подачей электропитания, без использования воздушного «поддува».

Использование гировертикали позволяло также обойтись без мгновенного запуска ротора посредством подачи к нему сжатого воздуха 200 атмосфер. С начала движения торпеды ротор авиагоризонта успеет набрать обороты и выйти на вертикаль к моментам критическим для крена торпеды.

Учитывая тенденции развития торпедостроения, с большой вероятностью можно было предположить, что в ближайшем будущем, кроме торпеды ДБСТ, начнется проектирование и других торпед калибра 533 мм, на которых такие креновыравнивающие приборы на основе авиагоризонта смогут находить применение.

Вопрос об активной стабилизации крена на малогабаритных торпедах в тот момент еще не ставился – не было прецедента разработки малогабаритных конструкций системы, которые было бы возможно разместить в корпусе торпеды калибра 45см, и меньше.

В-третьих, прибор стабилизации крена (креновыравнивющий прибор), созданный на основе авиагоризонта, гарантировано обеспечит стабилизацию крена торпеды относительно вертикали места использования торпеды, что означает стабилизацию торпеды относительно нулевого значения ее крена. Капелька жидкости в ЖМП не позволяет действовать «уводам» гиросистемы и устраняет влияние начальных дифферентов торпеды на точность креновыравнивания, что не обеспечивалось приборами креновыравнивания, ЭП, применяемыми в созданных системах активной стабилизации крена на торпедах РАТ-52 и ТАН-53, а также на, проектируемой в 1956 году, перекисно-водородной торпеде ДБСТ.

На всех трех упомянутых торпедах в качестве датчика угла крена использовался свободный трехстепенной гироскоп, у которого, как показано на рис.5, ось вращения ротора гироскопа, А, направлена параллельно собственной вертикальной оси торпеды, Y.

Для авиагоризонта, как показано на рис.11, направление оси ротора, А, параллельно направлению вертикали места, Yg.

На рис.12 показано, что при наличии у торпеды крена, γ, и дифферента, θ, вертикальная ось торпеды не совпадает с направлением земной вертикали, что означает, что в случае разарретирования гиросистемы ЭП в положении торпеды, когда она имела начальные углы крена и дифферента, сигнал от креновыравнивающего прибора выдается в систему с ошибкой: начало отсчета угла крена будет смещено на величину начального крена, γ0.

Таким образом, для того, чтобы стабилизация крена торпеды при ее движении выполнялась бы относительно ее нулевого значения, необходимо, чтобы разарретирование гиросистемы креновыраснивающего прибора происходило бы при нулевом крене стреляющего корабля-носителя торпеды, или самолета ее применяющего.

Далее, всем «свободным» трехстепенным гироприборам, и прибору ЭП также, в процессе работы присущи «уводы» гиросистемы. Как бы точно ни было бы выбрано положение носителя торпеды в момент ее применения - в процессе движения торпеды ноль отсчета команд на стабилизацию крена все равно будет изменяться, и нулевым крен у торпеды быть не сможет.

Помимо указанных могут быть и другие факторы влияющих на точность креновыравнивания торпед с элеронным прибором ЭП.

При использовании креновыравнивающего прибора на основе использования авиагоризонта, вышеуказанных ошибок стабилизации угла крена быть не должно, и могут быть уменьшены ограничения на использования торпеды ее носителем, кораблем или самолетом.

В 1956 году в отделе №14 было принято решение изготовить макет креновыравнивающего прибора на основе авиагоризонта в торпедном исполнении и испытать его работоспособность на натурных испытаниях какой-либо торпеды.

Необходимо было проверить и убедиться в работоспособности новой конструкции в торпедных эксплуатационных условиях.

Не было уверенности, что ЖМП, как и любой маятник, реагирующий на всевозможные ускорения, имеющиеся в торпеде, а не только на земное ускорение силы тяжести, вместо креновыравнивания не приведет торпеду к возмущениям по углу крена. То, что в авиации в результате интегрирования сигналов ЖМП при передаче их через гиросистему происходило выделение только полезного сигнала от силы земного притяжения, еще не означало, что также будет происходить и при работе в торпедных условиях.

До сих пор еще никто и никогда не устанавливал в торпедах конструкции приборов управления, или регистрации, с электрическим гиромотором, работающем на переменном токе 40 В, 500 Гц.

Было необходимо продумать и проверить все элементы конструкции торпеды, связанные с применением этой новой, электрической, конструкции.

Естественнее и оперативнее всего эту задачу можно было решить, используя для этого единственную в то время торпеду, на которой была предусмотрена установка системы креновыравнивания, а именно перекисно-водородную торпеду ДБСТ.

В конце 1956 года в Ломоносове была достигнута устная договоренность с главным конструктором этой торпеды В.С.Осиповым: если в следующем 1957 году отдел №14 сможет изготовить задуманный макет в торпедном исполнении, то не исключено, что отделу будет предоставлена возможность, испытать работу нового прибора.

Рис.12

Для такой проверки макета креновыравнивающего прибора на натурных испытаниях, в Крыму намечалось выделить одну торпеду, в которой силами отдела №14 следовало на месте выполнить необходимые, для использования макета, доработки в корпусе торпеды.

Если все получится, как задумано, то главный конструктор В.С.Осипов постарается дать возможность произвести с макетом креновыравнивающего прибора 2 –3 торпедных выстрела, вне программы испытаний.

После такой договоренности отдел №14 приступил к разработке чертежей конструкции макета нового креновыравнивающего прибора, применительно к использованию его с торпедой ДБСТ.

В отделе имелось 2, или 3, гирогоризонта АГБ, и столько же гирогоризонтов АГИ.

После небольшого обсуждения, для создания макета был, на всякий случай, выбран гирогоризонт АГИ, конструктивная схема которого приведена на рис.13. 

                                                                             Рис.13

На рисунке 13 обозначено:

1 – указатель скольжения самолета;

2 – опорные подшипники следящей рамки;

3 – шкала крена самолета;

4 – силуэт самолета;

5 – механизм передвижения силуэта самолета;

6 – включатель отработки перпендикулярности осей гироскопа;

7 – электродвигатель поперечной коррекции;

8 – гиромотор с ЖМП;

9 – электродвигатель отработки следящей рамки;

10 – выключатель коррекции на виражах;

11 – сферическая шкала;

12 – электродвигатель продольной коррекции;

13 – наружная рамка кардана;

14 – следящая рамка;

15 – кулачковая поверхность следящей рамки;

16 – механизм пусковой кнопки.

Устройство гиросистемы у прибора АГИ в точности такое же, как у прибора АГБ, показанное на рис.11.

По сравнению с АГБ, в приборе АГИ добавлена следящая рамка 14, в которой установлены опорные оси наружной рамки карданового подвеса 13, а также элементы следящей системы, обеспечивающей слежение рамки 13 за положением гиромотора 8. Гиромотор 8 представляет собой конструкцию из комбинации внутреннего кольца гиросистемы (см. на рис.11 – ВК) и ее ротора.

Такая конструкция обеспечивает установку следящей рамки 14 в плоскость горизонта, в процессе пространственных маневров самолета, и дает возможность летчику следить за величиной углов крена и дифферента (тангажа) по положению силуэта самолета относительно делений на шкалах прибора.

Силуэт самолета в приборе АГИ связан с корпусом этого прибора, закрепленном на приборной панели, находящейся перед летчиком.

Сферическая шкала 11 связана с кожухом гиромотора 8, а шкала крена 4 со следящей рамкой 13.

При создании макета креновыравнивающего прибора конструкции прибора АГИ был отдано предпочтение по той причине, что съем управляющего сигнала для системы креновыравнивания в приборе АГИ было можно выполнять с оси вращения следящей рамки, 13, вместо съема сигнала с оси поворота внутреннего кольца гиросистемы у прибора АГБ (см. рис. 11). Такая разгрузка гиросистемы для макета креновыравнивающего прибора представлялась целесообразной, поскольку нагружать привод следящей рамки гораздо безопаснее, чем саму гиросистему, и поэтому предстоящие натурные испытания принципа работы гирогоризонта в торпедных условиях будут проведены на более корректном уровне.

Система креновыравнивания торпеды ДБСТ, представленная на рис.9. (с учетом изменения на рис.10), являлась пневмомеханической системой.

Ее силовым органом являлась пневматическая рулевая машинка, РМК, подачей сжатого воздуха в полости цилиндра которой управлял распределительный золотник, ЗР,.элеронного прибора, ЭП, схема которого представлена на рис.3.

Этот золотник притирался в полости распределительного устройства, закрепленного на корпусе элеронного прибора.

Перемещение золотника, SР, осуществлялось посредством пары – «кулак-скоба», (преобразователь «β - SР»), вследствие поворота наружного кольца гироскопа на угол β.

В макете креновыравнивающего прибора на основе гирогоризонта АГИ, следовало на последнем взамен указателя скольжения, силуэта самолета, шкал, и прочих вспомогательных устройств, установить распределительный воздушный золотник, ЗР, с его корпусом, преобразователь «кулак-скоба», обеспечивающий преобразование угла поворота корпуса гирогоризонта, относительно оси вращения следящей рамки, т.е. относительно оси внутреннего кольца гиросистемы «В-В», показанного на рис.12.

В конструкции макета нового креновыравнивающего прибора необходимо было предусмотреть наличие кронштейна-переходника, обеспечивающего установку нового электрического прибора на место установки прежнего, ЭП, работающего от сжатого воздуха, предусмотреть наличие и правильную установку воздушных трубопроводов от распределительного золотника к креновыравнивающей рулевой, возможность подвода необходимого электропитания к гиромотору АГИ, и многое другое.

Функциональная схема системы креновыравнивания торпеды ДБСТ с макетом нового прибора на основе гироверткали (гирогоризонта) АГИ, гв АГИ, представлена на рис. 14.

Разработка чертежей прибора, а также необходимых инструкций, и другой технической документации, заказ, и изготовление приборов в цехах НИИ-400, заняли значительную часть 1957 года.

В конце октября - начале ноября 1957 года, в процессе испытаний торпеды ДБСТ на полигоне поселка Орджоникидзе под Феодосией, В.С.Осипов разрешил одну из своих торпед переоборудовать под установку макета нового креновыравнивающего прибора на основе гирогоризонта, с тем, чтобы в начале декабря произвести с ним пробное натурное испытание.

Основной задачей этого испытания торпеды оставалась задача, предусмотренная планом и графиком проведения испытаний торпеды ДБСТ, но при этом была разрешена установка в торпеде нового макета креновыравнивающего прибора вместо серийного элеронного прибора, ЭП, поставляемого заводом № 308.

Рис. 14.

При этом главный конструктор торпеды ДБСТ шел на риск, но он доверял В.А. Калитаеву, гарантирующему работоспособность нового прибора.

Для переоборудования торпеды под установку нового прибора отводился срок, в который было необходимо уложиться, чтобы это испытание не сорвалось. В случае невыполнения работы в заданное время, испытание торпеды с новым креновыравнивающим прибором откладывалось на неопределенное время. Нужно было постараться эту работу по переоборудованию торпеды к заданному сроку выполнить, ибо другого удобного случая для таких испытаний можно было ждать очень долго.

Около месяца, по тут же составляемым в карандаше эскизам, в цеху подготовки торпеды к испытаниям, производилось изготовление необходимых деталей и узлов. Собранные из этих узлов и деталей системы испытывались, при необходимости, гидравлическим и воздушным давлениями и устанавливались в торпеду. Туда же устанавливались требуемые источники электрического питания, и другое необходимое оборудование.

Впервые в истории в торпеду был установлен гироприбор с электрическим ротором, прибор - не требующий для своей работы использования сжатого воздуха.

Впервые в истории в торпеду был установлен креновыравнивающий прибор на основе гировертикали.

Наконец наступил момент, когда торпеда, подготовленная к прокачке с новой опытной системой креновыравнивания, была поставлена на козлы.

Это произошло уже поздно вечером, и прокачка торпеды была назначена на следующее утро. Сразу же после успешной прокачки, в чем сомнений не было, торпеду должны были забирать для заправки топливом и окончательной подготовки к выстрелу. С тем, чтобы в тот же день произвести натурное испытание.

Утром, посмотреть на прокачку явился главный конструктор, и еще много ответственного народа, однако вместо креновыравнивания собравшейся публике было показано «кренообразование»!

Такого эффекта в истории торпедостроения действительно еще не наблюдалось!

При повороте торпеды на какой либо угол, γ, ее горизонтальные рули рассогласовывались, (δр), таким образом, что этот угол, γ, в море должен был увеличиваться еще больше, вместо устранения!

Эффект первой прокачки торпеды с новым прибором был безнадежно испорчен, однако В.А.Калитаев еще надеялся на возможность быстрого исправления дефекта, для чего требовалось изменить воздухораспределение на рулевую машинку, РМК, но это оказалось не таким простым делом.

Намеченное испытание торпеды пришлось отложить, причем главный конструктор был согласен не более чем на один день отсрочки.

С большим трудом было найдено решение задачи, и на следующий день испытание торпеды ДБСТ, с макетом креновыравнивающего прибора на основе гировертикали и с электрическим ротором гироскопа, все же состоялось.

Результат испытаний был положительный. После этого было сделано еще два – три подобных выстрела, и все они принесли успех.

Успех проведенных испытаний решил судьбу системы креновыравнивания для торпед калибра 53 см., и выше.

В 1958 году отдел №14 приступил к разработке конструкции системы креновыравнивания для перекисноводородной торпеды ССТ, с максимальной электрификацией этой системы.

Исполнение этой системы креновыравнивания было задумано на основе авиагоризонта АГБ (см. рис.11) и электромеханической «следящей» рулевой машинки (рис.15), управляющей рассогласованием горизонтальных рулей посредством использования механизма рассогласования торпеды ДБСТ

В пользу выбора прибора АГБ были приняты соображения о том, что надежность креновыравнивающего прибора увеличится за счет упрощения его конструкции без следящей рамки авиагоризонта АГИ.

В качестве электромеханической «следящей» рулевой машинки была использована конструкция, схема которой приведена на рис. 15.

 

                                                                                               Рис. 15.

По такой схеме в 1957 году рулевые машинки проектировались как в секторе канала управления боковым движением торпеды, так и в секторе приборов управления движением торпеды в вертикальной плоскости.

Аналогом для проектирования этой РМК являлись РМ, представленная на рис.8., и ниже, на рис.23.

В зависимости от сигнала на контактах р1/1, р1/2, асинхронного двухфазного электродвигателя типа ДИД его вал начинал вращение с угловой скоростью, Ω, в одном из направлений вместе с червячным колесом, жестко на нем закрепленным. Вместе с ним начинала поворачиваться червячная шестерня, представляющая собой «гайку» червячной пары «винт-гайка».

В результате происходило поступательное перемещение «винта»,s, жестко связанного с золотником рулевой машинки, РМК.

Золотник рулевой, перемещаясь, открывал доступ воздуха под давлением p, (кГ/смІ), в одну из полостей цилиндра рулевой машинки, вследствие чего поступательно перемещался поршень рулевой на величину SК, вместе с закрепленным на его штоке движком потенциометра.

Электрический сигнал, напряжение постоянного тока Uпр, снимаемое с движка потенциометра рулевой машинки, Прмк, подавалось в электросхему торпеды, где использовалось для формирования сигналов управления на контактах р1/1 и р1/2 РМК.

Для этого использовалась схема релейно-потенциометрической следящей системы, представленная на рисунке16.

 

Рис.16

Электрическое сопротивление потенциометра рулевой креновыравнивающей машинки, Прмк, вместе с сопротивлением потенциометра, Пквп, устанавливаемого согласно рисунку 17 на наружной рамке, НК, гиросистемы прибора АГБ (см. рис.11), образуют электрический мост, в диагональ которого, между движками потенциометров, включено электромагнитное реле р1.

Движок потенциометра Пквп жестко связан с внутренней рамкой, ВК, гиросистемы гировертикали, и поэтому, в процессе работы устанавливается по вертикали места, Yg

При возникновении у торпеды крена, γ, наружное кольцо гиросистемы поворачивается относительно внутреннего на угол α, равный углу крена γ, и с движка потенциометра Пквп снимается постоянное напряжение Uпк, которое на реле р1 сравнивается с напряжением Uпр, снимаемым с движка потенциометра, Прмк, рулевой машинки.

.

Рис.17

Функциональная схема разработанной системы креновыравнивания с электрической гировертикалью, с