بخشی از مقاله
چکیده
محاسبات مانور یکی از مهمترین محاسبات هیدرودینامیکی است که برای شناورها انجام می شود. در این مقاله زیردریایی سابوف به عنوان مدل معیار انتخاب گردیده و سپس پنج سطوحکنترلی پاشنه با مساحت و موقعیت طولی یکسان و ضریب منظری متغیر در محدوده 0,6تا 0,8 مدلسازی شدهاست. سپس پایداری هیدرواستاتیکی، ضرایب هیدرودینامیکی و معیار پایداری دینامیکی در نرمافزار تخصصی دریایی پارامرین مورد بررسی قرار گرفتهاست. همچنین مانور دایره چرخش شبیه سازی شده و منحنی مکانزمان زیردریایی برای پنج سطوحکنترلی پاشنه، قطر تاکتیکی و پیشروی طولی و عرضی استخراج گردید.
مقدمه
هیدرودینامیک شناورها از مجموعه رفتار شناور در دریا، شامل: مقاومت و فرم بدنه، پروانه و سیستم رانش، دینامیک حرکت شناور، دریامانی و مانور شناور تشکیل می شود. مانور مجموعهای از قابلیتهای شناور جهت حرکت در مسیر مستقیم، تغییر مسیر حرکت، دور زدن، شتاب گرفتن، ترمزکردن و به عقب حرکت کردن است. شناورهای زیرسطحی دارای مکانیزمهایی جهت کنترل هیدرودینامیکی عمق، بویانسی، جهت گیری و سرعت هستند که شامل: مخازن بالاست اصلی و فرعی، هیدروپلنهای سینه و پاشنه، مکانیزم سیستم رانش و سکان است.[1]
شناورهای زیرسطحی هوشمند یا 1AUVها، رباتهای هوشمندی هستند که برای انجام عملیات مشخص زیرآبی بهکاربرده میشوند. اکتشافات زیرآبی، نقشهبرداری از کف دریا، نمونهبرداری در اعماق، عملیات نجات در زیرآب، تحقیقات زیست محیطی و تصویربرداری از اعماق آب، تنها نمونههایی از کاربردهای این نوع شناورها در زمینههای علمی و تحقیقاتی است که این موضوع اهمیت توجه به این نوع رباتهای دریایی را بیش از پیش نشان میدهد.[2] از این رو شناخت مشخصههای پایداری هیدرودینامیکیAUV و قابلیت مانورپذیری آن می تواند نقش مهمی در چگونگی انجام دادن عملیات این نوع شناورها ایفا کند.
یکی از عناصر کلیدی در عملکرد یک شناور زیرسطحی هوشمند، مانورپذیری و حساسیت آن نسبت به تغییر پارامترهای هیدرودینامیکی است و همچنین ضرایب هیدرودینامیکی به شدت بر روی بازدهی دینامیکی شناورهای زیرسطحی هوشمند تاثیرگذار هستند. شناخت این ویژگیها به طراح سیستم این اجازه را میدهد تا رفتارهای ذاتی وسیله را از هم تمیز دهد. محققان زیادی نیز بر روی این نوع شناورها و مشخصههای هیدرودینامیکی شامل نیروها و ضرایب آنها فعالیت نمودهاند که از آن جمله میتوان به گرتلر 1950، یو اس ای اف 1968، مائدا 1988، اوانز و ناهون 2004، وات و بوهمن 2004 و جاگادیش 22009 اشاره نمود.[3]
به طور کلی میتوان پارامترهای موثر بر رفتار حرکت یک شناور زیرسطحی هوشمند را به دو دسته پارامترهای هندسی و هیدرودینامیکی تقسیم نمود که دسته اول بر دسته دوم نیز تاثیرگذار است. از جمله پارامترهای هندسی میتوان به مقیاسبندی، نسبت طول به قطر3، اندازه سطوحکنترل و موقعیت سطوحکنترل اشاره نمود. از جمله پارامترهای هیدرودینامیکی نیز میتوان جرم اضافی، ضرایب لیفت و درگ، مرکز هیدرودینامیکی بدنه و مرکز فشار سطوح کنترلی را نام برد.
این پارامترها به دو دسته متغیرهای طراحی مستقیم و متغیرهای طراحی غیرمستقیم نیز تقسیم می شوند. که مقادیر متغیرهای طراحی مستقیم به شدت بر متغیرهای طراحی غیرمستقیم تاثیرگذار هستند تا جاییکه بهدست آوردن مقدار مشخصی از متغیر طراحی غیر مستقیم میتواند در انتخاب یک متغیر طراحی مستقیم فاکتور تعیین کننده باشد. خواص یا پارامترهای هندسی شناور زیرسطحی هوشمند، متغیرهای طراحی مستقیم هستند، اما خواص و پارامترهای هیدرودینامیکی آن متغیرهای غیرمستقیم می باشند.
تقسیم این پارامترها به متغیرهای مستقیم و غیرمستقیم در حالت کلیتر به آنالیزهای حساسیت پذیری دو مرحلهای وابسته است. در مرحله اول شامل حساسیت ضرایب هیدرودینامیکی نسبت به تغییرات هندسی - مقیاسبندی، نسبت طول به قطر، اندازه و موقعیت سطوحکنترلی - مشخص و مرحله دوم حساسیت رفتار حرکتی شناور نسبت به تغییرات ضرایب هیدرودینامیکی است.[4,5] در این مقاله مرحله اول حساسیت ضرایب هیدرودینامیکی نسبت به تغییرات ضریب منظری سطوحکنترلی و سپس مرحله دوم به کمک شبیهسازی مانورهای معیار در سرعت معلوم و زوایای سطوحکنترلی معین انجام میگیرد. همچنین مانور انتخاب شده برای اندازهگیری پاسخ وسیله نسبت به تغییر پارامترهای طراحی، تست دایره چرخش میباشد.
مشخصات هندسی مدل معیار
سازمان پروژههای تحقیقات پیشرفته دفاعی آمریکا1 به منظور توسعه روشهایی که بتواند در آینده به طراحی زیردریاییهای پیشرفته کمک نماید، پروژه DARPA SUBOFF را جهت ارزیابی پیشبینیهای مختلف میدان جریان برای یک بدنه متقارن لخت و بدنه متقارن همراه با ملحقات مطرح نمود. بدنه و ضمائم مدل سابوف توسط مرکز تحقیقات دیوید تیلور 2 - DTRC - طراحی شده و دارای ملحقاتی از جمله یک برجک و چهار سطحکنترلی - دو بالک و دو سکان - است.[6] از آنجایی که این فرم بدنه استاندارد بوده و مشخصات و نتایج تستهای آن موجود میباشد، این زیردریایی به عنوان مدل معیار انتخاب گردیده و مشخصات هندسی آن در جدول - 1 - ذکر شدهاست. [7]
پایداری و مانورپذیری زیردریایی سابوف در نرمافزار تخصصی دریایی پارامرین تحلیل میگردد. از آنجایی که نرمافزار پارامرین با مدلهایی در ابعاد بزرگ خروجی مطلوبتری را ارائه میدهد، پارامترهای فرم هندسی بدنه و ملحقات زیردریایی سابوف را با مقیاس =12 مدل نموده و ابعاد جدید بدنه در جدول - 3 - ذکر شدهاست. از آنجایی که سطوحکنترلی کاملاً مشابه هستند و نیز فرم هندسی بدنه زیردریایی مقیاس گردیدهاست، پارامترهای سطوحکنترلی نیز با همان مقیاس بدنه - =12 - مدل شده و پارامترهای مربوطه بهدست آمدهاست. در جدول - 4 - سطوحکنترلی مقیاسشده زیردریایی سابوف، ارائه شده و در شکل - 2 - نمای سطوحکنترلی قابل مشاهدهاست.
