Балластные цистрены для моделей подводных лодок


ресурсы погружение редуктор ТА торпеды электроника статьи галерея качать декали книги

Расположение балластных цистерн:
Самое распространенная компоновка балластной системы, это одиночная балластная цистерна большого объема в центре тяжести модели в пределах корпуса субмарины. Обычно для этой компоновки используют газовую балластную цистерну или вариант с водяной помпой. Некоторые модели оборудованы двумя балластными цистернами, расположенными по концам корпуса. Иногда, в сегодняшних моделях субмарин используют - большую центральную балластную цистерну (как правило, газовую) с поршневыми цистернами, разнесенными по концам корпуса лодки. Эта концепция имеет определенные преимущества, которые можно рассматривать как существенные. Большая центральная цистерна позволяет лодке погрузится почти полностью. Малые поршневые цистерны позволяют очень точно отрегулировать плавучесть и дифферент лодки на нужной глубине.
Хочу обратить ваше внимание, что устанавливать две балластные цистерны на субмарину имеет смысл только, если они полностью идентичны и могут управляться пропорционально. То есть возможность использовать балластные цистерны подобно сервомоторам, тогда это позволит модели легко поддерживать некоторую глубину, в противном случае велика вероятность того, что цистерны будут заполняться по разному и возникнет дифферент на корму или нос лодки. Как я знаю в настоящее время серийно поршневые цистерны производит только фирма Engel.
Попробую объяснить с помощью рисунков и схем принцип действия различных типов балластных систем для тех кто захочет строить R/C субмарины самостоятельно.

Общее правило при постройке балластных цистерн:
  1. Балластная цистерна может быть сделана из любого материала, способного противостоять давлению воды.
  2. Цистерна должна быть размещена в центре центра тяжести модели и как можно ниже ватерлинии.
  3. Объем балластной цистерны должен быть не меньше общего объема всех частей лодки выше ватерлинии.
Если Вы сомневаетесь или не можете определить необходимый объем цистерны, проведите эксперимент в ванне или бассейне – и опытным путем установите этот объем.
Если Вы планируете использовать воздух или газ, в качестве системы всплытия, резервуар цистерны должен быть более прочными, поскольку при продувке цистерны, стенки балластной цистерны должны будут противостоять высокому давлению воздуха, такому же, как в резервуаре для воздуха (даже если это - только в течение очень короткого времени). Если вы выбрали метод продувки цистерны газом или воздухом, то оптимальная по форме балластная цистерна - коротка и высокая. Если взять длинный тип резервуара, то в частично заполненной балластной цистерне, вода будет хлюпать вперед назад, и это нарушит центровку субмарины. Я видел как лодка, сбросив скорость, тут же нырнула носом в глубину бассейна, из-за сместившейся к носу воды в балластной цистерне.
Таким образом, почти невозможно будет сохранить контроль над моделью подводой лодки. Если вы вынуждены все же установить длинную балластную цистерну, то лучше установить разделительные стенки с большими отверстиями, как в конструкции топливного бака в машине (которые предотвращают топливо от пенообразования) и/или установить Поршневой тип балластной системы.
При проектировании внутреннего размещения оборудования и систем на борту лодки или внутри WTC (водонепроницаемый цилиндр) важно разместить балластную цистерну и тяжелые элементы например, батарею, как можно ниже.
Балластная цистерна, продуваемая газом, должна быть оборудована на дне шпигатами, чтобы обеспечить возможность воде быстро заполнить или освобождать цистерну. Для резервуара объемом в 1Л будет достаточно 2-3 отверстия диаметром 15-20мм. Всегда лучше сделать несколько больших отверстий, чем много маленьких. Если шпигаты будут маленькими, то при продувке цистерны стенки цистерны будут испытывать повышенное давление пока вода будет покидать цистерну.
В некоторых конструкциях вместо ряда шпигатов, устанавливают вентили, которые закрываются после того, как необходимое количество воды поступило в цистерну. Даже при том, что это - более сложная конструкция, она имеет несколько преимуществ, по сравнению со стандартным вариантом. Вентили противодействуют главной проблеме, газ или воздух в не полностью затопленной балластной цистерне сжимается. Как пример, вообразите, вы в настоящее время управляете подводной лодкой на перископной глубине, подводная лодка все еще имеет небольшой запас плавучести. Теперь мы погружаемся на глубину 2м. На этой глубине давление воды выше, и воздух оставшийся в балластной цистерне сжимается и большее количество воды начинает поступать в цистерну, потому что шпигаты на дне резервуара открыты. Вода на глубине создает большее давление и начинает поступать через открытые шпигаты в цистерну, лодка тяжелеет и погружается глубже, остатки плавучести могут быть потеряны и лодка может провалится на глубже, а там как повезет. Это основная причина, почему некоторые моделисты устанавливают вентили на дне лодки. Однако, если маленькие поршневые резервуары установлены на концах лодки, то проблеме сжатия и провала лодки можно противодействовать с их помощью.
Если вы планируете запускать лодку в открытом водоеме, то лучше шпигаты цистерны оборудовать сеточками или фильтрами, чтобы предотвратить попадание больших частиц грязи или ила. Это - особенно важно для конструкций поршневых резервуаров, поскольку они всасывают воду в цилиндр, и грязь может повредить полированную поверхность цилиндра. Как их зделать можно почитать здесь.
Далее поговорим о типах балластных цистерн подробно.

ТИПЫ БАЛЛАСТНЫХ ЦИСТЕРН

Поршневая балластная цистерна
Этот тип балластной цистерны главным образом распространен в Европе. Поршневые системы основаны на принципе работы шприца, который уже существует с 1850г. Поршневая цистерна дает возможность моделям субмарин использовать статический метод погружения глубиной до 10 метров. Как и любой тип балластных цистерн эта имеет как свои плюсы, так и минусы.
    Плюсы:
  • Это наиболее точная система, поскольку легко позволяет достигнуть состояния парения лодки подводой, и исключает возможность провала лодки в глубину из-за сжатия воздуха внутри цистерны. Если цистерна оборудована встроенным потенциометром, то это позволяют определить количество принятой воды, что позволяет задавать точную глубину погружения лодки.
  • При погружении воздух из цистерны попадает в «сухой» корпус лодки (WTC), и создает избыточное давление. Некоторые моделисты считают это недостатком, я же считаю это плюсом, поскольку при погружении давление внутри корпуса выше, чем с наружи и этот факт препятствует появлению воды в корпусе.
  • Нет необходимости часто доставать лодку для перезарядки как при использовании систем со сжатым воздухом (ВВД). Лодка может плавать, пока не сядут батареи балластной цистерны. В целях безопасности, советую использовать отдельные аккумуляторы для БЦ.
    Минусы:
  • При заполнении поршневой балластной системы возникает смещение центра тяжести лодки, поэтому поршневую цистерну лучше использовать попарно, чтобы компенсировать смещение Ц.Т. Правда я на своей лодке использовал одну цистерну и компенсировал смещение путем установки пенопласта в корпусе выше В.Л.
  • Требует наличие серьезной электроники по управлению балластной системой, хотя в примитиве можно управлять и с помощью рулевой машинки и двух контактных выключателей.
  • Всплытие (живучесть лодки) полностью зависит от батареи. Эл. моторы достаточно много будут потреблять энергии и создают дополнительные помехи для приемника.
  • При заполни Б.Ц. возникает избыточное давление внутри сухого корпуса, которое необходимо учитывать при проектировании лодки или WTC.
  • При размещении резервуара в корпусе лодки, необходимо зарезервировать место для выдвигающегося штока поршня, что часто является проблемой.
  • Необходимо ставить входной фильтр на входе забортной воды, чтобы исключить повреждение камушками и песком внутренней поверхности цистерны, или запускать лодку в бассейне. (Кстати, запуск лодки в бассейне намного эффектнее, чем в мутном пруду.)
Поршневой резервуар состоит из цилиндра, поршня, стержня поршня с резьбой, двигателя с редуктором и концевых выключателей. Принцип работы аналогичен работе медицинского шприца, чей объем изменяется в зависимости от длины цилиндра и диаметра. Поршень, перемещаясь в цилиндре, принимает забортную воду, вес лодки увеличивается и лодка погружается. Поршневая система должна устанавливаться внутри WTC или «сухого корпус» лодки. Поршневые резервуары требуют хорошей изоляции и гладкой поверхности внутри цилиндра. Цельнотянутые алюминиевые трубы лучше всего подходят для этой цели. Поршневая цистерна требует к себе большего внимания, необходимо проверять внутреннюю часть цилиндра на наличие больших царапин и задирав от камней, смазывать консистентной смазкой внутренние части.
Ниже показаны внутренние части поршневого резервуара. Поршень в настоящее время перемещается для приема воды. Воздух сзади поршня выдавливается в «сухой» корпус лодки или WTC. Вода всасывается, пока шток не нажмет концевой выключатель который остановит двигатель.

Поршневые балластные системы рекомендуется использовать только для маленьких или средних моделей субмарин с объемом плавучести до 2Л. Но может находить полезное применение как элемент балластной системы в любой субмарине независимо от размера. Большие подводные лодки требуют большего резервуара, и поэтому слишком большое давление внутри лодки может разрушить корпус WTC или лодки. Необходимо рассчитывать приблизительное давление внутри корпуса при погружении. Я рекомендую, чтобы свободный объем WTC был вдвое больше объема поршневой системы. Так же корпус лодки должен быть достаточно крепким, чтобы противостоять большому внутреннему давлению воздуха. Необходимо предусмотреть, что шток поршня с резьбовой требует для работы достаточно места в корпусе и самое главное, двигатель в поршневой системе должен быть достаточно мощным, чтобы перемещать поршень под водой. Однако это может быть решено с помощью редуктора с оптимальным передаточным числом, но это увеличит время движения поршня и как следствие, время всплытия и погружения лодки.
Использование цистерн большего объема, дает высокий уровень плавучести, которая, между прочим, дает большое преимущество модели. Например, вырвать себя собственной силой, если она запуталась подводой. Кроме того, большой запас плавучести также позволяет установить дополнительные устройства например, торпеды, ракеты, систему подъема перископа или выдвижные рули или подводную камеру.

Поршневые Резервуары от Engel Самодельная поршневая цистерна

Поршневые Резервуары различных объемов доступны от Engel из Германии, но могут также быть легко сделаны самим при наличии токарного станка. Чертежи для самостоятельного изготовления поршневой цистерны и подробное описания сборки можно найти здесь.

ГАЗОВЫЕ БАЛЛАСТНЫЕ СИСТЕМЫ

Принцип работы этого типа балластных цистерн очень схож с работой балластной цистерны на реальных лодках. Подводные лодки открывают кингстоны балластной цистерны, чтобы заполнить их морской водой. Вода поступает в цистерну, воздух сбрасывается наружу, лодка погружается. Чтобы всплыть, вода из цистерн выдавливается сжатым воздухом под высоким давлением (от 300 до 400 кг/cm2). Объем лодки увеличивается, и лодка всплывает на поверхность.
Модели подводных лодок могут быть сделаны, и функционировать аналогичным способом. Из-за своей простоты эта система очень популярна у моделистов в США, Канаде и Австралии.
Обычно для постройки используется один центральный корпус WTC, сделанный из PVC, плексигласа или поликарбоната (Lexan). Корпус балластной цистерны является неотъемлемой частью WTC. Внизу цистерны должны быть отверстия приблизительно 10-20 мм в диаметре, чтобы вода легко поступала в цистерну и покидала ее. Наверху резервуара имеется вентиль, который дает возможность воздуху выйти из резервуара при погружении, поскольку вода входит через нижние отверстия резервуара и сжимает воздух. Таким образом, субмарина теряет плавучесть и погружается.

Это пример компоновки WTC с газовой балластной системой от Davida Marimana. Дэвид производит WTC различных размеров диаметром 2; 2,5; 3; и 3,5 дюйма.

Чтобы всплыть на поверхность, газ высокого давления подается в резервуар. Он "выдавливаете" воду из цистерны через шпигаты. Объем субмарины увеличивается и лодка всплывает на поверхность.
Моделисты в Америке обычно для работы используют газ - (Tetrafluorethane), который используется для работы с аэрографом. Баллончики с газом продаются в магазинах хобби в маленьких банках, заполненных под давлением 7 атм. Некоторые моделисты используют баллончики с углекислым газом под высоким давлением (67 кг/см2). Работа с таким давлением требует профессионального обращения. Я не рекомендую работать с таким давлением, ЭТО ОЧЕНЬ ОПАСНО! Вот фото лодки после взрыва такого баллончика, такое ощущение, что в лодку попала торпеда, разрушения колоссальные!
Я использовал обычный воздух, закачивая его в газовый баллончик с помощью автомобильного насоса до 5-7 атм.
Данная система тоже имеет свои плюсы и минусы:
    Плюсы:
  • Простота работы конструкции. Работой цистерны управляет одна рулевая машинка.
  • Компактность исполнения.
  • Лодка почти не зависит от заряда батареи. Даже если мотор уже не тянет, то для управления servo, энергии, как правило хватает.
  • При погружении дифферент лодки не меняется, да и размещая WTC легко отдифферентовать лодку.
    Минусы:
  • Необходимо часто доставать лодку для перезарядки баллончика с газом. Одной зарядки газом хватает на 3-4 всплытия.
  • Необходимо контролировать количество воздуха в баллоне для продувки цистерны, иначе лодка может не всплыть.
  • Скорость всплытия лодки зависит от давления воздуха или газа в баллоне.
Принцип работы БЦ для модели легко понять на примере рисунка.
Для погружения серво поворачивает эксцентрик. Он поднимает клапан, воздух выходит из цистерны и вода поступает в резервуар. Для всплытия серво поворачивает эксцентрик в другую сторону. Он нажимает на ниппель, воздух (или газ) высокого давления выходит в цистерну и выдавливает воду.
Внимание: резервуар, не должен заполняться водой полностью. Необходимо, чтобы 1/3 объема резервуара были свободными, это позволит при продувке цистерны избежать большого давления на корпус резервуара.
Пример исполнения механизма управления газовой балластной цистерны Емкости для воздуха высокого давления Это фото показывает сервомотор, который приводит в действие кулачок

Баллончик для воздуха можно сделать из толстостенной медной или латунной трубки. Два конца трубки запаиваются листами толщиной не менее 1мм. Этот резервуар будет держаться давление до 7 атм. Резервуар заполняется с помощью вентиля от автомобильной шины, соединенным непосредственно с воздушным шлангом высокого давления. На конце шланга установите ниппель. Другой ниппель установите на корпусе резервуара для воздуха. Этот вентиль может быть легко сделан, следующим образом; если Вы работаете на токарном станке, или Вы можете работать с Dremel. Срежьте верхушку корпуса ниппеля так, чтобы игла клапана была выше. Перед запайкой ниппеля необходимо его разобрать, иначе спалите резиновые прокладки. Пред установкой баллончика в цистерну, я рекомендую провести несколько испытаний в ванне, поскольку они покажут любые утечки воздуха.
Управление вентилями реализовано через кулачок, приводимый в действие сервомотором позади цистерны в водонепроницаемом отделении. Эта системная функционирует бес сбоев, единственная хитрость, это форма кулачка, чтобы в различных режимах обеспечить надежное открытие и закрытие верхнего клапана и ниппеля. Необходимо провести испытания и подобрать форму кулачка для своей собственной конструкции цистерны.
Готовые WTC с газовой системой предлагает Давид Мэрриман.

ГАЗОВЫЕ БАЛЛАСТНЫЕ СИСТЕМЫ С ВОЗДУЩНЫМ КОМПРЕССОРОМ

Принцип работы данной балластной системы схож с описанной выше газовой системы, Только эта система, скажем более продвинутая, и по своему принципу работы эта система еще ближе стоит к реальным субмаринам. Воздушный компрессор небольшого размера устанавливается внутри «сухого корпуса» для перезарядки емкости со сжатым воздухом для продувки цистерны. Компрессоры, которые используют моделисты для данной системы обычно берут из автомобильных насосов для накачки шин. Большинство этих компрессоров имеют слабые, но прожорливые двигатели. Такой двигатель лучше заменить на Mabuchi 540 или Johnson. На фото верху, показаны два компрессора, установленные для работы балластной цистерны.
Принцип работы, как я говорил выше, аналогичен газовой балластной системе (см. рисунок). Для перезарядки резервуара с воздухом высокого давления используется компрессор. Когда лодка на поверхности и воздушный резервуар пуст, поплавок опускается вниз, открывает верхний воздушный клапан компрессора и включает компрессор. Компрессор заполняется пока лодка на поверхности или пока резервуар с воздухом не заполнится до нужного давления. Когда лодка погружается, поплавок запирает воздушный клапан, чтобы вода не попала в лодку, и размыкает цепь питания компрессора. Рисунок показывает состояние системы при погружении лодки.

Эта система очень громоздкая и тяжелая, поэтому ее обычно устанавливают на лодки больших размеров. Да и необходимо учитывать вибрацию компрессора на корпус лодки и прожорливость самого компрессора. Да и одним из самых тонких мест в этой системе это верхний впускной воздушный клапан. Если он не герметичен, то потеря лодки обеспечена. Установка модуля безопасности (file safe), контролирующего наличие течи в «сухом корпусе», строго обязательна!
Сам я такие системы не строил, поэтому описать недостатки и достоинства этой системы не могу. Думаю, они схожи с простой газовой системой, за исключением того, что лодку не нужно часто перезаряжать воздухом.
Я не имею информации, выпускает ли кто-либо серийно такие балластные системы.

БАЛАСТНАЯ СИСТЕМА С ВОДЯНОЙ ПОМПОЙ

Для работы этой системы необходима водяная помпа, имеющая возможность прокачивать жидкость в оба направления с давлением до 2 атм. Чтобы погрузить лодку помпа качает забортную воду в балластную цистерну. Масса лодки увеличивается и лодка погружается. Чтобы всплыть помпа должна прокачать воду в обратную сторону и освободить цистерну.
При закачке воды в цистерну воздух начинает сжиматься и создается повышенное давление внутри цистерны. Для решения этой проблемы используют цистерны из акриловой трубы с толщиной стенки 3-5 мм. Цистерна при этом заполняется не более чем на 2/3. Т.е при расчете объема балластной цистерны нужно увеличить ее в 1,5 раза. Нет необходимости говорить, что все в цистерне должно быть герметично и прочно. В цистерне необходимо установить перегородки с дырками (как в бензобаке), чтобы препятствовать хлюпанью воды внутри цистерны. Это нарушает центровку лодки.


WTC от “OTW Design” с помпой и клапаном, внутри цистерны установлены перегородки, чтобы вода не смещалась при движении лодки.

Другой подход использовать в качестве балластной цистерны, что-нибудь не слишком мягкое и при этом не слишком жесткое. Например, капельницу, шар, баллон для мяча. Вода накачивается помпой в баллон, он расширяется внутри «жесткого корпуса лодки» или WTC, создавая гораздо меньшее избыточное давление внутри корпуса лодки.
Баллон лучше установить, в какой то жесткий корпус, ограничивающий объем заполнения баллона и предохраняющий его от повреждений. Корпус не позволит баллону расползаться по лодке и перекатываться. Недостаток мягкой цистерны в том, что если вы неправильно рассчитали необходимую емкость цистерны или она имеет прокол, то в процессе ее заполнения она может лопнуть внутри корпуса лодки. О последствиях можно не говорить. Нельзя сказать, что мягкая цистерна плоха, просто к выбору ее материала нужно подходить аккуратно. Такие системы любят использовать немецкие моделисты.


Модель VIIС с капельницей в роле балластной цистерны.

Балластная система от “ModellUboot”

В качестве помпы можно использовать любой насос способный прокачивать воду в оба направления с давлением не ниже 2 атм. Лучше использовать насосы от медтехники. Необходимо чтобы в выключенном состоянии насос не пропускал воду, иначе лодка не будет держать нужную глубину. Если насос не держит воду, то тогда необходимо установить электромагнитный клапан (соленоид) между помпой и балластной цистерной.


Водяная помпа

Шестеренчатый насос

Помповые балластные системы с жесткой цистерной выпускает фирма OTW Design, правда цена их ломовая!
Системы с мягкой балластной цистерной выпускает фирма Modell Uboot.

БАЛЛАСТНАЯ СИСТЕМА С ВЕНТИЛИРУЕМОЙ ЦИСТЕРНОЙ

Еще одна разновидность балластных систем использующих водяную помпу является система с вентилируемой цистерной Ее суть работы схожа с предыдущей системой, но заполнение цистерны происходит самотеком когда клапан открывается. Вода заполняет цистерну, воздух выходит через вентиляционную трубку наружу, лодка погружается. Лодка, использующая такую систему, при полностью заполненной цистерне должна иметь небольшую положительную плавучесть. Дальнейшее погружение происходит на рулях (динамическим способом). Балластная система позволяет лодке погружаться под воду на гораздо меньшей скорости и намного глубже, поэтому выглядит реалистичнее.

Чтобы всплыть, клапан должен быть закрыт, лодка должна сбросить скорость или подняться на поверхность на рулях. Дальше помпа освобождает цистерну, и лодка полностью всплывает.
Эта система может показаться хорошим решением для начинающего строителя подводных лодок, поскольку для нее подойдет помпа, качающая воду только в одном направении. Однако, эта система имеет серьезный недостаток. Если лодка застряла под водой (запуталась в водорослях), то освободить балластную цистерну, чтобы архимедова сила вырвала лодку на поверхность не получиться. Если лодка имеет небольшую течь в сухом корпусе, то она может легко потерять оставшийся запас плавучести и тогда подняться на поверхность можно будет только на рулях. Положительным моментом в этой балластной системе является то, что при заполнении цистерны не создается избыточное давление в сухом корпусе лодке или в цистерне. Ну а недостатком, что освободить цистерну можно только на поверхности.
Этот вид балластной системы очень редкий, но немецкие моделисты его тоже используют, когда не получается разместить в лодке цистерну большего объема для классической помповой балластной системы.

Владимир г.Минск
11.01.2008г.
Владимир

на главнуюв началогалерея