ГИБКАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FLEXIBLE EXTENSIVE HYDROACOUSTIC ANTENNA AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке гибких буксируемых систем в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок.
Известна гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна по патенту RU №2417383, МПК: G01S 7/52 на изобретение «Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна». Она содержит силовой элемент в виде троса, кабели питания и связи, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные малошумящий усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы малошумящих усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с кабелем связи. Особенностью антенны является то, что она снабжена кордовыми элементами в виде круглых жил, чувствительные элементы выполнены в виде протяженных отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала, причем длины кордовых элементов и отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала равны между собой. Кабели питания и связи, кордовые элементы, кабели из эластичного пьезоэлектрического материала выполнены одинакового диаметра с силовым элементом и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками кордовых элементов и отрезками кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю герметизирующую кабельную оболочку.
Достоинства данной системы заключаются в следующем: изготовление чувствительных элементов в виде кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала по сравнению с пьезоэлектрическими устройствами позволяет сделать их более протяженными и на порядок и более снизить гидродинамические шумы, повысить устойчивость к механическим воздействиям, достичь существенно меньшего радиуса изгиба, а за счет расположения плат с электронными блоками в центральных частях антенны изготовить антенну без выступающих частей в виде единого кабеля.
Технология изготовления антенны в описании изобретения подробно не прописана, однако можно предположить, что вначале с помощью скручивающего устройства изготавливают заготовку в виде скрутки кабелей питания и связи, кабелей с эластичным пьезоэлектрическим материалом и кордовых элементов вокруг силового элемента, а потом разматывают ее и вручную вставляют платы с электронными блоками, осуществляя необходимые подсоединения и на смонтированный сердечник накладывают внешнюю герметизирующую оболочку на экструзионной линии.
Несмотря на то, что постулируется равномерность сердечника по длине антенны, встраивание плат с электронными блоками в сердечник антенны вручную не позволяет гарантировать постоянство диаметра антенны при переходе через участок со встроенной платой с электронными блоками (толщина оболочки в этом месте становится то больше, то меньше номинальной), надежность конструкции падает, что является недостатком.
Известна также гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна по патенту на изобретение №2426146 от 04.06.2010, МПК G01S 7/52.
Она содержит силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов с противоположной поляризацией и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с кабелем связи. Отличие заключается в том, что антенна снабжена размещенными вдоль оси отрезками кордовых элементов в виде двух круглых жил, силовой трос размещен в центре антенны, чувствительные элементы выполнены в виде пар отрезков двух кабелей с длиной, равной длине отрезков кордовых элементов, кабели питания и связи выполнены каждый из двух витых проводников, при этом кордовые элементы, кабели питания и связи, кабели чувствительных элементов выполнены одинакового диаметра с силовым тросом, расположены вокруг него равномерно и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками кордовых элементов и отрезков кабелей чувствительных элементов расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом.
По сравнению с конструкцией антенны по изобретению №2417383 отличие данной антенны состоит в указании количества кордельных элементов и чувствительных элементов (что характеризует ее как частный случай антенны по изобретению №2417383) и наличию нового элемента - заполнителя из герметизирующего электроизоляционного состава. Сам заполнитель является важной отличительной особенностью, но приведенная в описании технология его наложения технически трудно выполнима. Как следует из описания, на скрученные элементы сердечника наносится резиновая смесь в холодном виде, после чего при наложении внешней кабельной оболочки экструзионным способом резиновая смесь (за счет высокой температуры материала оболочки) передаваемым теплом нагревается до жидкого состояния и заполняет все воздушное пространство антенны.
Нанести материал в воздушные пустоты антенны (до расплава) можно только материалом в порошковом виде, как наносится тальк. Но получить порошок резиноподобного материала крайне сложно (в экструдеры агрегатов непрерывной вулканизации на кабельных заводах резина подается в виде лент или гранул цилиндрической формы с длиной в несколько миллиметров). Также сложно расплавлять его до жидкого состояния: температура полимера оболочки в головке, как правило, составляет 160-200°C (для наиболее часто применяющихся материалов), что является температурой вулканизации для резины. Так как верхние слои резины будут находиться при температуре, более высокой, чем нижние, то произойдет перевулканизация верхних слоев, что приводит к деструкции материала.
В то же время существует серийная технология наложения заполнителя из невулканизированной, так называемой «сырой», резины. Она накладывается экструзионным способом. Но при этом возникает та же технологическая сложность, что и при изготовлении антенны по изобретению №2417383, за счет ручной сборки увеличивается разброс размеров сердечника антенны.
Направляющим элементом в головке экструдера является дорн, внутренний размер которого равен максимальному значению диаметра заготовки (на которую экструдируется материал) и служащий для обеспечения центровки в конечном изделии. Если дорн будет иметь завышенное значение (при большом разбросе), то в изделии будет отсутствовать центровка, что приведет к снижению надежности за счет неравномерного расположения центральных элементов в момент изгиба при смотке- размотке и разрыву поверхностных элементов (в данном случае: поверхностного слоя заполнителя и оболочки).
В качестве прототипа выберем гидроакустическую антенну по патенту на изобретение RU №2417383 «Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна».
Сущность изобретения заключается в том, что предлагается гибкая протяженная гидроакустическая антенна, предназначенная для работы в нестационарном режиме, с повышенной надежностью и способ ее изготовления.
Технический результат достигается тем, что предлагается гибкая протяженная гидроакустическая антенна, содержащая силовой элемент в виде троса, кабель питания и кабель связи, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде протяженного отрезка кабеля с изоляцией из эластичного пьезоэлектрического материала, а каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на гибкой плате последовательно соединенные малошумящий усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы малошумящих усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с кабелем связи. Антенна отличается тем, что центральный силовой элемент выполнен в виде прочной нити или стеклопластикового или арамидно-пластикового прутка с полимерным покрытием, соединенные между собой в протяженное комбинированное устройство платы с электронными блоками, чувствительные элементы, кабели питания и связи выполнены в виде плоского кабеля, а сама антенна выполнена в виде круглого кабеля, в котором сердечник образован силовым элементом и намотанным на него по спирали с перекрытием плоским кабелем, а поверх сердечника наложена полимерная влагозащитная оболочка.
Центральный силовой элемент может быть выполнен как из полимерных нитей, арамидных или пропиленовых, так и из неорганических, например стеклонитей, выбираемых исходя из требования разрывной прочности. Для улучшения технологии намотки плоского кабеля центральный силовой элемент может быть выполнен из стеклопластикового или арамидно-пластикового прутка, имеющего продольную жесткость. Полимерное покрытие поверх нити или прутка служит для локализации элемента (нити) и для обеспечения оптимального радиуса основы при намотке плоского кабеля, имеющего некоторый минимальный радиус изгиба.
После соединения разнородных элементов в плоский кабель (плат с электронными блоками, чувствительных элементов, кабелей питания и связи) с защитной оболочкой плоский кабель становится единой целостной структурой. При намотке плоского кабеля на силовой элемент получается сердечник антенны с приблизительно равными свойствами по длине в каждом сечении. Равномерность возникающих при растяжении напряжений обеспечивает силовой элемент, а постоянство диаметра и округлость в каждом сечении обеспечивает конструктивная однородность плоского кабеля. Накладываемая экструзионным способом полимерная влагозащитная оболочка защищает сердечник от воздействия влаги и сохраняет стабильность сердечника, полученную при намотке, в процессе эксплуатации при стационарном режиме (при многочисленных смотках и намотках антенны на барабан).
Отсутствие ярко выраженных неоднородностей антенны по длине и препятствие образованию таких неоднородностей при многочисленных смотках и намотках повышают надежность конструкции антенны.
Для обеспечения равномерности конструкции плоского кабеля целесообразно к периодически следующим друг за другом гибким платам с электронными блоками подсоединять параллельно расположенные в одной плоскости силовые элементы, не менее одного чувствительного элемента, кабели питания и связи. Причем для распределения продольной нагрузки подключаемые элементы должны располагаться равномерно, силовые элементы должны располагаться по краям. Для создания единства конструкции на сердечник плоского кабеля целесообразно наложить полимерную оболочку.
Для того чтобы при намотке плоского кабеля с перекрытием на силовой элемент сердечника антенны не происходило увеличение диаметра сердечника антенны в месте перекрытия, целесообразно полимерную оболочку плоского кабеля изготовить с асимметричными выступами по краям.
С целью упрощения процесса подсоединения и обеспечения равномерности натяжения линейных элементов (чувствительных элементов, кабелей питания и связи, силовых элементов) целесообразно с двух сторон плат установить две группы соединителей по числу линейных элементов каждая. Для силовых элементов соединитель обеспечивает только механическое крепление. Чувствительные элементы, подключаемые только с одной стороны, в другом соединителе крепятся только механически.
Для обеспечения сквозной непрерывности кабелей питания и связи целесообразно между входными и выходными соединителями кабелей питания и связи на каждой плате проложить полосковые линии.
Для заполнения пространства линейных элементов в сердечнике плоского кабеля целесообразно дополнительно проложить кордели, выполненные из полимера, или нити с полимерным покрытием, или металлической проволоки с полимерным покрытием. Как правило, все линейные элементы выполняют одинакового наружного диаметра.
Кабель питания целесообразно выполнить из двух однопроволочных или многопроволочных изолированных полимером токопроводящих жил, скрученных между собой. При этом одна из жил является фазной, другая - нулевой. Преимущественно применяют многопроволочную токопроводящую жилу, обеспечивающую меньший радиус изгиба. При намотке плоского кабеля на силовой элемент с большим диаметром токопроводящие жилы кабеля питания выполняют однопроволочными. Для равномерного распределения возникающих в процессе изготовления и при эксплуатации растягивающих усилий изолированные токопроводящие жилы скручивают между собой.
Для выравнивания наружных размеров линейных элементов между собой на кабель питания в виде двух скрученных между собой изолированных токопроводящих жил целесообразно дополнительно наложить полимерную оболочку, выполняющую защитную функцию в процессе изготовления плоского кабеля.
Кабель связи целесообразно выполнить в виде двух однопроволочных или многопроволочных изолированных полимером токопроводящих жил, скрученных между собой. Использование двух одинаковых токопроводящих жил позволяет создать систему симметричной связи, обеспечивающую нейтрализацию синфазных шумов. Преимущественно применяют многопроволочную токопроводящую жилу, обеспечивающую меньший радиус изгиба. При намотке плоского кабеля на силовой элемент с большим диаметром токопроводящие жилы кабеля связи выполняют однопроволочными. Для равномерного распределения возникающих в процессе изготовления и при эксплуатации растягивающих усилий изолированные токопроводящие жилы скручивают между собой. Кроме того, в кабелях связи скрутка является защитой от электромагнитных воздействий.
Если скрутка жил между собой не является достаточной защитой от электромагнитного поля кабеля питания, то на скрученные между собой жилы кабеля связи целесообразно дополнительно наложить электрический экран.
Для выравнивания наружных размеров линейных элементов между собой на кабель связи в виде двух скрученных между собой изолированных токопроводящих жил (в том числе при наличии экрана) целесообразно дополнительно наложить полимерную оболочку, выполняющую защитную функцию в процессе изготовления плоского кабеля.
С целью обеспечения компактности антенны целесообразно питание и информационные сигналы передавать по одному кабелю из двух изолированных токопроводящих жил, для чего на каждой плате перед входом в кабель и на его выходе должны быть установлены сплиттеры, разделяющие информационные сигналы и силовую компоненту питания.
Для повышения структурной однородности при одновременной передаче информационных сигналов и питания по одному кабелю, целесообразно выполнить кабель симметричным коаксиальным, имеющим одинаковые электрические сопротивления постоянному току внутреннего и внешнего проводников.
Влагозащитную оболочку антенны в виде круглого кабеля и оболочку плоского кабеля целесообразно выполнить из термопластичного полиуретанового эластомера, обладающего достаточной эластичностью при необходимой влагонепроницаемости.
Одним из действенных способов повышения надежности является полное исключение ручного труда при изготовлении серийной продукции или смещение применения ручного труда к начальным (наиболее простым) или подготовительным стадиям.
В изобретении по патенту RU №2417383 вначале скручиваются линейные элементы между собой (вокруг силового элемента скручиваются кабели питания и связи, чувствительные элементы, выполненные в виде кабелей, кордели), а затем в полученный сердечник вручную встраиваются платы с электронными блоками. Аналогичным образом изготавливают антенну по патенту на изобретение RU №2426146 с дополнительной операцией наложения заполнителя на сформированный сердечник.
В предлагаемом изобретении антенна изготавливается полностью с применением серийных технологий: вокруг силового элемента на обмоточной машине обмоткой по спирали накладывают плоский кабель, получая таким образом сердечник антенны, выполняемой в виде круглого кабеля, на экструзионной линии накладывают влагозащитную оболочку на антенну. Полимерную оболочку на плоский кабель также накладывают на экструзионной линии, и только комбинированное устройство, являющееся сердечником плоского кабеля, собирают вручную на разделочном столе, используя перемоточные устройства для отдачи линейных элементов (кабелей питания и связи, чувствительных элементов, выполненных в виде кабелей, корделей, силовых элементов в виде прочных нитей или стеклопластикового, или арамидно-пластикового прутка) и приема готового комбинированного устройства на барабан с целью механизации ручного труда. Таким образом, ручной труд в предлагаемом изобретении сводиться только к зачистке от изоляции токопроводящих жил кабелей и креплению их в соединителях. Причем при использовании однопроволочных токопроводящих жил возможно применение ножевых соединителей, обеспечивающих контакт с металлом жилы прорезанием изоляции, что исключает необходимость снятия изоляции.
Способ наложения полимерной оболочки на плоский кабель несколько отличается от традиционного, что обусловлено отсутствием непрерывной продольной жесткости у комбинированного устройства. По его длине, особенно в местах крепления линейных элементов с платами электронных блоков, возможно появление вращающих моментов, что способно привести к обрыву комбинированного устройства при входе в дорн экструдера. Чтобы этого не произошло, перед входом в дорн ставят группу прижимающих роликов, обеспечивающих горизонтальность направления комбинированного устройства или гусеничную систему, а сам вход в дорн изготавливают с незначительным раструбом.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, представленными на чертежах:
- Фиг.1 - схематическое изображение комбинированного устройства, являющегося сердечником плоского кабеля;
- Фиг.2 - схематическое изображение отрезка антенны, выполненной в виде круглого кабеля, проходящего на участке линейных элементов в плоском кабеле;
- Фиг.3 - направляющая система из части экструзионной головки с дорном и блока направляющих роликов.
На чертеже Фиг.1 представлено комбинированное устройство 1, являющееся сердечником плоского кабеля, состоящее из последовательно соединенных плат с электронными блоками 2 через соединители 3 с линейными элементами, включающими два силовых элемента 4 из покрытых полимером прочных нитей, кабель питания 5, чувствительный элемент 6 и кабель связи 7.
Изображенная на чертеже Фиг.2 гибкая протяженная гидроакустическая антенна 8 состоит из силового элемента 9, выполненного из прочной нити, стеклопластикового или арамидно-пластикового прутка с полимерным покрытием 10, наложенного вокруг него обмоткой по спирали с перекрытием плоского кабеля 11, включающего два силовых элемента 4 из покрытых полимером прочных нитей, кабеля питания 5, чувствительного элемента 6 и кабеля связи 7, и полимерной влагозащитной оболочки 12.
Изображенная на чертеже Фиг.3 направляющая система, состоящая из части экструзионной головки (показанной условно) 13 с дорном 14, имеющей на входе раструб 15, и направляющих роликов 16. Стрелкой показано направление перемещения комбинированного устройства, являющегося сердечником плоского кабеля. Ролики 16 придают перемещающемуся комбинированному устройству горизонтальное направление перемещения (плоская часть комбинированного устройства должна быть параллельна горизонтальной плоскости). Возможные незначительные отклонения от горизонтали выправит входное отверстие дорна, выполненное в виде раструба 15.
Технология изготовления гибкой протяженной гидроакустической антенны 8 согласно заявленному изобретению включает следующие операции.
1. Линейные элементы
Токопроводящие жилы кабелей питания 5 и связи 7 преимущественно изготавливают мягкими медными или медными лужеными однопроволочными или многопроволочными.
Медные проволоки для токопроводящих жил изготавливаются из медной проволоки «катанки», как правило, диаметром 8 мм методом волочения. В зависимости от диаметра готовой проволоки могут использоваться следующие операции: грубое и среднее волочение или грубое, среднее и тонкое волочение.
Для обеспечения мягкости проволоку подвергают отжигу в специальных печах отжига или на проход на операции волочения. Для получения луженых проволок отжиг не требуется. Лужение производится горячим способом, в результате чего проволока становится мягкой.
Многопроволочные токопроводящие жилы скручиваются из необходимого количества проволок на крутильных машинах сигарного, рамочного или фонарного типа.
Прочные нити или стеклопластиковые или арамидно-пластиковые прутки и чувствительные элементы 6 покупают готовыми.
Полимерную изоляцию па токопроводящие жилы кабелей питания 5 и связи 7 и покрытия прочных нитей накладывают на экструзионных линиях.
Скрутку изолированных токопроводящих жил кабелей питания и связи производят обычно на машинах скрутки рамочного типа.
Экран на токопроводящие жилы кабеля связи 7 может быть наложен в виде оплетки или обмотки из круглых медных проволок, в виде металлополимерной ленты металлом внутрь, наложенной продольно или обмоткой по спирали, с подпущенной под ним медной луженой дренажной жилой или комбинированным в виде оплетки или обмотки с проложенной под ним металлополимерной лентой металлом кверху.
Электрический экран в виде оплетки или обмотки накладывается на оплеточных или обмоточных машинах. Предварительно возможна тростка (объединение) проволок в пучки на тростильных машинах.
Электрический экран из металлополимерной ленты накладывается обмоткой по спирали с перекрытием на обмоточных машинах или продольно с перекрытием на операции наложения полимерной оболочки. Экран накладывается металлом внутрь, а под него подпускают продольно медную луженую дренажную жилу. Возможно продольное наложение экрана из металлополимерной ленты металлом внутрь с подпуском медной луженой дренажной жилы при одновременном наложении полимерной оболочки.
При изготовлении комбинированного электрического экрана металлополимерную ленту подпускают продольно с перекрытием металлическим слоем кверху под оплетку или обмотку на оплеточной или обмоточной машине соответственно.
Оболочку кабелей питания 5 и связи 7 накладывают на экструзионных линиях.
2. Плоский кабель
Сборку комбинированного устройства, являющегося сердечником плоского кабеля 11, производят на специальной установке, включающей в себя отдающие барабанные устройства с гусеничной тягой для каждого устройства, разделочного стола и приемного барабанного устройства с раскладчиком.
Первую плату с электронными блоками закрепляют на разделочном столе, с входной стороны подсоединяют два коротких дополнительных силовых элемента, проводят их через раскладчик и закрепляют на приемном барабане. Линейные элементы проводят через гусеничные тяговые устройства и подают на разделочный стол. Подсоединяют линейные элементы к соединителям платы с выходной стороны.
Вращение приемного барабана синхронизировано со скоростью подачи линейных элементов гусеничными тяговыми устройствами и вращением барабанов с линейными элементами на отдающих устройствах. Отдающие устройства могут быть флайерного типа.
После намотки требуемой длины линейных элементов движение прекращают, линейные элементы отрубают и устанавливают новую плату с электронными блоками. Затем производят подсоединение линейных элементов с входной и выходной сторон. Далее производят перемотку и все повторяется.
Наложение полимерной оболочки на плоский кабель 11 производят по стандартной технологии на экструзионной линии.
3. Гибкая протяженная гидроакустическая антенна
Сердечник антенны 8, выполняемой в виде круглого кабеля, изготавливают способом обмотки центрального силового элемента с полимерным покрытием плоским кабелем с перекрытием на лентообмоточной машине.
На готовый сердечник накладывают полимерную влагозащитную оболочку на экструзионной линии.
Входной конец антенны герметизируют.
Была изготовлена гибкая протяженная гидроакустическая антенна 8 длиной 100 м. Антенна 8 была подвергнута испытаниям на смотку-намотку в количестве 1000 циклов.
Был произведен визуальный осмотр поверхности антенны 8 без применения увеличительных приборов. Наличие трещин, вмятин, выпуклостей и других неоднородностей после испытаний не обнаружено. Кабели питания 5 и связи 7 были испытаны напряжением 1 кВ, приложенным между токопроводящими жилами. Кабели испытания выдержали.
Результаты испытаний изготовленного образца гибкой протяженной гидроакустической антенны 8 подтверждают достижение технического результата.