Способ активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект и устройство для его осуществления
METHOD FOR ACTIVE PROTECTION OF WATER AREA BY IMPACT-WAVE ACTION ON UNDERWATER OBJECT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области способов и устройств обезвреживания подводных диверсантов и других подводных объектов и может быть использовано в системах защиты акватории и инфраструктуры промышленных и иных охраняемых объектов, расположенных во внутренних водоемах и на континентальном шельфе.
Известен способ активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающий импульсное электродинамическое инициирование ударно-волнового импульса сжатия, излучаемого в виде импульсного луча в направлении подводного объекта [1].
В данном известном способе ударно-волновое возмущение инициируют посредством электродинамического принципа инициирования, основанным на эффекте отталкивания противоположно текущих токов, в результате чего подвижная часть в виде диска сжимает соприкасающийся с ним слой водной среды, возбуждая в нем распространяющийся в направлении излучения ударно-волновой импульс (импульс сжатия), как правило, в виде плоской волны.
Недостатком известного способа является то, что вследствие расходимости излучаемого луча в диапазоне не менее 40-45° по дистанции, давление достаточно быстро (единицы метров) спадает, становясь нелетальным (т.е. меньше 0,1-0,2 МПа) для биообъекта, что существенно снижает практическую значимость известного способа для охраны акватории от нежелательных (например, от подводных диверсантов) биообъектов. Без фокусировки уменьшить величину расходимости обеспечить невозможно из-за существования фактора ориентации направления звука в сторону среды с меньшей скоростью звука, т.е., в сторону от оси излучения в объем невозмущенной среды, где давление (и, соответственно, скорость звука) меньше давления возмущенной среды.
Кроме того, при достаточно большом угле расхождения луча (~45°) невозможно обеспечить избирательность воздействия, что существенно при необходимости подавления деятельности нежелательного биообъекта.
Известно устройство для реализации известного способа, включающее блок питания, блок управления, силовой блок в виде разрядного контура с импульсным конденсатором и коммутатором, погружной блок с импульсным электродинамическим излучателем с излучающей мембраной [1].
Недостатком устройства является то, что мембрана - плоская без элементов фокусировки и инициирует импульс сжатия в расходящемся луче, что способствует быстрому снижению амплитуды волны по дистанции. Кроме того, устройство не имеет гидроакустической системы (ГАС) обнаружения объекта и наведения луча, что значительно увеличивает вероятность повреждения объектов, не находящихся в зоне интереса.
Наиболее близким к заявляемому техническому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату по способу воздействия на подводный объект является способ активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающий электродинамическое инициирование излучателем ударно-волнового импульса сжатия, излучаемого в направлении подводного объекта импульсного луча, фокусируемого периферийной и центральной компонентами излучателя с образованием динамического звукового канала, [2].
В известном способе уже возможно достижение дальних (по крайней мере, до 200-300 метров) дистанций избирательного (из-за наличия встроенной системы точного наведения луча) воздействия на подводный объект с амплитудой импульса и приведенной длительностью инициируемой волны, достаточными для эффективного воздействия на нежелательный подводный биообъект.
Недостатком способа является то, что при инициации единичного импульса сжатия доставить в зону интереса высокоамплитудный (не менее, чем 0,2 МПа) импульс микросекундного диапазона в диапазоне приведенной (поскольку при инициации импульса сжатия длина волны рассчитывается по фронту первой полуволны) длины волны от 1 до 3 см (для воздействия на относительно малоразмерные в десятки см объекты) на дальние (более 200 м) дистанции представляется достаточно сложной задачей из-за технических трудностей такой «компоновки» по времени, амплитуде и приведенной длины воны, при которой достигаются максимальная дальность и амплитуда импульса в луче. А более длинные, чем 3 см волны с приемлемой для воздействия на объект амплитудой и энергетикой сфокусировать с использованием технически эксплуатационных диаметров (не более 1,0-1,5 м) фокусирующих устройств на дальние дистанции классическим способом или даже в режиме со звуковым каналом весьма затруднительно без существенных потерь энергетики луча вследствие его расходимости.
Наиболее близким к заявляемому техническому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату для устройства реализации предлагаемого способа является устройство активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающее блок питания, блок управления, силовой блок в виде двух разрядных контуров с импульсным конденсатором и коммутатором в каждом из контуров, погружной блок с импульсным электродинамическим излучателем с двухкомпонентной периферийной и центральной излучающими мембранами и блоком наведения луча с гидроакустической системой с передающим и приемными элементами [2].
За счет наличия двухконтурной разрядной системы, соосных периферийной (кольцо) и центральной (диск) излучающих фокусирующих мембран, инициируемых от различных разрядных контуров, наличия встроенной ГАС высокой точности с несколькими приемными и излучающим элементами, реализуется принцип создания импульсного ударно-волнового луча с режимом динамического звукового канала (т.е. «оболочка» канала с отличающимися от гидростатического давления амплитудами выполняет технологическую роль «поддержки» или уменьшения вероятности расхождения центральной или рабочей части канала для эффективного переноса максимального количества энергии к подводному объекту). Таким образом, конструкция известного устройства позволяет существенно увеличить дистанции для эффективного воздействия на нежелательный объект (биообъект).
Недостатком известного устройства является то, что при практическом применении оказалось достаточно трудно заранее подобрать оптимальную величину разницы времени запуска между моментом срабатывания центральной и периферийной компонентов для создания устойчивого по требуемой дистанции динамического звукового канала, во-первых, из-за многообразия характеристик среды (соленость водной среды, температура) в зоне инициации, а во-вторых, из-за наличия возможности установок в блоке управления (и контроля) электрических параметров по заряду импульсных конденсаторов и времени запуска компонентов мембраны без учета реальных характеристик выходящего из излучающих мембран импульса сжатия.
В целом, это приводит к существенным (десятки и более секунд) потерям времени на подбор предполагаемого оптимального варианта запуска из числа ранее созданной базы данных, а также к снижению эффективности ударно-волнового воздействия на подводные объекты из-за невозможности учета характеристик импульса в среде и, соответственно, к преждевременному снижению амплитуд в центральной (рабочей) части луча и повышению вероятности расхождения луча по дистанции его распространения, что негативно сказывается на дальности воздействия на подводный объект.
Именно на решение задачи повышения эффективности ударно-волнового воздействия на подводные объекты при одновременном обеспечении снижения вероятности расхождения луча и повышения дальности воздействия направлено настоящее изобретение.
Этот технический результат по предлагаемому способу достигается тем, что импульс сжатия от центральной компоненты инициируют позже импульса сжатия от периферийной компоненты, причем сдвиг между временами начала инициации от компонентов больше длительности фронта импульса сжатия от периферийной компоненты, при этом длительность волны от периферийного импульса сжатия больше длительности волны от центрального импульса сжатия.
Кроме того, инициирование осуществляют пачкой импульсов сжатия, причем частоту посылок импульсов в пачке выбирают в диапазоне от 5 до 30 Гц.
Благодаря тому, что, импульс сжатия от центральной компоненты инициируют позже импульса сжатия от периферийной компоненты, причем сдвиг между временами начала инициации от компонентов больше длительности фронта импульса сжатия от периферийной компоненты, то распространение рабочего луча от центральной компоненты проходит в внутри периферийного поля давления, превышающего гидростатическое поле внешней среды, что не позволяет рабочему лучу расходится, сохраняя высокую плотность энергии по рабочему сечению луча в течение всего времени действия внутренней части периферийного луча (внешняя часть периферийного луча расходится также, как и при обычной классической фокусировке сферическим рефлектором.
Также, за счет того, что длительность волны от периферийного импульса сжатия больше длительности волны от центрального импульса сжатия, условия по «поддержке» периферийным лучом рабочего (от центральной компоненты) луча сохраняются по всей дистанции пробега центрального луча, поскольку периферийный луч имеет меньший уровень затухания по частотным характеристикам распространения волны (чем меньше частота волны, тем больше ее пробег по дистанции, например, до уровня затухания в 6 дБ от исходного уровня). В целом, за счет снижения величины расходимости, это приводит к увеличению дистанции пробега в 2-8 раз, соответственно, для длин волн 1,0-2,5 см по существованию амплитуды давления на уровне в 6 дБ от инициируемой.
Вследствие того, что инициирование осуществляют пачкой импульсов сжатия, а частоту посылок импульсов в пачке выбирают в диапазоне от 5 до 30 Гц, реализуется не только режим эффективного воздействия на биообъекты с давлением на фронте 4,0-40 кПа и частотой 5-7 Гц как наиболее негативный для организма человека, приводящий к повреждениям различных (в, основном, там, где имеется воздух - легкие, ушные раковины, полость живота и т.п.) органов, но и для воздействия на элементы гидроакустических систем в диапазоне от 15 до 30 Гц, реализуется синергетический (или накопительный) эффект воздействия на объект, при котором каждый последующий импульс вызывает более высокий уровень повреждения объекта, вследствие того, что накопленная в зоне воздействия энергия еще не успела рассеяться в пограничные области. Более того, пачечный вариант подвода энергии к объекту в указанном диапазоне существенно (до 5 раз) снижает амплитудные характеристики воздействия по отношению к единичному воздействию (при одном и том же уровне повреждения зоны интереса). Нижняя величина диапазона частоты посылок импульсов выбрана из условия увеличения вероятности попадания одной пачки импульсов при движении биообъекта со скоростью ~1 м/с при среднем размере сечения луча в 60-80 см и линейном размере объекта ~2 м. Верхняя величина предела диапазона частоты посылок импульсов сжатия выбрана по условиям обработки (одной или двумя пачками импульсов) близких к друг другу зон обработки в объекте даже при движении биообъекта со скоростью до ~3 м/с (максимальной для современных подводных буксировщиков аквалангистов с учетом возможностей человеческого организма сопротивлению нагрузке набегающего потока).
Диапазон выбран, с одной стороны, с перекрытием двухоктавного (от 6 до 18 Гц) для биообъекта) правила распределения резонансных частот в биообъекте, относительно усредненной частоты в 6 Гц, а с другой стороны для обеспечения гарантированного (с подведением достаточного, не менее 0,5 Дж в импульсе, объема энергии) эффекта повреждения подводного объекта при пачечном воздействии на пассивные гидроакустические приемные элементы и, соответственно, электронные компоненты противодесантных мин.
Указанная совокупность существенных признаков настоящего способа достигается в устройстве для реализации способа.
Технический результат по настоящему изобретению достигается тем, что в устройство активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающее блок питания, блок управления, силовой блок в виде двух разрядных контуров с импульсным конденсатором и коммутатором в каждом из контуров, погружной блок с импульсным электродинамическим излучателем с двухкомпонентной периферийной и центральной излучающими мембранами и блоком наведения луча с гидроакустической системой с передающим и приемными элементами, отличающееся тем, что, силовой блок имеет дроссельные вставки, пультовой блок - анализатор акустического сигнала, а погружной блок - датчики импульсного давления, телескопическую штангу с поворотным звеном, причем датчики давления закреплены на поворотном звене с возможностью установочного размещения каждого из датчиков давления оппозитно периферийной и центральной излучающим мембранам.
Благодаря тому, что силовой блок имеет дроссельные вставки, пультовой блок - анализатор акустического сигнала, осуществляется оперативная возможность быстрого (не более 1-2 секунд) подбора длительности фронтов импульса сжатия от рабочей (центральной) и периферийной (технологической) компонент, таким образом, чтобы длина волны импульса сжатия от рабочей компоненты была меньше (как правило, на 2-5%) длины волны импульса сжатия от технологической компоненты.
За счет того, что погружной блок имеет датчики импульсного давления, телескопическую штангу с поворотным звеном, а датчики давления закреплены на поворотном звене с возможностью установочного размещения каждого из датчиков давления оппозитно периферийной и центральной излучающим мембранам, осуществляется измерение истинной выходной амплитуды и длины волны инициируемых импульсов сжатия в зависимости от установленных на пультовом блоке энергетических параметров разрядных контуров рабочей и технологической компонент излучающего индуктора. Этот механизм оперативно оптимизирует такую связь между электрическими и акустическими параметрами устройства, при которой эффективность ударно-волнового воздействия на объект будет максимальна на любой (определяемой оператором и внешними условиями) дистанции воздействия.
Сущность настоящего изобретения поясняется графическими материалами устройства для реализации способа активной защиты акватории ударно-волновым воздействием.
На фиг. 1 показан общий вид устройства активной защиты акватории ударно-волновым воздействием.
Устройство (фиг. 1) активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект содержит блок 1 питания, пультовой блок 2 управления, силовой блок 3 в виде двух разрядных контуров 4 и 5 с импульсным конденсатором 6 и коммутатором 7 в каждом из контуров 4 и 5, погружной блок 8 с импульсным электродинамическим излучателем 9 с двухкомпонентной периферийной 10 и центральной 11 излучающими мембранами и блоком 12 наведения луча с гидроакустической системой 13 с передающим 14 и приемными 15 элементами. Силовой блок 3 имеет дроссельные вставки 16, пультовой блок 2 - анализатор 17 акустического сигнала, а погружной блок 8 - датчики 18 импульсного давления, телескопическую штангу 19 с поворотным звеном 20, причем датчики 18 давления закреплены на поворотном звене 20 с возможностью установочного размещения каждого из датчиков 18 давления оппозитно периферийной 10 и центральной 11 излучающим мембранам.
В варианте стационарного размещения устройства, для осуществления процесса защиты охраняемого участка акватории от нежелательных (например, подводных диверсантов) подводных объектов устройство размещают стационарно на элементах прибрежной инфраструктуры и электродинамический излучатель помещают в водную среду на глубине от 1 до 4 м с ориентированием мембран 10 и 11 излучателя 9 в направлении зоны интереса. Электропитание устройства осуществляют посредством кабельной связи от источника электроэнергии помещений прибрежной инфраструктуры (не показана). При поступлении соответствующей команды о нахождении нежелательного подводного объекта в зоне (примерно в радиусе 400-500 м) действия, устройство приводят в режим готовности к применению. Режим готовности к применению заключается в том, что выдвигают телескопическую штангу 19 и за счет поворота звена 20 датчики 18 давления размещают (на расстоянии) 0,5-0,8 м оппозитно периферийной 10 и центральной 11 излучающим мембранам и одновременно посредством дроссельных вставок 16 устанавливают необходимую величину индуктивности периферийного разрядного контура 5 для инициации в периферийной мембране 11 необходимой для данной дистанции длины инициируемой волны. При стационарном размещении устройства необходимую базу данных для установки соответствующего режима инициации луча в зависимости от дистанции до цели накапливают заранее при производстве пристрелочных пусков и анализатора 17 акустического луча (для определения соответствия электрических параметров с параметрами выходного акустического луча).
Затем, возвращают датчики 16 давления в исходное положение и посредством блока 12 наведения луча излучатель 9 ориентируют в направление цели (не показана), определяют расстояние до цели идентифицируют цель и, при подтверждении идентификации цели, устанавливают величину совмещают с последней ось 21 излучателя 9 и производят подачу ударно-волнового импульса (или серии импульсов). Ударно-волновую обработку прекращают при наличии признаков поражения цели. В случае отсутствия признаков поражения цели варьируют установкой зарядного напряжения и величиной индуктивности периферийного разрядного контура 5 или (в крайнем случае) величиной индуктивности центрального разрядного контура 4.
В варианте размещения устройства на плавсредстве, обнаружение цели в зоне интереса осуществляют гидроакустическими средствами плавсредства или по информации, поступившей от стационарных гидроакустических средств для озвучивания акватории. Плавсредство перемещается в область нахождения нежелательного подводного объекта с учетом дальности действия устройства и затем производятся действия, аналогичные действиям при стационарном варианте размещения устройства.
При всех вариантах воздействия волну излучают в таком диапазоне положительных амплитуд, при которых крутизна амплитуды не позволяет вызывать кавитационные эффекты по мере распространения импульса сжатия, поскольку эти эффекты должны присутствовать только при встрече луча с подводным объектом в зоне интереса (т.е. с любым объектом, имеющим отличие по плотности от плотности водной среды как в положительную, так и отрицательную сторону).
Предлагаемое устройство может быть использовано и для целей разминирования, например, противодесантных мин с гидроакустическими датчиками, поскольку в предлагаемом способе на малых дистанциях в фокальном пятне возможно достижение уровня амплитуд в 20-80 МПа, т.е. амплитуд, уже достаточных для физического разрушения диэлектрических подводных объектов при подаче на них необходимого количества (50-600) импульсов.
В отличие от необходимых для обезвреживания, в соответствии с [1], объекта со сверхблизких (десятки см) расстояний, в предлагаемом способе устройство наводят на цель с дистанции в 20-30 м и воздействуют на подводный объект сфокусированным импульсным лучом, производя серию ударно-волновых импульсов, приводящих к выходу из строя гидроакустического датчика объекта. Используемая дистанция позволяет сохранить устройство в случае взрыва обезвреживаемого подводного объекта.
Использование предлагаемого способа активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект и устройства для его осуществления, позволяет существенно (в 1,2-1,3 раза) повысить эффективность ударно-волнового воздействия на подводные объекты при одновременном обеспечении снижения вероятности расхождения луча и повышения (на 30%) дальности воздействия.
Источники информации, использованные при составлении описания:
1. Система активной гидроакустической защиты (САГ-3) «Зевс». Каталог продукции ОАО «ТЕТИС КС», 2014, стр. 40-41.
2. Патент РФ RU 2525328, B63G 7/06, опубл. 10.08.2014