СПОСОБ АКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ АКВАТОРИИ УДАРНО-ВОЛНОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ПОДВОДНЫЙ ОБЪЕКТ
METHOD FOR ACTIVE PROTECTION AREAS SHOCK-WAVE ACTION ON UNDERWATER OBJECT

Изобретение относится к области способов обезвреживания подводных диверсантов, 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 способа является то, что расходимость излучаемого луча, составляет около 40-60° и по мере распространения луча по дистанции давление достаточно быстро (единицы метров) спадает, становясь нелетальным (т.е. меньше 0,2-0,6 МПа) для биообъекта, что существенно снижает практическую значимость известного способа для охраны акватории от нежелательных (например, от подводных диверсантов) биообъектов. Сходимость луча в способе обеспечить невозможно по физическому принципу 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, расходящийся импульсный луч не обеспечивает избирательности воздействия, что существенно при необходимости подавления деятельности нежелательного биообъекта и исключения аналогичного негативного воздействия на другие биообъекты, находящиеся в зоне интереса.
Наиболее близким к заявляемому техническому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающий электродинамическое инициирование ударно-волнового импульса сжатия, излучаемого в виде фокусируемого импульсного луча в направлении подводного объекта с созданием импульсного (динамического) звукового канала в направлении подводного объекта [2].
При реализации данного способа уже возможно достижение дальних (по крайней мере, до 200-300 метров) дистанций избирательного (при наличии соответствующей системы 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 0,2-0,6 МПа) импульс в диапазоне приведенной 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. Более длинные, чем 3 см волны с приемлемой для воздействия на объект амплитудой и энергетикой сфокусировать с использованием технически приемлемых 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.
Именно на решение задачи повышения эффективности ударно-волнового воздействия на подводные объекты при одновременном обеспечении необходимого уровня воздействия при более низких амплитудных характеристиках луча, направлено настоящее изобретение.
Этот технический результат по предлагаемому способу достигается тем, что инициирование осуществляют пачкой импульсов сжатия, причем частоту посылок импульсов в пачке выбирают в диапазоне от 3 до 15 Гц, при этом скважность импульсов выбирают в зависимости от числа импульсов в пачке и длительности импульса.
Кроме того, пачку инициируют с образованием импульсного звукового канала, причем инициируемые в центральной и периферийной частях луча амплитуды импульсных давлений, смещены по времени в сторону опережения инициирования импульса периферийной части луча по отношению ко времени инициирования импульса центральной части луча.
Дополнительно, скважность импульсов в пачке варьируют во время ее инициирования.
Помимо этого, число пачек в цикле воздействия на объект - не менее двух.
t
t
s
s
Благодаря тому, что инициирование осуществляют пачкой импульсов сжатия, а частоту посылок импульсов в пачке выбирают в диапазоне от 3 до 15 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. Повторное, через малые (не более времени рассеивания поглощенной энергии) промежутки времени действие на биообъект (например, на подводного диверсанта) звуковых волн, с давлением на фронте 4,0-40 кПа и частотой 5-7 Гц приводит к существенным повреждениям различных (в, основном, там, где имеется воздух - легкие, ушные раковины, полость живота и т.п.) органов, в том числе и из-за возбуждения в этих органах резонансных колебаний, посколькуименно частоты звукового давления в 5-7 Гц являются наиболее негативными для организма человека. Более того, пачечный вариант подвода энергии к объекту существенно (в 1,5-3 раза) 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 60-70 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 октавного (от 3 до 9 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 0,1-0,5 Дж в импульсе, объема энергии) эффекта повреждения подводного объекта при пачечном воздействии на пассивные гидроакустические приемные элементы и, соответственно, электронные компоненты противодесантных мин. Именно для эффективного воздействия на гидроакустические элементы верхний предел частоты посылки импульсов оценивается по скорости роста трещин при хрупком разрушении твердого тела. Эта скорость в зависимости от условий воздействия изменяется от 0,04 до 300 м/с, составляя в среднем ~ 3-4 мкм/мкс, что, как показывает практика существенно меньше критических скоростей (v) роста трещин, определяемых по теории Мотта как: v=0,38 v, где v - скорость продольной звуковой волны в твердом теле. При приемлемом для наших условий (воздействие на пластину диэлектрического материала средней твердости), длине трещины в 0,7-0,9 мм, средней длительности импульса ~ 15-20 мкс, рост трещины за импульс составит ~ 45-60 мкм, что соответствует частоте посылки в ~ 12-15 Гц. Скважность импульсов выбирают в зависимости от числа импульсов в пачке и длительности импульса, подбора времени паузы между фронтами импульсов (в цикле заряд-разряд импульсного накопителя) от 5-10 мкс до 80-100 мкс, с учетом времени релаксации области воздействия в зоне интереса (т.е. времени оттока энергии в пограничные области и времени схлопывания микротрещин). В данном случае реализуется принцип максимального эффекта воздействия, - невыгодно подводить к объекту повторную порцию энергии слишком быстро (когда «отклика» от первичной порции энергии еще нет) и слишком медленно (когда «отклика» уже нет).
За счет того, что пачку инициируют с образованием импульсного звукового канала, а инициируемые в центральной и периферийной частях луча амплитуды импульсных давлений, смещены по времени в сторону опережения инициирования импульса периферийной части луча по отношению ко времени инициирования импульса центральной части луча, увеличивают (по крайней мере не менее, чем на 30%, для коротких ~ 1 см волн) дистанцию воздействия с достижением на более длинной дистанции эквивалентных амплитуд (на уровне 6 дБ от инициируемых амплитуд), инициируемых без динамического звукового канала. Для более устойчивого (и более длительного по времени) существования динамического звукового канала периферийную часть канала инициируют раньше (разница - от 1 до 20 мкс, но в пределах длительности инициируемых импульсов), чем центральную в зависимости от дистанции до подводного объекта - чем дальше дистанция, тем меньше разница в инициации периферийной и центральной части.
Кроме того, за счет того, что скважность импульсов в пачке варьируют во время ее инициирования для увеличения вероятности повреждения объекта при минимально возможных энергетических затратах, т.е. нахождения такой паузы между импульсами в пачке, при которой уровень повреждения объекта был бы максимальным. Таким образом, вариация скважности, наиболее просто осуществляемая за счет регулировки времени зарядки импульсного конденсатора в цикле заряд - разряд, что приводит к наличию в цикле воздействия необходимого (оптимального) промежутка времени между импульсами, наиболее полно отвечающего реализации принципа - «не быстро» и «не медленно».
Вместе с тем, число пачек в цикле воздействия на объект - не менее двух для того, чтобы увеличить эффективность воздействия, в том случае, если временной диапазон реализации принципа «не быстро» и не медленно» не лежит в диапазоне времен при воздействия для одной пачки импульсов сжатия, поскольку величина паузы между пачками импульсов может быть существенно увеличена по отношению к ранее существующим паузам в одной пачке.
Таким образом, указанная совокупность существенных признаков настоящего изобретения позволяет достигнуть заявленный технический результат, увеличение эффективности ударно-волнового воздействия на подводные объекты при одновременном обеспечении необходимого уровня воздействия при более низких (по отношению к единичному ударно-волновому воздействию) амплитудных характеристиках луча.
Указанная совокупность существенных признаков настоящего способа поясняется на примере работы устройства для реализации способа, а техническая сущность настоящего изобретения иллюстрируется графическими материалами блок-схемы устройства для реализации способа активной защиты акватории ударно-волновым воздействием.
Устройство (см. блок-схему на фиг. 1) активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект содержит сетевой щит 1, зарядный блок 2, накопитель (конденсаторный модуль) 3, преобразователь 4, блок 5 импульсных конденсаторов, тиратронный ключ 6, электродинамический (ЭД) импульсный излучатель 7, держатель 8ЭД излучателя 7 и пультовой блок 9 с компьютерным и мониторными блоками (не показаны). Электрические связи между узлами устройства показаны стрелками. Устройство разделено на надводную часть 10 (выделено пунктиром) и подводную часть 11 (также выделено пунктиром, объединяющим ЭД излучатель 7 и погружной элемент(не показан) держателя 8. Узлы устройства представлены известными конструкциями. Так, например, зарядный блок 2 - стандартного типа с выходным напряжением от 12 до 48 В постоянного тока; накопитель 3 (конденсаторный модуль) может собран из конденсаторных модулей типа 20ЭК 402 или 20ЭК 501 с емкостью одного модуля до 500 Ф; преобразователь 4 напряжения DC-DC типа с выходным напряжением до 15 кВ; блок 5 импульсных конденсаторов - на базе конденсаторов типа КПИМ с зарядной энергией одного конденсатора более 2,7 кДж; тиратронный ключ 6 - на базе тиратронов ТДИ типа и ЭД излучатель 7 с одинарной излучающей мембраной (не показана) или двухкомпонентной (для луча с динамическим звуковым каналом) излучающей мембраной (не показана) - для инициации импульсов сжатия с фокусировкой луча в виде кругового конуса, ориентированного в направлении излучения.
Совокупность элементов: блок 5 импульсных конденсаторов, тиратронный ключ 6, нагрузочные витки (не показаны) ЭД излучателя 7 образуют разрядный контур излучателя 7, реализуя принцип высоковольтного генератора импульсов тока для создания необходимого усилия разгона излучающей мембраны (не показана) излучателя 7 и, соответственно, для инициации в воде импульса сжатия требуемой (до 15-20 МПа) амплитуды. Для упрощения процесса регулирования скважности импульсов, устройство может иметь два разрядных контура с различной разрядной емкостью, и каждый контур имеет нагрузочные виткидля различных компонент (периферийной и центральной) двухкомпонентной мембраны (не показана) излучателя 7.
Реализация способа активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, поясняется на примере работы устройства для осуществления предлагаемого способа.
В варианте стационарного размещения устройства, для осуществления процесса защиты охраняемого участка акватории от нежелательных (например, подводных диверсантов) подводных объектов, надводную часть 10 устройства размещают стационарно на элементах прибрежной инфраструктуры, подводную часть (11) в виде излучателя 7 с концевой частью (не показана) держателя 8 помещают в водную среду на глубине от 1 до 3 м с ориентированием излучающей мембраны (не показана) излучателя 7 в направлении зоны интереса. Электропитание устройства осуществляют посредством кабельной связи от источника электроэнергии помещений прибрежной инфраструктуры (не показана), при этом возможно два варианта осуществления питания преобразователя 4 напряжения от сетевого щита 1. В том случае, если необходимые для эффективной работы потребляемые мощности не превышают 30 кВт, то питание преобразователя 4 осуществляется по команде пультового блока 9 непосредственно от щита 1. В случае необходимости привлечение большей мощности, питание по команде пультового блока 9 производится от предварительного заряженного зарядным блоком 2 накопителя 3, при этом используется не более 50% энергии накопителя 3 (для его последующей устойчивой работе в циклах заряд-разряд накопителя 3). При поступлении соответствующей команды о нахождении нежелательного подводного объекта в зоне (примерно в радиусе 200-400 м) действия, устройство приводят в режим готовности к применению. Посредством гидролокатора (не показан, он может быть как встроенным в устройство, так и находится вне устройства) излучатель 7 ориентируют в направление цели (не показана), идентифицируют цель и, при подтверждении идентификации цели, совмещают с последней ось (не показана) излучателя7 и производят подачу пачки импульсов сжатия, причем частоту посылок импульсов в пультовом блоке 9 в пачке выбирают в диапазоне от 3 до 15 Гц, а скважность импульсов устанавливают в зависимости от числа импульсов в пачке и длительности импульса. Как правило, число импульсов в пачке не превышает 15 импульсов, и при средней длительности импульса не более 150 мкс, выбираемая скважность варьируется в диапазоне от 400 до 3300. В таком режиме работы обслуживаемая дистанция для биообъектов может достигать до 200 м. Усиление эффекта воздействия можно достигнуть за счет установки в пультовом блоке 9 режима варьирования скважности воздействия посредством изменения длительности импульса при инициации импульса сжатия от двух разрядных контуров с различными (обычно, различающееся в 1,5-2 раза) разрядными емкостями и индуктивностями контура.
Для усиления эффекта воздействия на более дальних дистанциях при одновременном снижении исходных амплитуд, в пультовом блоке 9 устанавливают режим пачки, инициируемой с образованием импульсного звукового канала, причем инициируемые в центральной и периферийной частях луча амплитуды импульсных давлений, смещены по времени (для снижения вероятности расхождения луча) в сторону опережения инициирования импульса периферийной части луча по отношению ко времени инициирования импульса центральной части луча, при этом времена смещения выбирают от единиц до десятков мкс в зависимости от дальности нахождения нежелательного биообъекта (не показан).
Оператор может также выбирать режим воздействия на подводный объект с варьированием на пультовом блоке 9 скважности импульсов во время инициирования импульсов в пачке за счет поочередного (или со смещением по времени) порядка запуска различных компонент мембраны ЭД излучателя 7. Для увеличения вероятности гарантированного повреждения объекта число пачек воздействия выбирают от 2 до 5.
Ударно-волновую обработку прекращают при наличии признаков повреждения цели.
В варианте размещения устройства на плавсредстве, обнаружение цели в зоне интереса осуществляют гидроакустическими средствами плавсредства, или гидролокатором устройства, или по информации, поступившей от стационарных гидроакустических средств для озвучивания акватории. Плавсредство перемещается в область нахождения нежелательного подводного объекта, и с учетом дальности действия устройства, производятся обработка подводного объекта, аналогично режимам обработки, реализуемым при стационарном варианте размещения устройства с обеспечением комплексной работы узлов устройства в зависимости от заложенного алгоритма работы в том или ином режиме воздействия на подводный объект.
Энергетические характеристики воздействия луча определяются характеристиками цели и дистанцией до нее и регулируются пультовым блоком 9 по задаваемому уровню зарядного напряжения (обычно, единицы кВ) и частоте подачи ударно-волновых импульсов в фокусируемом на цель луче. Длину излучаемой волны подбирают за счет варьирования характеристиками разрядного контура (индуктивности, емкости и зарядной энергии), а также суммарной площади компонент мембран ЭД излучателя 7.
Диапазон варьирования излучаемых длин волн - от 1 до 3 см, при этом на малых (до 70-100 м) дистанциях обычно работа осуществляется в начальной части диапазона, для дистанций более 100-150 м - в средней части диапазона, на более дальних дистанциях - в конечной части диапазона. Однако, при необходимости, можно осуществлять работу и по близким целям на любом участке диапазона излучаемых длин волн импульса сжатия. При всех вариантах режимов воздействия луч 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).
Предлагаемый способ может быть использован и для целей разминирования, например, противодесантных мин с гидроакустическими датчиками, поскольку на малых дистанциях в фокальном пятне возможно достижение уровня амплитуд в 30-90 МПа, т.е. амплитуд, эквивалентных электроимпульсному способу инициации импульса сжатия..
Для обезвреживания противодесантных мин, в предлагаемом способе устройство наводят на цель с дистанции в 10-20 м и воздействуют на подводный объект сфокусированным импульсным лучом несколькими (до пяти) пачками импульсов, приводящими 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 позволяет существенно (1,5-2 раза) увеличить эффективность ударно-волнового воздействия на подводные объекты при одновременном обеспечении необходимого уровня воздействия при более низких (именно, из-за использования пачечного режима воздействия) амплитудных характеристиках луча воздействия луча на цель в охраняемой зоне акватории с возможностью варьирования характеристиками воздействия в зависимости от условий водной среды и типа подводного объекта, например, при обезвреживании взрывоопасных подводных предметов с минимальной вероятностью повреждения устройства ударно-волнового воздействия на подводный объект.
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 RU №2585690, F41H 13/00, опублик. 10.06.2016.