АЭРОМАГНИТОМЕТР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области устройств дистанционной разведки и измерения характеристик магнитного поля Земли с помощью магниточувствительных датчиков, перемещаемых летательными аппаратами. Конкретно - устройство предназначено для измерения модуля полного вектора магнитной индукции вблизи поверхности Земли с использованием беспилотного летательного аппарата типа коптера или вертолета в качестве носителя.
Уровень техники
Магнитная съемка - один из самых распространенных геофизических методов исследований земной коры. Традиционно магнитная съемка выполняется с помощью наземных магнитометров или с использованием пилотируемой авиации, когда на самолетах или вертолетах устанавливают один или несколько аэромагнитометров. Недостатки аэромагнитной съемки с использованием пилотируемой авиации - сложность, дороговизна мобилизации и ограничения в полетах при сложном рельефе.
Позднее появились беспилотные летательные аппараты и относительно легкие магнитометры, что создало возможность построения систем для аэромагнитной съемки с использованием беспилотных летательных аппаратов в качестве носителя.
Отдельный интерес представляют собой аэромагнитометры. Пример таких устройств - аэромагнитометр для измерения модуля полного вектора магнитной индукции, установленный на беспилотный летательный аппарат по патенту на полезную модель RU 162771, опубликованному 27.06.2016. (Л.1). Аэромагнитометр содержит магниточувствительный датчик, установленный на конце крыла летательного аппарата. Сервоприводы летательного аппарата и электроника блока обработки измерений расположены в центральной части летательного аппарата. Двигатель внутреннего сгорания компрессионного типа расположен в его задней части. В качестве магниточувствительного датчика в аэромагнитометре выбран квантовый рубидиевый датчик с оптической накачкой. В качестве беспилотного летательного аппарата был выбран аппарат самолетного типа конструкции "крыло" легкого типа среднего радиуса действия со взлетной массой от 5 до 7 кг, размахом крыльев 220 см, радиусом действия 75-100 км, с рабочей высотой 50-300 метров. Крупным недостатком такого решения является магнитное поле, создаваемое самим самолетом в месте расположения датчика, приводящее к существенному увеличению погрешности измерений.
Для снижения влияния собственного магнитного поля самолета на показания аэромагнитометра его стали размещать не на самолетах, а на прицепе к самолету (например, патент RU 2501045, опубл. 10.12.2013) (Л.2). Однако такие конструкции оказались неудобны в эксплуатации. Особенно трудны процессы их взлета и посадка. Но качество измерений магнитного поля в таких системах может быть доведено до совершенства.
Появление легких беспилотных летательных аппаратов мультироторного типа, которые могли взлетать и приземляться вертикально, позволили развить направление буксируемых аэромагнитометров. Трудности взлета и посадки при буксировании аэромагнитометра коптером (вертолетом) полностью исключаются. Вертикальный взлет позволяет плавно набрать высоту и натянуть трос и затем плавно подхватить аэромагнитометр. Вертикальная посадка позволяет приземлить сначала буксируемый аэромагнитометр, затем приземляется сам летательный аппарат.
Наиболее близок к заявленному техническому решению - аэромагнитометр на выпускном диске, подвешиваемый шнуром к беспилотному летательному аппарату мультироторного типа (патент на полезную модель RU 173640, опубл. 04.09.2017) (Л.3). Он измеряет модуль полного вектора магнитной индукции. Аэромагнитометр включает размещенные на выпускном диске, подвешенном под коптером, магниточувствительный датчик, антенну и приемник навигационных сигналов, блок обработки измерений, фиксирующий результаты измерений, синхронизированные со временем и с навигационным модулем для определения координат мест измерения, и стабилизатор ориентации аэромагнитометра. Магниточувствительный датчик - квантовый рубидиевый датчик с оптической накачкой - соединен световодом и электрическим кабелем с блоком обработки измерений.
Большинство признаков этого аэромагнитометра совпадают с заявляемой нами полезной моделью. Поэтому он выбран в качестве прототипа.
Прототип выполняет функции по выявлению и измерению магнитных аномалий. Однако практика эксплуатации выявили в его конструкции существенный недостаток.
Точность измерений заметно уменьшается от раскачивания подвешенного выпускного диска под коптером, от чего положение аэромагнитометра относительно места измерений меняется и, естественно, меняются результаты измерений.
Задача полезной модели
Задача полезной модели - устранить указанный выше недостаток прототипа - повысить точность измерений путем уменьшения раскачивания (парусности) подвеса,
Решение задачи
Задача решены тем, что в известный аэромагнитометр для дистанционного измерения модуля полного вектора магнитной индукции Земли, подвешиваемый к коптеру соединительным шнуром и включающий магниточувствительный датчик, приемником навигационных сигналов с антенной, блок обработки измерений, пульт управления, аккумулятор и стабилизатор ориентации аэромагнитометра, внесены существенные изменения, а именно:
его конструкция выполнена в виде узкой немагнитной несущей штанги длиной не менее одного метра со сквозным внутренним продольным отверстием, на разных концах штанги установлены два защитных корпуса с размещенными в них всеми элементами аэромагнитометра;
оба защитных корпуса имеют аэродинамическую форму;
защитный корпус на переднем конце несущей штанги включает блок обработки результатов измерений, приемником навигационных сигналов с антенной, пульт управления, аккумулятор, защитный корпус на заднем конце штанги включает магниточувствительный датчик, соединенный с блоком обработки результатов измерений световодом через продольное внутреннее сквозное отверстие несущей штанги;
на концах несущей штанги установлены наклоненные к середине штанги стойки, высотой выше защитных корпусов, а соединительный шнур разделен над штангой на две стропы, концы которых прикреплены к верхам разных стоек;
соединительный шнур разделен на стропы над штангой на высоте не менее 2/3 расстояния между стоек.
Технический результат предложенного решения состоит в замене конструкции аэромагнитометра - прототипа (он в форме - выпускного диска с размещенными на нем группами элементами аэромагнитометра) на конструкцию в виде узкой легкой несущей штанги с двумя группами элементов, включающими все элементы аэромагнитометра, заключенные в аэродинамические защитные корпуса, установленные на разных концах штанги.
Сущность полезной модели
Перечисленные выше изменения серьезно улучшили основную характеристику заявляемого аэромагнитометра - точность измерений. Это выполнено приданием аэромагнитометру аэродинамической формы и грамотным подвесом его к коптеру, существенно снизившими его раскачивание.
Сущность решения поясняется фиг. 1 и 2.
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - беспилотный летательный аппарат мультироторного типа либо вертолет, 2 - соединительный шнур, 3 - стропы, 4 - стабилизатор ориентации (киль), 5 - аэродинамический корпус, в котором размещен блок обработки результатов измерений 11, 6 - несущая штанга, 7 - датчик измерения магнитного поля, размещенный в аэродинамическом корпусе 8, 9 - приемник навигационных сигналов с антенной, 10 - световод, 12 - пульт управления, 13 - аккумулятор.
На переднем конце несущей штанги 6 в аэродинамическом корпусе 5 размещен блок обработки результатов измерений 11 соединенный световодом 10 через внутреннее отверстие штанги с датчиком магнитного поля 7 и приемник навигационных сигналов с антенной 9. Сам приемник навигационных сигналов интегрирован в блок обработки результатов измерений 11. В корпусе 5 также размещены пульт управления 12 и аккумулятор 13. На другом конце штанги 6 в аэродинамическом корпусе 8 размещен датчик магнитного поля Земли 7, соединенный световодом 10 с блоком обработки результатов измерений 11. На этом же конце находится стабилизатор ориентации аэромагнитометра (киль) 4, обеспечивающий стабилизацию положения штанги 6 в ходе полета по углу рысканья. Поскольку оба корпуса имеют аэродинамические формы, они увеличивают стабилизацию аэромагнитометра. На обоих концах штанги 6 установлены стойки (не нумерованы), высотой выше защитных корпусов 5 и 8, необходимые для прикрепления строп 3, образованных раздвоением соединительного шнура 2, на котором несущая штанга 6 подвешена к летательному аппарату 1.
Стабилизация штанги по крену выполнена пассивной - путем расположения центра массы аэромагнитометра ниже точки крепления строп 3 к стойкам. Стабилизация по тангажу также пассивная - за счет расположения точки соединения двух строп 3 выше центра массы аэромагнитометра. Аэродинамический стабилизатор (киль) 4 обеспечивает стабилизацию по углу рысканья. Стабильность штанги обеспечивает соединение строп 3 впереди точки установки киля 4 по ходу полета аэромагнитометра.
Аэромагнитометр должен иметь минимальную массу, поскольку его подвешивают к летательному аппарату, грузоподъемность которого ограничена. Из конструктивных особенностей надо отметить легкую несущую штангу 6, изготавливаемую из углепластиковой трубы, обладающей высоким отношением жесткость / масса. Блок обработки результатов измерений 11 и магниточувствительный датчик 7 магнитного поля помещены в легкие прочные легкие пластиковые корпуса 5 и 8 аэродинамической формы. Магниточувствительный датчик 7 может быть выполнен квантовым рубидиевым с оптической накачкой. Прокладка необходимых кабелей и световода от датчика измерения магнитного поля 7 к блоку обработки результатов измерений 11 выполнена через внутреннюю полость несущей штанги 6.
Описание работы системы
Для проведения аэромагнитных измерений и съемки излучений готовят полетное задание, в котором определен маршрут полета и места проведения поисковых измерений. Измерения на площадях производят путем пролета беспилотного аппарата с подвешенным аэромагнитометром серией линейных пролетов над площадью с разворотами на границах площади. Типичное расстояние между пролетами 50-200 м, а длина одного пролета может составлять от 1 до 10 км. Эти цифры получены при применении в качестве беспилотного аппарата квадрокоптера Geoscan-401.
Перед запуском аэромагнитометра проверяют заряд аккумулятора 13, если требуется - заряжают его. Пультом управления 12 включают магнитометр и устанавливают необходимый режим работы. Состояние работы магнитометра фиксируются на дисплее пульта управления 12. Прицепляют аэромагнитометр к летательному аппарату 1 соединительным шнуром 3. Длина соединительного шнура - не меньше 20 метров, чтобы исключить добавочное магнитное поле, создаваемое электродвигателями и элементами конструкции летательного аппарата в месте расположения датчика измерения магнитного поля 7. Производят взлет летательного аппарата и его полет по маршруту полетного задания. Стабилизатор ориентации 4 с содействием корпусов 5 и 8 аэродинамической формы, стоящих по краям штанги, обеспечивает стабильность ориентации движения аэромагнитометра. В ходе полета аэромагнитометр производит измерение модуля полного вектора магнитной индукции. Измеряемые данные магнитного поля записываются в память электронного блока. Одновременно с этим в электронном блоке происходит запись навигационного сигнала, принимаемого с помощью антенны 9 на интегрированный в электронный блок приемник навигационных сигналов.
По завершению полета из аэромагнитометра извлекается полученная информация для последующей обработки. В результате проведенных измерений и их обработки получают набор географически привязанных точек, в каждой из которых известен модуль полного вектора магнитной индукции. В дальнейшем эти данные обрабатывают специальными программами.
Кроме того, при испытании и сравнении нашего аэромагнитометра с прототипов выявились, что у заявляемого аэромагнитометра заметно лучше и другие важные характеристики: вес - меньше на 30-40%, габариты - меньше в 3-4 раза, удобнее работать, лучше защита от внешних повреждений, а средняя площадь измерений за один пролет - больше на 15-20%. Увеличение средней площади измерений за один пролет связано уменьшением веса, перевозимого коптером аэромагнитометра.
Промышленная применимость.
Полезная модель неоднократно изготовлена и успешно испытана заявителями с использованием в качестве носителя квадрокоптера Geoscan-401. На момент подачи заявки проведено несколько десятков опытных работ по аэромагнитной съемке. Опыты подтвердили высокую стабильность измерений и удобство эксплуатации модели.
Как показано в описании изготовление аэромагнитометра не потребовало специальных элементов, материалов и технологий.
Ссылки:
1. Полезная модель RU 162771,опубл. 27.06.2016.
2. Изобретение RU 2501045, опубл. 10.12.2013.
3. Полезная модель RU 173640, опубл. 04.09.2017 - прототип.