Устройство активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект
WATER AREA ACTIVE PROTECTION DEVICE BY THE SHOCK-WAVE IMPACT ON THE UNDERWATER OBJECT

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.
Известно устройство активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающее источник электрической энергии, высоковольтный накопитель с импульсными конденсаторами, коммутатор, импульсный электродинамический излучатель с нагрузочными витками и излучающим внешней поверхностью диском, внутренняя поверхность которого оппозитна к поверхности укладки нагрузочных витков [1].
В данном известном устройстве 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 устройства является то, что излучающий диск (диск-мембрана) инициирует импульс сжатия в виде плоской волны вблизи зрачка (т.е. на расстоянии ≈ 5-10 см со стороны внешней, контактирующей с водной средой, поверхностью), создавая расходящийся в направлении излучения луч с максимальными амплитудами по оси диска. Дальность дистанции воздействия устройства, в основном, зависит от двух факторов - от длины излучаемой волны и от величины расходимости луча, при этом второй фактор является превалирующим. Вследствие этого, дальность действия устройства невелика, при расходимости ≈ 40° уже на расстоянии ≈ 1,5 м воздействие на биообъект носит нелетальный характер, несмотря на то, что по приведенным в [1] характеристикам устройства, импульсное возмущение с расчетной длиной волны в ≈ 15-20 см может распространяться без сколь-либо значимого частотного поглощения достаточно далеко - сотни метров.
В целом, при таких малых для практического применения дистанциях воздействия на подводный объект, затруднительно говорить о сколь - либо значимой эффективности защиты охраняемой акватории применительно к данному устройству гидроакустического ударно-волнового воздействия на подводные объекты.
Наиболее близким к заявляемому техническому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающее электротехнический блок, корпусной блок, блок наведения луча с гидроакустической системой с передающим и приемными элементами, блок питания, блок управления, импульсный конденсаторный накопитель, коммутатор, импульсный электродинамический излучатель с нагрузочными витками и излучающими внешними поверхностями диском и коаксиально охватывающей диск шайбой, внутренняя поверхность которых оппозитна к поверхности укладки нагрузочных витков [2].
В этом устройстве за счет наличия излучателя в виде диска с концентричной шайбой для создания динамического звукового канала, 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 устройства является то, что при инициации импульса сжатия доставить точно (с отклонением не более нескольких см) 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 за счет существенных потерь энергии на линиях подвода с индуктивностью более 3-5 мкГн. Вследствие этого, генерируется импульс с длиной волны более 3 см с пониженной (менее 0,1 МПа) волны амплитудой и достаточно малой (единицы мДж) энергетикой, которые 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 на дальних дистанциях за счет увеличения амплитудных характеристиках луча при одновременном повышении точности наведения и сокращении времени совмещение луча с подводным объектом направлено настоящее изобретение.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект, включающем электротехнический блок, корпусной блок, блок наведения луча с гидроакустической системой с передающим и приемными элементами, блок питания, блок управления, импульсный конденсаторный накопитель, коммутатор, импульсный электродинамический излучатель с нагрузочными витками и излучающими внешними поверхностями диском и коаксиально охватывающей диск шайбой, внутренняя поверхность которых оппозитна к поверхности укладки нагрузочных витков, отличающееся тем, что, импульсный корпусной блок выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров, между которыми расположен импульсный электродинамический излучатель, при этом в каждом из коаксиальных цилиндров размещены конденсаторы накопителя с коммутаторами, каждый из которых соединен, соответственно с нагрузочными витками диска и шайбы, при этом блок наведения луча имеет гидроцилиндры, эксцентрично размещенные с тыльной части диска и шайбы, причем передающий и приемные элементы закреплены на коаксиальных цилиндрах.
Кроме того, внешняя поверхность излучающего диска имеет плоскую, а излучающая шайба - сферическую форму с совмещенными в направлении излучения центрами.
При этом суммарное соотношение излучающей площади шайбы к излучающей площади диска находится в диапазоне от 1,0 до 15.
Благодаря тому, что импульсный корпусной блок выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров, между которыми расположен импульсный электродинамический излучатель и в каждом из коаксиальных цилиндров размещены конденсаторы накопителя с коммутаторами, каждый из которых соединен, соответственно с нагрузочными витками диска и шайбы, осуществляется идеология создания погружной конструкции с минимально возможной индуктивностью импульсного разрядного контура (конденсатор - коммутатор - нагрузочные витки) и, соответственно, реализуется возможность инициации коротких (до 3 мкс по фронту первой полуволны) импульсов сжатия с амплитудой до 20 МПа на выходе излучателя (в виде индуктора с мембранами диск - шайба) с приведенной длиной инициируемой в водной среде волны ~1,5 см. Устройство фокусирует луч в направлении зоны интереса в режиме динамического звукового канала, что для длин волн 1,0-2,0 см приводит к увеличению ~ в 1,3 раза существования амплитуд давления на уровне в 6 дБ от инициируемой.
Потому что блок наведения луча имеет гидроцилиндры, эксцентрично размещенные с тыльной части диска и шайбы, реализуется объемное (поворот оси излучателя по конусу с вершиной в центре оси диск-шайба) ориентирование направления излучения в выбранную точку зоны интереса за минимальное (не более 3 с) время.
Благодаря тому что передающий и приемные элементы закреплены на коаксиальных цилиндрах реализуется варианта точного (до 0,6 мм в области излучателя) совмещения найденной гидроакустической системой (ГАС) отметки цели и отметки проекции оси излучателя с отображением отметок на экране монитора блока управления. Это позволяет не только обнаруживать малоразмерные (десятки см) цели на значительном (сотни м) расстоянии, но и с высокой (до 3-5 см) точностью совмещать цель и ось излучателя на дальних дистанциях.
Кроме того, внешняя поверхность излучающего диска имеет плоскую, а излучающая шайба - сферическую форму с совмещенными в направлении излучения центрами, что при работе устройства в режиме динамического звукового канала на дальних дистанциях уменьшает вероятность расхождения центральной (рабочей) части луча и, соответственно, увеличивает вероятность доведения до цели желаемых (не менее 0,2 МПа) амплитуд импульса сжатия.
Также, вследствие того, что суммарное соотношение излучающей площади шайбы к излучающей площади диска находится в диапазоне от 1,0 до 15 реализуется возможность увеличение (до 30%) дистанции доставки энергии диска, за счет более «плотного» сжатия внутреннего канала внешним давлением от периферии (шайбы), при этом, как показывают эксперименты при увеличении соотношения до 15, диаметр диска, составляя 25% от диаметра шайбы, позволяет доставить на дальние (до 400 м) необходимую энергию импульса сжатия с амплитудой более 0,1 МПа, а энергия шайбы играет технологическую (вспомогательную) роль по доставке энергии от диска.
Таким образом, указанная совокупность существенных признаков настоящего изобретения позволяет достигнуть заявленный технический результат, - повышения эффективности ударно-волнового воздействия на подводные объекты на дальних дистанциях за счет увеличения амплитудных характеристиках луча при одновременном повышении точности наведения и сокращении времени совмещение луча с подводным объектом.
Сущность настоящего изобретения поясняется графическими материалами устройства активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект.
На фиг. 1 показан общий вид устройства.
На фиг. 2 показан вид осевого разреза погружной части устройства.
На фиг. 3 показаны излучающие поверхности индуктора и вариант крепления гидроцилиндров к тыльной части индуктора.
Устройство (фиг. 1 и фиг. 2) активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект содержит электротехнический блок 1, блок 2 наведения луча с гидроакустической системой (ГАС) 3 с передающим 4 и приемными 5 элементами, блок питания 6, блок 7 управления, импульсный конденсаторный накопитель 8, коммутатор 9 (тиратрон), импульсный электродинамический излучатель 10 с нагрузочными витками 11 (индуктор) и излучающими внешними поверхностями 12, 13 диском 14 и коаксиально охватывающей диск шайбой 15, внутренняя поверхность (не показана) которых оппозитна к поверхности (не показана) укладки нагрузочных витков 11, корпусной (погружной) блок 16, выполненный в виде двух коаксиальных цилиндров 17, между которыми расположен индуктор 18 (в виде нагрузочных витков 11, диска 14 и шайбы 15 импульсного излучателя 10. В каждом из коаксиальных цилиндров 17 размещены импульсные конденсаторы 19 накопителя с коммутаторами 9, каждый из которых соединен, соответственно с нагрузочными витками 11 диска 14 и шайбы 15. Блок 2 наведения луча имеет гидроцилиндры 20, эксцентрично размещенные с тыльной части 21 индуктора 18, Передающий 4 и приемные 5 элементы закреплены на коаксиальных цилиндрах 17. Погружной частью 21 устройства являются коаксиальных цилиндры 17 с индуктором 18 и приемными 4 и передающими 5 элементами ГАС 3.
Внешняя поверхность (см. фиг. 3) излучающего диска 4 имеет плоскую, а излучающая шайба - сферическую форму с совмещенным в направлении излучения центром 22 (см. фиг. 1). Суммарное соотношение излучающей площади шайбы 5 к излучающей площади диска 4 выбирается в диапазоне от 1,0 до 15.
Совокупность элементов: импульсный конденсатор 19, коммутатор 9, нагрузочные витки 11 образуют разрядный контур излучателя 10, реализуя принцип высоковольтного генератора импульсов тока. Устройство имеет два разрядных контура для раздельного инициирования импульсов сжатия в диске 14 и шайбе 15.
Работа устройства активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект осуществляется следующим образом.
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 погружную часть 21 устройства помещают в водную среду на глубине от 1 до 3 м с ориентированием индуктора 18 (диск 14 и шайба 15) 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 м) действия, устройство приводят в режим готовности к применению. Посредством ГАС 3 индуктор 18 ориентируют в направление цели (не показана), идентифицируют цель и, при подтверждении идентификации цели, совмещают с последней ось 23 и производят подачу ударно-волнового импульса (или серии импульсов). Ударно-волновую обработку прекращают при наличии признаков поражения цели.
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 производятся действия, аналогичные действиям при стационарном варианте размещения устройства.
Работа электродинамического импульсного излучателя 3 устройства производится следующим образом. Электропитание подается от блока 1, обеспечивающего комплексную работу узлов устройства в зависимости от заложенного алгоритма работы в том или ином режиме воздействия на подводный объект. По сигналам от блока 7 управления производится зарядка импульсных конденсаторов 19 до необходимого уровня напряжения, осуществляется работа ГАС 3, блока 2 для ориентирования излучающей части индуктора 18 в направлении зоны интереса и, соответственно, подачу энергии импульсных конденсаторов 19 на нагрузочные витки 11 после совмещения оси 23 с целью. Энергетические характеристики воздействия луча со звуковым каналом определяются характеристиками цели и дистанцией до нее и регулируются блоком 7 управления по задаваемому уровню зарядного напряжения (обычно, единицы кВ) и частоте подачи ударно-волновых импульсов (обычно, единицы Гц) в фокусируемом на цель луче. Длину излучаемой волны подбирают за счет варьирования характеристиками разрядного контура (индуктивности, емкости и зарядной энергии), а также суммарной площади излучающей части.
Ш
Д
Ш
Д
Ш
Д
Для воздействия на цель на малых (~30-50 м) дистанциях используют устройство с соотношением от 1,2 до 1,9 излучающей площади (S) шайбы 15 к излучающей площади (S) диска 14; для средних (50-100 м) дистанций - S/S от 2,0-8,0, а для дальних (150-400 м) - S/S от 8,5 до 15,0.
При всех вариантах воздействия волну излучают в таком диапазоне (меньше 20 МПа) 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 30 - 70 МПа, т.е. амплитуд, эквивалентных при использовании для этих целей электроимпульсного способа воздействия.
В отличие от необходимых для обезвреживания, (при электроимпульсном способе воздействия) объекта сверхмалых (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 неповрежденным в случае взрыва обезвреживаемого подводного объекта.
Использование предлагаемого устройства активной защиты акватории ударно-волновым воздействием на подводный объект позволяет достигнуть существенного повышения дальности и эффективности ударно-волнового воздействия на нежелательный (например, подводный диверсант) подводный объект при одновременном обеспечении высокой точности и малого времени наведения луча на цель в охраняемой зоне акватории, в том числе, возможности варьирования характеристиками воздействия в зависимости от условий водной среды и типа подводного объекта, например, при обезвреживании взрывоопасных подводных предметов с минимальной вероятностью повреждения средства ударно-волнового воздействия на подводный объект.
Источники информации
1. Система активной гидроакустической защиты (САГ-3) «Зевс». Каталог продукции ОАО «ТЕТИС КС», 2014, стр. 40-41.
2. Патент РФ №2585690, F41H 13/00, приоритет 17.12.2014.