УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКИХ ВЕТРОВЫХ ВОЛН
DEVICE FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF SEA WIND WAVES

Устройство относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях.
Известные устройства для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях [1-4], состоят из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов рН, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания.
Общим недостатком известных устройств определения характеристик морских ветровых волн является невысокая конструктивная надежность как самого буя, так и средств измерения и источника питания, что существенно повышает трудоемкость использования данных средств на длительном временном интервале морских исследований.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях [5], которое состоит из корпуса цилиндрической формы, мачты с устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов рН, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором в отличие от известных аналогов [1-4] корпус буя выполнен из армированной пластмассы, а нижняя часть выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющего к верху конуса под углом 30 градусов, в центре которого герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри ее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала.
Конструктивные отличия устройства [5] от его аналогов позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности измерения гидрометеорологических параметров.
Однако при длительных временных исследованиях на морских акваториях, особенно в условиях арктических морей, конструкция корпуса буя, включающая наряду с металлическими элементами и элементы, выполненные из пластмассы, подвержена деформации, что существенно сокращает срок эксплуатации устройства. Появление деформации вносит дополнительные погрешности при решении задачи определения параметров волнения, обусловленные наличием неравномерного перемещения буя как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что также негативно сказывается на обеспечении нормального функционирования спутникового канала связи.
Также существенным недостатком устройства [5] является его невысокая автономность, обусловленная сроком эксплуатации источника питания.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в создании устройства, конструктивные особенности которого позволят повысить точность измеряемых гидрометеорологических параметров и увеличить срок эксплуатации источника питания.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях [5], которое состоит из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов рН, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором нижняя часть корпуса выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, в центре корпуса герметично установлена трубка, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри ее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала, внесены следующие дополнения: корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством.
Таким образом, заявленное изобретение отличается от решения, известного из прототипа, тем, что корпус устройства выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, на верхней части корпуса установлено стабилизирующее устройство, выполненное в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством.
Выполнение стабилизирующего устройства в виде крыльев и резиновых амортизаторов в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивает погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Выполнение корпуса устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить негативное воздействие как морской воды, так и внешних условий. Выполнение корпуса сигарообразной формы позволяет обеспечить равномерные колебания устройства при нахождении в морской среде. Размещение в нижней части корпуса якорного устройства способствует удержанию буя в вертикальном положении и уменьшению влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Исключение негативного воздействия на устройство морской воды и внешних гидрометеорологических условий, а также обеспечения равномерных колебаний его при нахождении в морской среде обеспечивает повышение точности измерения гидрометеорологических параметров. Кроме того, амортизаторы, соединяющие крылья стабилизирующего устройства с нижней частью корпуса, выполнены таким образом, что при совершении поступательного движения запускают генератор источника питания и обеспечивают подзарядку аккумуляторных батарей источника питания, увеличивая тем самым срок его эксплуатации.
Таким образом, новые отличительные признаки заявленного изобретения обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности измерения гидрометеорологических параметров, и технического результата, заключающегося в повышении автономности устройства.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1. Блок-схема средств измерения гидрометеорологических параметров, которая включает измеритель параметров ветра 1, измеритель атмосферного давления 2 с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки; датчики температуры воздуха 3 и 4, датчик температуры воды 5, маячок 6, радиолокационный уголковый отражатель 7, модуль управления 8 с опционным блоком GPS, блок информационной памяти 9, центральный модуль 10 с контроллером, измеритель высоты волны и ориентации 11 буя, датчик скорости и направления течения 12, датчики определения солености 13, электропроводности 14, мутности 15, содержания кислорода 16, содержания ионов рН 17, контроллера процессов окисления/восстановления 18, источник питания 19.
Устройство и принцип действия средств измерения гидрометеорологических параметров (поз.1-18) аналогичны устройству и принципу действия средств измерения гидрометеорологических параметров прототипа [5].
Фиг.2. Устройство для регистрации гидрометеорологических параметров, где 8 - модуль управления с опционным блоком GPS, 19 - источник питания, 20 - корпус, 21 - выдвижное якорное устройство, 22 - стабилизирующее устройство, выполненное в виде крыльев, 23 - шарниры, 24 - резиновые амортизаторы, 25 - узел крепления парашютной системы, 26 - электрохимический размыкатель, 27 - таймер, предназначенный для запуска источника питания 19, 28 - микродвигатель с редуктором 29, 30 - антенна спутникового канала связи системы GPS.
Фиг.3. Схема действия парашютной системы, где 25 - узел крепления парашютной системы к корпусу 20 буя, 31 - летательный аппарат, 32 - вытяжное звено, 33 - купол парашюта.
Фиг.4. Схема установки буя на морскую поверхность, где 20 - корпус буя, 21 - выдвижное якорное устройство, 22 - стабилизирующее устройство, 24 - амортизаторы, 25 - узел крепления парашютной системы, 30 - антенна спутникового канала связи системы GPS, 31 - летательный аппарат, 32 - вытяжное звено, 33 - купол парашюта.
Устройство для измерения гидрометеорологических параметров устанавливается на морскую поверхность с летательного аппарата, что позволяет сократить время на установку множества таких устройств при выполнении широкоформатных исследований, например, при длительных исследованиях процессов на границе среды атмосфера - океан или при проведении изыскательских работ при сооружении морских гидротехнических объектов, включая морские терминалы газонефтяных месторождений.
Для установки с летательного аппарата устройство снабжено узлом крепления парашютной системы 25, посредством которой осуществляется спуск буя на морскую поверхность. В авиационных системах постановки буя обычно используется принудительное введение парашюта в действие с помощью вытяжного звена 32, один конец которого закреплен на летательном аппарате 31, а другой прикреплен к уздечке парашюта, находящейся в специальной камере. Схема действия парашютной системы приведена на чертеже (фиг.3).
После приводнения буя на морскую поверхность (фиг.4) в момент срабатывания узла крепления парашютной системы 25 запускается таймер 27. После запуска таймера 27 подается управляющий сигнал на источник питания 19, с которого подается сигнал на электрохимический размыкатель 26, предназначенный для удержания крыльев стабилизирующего устройства 22 плотно прижатыми к корпусу 20 и представляющий собой тонкую проволочку, которая под действием морской воды растворяется и освобождает крылья стабилизирующего устройства 22, которые раскрываются на расстояние, соответствующее длине резиновых амортизаторов 24. После включения источника питания по сигналам с модуля управления 8 подается сигнал на микродвигатель 28, сочлененный с редуктором 29, посредством которого антенна 30 спутникового канала связи устанавливается в рабочее положение, а выдвижное якорное устройство 21 устанавливается на заданную величину заглубления. Запуск средств измерения гидрометеорологических параметров (фиг.1) осуществляется по командам, поступающим по спутниковому каналу.
Антенна 30 спутникового канала связи системы GPS выполнена с линейной поляризацией в виде несимметричного полуволнового штыревого вибратора, обеспечивающего наилучшие энергетические характеристики излучения в области малых углов, с учетом ограничений по массогабаритным характеристикам и условиям эксплуатации буя.
Для обеспечения требуемой вероятности безошибочного приема информационного сообщения с буя через транслятор (космический аппарат) на наземный приемный пункт, составляющей не менее 0,99 в условиях интерференционных замираний передаваемого сигнала, предусмотрено формирование пакетных сообщений, содержащих блок корректирующего кода и синхроблок, состоящий из синхропреамбулы для космического аппарата (транслятора) и синхропреамбулы для наземного пункта приема, обеспечивающий определение факта приема пакета, тактовую синхронизацию и оценку текущей достоверности побитного приема. Кроме того, применена кратная передача пакетных сообщений с длительностью, не превышающей средней длительности благоприятных для приема временных интервалов, с независимым приемом, мажоритарным сложением пакетов и восстановлением передаваемого сообщения буем на наземном пункте.
Выполненная оценка вероятности безошибочного приема сообщения буя объемом 500 бит с учетом моделирования коэффициента передачи канала, рабочего диапазона углов места космического аппарата и волнения при скорости ветра от 6 до 10 м/с в зависимости от мощности радиоизлучения для кодовых конструкций, отличающихся корректирующим кодом, кратностью передачи пакетных сообщений для мажоритарной обработки и наличием или отсутствием перемежения символов корректирующего кода, показала, что для достижения требований достоверности приема сообщений в диапазоне углов места космического аппарата 15-45 градусов и кратности передачи пакета, равной 5, наибольшее время передачи сообщений, равное 21,6 с, достигается при использовании наиболее эффективного корректирующего кода БЧХ, а наименьшее время, равное 9,4 с, достигается при использовании простого кода Касахары, имеющего наибольшую относительную скорость передачи; минимальная мощность радиоизлучения, равная 3,5 Вт, достигается при использовании корректирующего кода БЧХ, а наибольшая, равная 29 Вт, достигается при использовании простого кода БЧХ.
Для контроля заливаемости морской волной антенны 30 и затенений космического аппарата при малых углах места и больших высотах волн в модуле управления 8 предусмотрено устройство контроля, включающее датчик тока в цепи оконечного каскада усилителя мощности передатчика буя с амплитудным модулятором на два режима работы: режим «большой мощности», используемый при передаче сообщения, и режим «малой мощности», используемый при ожидании благоприятных для передачи условий.
Резюмируя, можно отметить следующее. Стабилизирующее устройство, выполненное в виде крыльев 22, сочлененных с нижней частью корпуса при помощи резиновых амортизаторов 24, в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивают погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Кроме того, во время гидрометеорологических воздействий на буй резиновые амортизаторы 24 сокращаются и растягиваются, совершая поступательное движение. Совершая поступательное движение, амортизаторы запускают генератор источника питания 19, что обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей источника питания 19.
Якорное устройство 21 предназначено для удержания буя в вертикальном положении и уменьшения влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений.
Выполнение корпуса 20 устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить как негативное воздействие морской воды, так и влияние внешних условий, которые в морских условиях непостоянны.
Выполнение корпуса 20 устройства сигарообразной формы позволяет обеспечить равномерные колебания устройства при нахождении в морской воде.
В качестве корпуса устройства измерения гидрометеорологических параметров могут быть использованы корпуса авиационных бомб, что существенно может снизить затраты на изготовление буя.
Программное обеспечение измерения параметров волнения позволяет реализовать определение параметров волнения (высота, период, частота, длина, скорость) с выделением низкочастотной части для описания крупномасштабных колебаний морской поверхности, используемой в дальнейшем при анализе квазизеркального отражения радиоволн методом Кирхгофа и высокочастотной части для описания мелкомасштабных колебаний морской поверхности (ветровая рябь), используемой в дальнейшем при анализе диффузного рассеяния радиоволн методом возмущений.
Промышленная реализация заявляемого технического решения может быть осуществлена путем применения серийно выпускаемых измерительных датчиков, узлов и элементов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. SU 1280321, 30.12.1986;
2. SU 1280320, 30.12.1986;
3. SU 1712784, 15.02.1992;
4. JP 60107490, 12.06.1985;
5. RU 2328757, 10.07.2008.