РАДИОБУЙ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ БЕДСТВИЯ ИЗ-ПОДО ЛЬДА
RADIO BEACON FOR TRANSMITTING DISTRESS SIGNALS FROM UNDER ICE

Изобретение относится к области морской техники и предназначено для передачи сигналов бедствия с аварийной подводной лодки (ПЛ), находящейся подо льдом.
Для оказания своевременной помощи экипажу ПЛ, терпящей бедствие, требуется передача с ПЛ сигнала бедствия и координат своего местоположения. Для этих целей на ПЛ размещены аварийно-сигнальные буи. При плавании ПЛ подо льдом в случае аварийной ситуации требуется устройство, способное преодолеть или внедриться в лед и произвести передачу сигнала бедствия по каналу связи.
Уровень техники
Различные устройства были разработаны с целью обеспечения связи подводных лодок с наземными пунктами управления. Кроме того, были разработаны различные устройства для плавления льда.
Известна конструкция ледового коммуникационного буя. Патент США №5593332, 1997 г. (Прототип). Источником тепла данного буя является экзотермическая химическая реакция между литием и фтором. Тепло от химической реакции через теплообменник разогревает воду до образования пара. Полученный пар направляется к верхнему концу буя, что обеспечивает достаточный разогрев его оболочки для таяния льда. По мере плавления льда буй движется под действием положительной плавучести к верхней поверхности льда. Сохранение вертикального положения буя при всплытии обеспечивается расположением центра тяжести ближе к нижней части буя. При контакте буя с нижней поверхностью льда его вертикальное положение обеспечивается с помощью опор. Когда верхний конец сигнального буя выступит над поверхностью льда, производится выдвижение антенны вверх из защитной оболочки. Указанный буй имеет ограниченный технический ресурс и не является вполне приемлемым при значительной толщине льда.
Известен коммуникационный буй с возможностями проникновения через лед. Патент США №6183326, 2001 г. Источником тепла данного буя является экзотермическая реакция реагента Pyrosolve-Z и соляной кислоты. В процессе реакции насосом закачивается в буй морская вода. Тепло от химической реакции разогревает морскую воду до образования пара. Полученный пар под давлением направляется в концевой конус в верхней части буя. Это обеспечивает достаточный нагрев конуса и выпускает пар через отверстие в место соприкосновения со льдом. Что обеспечивает плавление льда. По мере плавления льда буй движется под действием положительной плавучести к верхней поверхности льда. Вертикальную ориентацию буя обеспечивает смещенный к нижней части центр тяжести. Данная конструкция рассчитана на толщину льда от 1 до 2 м. Когда верхний конец сигнального буя выступит над поверхностью льда, производится выброс секции нагревательного конуса. После этого буй можно использовать как одностороннее устройство связи с береговым пунктом через космические аппараты. Данный буй имеет ограниченный технический ресурс и не является вполне приемлемым при значительной толщине льда. Выпускание пара в место соприкосновения со льдом влечет обратное движение ото льда, так как пар должен выпускаться с давлением больше окружающей среды. Данной конструкцией не предусмотрена компенсация данного эффекта. Также при выпуске пара в месте, где лед неоднородный, возможно неравномерное таяние льда с образованием полости, что приведет к застреванию буя.
Известна автономная подповерхностная океанографическая буйковая станция. Патент РФ №2681816 С2, 2019 г. Бурение осуществляется буром, представляющим собой полую водопроницаемую трубу со сверлом. Внутренняя полость залита радиопрозрачным композитом, внутри которого герметично залиты радиоантенна, антенна спутниковая и проблесковый маячок. Фиксаторы в виде шипов предотвращают вращение станции вокруг вертикальной оси, а расположенные в нижней части каркаса блок с аккумуляторами и акустический блок удерживают своим весом станцию в вертикальном положении. По окончанию бурения подается питание на антенны и проблесковый маячок. При этом буйковая станция выполнена с возможностью бурения ледового покрова толщиной до 2,5 м с образованием отверстия диаметром не менее 35 мм.
Общими недостатками прототипа и аналогов являются отсутствие системы стабилизации устройства при отклонении от вертикального положения, невозможность использования при толщине льда более 2,5 м, возможность применения только при относительно ровной нижней поверхности льда, отсутствие дополнительных средств повышения положительной плавучести для большего воздействия на лед в точке соприкосновения. Также можно считать недостатком использование выдвижных антенн, так как возможна ситуация с неблагоприятными метеоусловиями на поверхности льда. Антенна в таких условиях будет подвержена обледенению, деформации, а передающее устройство будет подвержено воздействию низких температур.
Раскрытие сущности изобретения
Цель изобретения - обеспечить передачу сигналов бедствия на береговой командный пункт с подводной лодки, находящейся подо льдом.
Для достижения цели изобретения предлагается радиобуй для передачи сигналов бедствия из-подо льда, имеющий автономный источник электроэнергии, радиопередающее устройство, систему стабилизации глубины, термобур для плавления льда и внедрения в него антенны, систему стабилизации вертикального положения термобура. Дополнительно радиобуй снабжен баллонами с пропаном и кислородом, соединенными с термобуром гибким шлангом.
Плавление льда и внедрение в него термобура (1) с антенной (2) осуществляется за счет нагрева атакующей части (3) термобура. Источником тепла является реакция горения газовой смеси из пропана и кислорода в камере сгорания (4) атакующей части термобура. Конструкция камеры сгорания обеспечивает удаление продуктов горения по трубопроводу (5) в нижнюю часть термобура с последующим выбросом в окружающую среду. Выброс продуктов горения производится с давлением, превышающим давление окружающей среды, тем самым создавая реактивную тягу. Реактивная тяга увеличивает силу, с которой термобур своей атакующей частью воздействует на лед в точке соприкосновения, что повышает скорость проплавления.
Термобур размещается в герметичном прочном контейнере (6), обеспечивающем сохранение конструкции до предельной глубины погружения подводной лодки, и выполненном из титана. Контейнер предлагается располагать вне прочного корпуса подводной лодки в вертикальном положении. Место установки (7) радиобуя снабжено устройством отдачи. Контейнер сопряжен с корабельной системой электропитания, навигационным комплексом, комплексом связи с помощью кабеля. В устройстве отдачи располагается механизм отсечения кабеля. Для обеспечения положительной плавучести контейнер снабжен внешней оболочкой (8) из сферопластика. В контейнере расположены два кислородных баллона (9), баллон с пропаном (10), блок автономного электрического питания, узел для размещения редукторов, диффузора для смешивания газов, блока автоматики, блока сопряжения с корабельными системами, отсек (11) для размещения термобура и кабель - шланговой связки (12) из гибкого газового шланга, кабеля питания и информационного кабеля. В верхней части контейнера расположены датчики глубины и измерителя толщины льда. К нижней части контейнера подсоединена балластная цистерна (13), обеспечивающая наполнение водой для утяжеления радиобуя (14), которая сбрасывается для придания положительной плавучести контейнеру.
Термобур представляет собой цилиндр высотой 1000 мм и диаметром 200 мм (определен диаметром антенны) с атакующей частью в форме конуса высотой 150 мм. Корпус термобура, за исключением атакующей части, выполнен из композиционного материала сферопластика. Атакующая часть, дно камеры сгорания (15), внутренний направляющий конус (16), круговая горелка (17) с выходными отверстиями изготовлены из огнеупорного высокопрочного ситалла. Толщина стенок атакующей части - 4 мм, внутреннего направляющего конуса - 2 мм, дна камеры сгорания - 4 мм. Внутренний направляющий конус является усеченным. В его верхнем основании расположено отверстие (18) для создания тяги пламени в камере сгорания. Трубопровод выполнен по типу теплообменника «труба в трубе». В месте выхода газовой смеси из отверстий круговой горелки расположен искровой воспламенитель. Внутри корпуса термобура расположена антенна для передачи сигналов бедствия по спутниковому каналу. Излучение сигнала из толщи льда позволяет применять радиобуй при толщине льда более 2,5 м. Антенна является спиральной цилиндрической четырехзаходной и полностью залита сферопластиком для защиты от гидростатического давления. Между антенной и дном камеры сгорания расположено воздушное пространство (19) для предотвращения термического воздействия камеры сгорания на антенну. Под антенной находится отсек (20) для размещения блока (21) радиопередатчика, блока (22) управления системы стабилизации вертикального положения термобура. По центру термобура от его основания до камеры сгорания расположен трубопровод подачи газовой смеси и удаления продуктов горения. Термобур соединен с контейнером с помощью кабель - шланговой связки из гибкого газового шланга, кабеля питания и информационного кабеля длиной 10 м. Термобур с кабель - шланговой связкой помещены в отдельный отсек с крышкой (23).
Вертикальное положение термобура обеспечивается смещенным к основанию центром тяжести, а также системой стабилизации вертикального положения термобура. Она служит для компенсации воздействия на термобур подледного течения и других внешних воздействий, обеспечивая строгое вертикальное положение. Система функционирует за счет порционного выброса продуктов горения через управляемые клапаны (24) в 4-х направлениях через отверстия (25) на боковой поверхности термобура. Управление клапанами осуществляется по командам от акселерометра, находящегося в блоке управления системы стабилизации термобура.
Система стабилизации глубины радиобуя служит для управления скоростью его всплытия. По данным датчиков системы изменяется запас плавучести радиобуя при всплытии до полной его остановки на заданной глубине, не достигая нижней поверхности льда, на которой производится выпуск термобура. Изменение запаса плавучести производится с помощью балластной цистерны и заполнения отсека с термобуром. Такой способ выпуска термобура обеспечивает возможность использования его в условиях случайного характера параметров геометрической неоднородности нижней поверхности льда.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 показан состав радиобуя для передачи сигналов бедствия из-подо льда. Цифрами обозначены: 1 - термобур; 2 - антенна; 3 - атакующая часть термобура; 4 - камера сгорания; 5 - трубопровод; 6 - герметичный прочный контейнер; 8 - внешняя оболочка контейнера; 9 - кислородный баллон; 10 - баллон с пропаном; 11 - отсек для размещения термобура и кабель - шланговой связки; 12 - кабель - шланговая связка; 13 - балластная цистерна; 14 - радиобуй; 20 - отсек для размещения блока радиопередатчика, блока управления системы стабилизации вертикального положения термобура; 21 - блок радиопередатчика; 22 - блок управления системы стабилизации вертикального положения термобура; 23 - крышка отсека с термобуром; 24 - управляемые клапаны; 25 - отверстия на боковой поверхности термобура.
На фиг. 2 изображена атакующая часть термобура, включающая в себя камеру сгорания. Цифрами обозначены: 1 - термобур; 2 - антенна; 3 -атакующая часть термобура; 4 - камера сгорания; 5 - трубопровод; 15 - дно камеры сгорания; 16 - внутренний направляющий конус; 17 - круговая горелка; 18 - отверстие; 19 - воздушное пространство.
На фиг. 3 изображена круговая горелка атакующей части термобура и трубопровод по типу «труба в трубе». Цифрами обозначены: 2 - антенна; 3 -атакующая часть термобура; 4 - камера сгорания; 5 - трубопровод; 15 - дно камеры сгорания; 16 - внутренний направляющий конус; 17 - круговая горелка; 19 - воздушное пространство.
На фиг. 4 показана система стабилизации вертикального положения термобура. Цифрами обозначены: 1 - термобур; 5 - трубопровод; 20 - отсек для размещения блока радиопередатчика, блока управления системы стабилизации вертикального положения термобура; 22 - блок управления системы стабилизации вертикального положения термобура; 24 -управляемые клапаны; 25 - отверстия на боковой поверхности термобура.
На фиг. 5 показан радиобуй, отделившийся от подводной лодки и занявший глубину для выпуска термобура. Цифрами обозначены: 7 - место установки радиобуя; 14 - радиобуй; 26 - подводная лодка; 27 - ледовый покров.
На фиг. 6 показаны термобур, внедрившийся в лед, и контейнер после сброса балласта. Цифрами обозначены: 1 - термобур; 3 - атакующая часть термобура; 6 - герметичный прочный контейнер; 8 - внешняя оболочка контейнера; 12 - кабель - шланговая связка; 14 - радиобуй; 25 - отверстия на боковой поверхности термобура; 27 - ледовый покров; 28 - проплавленный лед.
Осуществление изобретения
Работа радиобуя осуществляется следующим образом. Перед входом подводной лодки в айсбергоопасный район устанавливается автоматический режим использования радиобуя. В устройство с необходимой дискретностью из навигационного комплекса транслируется координаты местоположения подводной лодки. В памяти устройства хранятся заранее набранные сигналы бедствия. Предусмотрена возможность оперативного дополнения массива сообщений.
При возникновении аварии на подводной лодке (26) цепи управления срабатывают автоматически в следующих случаях: при достижении подводной лодкой предельной глубины погружения; при достижении давления и (или) температуры в отсеках подводной лодки более установленного значения; при достижении крена и (или) дифферента более установленных значений. Также предусмотрено ручное управление. Блок управления автоматической и ручной отдачей радиобуя находится в отсеке подводной лодки.
После срабатывания цепей управления, блоком автоматики производится анализ глубины погружения для выбора режима работы. В случае нахождения подводной лодки в приледненном положении радиобуй остается на своем месте, а термобур выпускается из этого положения. В других случаях происходит отсечение кабеля, с помощью которого радиобуй сопряжен с корабельными системами, с одновременной отдачей радиобуя.
Перед отсечением кабеля, радиобуй переходит на свой источник электроэнергии. Им является аккумуляторная батарея. За счет положительной плавучести радиобуй начинает всплывать. По данным глубиномера блок автоматики радиобуя контролирует скорость всплытия и замедляет его уменьшением положительной плавучести радиобуя. Это достигается путем заполнения балластной цистерны. По данным с датчика измерителя толщины льда за 10 м до нижней поверхности ледового покрова (27) начинается заполнение отсека с термобуром. За 5 м до нижней поверхности льда плавучесть радиобуя становится нейтральной, и радиобуй прекращает всплытие, оставаясь на этой глубине. После выравнивания давления в отсеке (11) с забортным, открывается крышка отсека.
Одновременно с этим запускается подача газовой смеси из баллонов контейнера по гибкому шлангу и трубопроводу в камеру сгорания термобура. Пропан и кислород смешиваются в диффузоре. После этого подается разряд на искровой воспламенитель. Газовая смесь воспламеняется в круговой горелке. Пламя распространяется вдоль направляющего внутреннего конуса к отверстию, нагревая при этом стенки атакующей части термобура. Внутри камеры сгорания термобура установлены датчики температуры и давления. Процесс горения и поддержания заданной температуры регулируется блоком автоматики контейнера. Продукты горения за счет разницы давления удаляются из камеры по трубопроводу через невозвратный клапан в нижней части термобура в окружающую среду. За счет созданной реактивной тяги увеличивается сила упора термобура в лед, что увеличивает скорость проплавления. Конструкция трубопровода по типу теплообменника «труба в трубе» обеспечивает охлаждение трубопровода для удаления продуктов горения. Что сохраняет конструкцию и параметры спиральной антенны.
За счет положительной плавучести из отсека контейнера всплывает термобур, вытягивая за собой кабель-шланговую связку. Вертикальное положение термобура обеспечивается смещенным к основанию центром тяжести. При этом запускается система стабилизации вертикального положения термобура с целью отвода в сторону от вертикальной оси контейнера. Также она служит для компенсации возможных отклонений под действием течения подо льдом.
Далее термобур упирается атакующей частью в нижнюю поверхность льда и начинается плавление льда. После выхода термобура из отсека, производится сброс балластной цистерны. За счет сброса происходит изменение запаса плавучести. Контейнер получает положительную плавучесть и всплывает, упираясь в лед.
Поддержанием постоянной необходимой температуры на внешней поверхности атакующей части термобура осуществляется проплавление (28) льда и движение термобура под действием выталкивающей силы и реактивной тяги.
Для максимального приближения к верхней поверхности льда горючее расходуется полностью. После этого термобур переходит в режим передачи сигналов бедствия по спутниковому каналу через космические аппараты системы связи.
Техническим результатом изобретения является обеспечение передачи сигналов бедствия на береговой командный пункт с подводной лодки, находящейся подо льдом.