АВАРИЙНО-СИГНАЛЬНЫЙ РАДИОБУЙ
ALARM RADIO BUOY

Предлагаемый аварийно-сигнальный радиобуй (АСРБ) принадлежит к средствам оповещения об аварии, которые подводная лодка выбрасывает из глубины, а надводный корабль, судно сбрасывает за борт для передачи через систему глобальной спутниковой связи по системе КОСПАС-САРСАТ краткого кодированного сообщения.
Особенность предлагаемого технического решения в том, что архитектурная форма и взаимное расположение центра масс и плавучести этого АСРБ обеспечивают ему необходимую остойчивость и ограниченную вертикальную и угловую качку, чем способствует повышению надежности передачи аварийного сигнала на морском волнении. Кроме того, предлагаемое техническое решение содержит источник электрохимической энергии, работающий в морской воде.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является АСРБ подводной лодки по патенту РФ №2287450 - прототип [1]. Он имеет целый ряд положительных свойств:
- его вертикально вытянутая форма и небольшой диаметр обеспечивают удобство размещения на ПЛ в специальном или в штатном контейнере и небольшое сопротивление при всплытии;
- он состоит из двух цилиндрических частей: верхней прочной, в которой размещается вся радиоаппаратура, и нижней, заполняемой водой, что позволяет центр плавучести иметь на середине непроницаемой части, а в самой нижней, проницаемой части разместить твердый балласт и этим обеспечить необходимую остойчивость.
- нижняя проницаемая часть АСРБ выполняет роль нейтрализатора волнового возмущающего момента (НВМ), что обеспечивает бую ограниченную угловую качку.
Недостатком прототипа является то, что у него нет средств нейтрализации вертикальных волновых возмущающих сил. Поэтому у буя-прототипа на определенных частотах не исключена повышенная вертикальная качка, « выпрыгивание» из воды и заваливание на борт, что снижает надежность передачи аварийного сигнала. Такие явления наблюдались в лабораторном эксперименте [2]. Устройство для нейтрализации вертикальных волновых сил содержит плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости [3] (аналог). Это устройство представляет собой пластинчатый конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС), устанавливаемый снаружи вертикального цилиндрического корпуса на небольшом удалении от поверхности. Диаметр такого НВС составляет 1,4-1,6 диаметра цилиндрического корпуса. Для АСРБ ПЛ это совершенно недопустимо по условиям размещения его в контейнере. Требуется изменение конструкции проницаемого корпуса. Кроме того, ни аналог, ни прототип не имеют электрохимических источников энергии. Наличие же такого источника для АСРБ, который начинает работать только после попадания в морскую воду, весьма желательно. Его энергия может быть вполне достаточной для питания аварийного радиопередатчика и маяка в течение нескольких часов.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей известных технических решений путем одновременной нейтрализации волновых возмущающих моментов и возмущающих сил, существенного уменьшении угловой и вертикальной качки и установки на АСРБ электрохимических источников энергии.
Указанные цели достигаются тем, что у известных технических решений, содержащих вертикально ориентированный частично погруженный непроницаемый цилиндрический прочный корпус, нейтрализаторы волновых возмущающих сил и моментов, твердый балласт, радиоаппаратуру и другие полезные грузы, располагающиеся внутри непроницаемого прочного корпуса, геометрические размеры которого определяются из совместного решения уравнений масс и плавучести, остойчивости, заданной степени нейтрализации волновых нагрузок и ограничения вертикальных размеров АСРБ, нейтрализатор волновых моментов выполнен из диэлектрического материала в виде 2 взаимно перпендикулярных вертикально вытянутых пластин (ВП), длиной не менее половины осадки Т и шириной, не меньшей диаметра верхнего прочного цилиндрического корпуса D=2R, жестко крестообразно соединенных своими серединами между собой под прямым углом и с верхним непроницаемым прочным корпусом, в нижней части этих вертикальных пластин устанавливается конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС) с образующей, наклоненной не более 20° к горизонту, с диаметром основания, равным наибольшей ширине крестообразных ВП, между дном верхнего непроницаемого цилиндрического корпуса и нижним КНВС при необходимости устанавливаются такие же промежуточные КНВС, бую в надводном положении обеспечивается запас плавучести 20-30% и расположение центра масс ниже центра плавучести на величину не менее 0,2 осадки Т непроницаемого корпуса, при этом пластинчатые нейтрализаторы волновых моментов выполнены гофрированными в вертикальном направлении, в гофрах ВП установлены гальванические элементы из металлов разной электрохимической активности или металлосодержащих паст, например, на основе серебра-палладия (катоды) и кадмий-магния (аноды), соединенных в батарею, способную создавать в морской воде ЭДС для питания аварийного радиопередатчика и маяка [4, 5].
На фиг.1 показан АСРБ для ПЛ, а на фиг.2 - для надводных кораблей и судов. Их главное отличие - в общей высоте и ширине вертикальных пластин. Для АСРБ ПЛ, который хранится в специальном герметичном контейнере, необходимо обеспечить устойчивое всплытие с глубины на поверхность и остойчивость после всплытия. Для этого в подводном положении центр плавучести буя должен быть выше его центра масс. В надводном положении буй также должен иметь положительную остойчивость и запас плавучести 20-30%. Поэтому для этого буя обязательна вертикально вытянутая форма, его центр масс должен располагаться ниже центра плавучести в надводном положении, а ширина крестообразных гофрированных пластин должна быть равна диаметру непроницаемого корпуса.
Для АСРБ НК диаметр верхнего водонепроницаемого цилиндра по сравнению с ПЛ может быть увеличен, уменьшен общий его вертикальный размер, а ширина вертикальных гофрированных пластин сделана большей 2 радиусов цилиндра.
Волностойкие формы АСРБ, показанные на фиг.1 и 2, включают:
- подводную часть 1 прочного непроницаемого корпуса радиуса R и осадкой Т в рабочем надводном положении;
нч
зп
зп
- надводную часть непроницаемого корпуса 2 высотой Н=kТ, где k=0.2-0.3 - коэффициент запаса плавучести;
вп
- крестообразные вертикальные гофрированные в вертикальном направлении пластины 3 для нейтрализации волновых моментов общей высотой Н и шириной B≥2R, выполненные из прочных диэлектрических материалов;
- нижний конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил 4 диаметром основания, равным ширине В;
- промежуточные конические демпферы-нейтрализаторы волновых сил 5 такого же диаметра;
- твердого балласта 6, который располагается снизу нижнего конического нейтрализатора волновых сил и служит для обеспечения АСРБ необходимого значения метацентрической высоты и осадки;
- батарею гальванических элементов 7, вмонтированных в гофры нейтрализатора волновых моментов (не показаны).
АСРБ в надводном положении на тихой воде должен удовлетворять условиям плавучести и заданной остойчивости. Условие плавучести для буя имеет вид:
нг
где m - сумма масс заданных независимых грузов: радиоаппаратуры, антенны, источников питания (аккумуляторной батареи и гальванических элементов), аппаратуры управления, кг;
пк
пк
зп
пк
пк
m - масса прочного непроницаемого корпуса высотой Н=(1+k)Т, зависящая от его радиуса R, толщины δ и плотности материала ρ;
- массы весом в воде вертикальных гофрированных пластин-нейтрализаторов волновых моментов, конических нижнего и промежуточных нейтрализаторов вертикальных волновых сил и твердого балласта, зависящие от их размеров и плотности материалов, из которых они сделаны. Конкретные выражения для всех зависимых масс являются «ноу-хау» авторов.
Условие остойчивости АСРБ в надводном положении
с
G
где у=Т/2 - аппликата центра плавучести; у - аппликата центра масс;
mc
zs
mc
2
r=I/V - метацентрический радиус, равный для цилиндра R/4T. Как показано в [1] для R/T≤0,2, величиной r≤0,05R ожно пренебречь. Тогда условие (2) приводит к условию допустимого возвышения центра масс над основной плоскостью, проходящей по днищу прочного корпуса
нч
зп
max
Исходя из требований запаса плавучести Н=k·Т, высоты ПН  и ограничения общей высоты АСРБ Н по условиям его размещения на ПЛ, можно составить еще одно ограничение
Аналогичное ограничение может быть записано для АСРБ НК.
Волновой процесс на глубокой воде описывается выражением
0
где A - амплитуда волны на поверхности;
y - удаление рассматриваемого горизонта от невозмущенной поверхности;
- волновое число, λ - длина волны;
- частота волны, τ - ее период.
Принцип нейтрализации возмущающих воздействий волны на АСРБ и уменьшения его вертикальной и угловой качки с помощью предлагаемых средств демонстрируют фиг.3 (для нейтрализации волновых сил) и фиг.4 (для нейтрализации возмущающих моментов).
В соответствии с теорией волностойких архитектурных форм [2] и описанием аналога [3], на частично погруженный вертикально ориентированный неподвижный цилиндрический прочный корпус (фиг.3) действуют следующие основные волновые силы:
0
2
где  - квазистатическая сила, действующая в фазе с волной на надводную часть корпуса АСРБ от его накрытия волной или оголения, она пропорциональна AπRcos ωt;
0
2
-kT/2
- инерционно-волновая сила, действующая на погруженную часть ПК в противофазе с волной; она пропорциональна - kAπRTecosωt;
- инерционно-волновая сила, действующая на пластинчатый конический нейтрализатор волновых сил в противофазе с волной; она пропорциональна -
пн
Точные выражения для этих сил также являются «ноу-хау» авторов. Но важно, что  действуют в фазе с волной, a  и  - в противофазе. И если задать условие, чтобы при заданной расчетной волне, например при 6 баллах, АСРБ отслеживал волну по вертикали с заданной погрешностью, например, не более |δ|≤0,2Т, то можно из уравнений (1), (2), (3), (4) и (6) определить водоизмещение АСРБ, его радиус, осадку и потребную площадь нижнего и промежуточных КНВС и их удаление от основной плоскости, которые обеспечивают условие нейтрализации вертикальных волновых сил. Главными членами возмущающего момента, действующего на вертикально ориентированный цилиндр и вертикальные пластины (фиг.4) в соответствии с [2] и описанием прототипа [1] при 2R<0,15 м, осадкой T≤0,6 м и Н≥0,5Т, являются
где  - квазистатический волновой момент от остойчивости нагрузки (возвышения центра плавучести над центром масс) относительно центра масс АСРБ;
- момент от боковой инерционно-волновой силы относительно центра масс АСРБ, вблизи центра плавучести объема;
- момент относительно центра масс от боковой инерционно-волновой силы, действующей на ПН и приложенной посередине его высоты.
Первые два члена в (7) в фазе волны фиг.4 действуют по часовой стрелке, третий - против. И эта противофазность сохраняется во всех фазах волны. Поэтому по уравнению (7) вместе с уравнением плавучести (1), остойчивости (2), (3) ограничением (4) можно найти высоту и ширину ПН для заданной степени нейтрализации волновых возмущающих моментов и этим обеспечить уменьшение угловой качки АСРБ не хуже, чем у прототипа [1].
Искомые водоизмещение и оптимальные главные размерения АСРБ могут быть найдены известными в теории проектирования методами последовательных приближений и многокритериальной оптимизации. Пример применения такого метода приведен в описании патента-прототипа [1]. Поэтому реализуемость предложенного технического решения сомнений не вызывает.
Предложенные архитектурные формы АСРБ существенно отличаются от существующих аналогов:
- замена у прототипа проницаемого цилиндрического нейтрализатора волновых моментов на две взаимно перпендикулярных пластины шириной, равной диаметру непроницаемого корпуса АСРБ ПЛ, позволила при том же диаметре контейнера использовать их в качестве нейтрализаторов волновых моментов и расположить в нижней их части конический нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС), чем существенно улучшить свойства прототипа;
- это техническое решение обладает патентной новизной по сравнению с аналогом [3], т.к. позволило создать работающий КНВС того же диаметра, что и диаметр прочного непроницаемого корпуса;
- предусмотрена возможность установки в случае необходимости дополнительных КНВС;
- форма КНВС с небольшой конусностью будет мало влиять на работу ПН по нейтрализации волновых моментов, в принципе возможна и плоская форма ПН, без конусности;
- для АСРБ НК предусмотрена возможность увеличения диаметра прочного корпуса, сокращения общей высоты и увеличения ширины пластинчатых нейтрализаторов;
- пластинчатые нейтрализаторы выполнены гофрированными, что увеличивает их жесткость на изгиб, и это в данном техническом решении обладает существенной новизной и полезным эффектом;
- в гофрах ПН размещаются электроды гальванических элементов, что является новым техническим решением в АСРБ:
- в вопросах уменьшения качки АСРБ применены известные (по названию) уравнения частичной нейтрализации волновых возмущающих сил и моментов, однако структуры этих уравнений из-за существенного изменения архитектурной формы АСРБ существенно отличается от прототипа и аналога.
Патентный поиск не выявил похожих технических решений, поэтому предложенные архитектурные формы отвечают критерию существенной патентной новизны.
Кроме того, предложенные технические решения по сравнению с известными обладают существенным положительным эффектом:
- обеспечивают одновременное уменьшение и угловой, и вертикальной качки АСРБ;
- предложенный тип АСРБ снабжен гальваническим источником энергии, работающим в морской воде.
Источники информации
1. Аварийно-сигнальный радиобуй подводной лодки. Патент РФ №2287450, 2005.
2. Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В., Ейбоженко А.В., и др. Поисковые исследования по обоснованию и разработке волностойких высокоэффективных образцов вооружения и военной техники. Технический отчет о НИР «Ингул», СПб, 1999 г.
3. Плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости. Патент РФ №2324619 по заявке №2006102912 от 01.02.06.
4. Глинка Н.Л Общая химия. Пособие для студентов. 23 издание, Л.: Химия, 1984 г.
5. О применении материалов и изделий на основе драгоценных металлов для электронной техники. ЗАО «ЭЛМА-ПАСТЫ», http:||www. Infontr.ru/artides/newscomp 009/ php.