ДВУХСРЕДНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ АВАРИЙНЫЙ МАЯК (ВАРИАНТЫ)

Устройство относится к конструкции одного из компонентов аварийно-спасательных средств и может быть использовано при быстром и эффективном поиске затонувших объектов - плавсредств, судов, вертолетов и самолетов, потерпевших аварию в водной акватории. Этим средством могут снабжаться также отдельные особо важные приборы и узлы объектов, например, «черные ящики».
Для поиска затонувших объектов в настоящее время, как правило, используются гидроакустические средства (гидролокаторы), функционирующие в режиме активной эхо-локации, обнаруживающие объекты по отраженным от них сигналам - буксируемые гидролокаторы бокового обзора или опускаемые гидролокаторы кругового обзора.
При установке на затонувшем объекте гидроакустического маяка дальность обнаружения такого объекта, как правило, будет в несколько раз больше, чем в режиме эхо-локации. Уменьшается требуемое время обнаружения, удешевляется процесс нахождения объекта.
Объекты, как плавающие, так и летающие, обладающие потенциальной возможностью потерпеть аварию в водных акваториях или над ними, гидроакустическими маяками не снабжаются, видимо, из-за ожидаемой низкой вероятности аварий.
Роль предлагаемой полезной модели для плавсредств аналогична роли бытовой системы обнаружения задымления при возникновении пожара, устанавливаемой в бытовых помещениях. Большая часть этих датчиков никогда не используется, но целесообразность их массового использования не вызывает сомнений.
Гидроакустические маяки широко используются при проведении различных работ в водных акваториях. Часть их функционирует в двух режимах:
- дежурный режим (маяк ожидает команды «включение на функционирование);
- рабочий режим.
При обоих режимах гидроакустический маяк находится в одной и той же - водной среде.
Маяк, как прибор, не представляет собой новизны. Световые маяки используются много столетий. В начале двадцатого века появились радиомаяки, а в середине столетия - гидроакустические маяки. По своему назначению гидроакустические маяки можно разделить на маркерные и приводные. Маркерные маяки предназначены для фиксирования местоположения предметов, поиск которых необходим, а также разметки водных акваторий, в которых производятся определенные подводные работы. Приводные маяки предназначены для решения навигационных задач -
уточнения путей движения подводных аппаратов и подводных лодок. Гидроакустические маяки функционируют совместно с пеленгаторами. В последние десятилетия они входят составной частью в системы подводного позиционирования.
В обзорные материалы по заявке на полезную модель можно включить описание гидроакустического маяка ULB-364, работающего совместно с пеленгатором PRS-275, отечественных маяков-ответчиков моделей МО_Ш, МО_Г, МО_Д, систему позиционирования GPS Intelligent Buoys.
Большое количество гидроакустических маяков используется военными флотами различных государств. Их конструкции и технические характеристики не публикуются.
Гидроакустические маяки типа Dive-Trak и ULB-364 предназначены для обозначения различных объектов, находящихся под водой для последующего быстрого выхода на них водолазов или подводных аппаратов. Они функционируют совместно с гидроакустическими пеленгаторами Mark-Trak и PRS-275, соответственно. Совместно маяк и пеленгатор образуют «личную» навигационную систему, используемую подводным пловцом или дайвером.
На систему Dive-Trak и Mark-Trak распространяется авторское право от 1998 года компании RIE International, Inc., зарегистрированной в штате Калифорния США. Обе навигационные системы полностью совпадают по назначению. Гидроакустический маяк ULB-364, кроме включения оператором, имеет режим автоматического включения. Приоритет маяка ULB-364 неизвестен.
Для выполнения подводных работ, связанных например, с подводным бурением, точной установкой объектов под водой, используется гидроакустический маяк с системой пеленгаторов. К таким системам относится система гидроакустического позиционирования GPS Intelligent Buoys, изготавливаемая французской компанией "ASCA″.
Она выдает в реальном масштабе времени абсолютные координаты, скорость и траекторию движения подводных лодок, водолазов, телеуправляемых аппаратов, автономных обитаемых и необитаемых подводных аппаратов, оборудованных гидроакустическими маяками.
Такое же назначение, как и GPS Intelligent Buoys, имеют отечественные гидроакустические комплексы с маяками-ответчиками МО_Ш, МО_Г и МО_Д, разработанные ОКБ Океанологической техники РАН. Они работают с ГАС Российского производства СНП-1, СНП-2, ПТС-ОПА, «Оредеж».
Из числа обнаруженных гидроакустических маяков только гидроакустический маяк ULB-364 обладает (в одном из режимов работы) автоматическим включением при попадании в воду, но функционирование в воздушной среде - дежурный режим работы в воздухе - у него отсутствует. Среди обнаруженных по литературным источниками гидроакустических маяков не найдены маяки, предназначенные для фиксирования аварийной ситуации на объектах, т.е. нет маяков предлагаемого в заявке назначения.
Наиболее близким, по своим конструктивным особенностям, представляется гидроакустический маяк ULB-364, который следует принять за аналог.
Предлагаемая полезная модель в дежурном режиме должна функционировать в воздушной атмосфере, а работать в водной среде. Прибор - двухсредный. Этим он отличается от обычных гидроакустических маяков.
Характерные особенности аварийных маяков состоят в:
- низкой стоимости изготовления;
- простоте изготовления и возможности массового изготовления;
- простоте обслуживания в дежурном режиме;
- высокой надежности и длительности функционирования в рабочем режиме.
Современные гидроакустические устройства, с помощью которых в настоящее время проводится обнаружение объектов, потерпевших аварию, при применении аварийных маяков могут использоваться для «допоиска» при последующем сближении поисковой аппаратуры с аварийным маяком.
Специфика современной обстановки состоит в том, что стандартизация и гидроакустическая совместимость поисковых средств отсутствует как внутри стран, так, тем более, между странами.
В дальнейшем, службы «чрезвычайных ситуаций» должны выработать единые технические требования к поисковой аппаратуре, хотя бы, по используемому в аварийных маяках диапазону частот.
Двухсредный аварийный маяк в одном или нескольких экземплярах устанавливается на объектах-носителях (морских и речных судах, лодках, вертолетах) в таких местах, в которых при попадании его в воду вследствие аварии носителя, обеспечивается акустическое излучение в пространство в возможно более широком секторе углов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является конструкция одного из элементов двухсредного аварийного гидроакустического маяка, обеспечивающая надежное длительное пребывание готового к работе аварийного маяка в дежурном режиме в атмосфере, практически без его обслуживания и автоматическое переключение в рабочий режим при попадании его в другую среду.
При этом достигается низкая стоимость и возможность массового производства.
Технический результат достигается за счет того, что аварийный гидроакустический маяк содержит цилиндрический, или сферический пьезокерамический, или магнитострикционный элемент - излучатель, помещенный в герметичный корпус, электрический генератор и устройство автоматического перевода маяка из дежурного режима в рабочий режим, аккумуляторную батарею - помещенные в герметичный корпус.
Применением в аварийном двухсредном акустическом маяке сферического излучателя вместо цилиндрического достигается в некоторых случаях более равномерное облучение пространства (более близкое к изотропному).
При использовании аварийного акустического маяка на объектах, подвергающихся при аварии сильным механическим воздействиям (падение самолета или вертолета), в состав маяка целесообразно включать магнитострикционный излучатель вместо керамического, т.к. пермендюр, например, существенно прочнее пьезокерамики.
Чувствительный элемент - электроды - размещены в специальном отсеке внутри оболочки корпуса, соединяющемся с внешней средой и заполняемом ею при попадании маяка в воду в результате аварии и затопления его носителя.
Конструкция маяка изображена на рис.1
Аварийный маяк содержит цилиндрический пьезокерамический или магнитострикционный акустический излучатель 1, заделанный в герметизирующее звукопрозрачное покрытие из резины или полиуретана 2, электрический генератор 3, устройство для автоматического включения маяка при попадании его в воду 4, чувствительный включающий элемент - электроды 5 и 6, герметичный корпус 7, аккумуляторную батарею 8, брызгопылезащитный чехол 9.
Входы электродов в корпус герметизированы с помощью изолирующих втулок и, гальванически электроды с корпусом не связаны.
Для лучшей гидроизоляции в условиях влажной атмосферы электроды обрамлены кольцевыми ограждениями 10 и 11.
На рис.2 изображен каскад на биполярном транзисторе, через который напряжение от аккумуляторной батареи подается на генератор после замыкания промежутка между электродами 5 и 6 водой.
Работа двухсредного аварийного маяка происходит следующим образом. Маяк установлен и укреплен в выбранном месте плавсредства - «носителя» с таким расчетом, чтобы в случае затопления излучатель имел бы вокруг себя свободное пространство, озвучиваемое в максимально большом телесном угле.
В воздушной атмосфере база транзистора Т находится под нулевым потенциалом и ток разряда аккумуляторной батареи незначителен. Обслуживание маяка сводится к периодической замене аккумуляторной батареи, причем временной интервал определяется качеством ее элементов и энергоемкостью.
При затоплении носителя маяка вода, попавшая в полость с электродами, замыкает их 5 и 6 и через Т1 (4) течет ток. На электрический генератор через Т1 поступает напряжение от аккумуляторной батареи и генератор 3 самовозбуждается. В целях экономии энергоресурса режим электрического генератора используется импульсным с большой скважностью. Акустический излучатель преобразует электрические импульсы в акустические. Маяк излучает сигналы до разряда аккумуляторной батареи ниже определенного уровня.
Для более или менее равномерного озвучивания пространства вокруг затонувшего объекта (создания поля, близкого к изотропному) размеры
излучающего элемента должны быть меньше длины волны в воде на его рабочих частотах. Для эффективного излучения маяк должен излучать на резонансных частотах, причем, его геометрические размеры связаны с выбранной величиной рабочей частоты, а для эффективной нагрузки со стороны водной среды не должны быть существенно меньше длины волны.
Принципиально рабочий диапазон аварийного маяка ничем не ограничен, но должен быть совмещен с рабочим диапазоном используемых гидроакустических поисковых средств МЧС.
В качестве иллюстрации выполним некоторые оценки технических параметров и габаритных размеров аварийного двухсредного маяка.
При выбранном излучающем элементе в виде цилиндра имеют место два ряда резонансных частот. Первый - обусловлен диаметром цилиндрической оболочки. Нижняя частота определяется по формуле:
или  приняв  получим:
Скорость распространения колебаний в ЦТС равна
ц
Второй ряд частот обусловлен высотой цилиндра. На высоте цилиндра в резонансе укладывается половина длины волны: если принять h=5 см, то
Учитывая частотную зависимость затухания в морских акваториях от солености (в океане S=35-42‰) оценки сделаем для рабочей частоты 10 кГц и 15 кГц.
Средняя глубина океана близка к 5 км. Воспользуемся формулой для затухания звука в океане:
Горизонтальная дальность в 9 км получается при наклонной в 10 км.
Типичный электроакустический КПД (η) пьезокерамического излучателя лежит в пределах 25-50%. Приняв импульсную электрическую
мощность генератора 25 Вт и η =25%, получим акустическую мощность 6 Вт (=6 Вт).
Акустическое давление на расстоянии 1 м от излучателя при изотропном (равномерном) поле находится по формуле:
ρ - плотность воды;
С - скорость распространения колебаний;
S - площадь сферы радиусом 1 м вокруг излучателя
При r =9 км и α=3 акустическое давление, создаваемое маяком на
0
а
0
а
-3
-2
расстоянии 9 км, составит Р=30П10, а при α=10 Р=10П
В зависимости от конструкции гидроакустических антенн поисковых средств их чувствительность может колебаться в широких пределах. Реально она может превышать , т.е. гидроакустические сигналы трансформируются в напряжение 30-60 мкВ нижней части диапазона и в 10-20 мкВ в верхней части диапазона. Причем, они существенно превышают реакцию антенны поискового средства на шумы моря.
-4
Добротность гидроакустических антенн Q обычно лежит в пределах 5-15. Приняв Q=10, получим, что нарастание принимаемого ими акустического сигнала продолжается 10-15 периодов. При ƒ=10 кГц, Тƒ=10 сек
и
и
-3
τ=(1 - 1,5)× 10 сек. В качестве «запаса» увеличим τ, в два раза - до 2-3 м сек. При излучении пяти импульсов в секунду скважность
и
и
Если ЭДС батареи аварийного маяка равна 12 В, то при φ =25 Вт J =2А. Средний ток равен:
(батарея составлена из 7 аккумуляторов)
При емкости батареи маяка 4 а. ч. время его работы составит
Напряжение электропитания составит 9 В, ток 40 mA
Исходя из полученных оценок, можно считать, что объем аварийного гидроакустического маяка составит приблизительно 2,5 - 3 дм. (диаметр 100 мм, длина 200 мм).
В «дежурном» режиме разряд батареи происходит за счет внутренней утечки и из-за утечки через запертый транзистор электронного ключа. По-видимому, определяющим явится первый фактор. Его влияние может быт определено только экспериментальным путем и определяется количеством элементов батареи. Т.е. обслуживание аварийного маяка сводится почти исключительно к своевременной замене аккумуляторной батареи.
Если ток утечки составляет доли миллиампера, то заменять батарею достаточно один раз в квартал или полугодие.