АВТОНОМНАЯ ПОДПОВЕРХНОСТНАЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКАЯ БУЙКОВАЯ СТАНЦИЯ
AUTONOMOUS SUBSURFACE OCEANOGRAPHIC BUOY STATION

Техническое решение относится к самовсплывающим подповерхностным океанографическим буйковым станциям, которые при всплытии могут быть использованы для бурения льда снизу вверх на покрытых льдом акваториях, преимущественно в условиях Арктики.
К настоящему времени известно множество публикаций и патентов по тематике освоения обширных арктических районов, покрытых льдом. При этом известные технические решения могут быть подразделены на две большие группы: 1) технология исследований посредством буйковых станций [9] физико-химических и радиационных параметров и других характеристик морской воды и/или морского дна по исследуемой площади и по всему профилю глубин и 2) способы и устройства передачи измерительной информации на центральные контрольные пункты (в том числе суда обеспечения, связные ИСЗ, подводные аппараты), обеспечивающие сбор и обработку всей совокупности данных для заданного района океана с целью мониторинга для решения различных практических задач: комплексных гидрографических исследований, геолого-геофизической разведки, поиска и добычи углеводородов, экологии и загрязнения океана.
К первой группе могут быть отнесены всевозможные буйковые станции и их совокупности (сетевые системы буев): поверхностные, дрейфующие (см., например, [2, 3, 6, 7] и др), подповерхностные заякоренные буйковые станции, профилографы [1, 5], US 2002/0035870 А1, 28.03.2002; RU 2297939 С2, 27.04.2007; RU 2325674 С1, 27.05.2008, RU 2404081 С1, 20.11.2010.
Однако, в этих объектах особенности работы в ледовых условиях либо не рассматриваются ([5], патенты RU 2297939 С2, RU 2325674 С1, RU 2404081 C1), либо освещаются достаточно поверхностно и декларативно ([3], US 2002/0035870 А1). Так, источник [3] (основанный на патенте US 8912892 В2, подробно рассматривающем системы сенсоров для океанографического мониторинга) содержит лишь общее пространное описание буя (сети буев) и их использования в различных случаях, включая умозрительную ситуацию в фантастических внеземных условиях Титана, спутника Сатурна.
Вторая группа технических решений имеет значительный раздел, касающийся осуществления работ в ледовых условиях Арктики безотносительно к системам измерения и сбора информации различными датчиками морских параметров. Они посвящены, в основном, специфике устройств-пенетраторов, т.е., проникающих (проходящих) сквозь лед и образующих отверстие в толще льда (от лат. Penetro - проникаю). Известные устройства касаются как пенетраторов «сверху» (ice penetrator downward): [4]; US 2010291817 A1, 18.11.2010; US 6097668 A, 01.08.2000; US 5022470 A; US 5014248 (A), 07.05.1991, так и пенетраторов «снизу» (ice penetrator upward): [2], [4]; US 5593332 A, 14.01.1997; US 5319376 (A), 07.06.1994; US 5116268 A, 20.05.1992; US 5484027 A, 16.01.1996, формирующих отверстие от нижней подводной кромки льда до его поверхности.
При этом известная технология, начиная с рассмотренной в обзорном патенте [4] США 1987 г., до настоящего времени [3] касается в значительной части термо- и термохимических буев-пенетраторов, использующих плавление и таяние льда. Причем подчас выражается мнение [4], что механические устройства могут использоваться только для пенетрации вниз с поверхности льда.
Тем не менее, как показывают испытания, термо- и термохимические буи-пенетраторы льда не имеют значительных преимуществ перед традиционным механическим бурением (сверлением).
В то же время использование известных пенетраторов «снизу» (см. [2], [4] и др.) затруднено необходимостью точной вертикальной ориентации формируемого отверстия (US 5593332 A, US 5319376 А). Кроме того, тепловые (литиевые) пенетраторы льда типа [2] имеют ограниченный технический ресурс и не являются вполне приемлемыми при значительной толщине льда. При этом одной из основных проблем известных пенетраторов льда является ([4], US 6463800 В2) энергообеспечение (подзарядка) при длительной работе.
Известная подводная буйковая станция [1] по патенту US 7874886 В2 при дополнении средством бурения - пенетратором льда снизу вверх (аналогом которого можно считать, например, патент [2]) может служить прототипом предлагаемого технического решения.
Известная станция [1] содержит последовательное вертикальное тросовое соединение якоря, размыкателя, блока аппаратуры и питания, снабженное электроприводом и поплавковым устройством, а также блок связи с антенной, выносимой над поверхностью акватории. Однако работа станции [1] в ледовых условиях не предусмотрена, и коммуникационная антенна выносится непосредственно на открытую водную поверхность.
В условиях покрытых льдом акваторий для вынесения антенны в отверстие над поверхностью льда буйковая станция должна быть снабжена средством бурения льда вверх. Причем, поскольку термопенетраторы типа [2], по-видимому, не могут служить прерогативой средств пронизывания льда с образованием отверстий, то представляется, что рассмотрение совокупности указанных первой и второй групп технологии с привлечением традиционной, но вполне эффективной практики бурения (сверления) льда, позволило бы расширить арсенал и увеличить функциональные возможности комбинированного средства (комплекса) указанного назначения и повысить информативность и достоверность получаемых данных.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании самовсплывающей автономной подповерхностной океанографической буйковой станции, которая позволила бы осуществить ее подъем со дна акватории к нижней кромке льда, бурение льда снизу вверх посредством дополнительно снабженным средством бурения льда снизу вверх и вынесение в отверстие на поверхности льда коммуникационных антенн.
Основной технический результат - увеличение функциональных возможностей и расширение арсенала устройств для исследования покрытых льдом акваторий Арктики посредством новой, альтернативной комбинированной совокупности подповерхностной буйковой станции с буровым средством для бурения льда снизу вверх. Такое устройство упрощает и решает задачу точной вертикальной ориентации посредством специальной конструкции поплавкового устройства, позволяет осуществлять подзарядку элементов электропитания при длительной работе. При этом съемный наконечник бурового средства дает возможность его замены в зависимости от характеристик ледового покрова и задаваемых условий бурения.
Технический результат достигается следующим образом.
Заявляемый объект имеет следующие общие с прототипом существенные признаки.
Автономная подповерхностная океанографическая буйковая станция содержит последовательное вертикальное тросовое соединение якоря, размыкателя, блока аппаратуры и питания, снабженное электроприводом и поплавковым устройством, а также блок связи с антенной, выносимой над поверхностью акватории.
Отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого объекта, обеспечивающими получение указанного технического результата, являются следующие.
Автономная подповерхностная океанографическая буйковая станция в условиях покрытых льдом акваторий для вынесения антенны в отверстие над поверхностью льда дополнительно снабжена средством бурения льда снизу вверх. При этом буйковая станция выполнена самовсплывающей для ее подъема со дна акватории к нижней кромке льда акватории и содержит: а) каркас, выполненный из вертикальных с заостренными наконечниками штанг, скрепленных верхней и нижней перемычками; б) блок приборов и аккумуляторов, жестко прикрепленный к нижней перемычке в нижней части каркаса и соединенный гибким кабелем с приводом бура со съемным наконечником; в) поплавковое устройство, включающее нижний и верхний поплавки; г) привод бура, жестко закрепленный сверху нижнего поплавка; д) нижний поплавок и привод бура, выполненные с возможностью свободного перемещения по роликам вдоль штанг каркаса; е) бур с наконечником, выполненные с возможностью прохождения наконечника через отверстие в центре верхнего поплавка, закрепленного на верхней перемычке каркаса, а также ж) установленный в нижней части каркаса акустический блок, связанный кабельным соединением с блоком приборов и аккумуляторов, при этом бур включает водопроницаемую трубу, имеющую в нижней части накидную гайку для крепления к разъему-переходнику корпуса привода бура, а в верхней части - резьбовой переходник, в который ввинчен металлический съемный наконечник бура, снабженный вырезами и приваренным сверху перьевым сверлом, при этом внутренняя полость наконечника бура залита радио- и оптически прозрачным композитом с залитыми внутри высокочастотной радиоантенной, спутниковой антенной и проблесковым маячком, подсоединенными к герметичному кабелю, проходящему внутри трубы и имеющему герметичный разъем для крепления к разъему-переходнику привода бура, вращающемуся одновременно с буром.
При этом буйковая станция выполнена с возможностью бурения ледового покрова толщиной до 2,5 м с образованием отверстия диаметром не менее 35 мм.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой автономной подповерхностной буйковой станции;
- на фиг. 2 дан состав самовсплывающей подводной буйковой станции (положение на дне акватории);
- фиг. 3 иллюстрирует всплытие буйковой станции;
- фиг. 4 показывает расположение элементов станции в процессе бурения льда;
- на фиг. 5 представлены схемы бура и съемного наконечника бура.
На чертежах использованы следующие обозначения:
1 - блок приборов и аккумуляторов;
2 - акустический блок;
3 - верхний поплавок;
4 - вертикальные штанги;
5 - бур;
6 - привод бура;
7 - ролики;
8 - нижний поплавок привода;
9 - размыкатель;
10 - якорь;
11 - съемный наконечник бура;
12 - фиксаторы - заостренные наконечники штанг каркаса;
13 - перемычка верхняя;
14 - перемычка нижняя;
15 - трос;
16 - кабельное соединение;
17 - гибкий кабель;
18 - накидная гайка;
19 - водопроницаемая труба;
20 - змеевик;
21 - резьбовой переходник;
22 - съемный металлический наконечник бура (см. 11);
23 - перьевое сверло;
24 - герметичный кабель бура;
25 - герметичный разъем;
26 - радиоантенна;
27 - антенна спутниковая Иридиум;
28 - проблесковый маячок;
29 - полость наконечника;
30 - композит;
31 - вырезы в металлическом наконечнике.
Работа предложенного технического решения заключается в следующем.
Акустический блок 2 при получении сигнала на всплытие с судового устройства (подводного аппарата) или от блока 1 приборов и аккумуляторов дает команду на размыкание на размыкатель 9, который отсоединяется от троса 15, к которому прикреплен якорь 10. Это приводит к всплытию поплавка 8 привода и верхнего поплавка 3 каркаса, что обеспечивает подъем всей станции, при этом поплавок 8 привода по роликам 7 движется вверх по штангам 4 каркаса и выталкивает бур 5 к нижней кромке льда. При касании съемного наконечника 11 бура 5 нижней кромки льда бур 5 с приводом 6 и нижним поплавком 8 привода бура прекращают движение вверх, при этом каркас 4 продолжает движение вверх под действием всплывающего поплавка 3, а поплавок 8 привода относительно каркаса 4 по роликам 7 вместе с приводом 6 движется вниз до тех пор, пока буйковая станция наконечниками-фиксаторами 12 на коснется нижней кромки льда.
При прекращении взаимного перемещения поплавка 8 привода и поплавка 3, когда фиксаторы 12 каркаса войдут в сцепление с нижней кромкой льда, магнитный включатель в штангах каркаса включает двигатель привода 6 бура, который под действием выталкивающей силы поплавка 8 привода через вращающийся бур 5 давит на наконечник 11 (22).
Бурение осуществляется буром 5, представляющим собой полую водопроницаемую трубу, имеющею в нижней части накидную гайку 18 для крепления к разъему-переходнику корпуса привода 6 бура, в верхней части - резьбовой переходник 21, в который ввинчен наконечник 11 (22), состоящий из (фиг. 5) металлического наконечника 22 с вырезами 31, с приваренным в верхней части перьевым сверлом 23. Внутренняя полость 29 наконечника 22 залита оптически- и радиопрозрачным прочным композитом 30, внутри которого герметично залиты радиоантенна 26, антенна спутниковая 27 и проблесковый маячок 28, которые подсоединены к герметичному кабелю 24, свободно проходящему сквозь трубу 19, в нижней части имеющему герметичный разъем 25 для крепления к разъему-переходнику привода 6 бура, вращающемуся одновременно с буром 5.
В процессе бурения вместе с буром 5 поднимается вверх выталкиваемый снизу поплавок 8 привода, движущийся по роликам 7 по штангам 4 каркаса до тех пор, пока привод 6 бура, пробурившего толщу льда, не войдет в отверстие центральной части поплавка 3. После этого магнитный выключатель в верхней части каркаса 4 выключает двигатель привода и дает команду по кабелю 17 на передачу блоком 1 приборов через герметичный кабель 24, проходящий через бур 5, радиосигналов на антенны 26, 27 и питания на маячок 28. Фиксаторы 12 предотвращают вращение системы вокруг вертикальной оси, а расположенные в нижней части каркаса блок 1 приборов с аккумуляторами и акустический блок 2 удерживают своим весом систему в вертикальном положении.
При этом вертикальная ориентация обеспечивается также посредством поплавкового устройства при взаимодействии верхнего и нижнего 3 и 8 поплавков и не требует дополнительных сложных, но недостаточно надежных стоек или регулируемых опор, описанных, например, в патентах US 5116268 A, US 5593332 А.
Проведенные испытания экспериментального образца буйковой станции показали, что бур (фиг. 5) общей длиной от 230 см, диаметром 25 мм и диаметром сверла от 35 мм может быть эффективно использован для бурения снизу вверх ледового покрова толщиной до 2,5 м, что соответствует известным требованиям [4] к пенетраторам льда в Арктике.
Таким образом, изобретение реализует указанное назначение и осуществляется с достижением указанного технического результата, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков формулы изобретения.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. US 7874886 В2, 25.01.2011 (прототип).
2. US 6183326 В1, 06.02.2001 (аналог).
3. US 20150346726 А1, 05.12.2015 (аналог).
4. US 4651834 А, 24.03.1987 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
5. RU 2499280 С2, 20.11.2013.
6. RU 136414 U1, 10.01.2014.
7. US 4924698 (А), 15.05.1990.
8. RU 2569938 С2, 10.12.2015.
9. Морской энциклопедический справочник: В двух томах. Том 1 / Под ред. Н.Н. Исанина. - Л.: Судостроение, 1987 (Буйковая станция - с. 98).
III. Источники по уровню техники приведены также в описании.