ПОДВОДНЫЙ ПЛАНЕР

Полезная модель относится к океанологии, конкретно к подводным планерам для исследования водных акваторий, и может быть использована для океанологических и гидроакустических исследований.
Подводный планер - автономный необитаемый малоразмерный подводный аппарат, способный перемещаться в воде без использования движителя. Для горизонтального перемещения под водой используется принцип планера - за счет подъемной силы (несущих поверхностей) крыльев при изменении глубины. Благодаря низким затратам энергии планер имеет высокую автономность и способен преодолевать очень большие расстояния, осуществляя при этом сбор океанографических и других данных, передавая их на сеансах связи в контрольный пункт.
На сегодняшний день выпускается несколько моделей планеров (http://en.wikipedia.org/wiki/Seaglider). Среди них наиболее известны Scarlet Knight, APEX производитель Teledyne Webb, Seaglider разработчик University of Washington, Spray разработчик Woods Hole Oceanographic Institution, Scripps Institution of Oceanography.
Известен подводный робот-планер Seaglider с GPS-навигацией, который может пересечь океанский бассейн в миссиях, которые могут длиться месяцами. Максимальная глубина, на которую робот способен погружаться, порядка километра.
Данные аппараты предназначены для сбора информации с помощью разнообразных датчиков и сенсоров. Для этого они могут комплектоваться датчиками глубины, температуры, солености, прозрачности морской воды, на них могут устанавливаться гидрофоны для исследования гидроакустических шумов любого происхождения.
Известен подводный робот-планер Spray (http://www.membrana.ru/articles/technic/2004/11/09/195700.html, 9.11.2004). Spray конструктивно состоит из корпуса обтекаемой формы, несущих поверхностей (крыльев), горизонтального киля, электронного блока управления, записи и передачи информации, системы аккумуляторов, системы управления плавучестью. Планер снабжен набором оборудования, в том числе спутниковым навигатором, акустическим доплеровским измерителем течений, позволяющим строить вертикальные срезы подводных потоков, а также гирокомпасом, инклинометром, датчиками давления, температуры, солености и прозрачности воды, химическими анализаторами, биологическими датчиками.
Однако из-за шумов обтекания и вибрации, которые неизбежно возникают при движении данного аппарата, Spray не может осуществлять измерения векторных характеристик гидроакустического поля.
Наиболее близким аналогом является подводный планер для мониторинга векторных акустических полей (патент РФ № 106880 U1). Планер состоит из цилиндрического корпуса с носовым отсеком в виде звукопрозрачного, сообщающегося с внешней средой, обтекателя, несущих поверхностей, горизонтального киля, аккумуляторных батарей, электронного блока управления с системой спутниковой навигации, записи и передачи информации, системы управления плавучестью, устройств сбора информации и комбинированного приемника, установленного в обтекателе на эластичном подвесе.
Количество и вид устанавливаемой на планере аппаратуры определяется задачей океанологических исследований. Это могут быть датчики температуры, солености и прозрачности воды, измерения скорости звука в воде и другие.
Сфера применения планера довольно обширна: решение задач океанографических исследований (определение картины и свойств течений, характеристик акустических полей морей и т.п.), экологического мониторинга (обнаружение зон химического и радиационного загрязнения), мониторинга подводных трубопроводов и скрытного обнаружения движущихся подводных объектов.
Однако, существующие подводные планеры, в том числе и прототип, имеют ограничения, касающиеся веса и объема полезной нагрузки, что ограничивает количество устанавливаемого оборудования. При изменении задачи исследования для замены оборудования требуется извлекать аппарат из воды и производить замену и перепрограммирование под новую задачу. Кроме этого, при движении планера могут возникнуть преграды в виде рыболовных сетей, затонувших судов, подводных гор и т.д. Для их преодоления необходимо иметь на борту также и гидролокатор (эхолот), но чем меньше планер по размеру, тем меньше его способность нести полезную нагрузку.
Возникает необходимость без существенных изменений массогабаритных характеристик подводного планера расширить возможности подводного планера в научных и прикладных исследованиях без извлечения его из воды для замены устройств.
Для решения данной проблемы предлагается в подводном планере, включающем корпус с носовым отсеком в виде сообщающегося с внешней средой звукопрозрачного обтекателя, внутри которого на эластичном подвесе расположен комбинированный приемник, бортовой компьютер, установленный в герметичном отсеке корпуса и соединенные с ним устройства, обеспечивающие движение планера, связь и сбор информации, дополнительно установить включающий коммутатор и разветвитель сигналов блок коммутации, который обеспечивает подключение комбинированного приемника к устройствам, датчики которых работают на принципе преобразования механической энергии в электрическую и наоборот.
При разработке заявляемого устройства было принято во внимание следующее.
Известно, что комбинированный приемник представляет собой приемное устройство акустических волн, состоящее из скалярного (от 2-х до 6-ти параллельно соединенных гидрофонов) и векторного (до 6-ти ортогонально закрепленных датчиков ускорения или скорости) приемников, имеет небольшие геометрические размеры. Как гидрофоны, изготовленные на основе пьезокерамики, так и датчики ускорения или датчики скорости, обладают эффектом обратимости, то есть при подаче на них переменного напряжения они превращаются в акустические излучатели.
Известно также, что в основе работы датчиков большого количества устройств, установленных на борту планера, например, таких как эхолот, гидролокатор бокового и кругового обзора, транспондер, гидроакустическая связь и других, лежит преобразование механической энергии в электрическую.
То есть, используя свойство обратимости пьезокерамических и электродинамических датчиков, есть возможность использования комбинированного приемника в качестве датчика не только как приемника гидроакустических шумов и сигналов (классическое применение), но и использование его в качестве датчика для других устройств, например гидроакустической связи, транспондера, пингера-маяка, активного или пассивного гидролокатора и других. Для этого планер предлагается оборудовать блоком коммутации, включающим коммутатор и разветвитель. Блок коммутации может быть выполнен на таких электронных элементах как электромагнитные реле, твердотельные реле, электронные ключи.
Технический результат реализации полезной модели заключается в повышении эффективности использования подводного планера без существенных изменений массогабаритных характеристик подводного планера, расширение его возможностей при сборе информации без извлечения его из воды для замены устройств и датчиков.
Этот технический результат достигается тем, что комбинированный приемник планера или его компоненты используют как элемент преобразования акустической волны в напряжение и наоборот и, посредством подключения приемника к различным системам планера с помощью коммутатора, используют его как первичный преобразователь для этих устройств.
Заявляемая конструкция планера за счет установки блока коммутации, осуществляющего по команде бортового компьютера или команде извне - по радио или гидроакустическому каналу, позволяет подключать комбинированный приемник или его элементы к различным устройствам планера, расширяет возможности подводного планера, повышает эффективность его работы при сборе информации, делает его более универсальным и легким в обслуживании. Конструкция блока коммутации сигналов может обеспечить работу планера одновременно с несколькими устройствами, например, запись окружающего шума и работа на прием сигналов по гидроакустическому каналу или транспондера.
На фигуре изображена принципиальная схема планера, где 1 - комбинированный приемник, 2 - блок коммутации, 3-8 - устройства, датчики которых работают на принципе преобразования механической энергии в электрическую (например модем гидроакустической связи, устройство обработки, записи и хранения принятых шумов и сигналов, гидролокатор, транспондер, пингер и другие), 9 - бортовой компьютер.
Устройство работает следующим образом. При движении планера согласно заложенной в бортовом компьютере программе по заданному маршруту в точку проведения измерений (векторных полей), приемник в прямом назначении не используется, и по команде бортового компьютера на коммутатор комбинированный приемник может быть подключен к другим устройствам, таким как эхолот или гидролокатор, который может работать как в пассивном, так и в активном режимах. Работая в пассивном режиме (пеленгатор), можно в автоматическом режиме скорректировать движение планера при движении на маяк или шумящую цель (источник сигнала), при этом возможна параллельная работа со всеми устройствами в режиме приема. При получении гидроакустического сигнала после фильтрации, обработки и декодирования в бортовом компьютере, последний подает команду на коммутатор, который подключает необходимое устройство. Например, принят сигнал для транспондера - транспондер посылает ответ, используя приемник как излучатель, после посылки ответного сигнала транспондер переходит в режим приема. Аналогично и с другими установленными на планере устройствами.
Таким же образом приемник можно, подключив его коммутатором, использовать в качестве преобразователя для гидролокатора. При этом при работе приемника как преобразователя гидролокатора, в качестве излучателя могут использоваться как гидрофоны приемника, так и его векторные каналы, при этом гидролокатор может работать в режимах бокового или кругового обзора.
При гидроакустической связи с планером при помощи коммутатора к модему гидроакустической связи подключается комбинированный приемник, при этом можно использовать или только гидрофоны, или только векторные каналы, или все каналы приемника одновременно.
При работе в режиме измерения векторных характеристик гидроакустического поля или пассивного гидролокатора комбинированный приемник может работать параллельно как приемник транспондера, при этом передатчик транспондера подключен к гидрофонному каналу приемника в качестве акустического излучателя, а приемник транспондера к векторным каналам.
Таким образом, предлагаемая конструкция подводного планера за счет установки блока коммутации без существенных изменений массогабаритных характеристик планера решает техническую проблему с достижением поставленного технического результата, а именно позволит расширить возможности планера в научных и прикладных исследованиях без извлечения его из воды для замены устройств и датчиков.