КАТУШКА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ЛИНИИ СВЯЗИ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ОБЪЕКТОМ

Полезная модель относится к области систем связи и удаленного управления, и может быть использована в конструкции подводных и воздушных движущихся объектов и в управлении ими по кабельным линиям связи.
В настоящие время получили широкое распространение подводные движущиеся объекты с полуавтоматической системой управления, в которых обработка телеметрии с выработкой управляющих сигналов для коррекции курса и других параметров движения происходит на борту судна, а их передача осуществляется по проводной линии связи. В качестве линии связи обычно используются проводящие материалы, однако в последнее время получили распространение волоконно-оптические кабели. Преимуществом таких кабелей является не только помехозащищенность канала связи, но и невосприимчивость к электромагнитным импульсам.
Известно техническое решение организации линии связи с подвижным объектом (см. патент РФ №2260169), в котором описывается буксируемая катушка, являющаяся частью проводной линии связи с подвижным объектом. Катушка содержит два тела намотки, каждое из которых зафиксировано в цилиндрическом каркасе. Тело намотки сформировано из медного кабеля с использованием цилиндрической намотки, смотка происходит изнутри, от внутренних рядов к внешним. Имеет устройство отделения от подвижного объекта по окончании размотки.
Недостатками данной конструкции является использование медного кабеля, так как это увеличивает вес катушки, ограничивает максимальную длину линии связи из-за большего по сравнению с оптическим волокном диаметра кабеля, существует возможность нарушения канала связи при использовании средств радиоэлектронной борьбы.
Известна катушка для обеспечения линии связи с подвижным объектом в водной среде, выбранная в качестве прототипа (см. заявка ЕПВ №ЕР 2107334 А1), устанавливаемая в хвостовой части торпеды. Катушка содержит тело намотки с волоконно-оптическим кабелем цилиндрической рядной намотки, закрепленное внутри цилиндрического кожуха, закрытого с двух сторон кольцеобразными боковыми фланцами, отверстие одного из которых служит для вывода кабеля для подключения к приемо-передающим устройствам торпеды, а другое - для выпуска кабеля, конец которого закреплен на неподвижном подводном аппарате, а диаметр этого отверстия превышает диаметр волокна для его свободного выпуска.
Смотка волоконно-оптического кабеля осуществляется от внутренних слоев к внешним через отверстие в одном из фланцев, имеющем скругленные внутрь края для исключения повреждения и зацепления кабеля.
Недостатком данной конструкции является возможность одновременного схода нескольких витков в результате захватывания одного витка другим, что может привести к обрыву линии связи. Другим недостатком является небольшой внутренний диаметр тела намотки, обусловленный максимальной компактностью конструкции, что приводит к малому радиусу изгиба при хранении и сходе кабеля и тем самым увеличивает затухание сигнала. Так как тело намотки состоит из рядов цилиндрической намотки, то усилия отрыва и изгибающие напряжения на внутренних и внешних рядах существенно отличаются. Также при такой намотке пересечение витков происходит в точках, что вызывает локальные напряжения и увеличивает затухание сигнала.
Задачей создания настоящей полезной модели является разработка конструкции катушки с волоконно-оптическим кабелем, обеспечивающей повышение надежности линии связи с высокоскоростным объектом.
Техническим результатом является уменьшение затухания сигнала за счет увеличения радиуса изгиба при сходе кабеля, снижение вероятности обрыва за счет исключения одновременного схода нескольких витков в процессе скоростной размотки и обеспечения равного усилия сматывания для внешних и внутренних слоев.
Технический результат достигается следующим образом.
Катушка для волоконно-оптического кабеля линии связи с высокоскоростным объектом, представляющая собой цилиндрический кожух, внутри которого закреплено тело намотки с волоконно-оптическим кабелем. Кожух закрыт с торцов кольцеобразными боковыми фланцами, отверстие одного из которых служит для вывода кабеля для подключения к приемопередающим устройствам подвижного объекта, на котором установлена катушка, а другое - для выпуска кабеля имеет скругленные внутрь края. Тело намотки представляет собой тело вращения, образованное поворотом прямоугольной трапеции вокруг оси катушки, при этом меньшее основание образует внутренний диаметр тела намотки. Каждый из рядов кабеля, образующих тело намотки, представляет собой коническую спираль с углом наклона α образующей конической поверхности к оси катушки, причем ряды в нечетных рядах уложены от меньшего диаметра к большему, а в четных рядах - от большего диаметра к меньшему, а часть тела намотки, начиная с вершины прямого угла, примыкающего к меньшему основанию прямоугольной трапеции, сформирована витками с возрастающим внутренним диаметром каждого последующего ряда, образуя прямой торец, а угол наклона образующей конической поверхности ряда к оси катушки α определяется из соотношения:
где
D - наружный диаметр тела намотки, d - внутренний диаметр тела намотки,  длина тела намотки.
В качестве проводной линии связи используется кабель, содержащий оптическое волокно в полимерной оболочке.
Так как совокупность рядов образует в сечении параллелограмм, то для заполнения свободного объема тела намотки, начиная с максимальной его длины (тела намотки) форма ряда меняется - увеличивается внутренний диаметр каждого последующего ряда, образуя прямой торец.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 Эскиз катушки для волоконно-оптического кабеля;
Фиг. 2 Схема смотки кабеля с тела намотки;
Фиг. 3 Схема выбора оптимального угла намотки.
Где: 1 - тело намотки; 2 - цилиндрический кожух; 3 - кольцеобразный фланец; 4 - кольцеобразный фланец с выпускным отверстием со скругленными краями; 5 - сматываемый конец кабеля; 6 - торец конической формы тела; 7 -выпускное отверстие фланца, 8 - технологическое отверстие для подключения катушки, 9 - конец кабеля для подключения к приемо-передающему оборудованию подвижного объекта, 10 - центр образующей поверхности, 11 - точка на оси катушки в плоскости выпускного отверстия 7.
Сущность заявляемой конструкции поясняется следующим.
В процессе размотки волоконно-оптического кабеля возникают напряжения, оказывающие влияние на итоговое затухание оптического сигнала. Эти напряжения складываются из трех компонентов - напряжения на размотанной части, вызванные гидростатическим давлением воды, напряжения в теле намотки, вызванные давлением верхних слоев кабеля на нижние и неравномерностью намотки, а также напряжения, возникающие в момент отрыва кабеля от тела намотки.
Наибольший вклад в итоговое затухание сигнала вносят напряжения, вызванные деформацией кабеля в момент отрыва от тела намотки, так как в этой области образуются минимальные радиуса изгиба и, как следствие, максимальные напряжения.
Для уменьшения этого эффекта разработана конструкция тела намотки, в которой отрыв кабеля от тела намотки происходит по нормали к поверхности намотки (фиг. 2). Таким образом, при размотке кабель изгибается один раз под углом, близким к 90°, что исключает возможность схода нескольких витков сразу за счет зацепления одним витком другого. Это достигается за счет выполнения тела намотки так называемой «ракетной формы», при которой оно состоит из рядов кабеля, уложенных не от меньшего диаметра к большему, а от одного торца тела намотки к другому. То есть, один ряд представляет собой коническую спираль с углом наклона α образующей конической поверхности к оси катушки, причем ряды в нечетных рядах уложены от меньшего диаметра к большему, а в четных рядах - от большего диаметра к меньшему (см. Фиг. 2 стрелки указывают направления смотки кабеля).
Заявляемая конструкция позволяет добиться одинакового усилия смотки в течение всего процесса размотки, как с нижележащих слоев, так и с вышележащих, что снижает вероятность обрыва кабеля при возрастании усилия, удерживающего его на теле намотки.
Предлагаемое техническое решение исключает возможные внутренние напряжения в кабеле. Это связано с отсутствием перехлеста витков кабеля нижележащих слоев с вышележащими, то есть вышележащие витки соприкасаются с нижележащими по линии, а не по точке, что обеспечивает минимальное давление.
Основным признаком тела намотки, обеспечивающим достижение поставленной задачи, является угол наклона образующей конической поверхности ряда к оси катушки α. Этот угол зависит от наружного, внутреннего диаметра тела намотки, и его длины, и должен обеспечивать сход кабеля по нормали к поверхности намотки (фиг. 3). Так как, угол α является постоянным и рассчитывается для конкретной точки конкретного ряда, то при смотке с разных рядов происходят отклонения угла отрыва кабеля от 90°. Для вычисления оптимального значения этого угла рассматривается центр образующей поверхности 10 ряда 6, лежащего наиболее близко к середине длины тела намотки, так как при этом абсолютное значение отклонения угла отрыва кабеля от нормали будет минимальным. При расчете принимается, что образующая ограничена по длине внешним D и внутренним d диаметрами тела намотки, а ее угол определяется линией, проведенной по нормали из центра образующей 10 к точке на оси катушки 11 в плоскости выпускного отверстия 7. Эта линия моделирует траекторию схода кабеля. Таким образом, угол наклона образующей конической поверхности к оси катушки:
где D - наружный диаметр, d - внутренний диаметр,  длина тела намотки. Конкретное значение угла подбирается в зависимости от поставленной задачи и обусловленных ею конкретных значений параметров тела намотки.
Формирование такого тела намотки возможно разными способами. Например, ракетная форма намотки применяется в текстильной промышленности, где формирование тела намотки происходит при вертикальной установке бобины, витками по образующей конуса поверхности намотки, с применением прижимных роликов и контролем натяжения.
Стандартным решением при формировании бескаркасного тела намотки является дополнительная фиксация витков, так как силы трения недостаточно для их удержания на бобине. Для оптического волокна с низкой защитой от механических воздействий необходима минимальная степень фиксации для обеспечения минимального усилия отрыва. Дополнительная фиксация выполняется с использованием клеящих составов, совместимых с внешним покрытием волоконно-оптического кабеля и обеспечивающих усилие отрыва не более 50 Н.
Катушка для волоконно-оптического кабеля (фиг. 1) содержит тело намотки 1, закрепленное внутри цилиндрического кожуха 2, закрытого с обеих сторон боковыми кольцеобразными фланцами 3 и 4. Отверстие фланца 4 имеет скругленные внутрь края. Технологическое отверстие 8 служит для вывода конца кабеля 9 для подключения к приемо-передающему оборудованию подвижного объекта.
Катушка волоконно-оптического кабеля для линии связи с высокоскоростным объектом, устанавливается на подвижном объекте, при этом свободный конец кабеля 5 выведен с торца конической формы 6 тела намотки 1 через выпускное отверстие 7 бокового фланца 4 со скругленными внутрь краями и закрепляется на неподвижном объекте. При начале движения начинается смотка кабеля с конической поверхности торца 6 тела намотки 1 сначала от наименьшего диаметра тела намотки к наибольшему, затем - от наибольшего к наименьшему.
В качестве конкретного примера предлагается катушка для беспилотных воздушных летательных аппаратов, имеющая следующие характеристики: длина намотанного волоконно-оптического кабеля - 1000 м, диаметр кабеля - 300 мкм, наружный диаметр тела намотки - 45 мм, внутренний диаметр - 32 мм, длина - 107 мм, количество рядов - 330, угол α - 60°.
Разработанное техническое решение позволяет адаптировать систему размотки под разные габаритные размеры и скорости смотки путем изменения угла наклона образующей поверхности намотки α.
Предложенное техническое решение может быть использовано как для подводных управляемых высокоскоростных объектов, так и для объектов, перемещающихся в воздухе.