СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПОСТАНОВКИ ПРИТОПЛЕННОГО ОКЕАНОЛОГИЧЕСКОГО БУЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SUBMERGED BUOY FUNCTIONING AND INSTALLATION AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике изучения и освоения океана, к автономным и автоматизированным подводным аппаратам заякоренного типа - буям.
Способ использует для движения управление соотношением действующих разнонаправленных сил - водоизмещения и веса, которые воздействуют на аппарат по вертикали и осуществляют его движение в составе буя. Эти же силы разворачивают буйреп - тросовую связь элементов сборки в тросовую вертикаль в процессе погружения - в процессе постановки буя, в состав которого входит функциональный зонд.
Известны различные способы постановки и функционирования притопленных аппаратов-буев, сканирующих по вертикальной тросовой линии - буйреп [1, 2], который последовательно разворачивают в процессе постановки между якорем и поплавком, погружая их с плавсредства в процессе его дрейфа с помощью специальных судовых устройств и затем приводят в движение.
Известное и устройство [2] для перемещения буя вдоль буйрепа. Это электродвигатель с редуктором, прижимными роликами, магнитной муфтой и приводным роликом.
Недостатками известного решения являются: трудоемкость способа постановки, неточность постановки, вызванная дрейфом судна носителя, сносом тросовой линии внутренними течениями и дороговизна судового времени ввиду длительности процесса, а также ненадежность тросово-роликового привода и большие потери на трение ввиду проскальзывания троса буйрепа.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ постановки и функционирования притопленного океанологического буя [3], заключающийся в предварительном определении глубин постановки зонда и заглубления поплавка, т.е. соответствующих им длин буйрепа, который затем выстраивают в тросовую линию из заглубленного поплавка с закрепленной на нем управляемой лебедкой и паковкой троса буйрепа на бифилярной вьюшке, соединяя его верхний конец с поплавком, а нижний конец пропускают в направляющие носителя зонда, снабженного приводом, и соединяют через размыкатель с якорем, затем собирают тросовую линию в сборку, скрепляя: якорь, зонд с носителем, лебедку и поплавок стяжкой с замком, снабженной датчиком глубины (давления), и погружают в выбранную точку акватории, в которой сборку, погружая, разъединяют, отдавая якорь по команде датчика глубины на горизонте поплавка, в результате чего якорь погружается и разматывает тросовую линию с барабана, а после касания якорем грунта включают привод носителя и начинают перемещать зонд вверх и вниз по направляющим вдоль буйрепа, выполняя измерения.
Известно устройство для перемещения в воде по вертикали за счет управления соотношением действия разнонаправленных сил - водоизмещения и веса, которые воздействуют на подводный аппарат - зонд с носителем [4], содержащее: прочный корпус, а в нем деформируемую балластную емкость и газ под давлением между стенками корпуса и емкостью, привод зонда, состоящий из устройства загрузки-выгрузки балласта, и источник электроэнергии.
Известный способ также не свободен от недостатков. Он тоже имеет высокую сложность роликового привода и преобразования вращения электродвигателя в линейное движение вдоль троса буйрепа. Способ требует большого запаса электроэнергии, подзарядки или замены аккумуляторов, сложен в обслуживании электроустройств под водой. Он подвержен износу троса буйрепа от роликового привода и, как следствие, проскальзыванию в зацеплении, что снижает надежность и требует постоянного контроля сцепления. Кроме того, использование трудоемкой операции укладки троса буйрепа на бифилярную вьюшку чревато спутанностью троса в процессе разматывания при погружении и срыву плановых океанологических измерений.
Известное устройство [4] для перемещения в воде по вертикали за счет управления соотношением действия разнонаправленных сил - водоизмещения и веса, также имеет свои недостатки. Оно требует внешнего управления, рассчитанного на участие человека, и не предназначено для организации процесса автоматического сканирующего движения зонда вдоль буйрепа.
Предлагаемое решение позволяет избежать указанных недостатков, связанных со сложностью преобразования вращения электродвигателя в линейное движение вдоль троса буйрепа, исключить использование бифилярной вьюшки и опасность спутывания буйрепа в процессе постановки буя, что удлинит срок службы троса буйрепа, кроме того, позволит исключить возможность хаотичного, не стабилизированного относительно горизонтальных течений движения зонда, приводящего к вращению вокруг буйрепа. Кроме того, оно позволит организовать автоциклический процесс перемещения зонда вдоль буйрепа для океанологических измерений гидрофизических параметров морской воды.
Указанный эффект достигается тем, что в известном способе постановки и функционирования притопленного океанологического буя, заключающемся в предварительном определении глубин постановки буя и заглубления поплавка, т.е. соответствующих им длин буйрепа, в последующем выстраивании тросовой вертикали из заглубленного поплавка с закрепленной на нем управляемой лебедкой и паковкой троса буйрепа, соединяя его верхний конец с поплавком, а нижний конец пропускают в направляющие носителя зонда, снабженного приводом с микроконтроллером, и соединяют через размыкатель с якорем, затем собирают тросовую линию в сборку, скрепляя якорь, зонд с носителем, лебедку и поплавок стяжкой с замком, снабженным датчиком глубины (давления), и погружают в выбранную точку акватории, в которой сборку, погружая, разъединяют по команде датчика глубины на горизонте поплавка, отдавая якорь, в результате чего якорь погружается и разматывает тросовую линию с барабана паковки, а после касания якорем грунта включают привод носителя и начинают перемещать зонд вверх и вниз по направляющим вдоль буйрепа, выполняя океанологические измерения, при этом паковку размещают на барабане лебедки, а перемещение осуществляют по программе микроконтроллера, изменяя соотношение сил веса в воде и водоизмещения у носителя с зондом, для этого используют блок зонда с носителем постоянного водоизмещения и переменного веса, снабдив его гидродинамически стабилизирующей внешней формой и бароустойчивым корпусом, в котором размещают балластную емкость переменного объема, с устройствами загрузки и выгрузки балласта, кроме того, блок зонда снабжают внешней плавучестью, обеспечивая проектное, избыточное над весом в воде, водоизмещение для движения зонда вверх вдоль троса буйрепа, которое осуществляют выгружая в нижней точке балласт устройством выгрузки, а при достижении в верхней точке штуцером балластной емкости загрузочного клапана инжектора, закрепленного на гидродинамически стабилизированном поплавке, инжектируют в балластную емкость новую порцию балласта, достаточную для расчетного движения вниз, что и приводит к погружению, т.е. зонд двигают вниз, а далее процесс циклически повторяется.
Устройство для осуществления способа движения по тросу буйрепа за счет управления соотношением сил водоизмещения и веса в воде, содержащее: прочный корпус, а в нем деформируемую балластную емкость, в которой газ под давлением между стенками корпуса и емкостью, а также привод зонда, состоящий из устройства загрузки и выгрузки балласта, отличающееся тем, что устройство выгрузки балласта из балластной емкости состоит из подвижной части - опорного клапана выгрузки в нижнем основании прочного корпуса и устройства загрузки с обратным клапаном, включающим в верхнем основании прочного корпуса штуцер загрузки, который в верхнем положении для загрузки балласта в балластную емкость входит через зев в неподвижную часть устройства загрузки - клапан-сфинктер, соединенный гидравлически через электрогидроклапан с инжектором балласта, неподвижно закрепленным на поплавке и управляемым микроконтроллером по сигналу датчика присутствия штуцера в сфинктере, причем давление загрузки больше, чем давление газа межу стенками прочного корпуса и балластной емкости, для чего сфинктер с помощью своего редукционного клапана может герметично охватывать штуцер, упругодеформируемой под давлением внутренней стенкой для гидравлически герметичного соединения штуцера с напорной магистралью инжектора, который выполнен в виде гидроаккумулирующего цилиндра-дозатора, гидравлически соединенного со сфинктером своей напорной полостью, которая ограничена стенкой торцевого основания цилиндра и поршнем, опирающимся с другой стороны на рабочую пружину, которая с противоположной стороны опирается на противоположную стенку торцевого основания цилиндра и способна перемещать поршень, кроме того, цилиндр имеет электрозамок, фиксирующий положение поршня и сжатой пружины, а также гидронасос высокого давления, соединенный трубопроводом через обратный клапан с напорной полостью цилиндра-дозатора, кроме того, пружина снабжена механизмом предварительного установочного поджатия, между тем прочный корпус с наружной стороны содержит встроенный клапан заправки газом и направляющие для движения по буйрепу с одной своей стороны, а с противоположной стороны гидродинамические стабилизаторы на кронштейнах.
Кроме того, инжектор может состоять из гидравлически соединенного со сфинктером своим передним основанием гидроцилиндра-дозатора, содержащего поршень, возвратную пружину в напорной полости между передним основанием цилиндра и поршнем, а также гидроклапан натекания забортной воды, а противоположное основание цилиндра содержит канал входа пороховых газов из автоматического газогенератора, выполненного в виде электроуправляемого микроконтроллером автомата подачи и стрельбы, специальными пороховыми патронами, упакованными в автоматический магазин, по команде датчика присутствия штуцера в сфинктере, при этом устройство газогенератора размещено в пневматическом герметичном боксе, пристыкованном к заднему торцевому основанию гидроцилиндра, в котором встроен клапан сброса отработанных пороховых газов под давлением возвратной пружины.
Возможность реализации
Сущность способа разъясняется на схематичных Фиг.1-4.
На Фиг.1 схематично показана сборка океанологического буя с зондом, готовая к погружению. Здесь: обтекаемой формы поплавок 1 со стабилизаторами 2 собран в сборку стяжкой 3, содержащей замок с датчиком глубины 4, с зондом 5 и носителем 6, якорем 7 и размыкателем 8. На поплавке закреплена управляемая лебедка 9, через которую трос 10 связан верхним концом с поплавком 1, а затем пропущен через направляющие носителя 11 и соединен нижним концом с размыкателем 8. Носитель содержит прочный бароустойчивый корпус 12, внутри которого размещена балластная емкость переменного объема 13, нижнее основание которой заканчивается опорным выпускным клапаном 14, а верхнее - штуцером 15 с обратным клапаном 16. Пространство в прочном корпусе вне балластной емкости заполнено газом под давлением «Р», большим, чем расчетное давление на глубине якоря. Инжектор 17 - загрузочное устройство балластной воды, закреплен на поплавке, содержит энергоблок и микроконтроллер 18. Зев 19 - направляющая воронка, установленная на входе в канал клапана для захода штуцера 15 в сфинктер 20 загрузочного клапана 21, который внутри содержит датчик присутствия штуцера 22 (Фиг.2), когда последний в своем верхнем положении входит в клапан.
Бароустойчивый прочный корпус 12 содержит также внешнюю балансировочную плавучесть 23 и заправочный газовый клапан 24. С противоположной стороны направляющим 11 на корпусе установлены на кронштейнах два стабилизатора движения 25, препятствующих вращению вокруг буйрепа.
На Фиг.2 и 3 схематично показаны устройства для управления соотношением сил водоизмещения и веса в воде для осуществление способа движения по тросу буйрепа. Здесь на Фиг.2 показано положение штуцера 15 в загрузочном клапане сфинктера 20, в загрузочном клапане 21 инжектора 17. Штуцер обжат деформируемой стенкой сфинктера 26 под давлением балластной воды, для прохода которой выполнены отверстия в камерах 27 клапана. Камеры 27 соединены между собой редукционным клапаном 28, отделяющим деформируемую часть клапана от недеформируемой. Сфинктер 20 выполнен в виде цилиндрического клапана, имеющего внутреннюю полость, образованную упругодеформируемой цилиндрической стенкой, которая под действием давления в камерах может деформироваться в направлении оси цилиндра. Балласт, прошедший в балластную емкость, удерживается обратным клапаном загрузки 16, который соединен с эластичной балластной емкостью 13. Сфинктер 20 через электрогидроклапан 29 соединен с напорной полостью гидроаккумулирующего цилиндра-дозатора 30 инжектора 17, которая ограничена поршнем 31, а последний с другой стороны опирается на рабочую пружину 32 и устройство ее предварительного установочного поджатия 33, размещенного в задней стенке инжектора 17. Электрозамок 34 фиксирует положение поршня 31 в положении сжатой пружины. Напорный насос 35 с трубопроводом и обратный клапан 36 служат для наполнения балластом гидроаккумулирующего цилиндра-дозатора 30.
На фиг.3 схематично показано другое устройство инжектора балласта 17, использующего энергию пороховых газов из автоматического импульсного газогенератора 37 от пороховых патронов 38, размещенных в автоматическом магазине подачи и стрельбы 39, размещенного в пневматическом боксе 40, пристыкованном к основанию 45 гидроаккумулирующего цилиндра-дозатора 41 с каналом 42 выхода пороховых газов. Таким образом, пороховые газы истекают в пространство 43 между поршнем 44 и стенкой 45. Давление газов может перемещать поршень 44, сжимая возвратную пружину 46 и инжектируя балластную воду через канал 47, соединяющий инжектор со сфинктером 20. Для сброса отработанных газов в гидроцилиндр встроен клапан сброса 48, а для набора балласта - клапан натекания забортной воды 49.
Способ функционирует следующим образом.
После определения глубины места постановки и глубины h положения притопленного поплавка сборку на Фиг.1 заправляют газом через клапан 24 под давлением «Р», превышающим давление на глубине постановки якоря. Затем балластируют сборку: создают внешней плавучестью 23 силу водоизмещения G, которая задается больше, чем вес Р в воде без учета балласта («сухой зонд»), на величину:
ΔП=G-Р.
После чего, добавляя количество В балласта 13, ΔП назначают превышение веса над водоизмещением В-ΔП=ΔП, где В=2ΔП, т.е. величина подъемной и заглубляющей силы равна ΔП и назначается экспериментатором, исходя из задачи исследования. Соотношение этих величин, определяющих скорость движения вдоль буйрепа, закладывают в программу микроконтроллера 18, который вмонтирован в инжектор 17. Он управляет дозированием и циклограммой движения. Он автоматически отмеривает заданную величин балласта, обеспечивая расчетную скорость погружения и всплытия, которые определяются требуемыми условиями для измерения океанологических параметров.
После зарядки газом и балластировки сборку погружают в заданную точку акватории. На фиг.4 показаны три стадии постановки (I, II и III) и разворачивания тросовой вертикали. Погружаясь, сборка достигает горизонта положения поплавка h, как показано (I), где срабатывает датчик глубины 4 (давления), и сборку разъединяют (II), отдавая якорь 7, имеющий преобладающий над плавучестью поплавка вес, который, погружаясь, разматывает трос буйрепа 10 с барабана лебедки 9, выстраивая всю тросовую вертикаль с заранее заданной длиной. После касания якорем грунта (III) и передачи сигнала микроконтроллер включает лебедку и натягивает буйреп. Следующая команда, при наличии сигнала датчика 22 - начало работы. По этой команде инжектируется 1-я порция балластной воды 13 через загрузочный клапан 21 под давлением, превышающим давление газа в прочном корпусе 12. Для этого сфинктер внутренней эластичной стенкой 26 под давлением инжектируемой воды установленным редукционным клапаном 28 герметично охватывает штуцер 15 и образует заправочный канал в балластную емкость 13 через обратный клапан 16. После заправки давление балластной воды падает, и сфинктер освобождает штуцер, а утяжеленный зонд начинает движение вниз, при этом балласт удерживается обратным клапаном 16. Достигнув якоря, на дне зонд опирается опорным выпускным клапаном 14 и выгружает 2ΔП балласта под давлением газа, что приводит к превышению плавучести над весом и зонд начинает всплывать. Движение вверх и вниз на фиг.4 обозначено стрелкой V. При движении по буйрепу вверх зонд сохраняет первоначальную ориентацию в потоке за счет направляющих 11 и стабилизаторов 2 и 25 поплавка и зонда, что позволяет штуцеру 15 адекватно стыковаться с зевом 19 и загрузочным клапаном 21, где срабатывает датчик присутствия 22, который передает сигнал микроконтроллеру, запускающему процесс загрузки балласта. Процесс повторяется согласно программы, которую задает исследователь. Заглубление поплавка h задают из соображения безопасности судоходства и исключения влияния поверхностных волн на тросовую линию буйрепа.
Устройство для осуществления способа - это функционирующий комплекс сфинктера 20, инжектора 17, направляющих 11, клапанов и потоков балластной воды под давлением. В инжекторе с насосной схемой использован морской насос 35, который нагнетает балласт в напорную полость гидроцилиндра 30, пока зонд движется вниз и вверх и клапан 29 закрыт. В результате чего поршень 31, перемещаясь, сжимает рабочую пружину 32 до «защелкивания» электрозамка 34, аккумулируя в пружине импульс давления, величина которого задается начальным поджатием пружины 32, устройством 33 поджатая при отладке циклограммы. Для исключения перетекания служит обратный клапан 36 на конце трубопровода. После сигнала датчика присутствия 22 микроконтроллер открывает электрогидроклапан 29 и электрозамок 34. В результате балласт под давлением заполняет нижние полости сфинктера, упругие стенки 26 которого обжимают штуцер 15, а повышающееся давление открывает редукционный клапан 28 после того, как стенки 26 обожмут штуцер 15. Это обеспечивает перетекание балласта из гидроаккумулирующего цилиндра-дозатора 30 в емкость 13, что приводит в движение зонд 12. Далее микропроцессор закрывает клапан 29 и инжектор начинает нагнетать следующую порцию балласта.
При использовании энергии порохового заряда для закачивания балласта в емкость 13 используют пороховой газогенератор 37 на основе холостых боевых патронов 38 от автоматического огнестрельного оружия, для которых существует множество надежных механизмов 39 стрельбы. Разнообразие в продаже калибров этих же патронов, используемых для строительных пистолетов, позволяет подобрать необходимый заряд для поставленной исследовательской цели. Пороховой механизм размещен в пневматическом боксе 40 откуда истекают пороховые газы из газогенератора, которые затем удаляются клапаном сброса газов 48 через канал 42. В напорной части гидроаккумулирующего цилиндра-дозатора 41 размещена возвратная пружина 46, на которую опирается поршень. Пороховые газы, истекая из газогенератора по каналу 42 в пространство 43, воздействуют на поршень 44 и перемещают его, сжимая возвратную пружину 46, выдавливая балласт в загрузочный клапан 21. После заполнения балластом емкости 13 возвратная пружина 46 возвращает поршень в исходное положение, при этом через клапан 48 удаляются газы, а через клапан 49 натекания забортной воды набирается следующая порция балласта.
С момента укладки якоря буй считается установленным. Он активизирует внешние средства связи, выпускает радиомаяк и приступает к автономной программной работе, выполняя измерения параметров среды в процессе сканирования по тросу буйрепа. После выполнения программы исследований с судна обеспечения подается акустическая команда на акустический размыкатель 8. Он срабатывает и отдает буйреп. Буй всплывает и извлекается для регламентных работ и перезарядки, оставляя якорь 7 на дне.
Выше перечисленные существенные признаки позволяют обеспечить способ постановки и функционирования автономного океанологического зонда, используя для движения управление соотношением действующих разнонаправленных сил - водоизмещения и веса, что позволяет избежать снос от дрейфа и искривления тросовой вертикали, скручивания буйрепа и проскальзывания приводного механизма, т.е. без упомянутых недостатков, следовательно, уменьшить трудоемкость, сократить судовое время и расходы.
Реальное воплощение предлагаемого способа возможно с использованием любого плавсредства соответствующей грузоподъемности: судна носителя с грузовой стрелой или понтона с наклонным слипом для перегрузки в воду сборки. Поплавок 1 может быть изготовлен полым стальным с защитной антикоррозионной окраской по типу отводящих буев в судостроении или склеенным из пенопласта, например марки ПС-100. Выбор типа поплавка определяется соображениями стоимости, прочности и сроком использования. Для стяжки 3 компоновки может быть использована простая металлическая лента из поделочной стали с защитным окрашиванием или капроновая лента. Расположенный на ней замок 4 автоматический гидростатического типа или электромагнитного типа, управляемый микропроцессором от датчика давления (глубины), например типа Зонд-10СД-1210 или тензодатчик фирмы «GE DRUK». В качестве лебедки 9 можно использовать электролебедку с увеличенным барабаном типа Sport Way PS 12000 12V или лебедку вертолетного типа ЛПГ-300, снабженную электрическим фрикционным тормозом. Прочный бароустойчивый корпус 12 может быть изготовлен из титанового сплава типа 1Х18Н9Т или АМГ6 с анодированием. Балластная емкость эластичного типа - из автомобильной резины ГОСТ 29007-91. Внешняя плавучесть может быть изготовлена из сферопластика на эпоксидной основе типа «Синтактик ЭДС-7А» и дозироваться набором числа дискретных элементов. Стабилизаторы могут быть выполнены из стеклопластика, как и зев 19 загрузочного клапана. Размыкатель 8, например, типа АГАР-ЭХО разработки ОКБ ОТ, соединяют анкером с якоря 7, которым может служить бетонный блок. В качестве микропроцессора используют процессор «Atmel Mega 128» или аналогичный. Для источника питания можно употребить литий-ионные аккумуляторы. Глубину акватории места постановки можно измерять судовым эхолотом типа «Furuno».
При использовании понтона с наклонным слипом или стрелой необходимо водоизмещение примерно 3 т и маломерное судно для буксирования, но может быть использовано и исследовательское судно типа «Акванавт» или «Рифт».
Источники информации
1. Kenneth W. Dherty, Jon М. Toode, Daniel E. Frye; Moored water profiling apparatus, US Patent №5,869,756. Feb 9, 1999.
2. А.Г.Островский, А.Г.Зацепин, В.А.Деревнин, С.С.Низов, С.Г.Поярков, А.Л.Цибульский, Д.А.Швоев. Заякоренная автоматическая измерительная система «Аквазонд» для вертикального профилирования морской среды. Океанология, 2008, том 48, №2, с.297-306.
3. Зацепин А.Г., Островский А.Г., Комаров В.С., Швоев Д.А., Соловьев В.А. Способ постановки притопленного океанологического буя. Патент РФ №2404081 от 20.10.2012.
4. Комаров B.C., Ястребов B.C. Способ управления плавучестью подводного аппарата и устройство для его осуществления. А.с. СССР №1519102 от 1.07.1989 г.