Всплывающий аварийно-информационный радиобуй с надувной сферической спиральной антенной декаметрового диапазона
POP-UP EMERGENCY INFORMATION RADIO BEACON WITH AN INFLATABLE SPHERICAL SPIRAL ANTENNA OF DECAMETER RANGE

Изобретение относится к морским аварийно-информационным устройствам, а именно к всплывающим аварийно-информационным радиобуям и может быть использовано на подводных объектах Военно-морского флота.
Из существующего уровня техники известны всплывающие информационные (информационно-аварийные) устройства, обеспечивающие передачу сообщений в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых длин волн, в состав которых входят радиобуи Т21, АРБ МКС «Афалина», АРБ-406 и др. [Натанович А.А., Жилинков В.И. Корабельные системы аварийной связи.- Судостроение, 2011. - 208 с]. Основными их недостатками является малая дальность связи в диапазоне метровых волн (ограничена дальностью прямой видимости), а также привязка к системам космической связи, которые могут быть выведены из строя с началом военных действий. В связи с этим по-прежнему актуальна идея создания всплывающего информационного устройства декаметрового диапазона, самостоятельно обеспечивающего радиосвязь на расстояние до нескольких тысяч километров.
Известны конструкции аварийных радиобуев, обеспечивающие передачу сообщений на частотах 121,5 и 406 МГц, описания которых представлены в патентах RU 2282870 С1, RU 2060512 С1, RU 2240575 С2, RU 2496116 С1. Основные их недостатки те же, что у изделий Т21, АРБ МКС «Афалина» и АРБ-406.
В качестве прототипа заявленного устройства выступает морской радиобуй, описанный в патенте RU 2283520 С1 от 10.09.2016 г. Бюл. №25.
Сущность этого изобретения состоит в том, что в радиобуе, содержащем корпус, с размещенными в нем антенной с излучателем в надувной оболочке, разъемом для подключения переносной аппаратуры контроля работоспособности, программного устройства, входящего в блок аппаратурный, вход которого соединен с источником тока и выходами предохранительного прибора, а выходы - с электровоспламенителем системы газонаполнения, с излучателем антенны, с пиротехническим устройством разгерметизации оболочки и с клапаном потопления, антенна с излучателем размещена внутри прорезиненной эластичной оболочки, имеющей основание тороидальной формы, и закрыта в сложенном виде сбрасываемым при наполнении оболочки герметичным защитным колпаком, крепящимся к корпусу тремя равномерно распределенными срезными шпильками, имеющими проточку, центр которой совпадает с линией сопряжения наружной поверхности проточки корпуса радиобуя с внутренней сопрягаемой поверхностью колпака. Кроме того, корпус радиобуя выполнен обтекаемой формы с отсутствием выступающих элементов. Помимо этого, источник тока снабжен водоактивируемой батареей.
Для устранения недостатков, связанных с заливанием основания антенны морской водой, антенна с излучателем размещается внутри прорезиненной эластичной оболочки, имеющей основание тороидальной формы. Данное решение применимо к антеннам радиобуев, работающих в диапазонах метровых или дециметровых длин волн (обычно это частоты 121,5 и 406 МГц). Антенны декаметрового диапазона разместить в такой оболочке проблематично в силу их физических размеров, а при реализации указанного технического решения, декаметровым антеннам присущи все недостатки, связанные с заливанием основания антенны морской водой и нестабильностью ее положения на поверхности воды вследствие волнения.
Целью изобретения является обеспечение стабильности полевых характеристик антенны всплывающего аварийно-информационного радиобуя за счет исключения заливания основания антенны морской водой и влияния взволнованной морской поверхности на положение антенны.
2
Поставленная цель достигается тем, что всплывающий аварийно-информационный радиобуй с надувной сферической спиральной антенной декаметрового диапазона включает в себя: корпус радиобуя, аккумуляторные батареи, радиопередатчик, согласующее устройство, антенну, крепежный трос, с закрепленными на нем радиочастотным кабелем и газовым шлангом подачи газа, и систему газонагнетания; при этом антенна всплывающего аварийно-информационного радиобуя выполняется из стеклоткани в виде сферической четырехзаходной спиральной антенны диаметром 1,85 м с резонансной частотой 6 МГц и рабочей полосой не менее 2% от резонансной частоты; токопроводящие элементы антенны выполняются методом нанесения медной ленты шириной 200 мм и толщиной 30 мкм на поверхность стеклоткани с удельной плотностью 0,5 кг/м; антенна подключается к радиопередатчику радиочастотным кабелем типа РД-75 через согласующее устройство, обеспечивающее работу радиобуя в диапазоне от 1,5 до 30 МГц; необходимая прочность соединения антенны с корпусом радиобуя достигается применением крепежного троса с закрепленными на нем радиочастотным кабелем и шлангом подачи газа, при этом крепежный трос типа ЛК-Р имеет диаметр сечения 6,2 мм и усилие на разрыв 25,5 кН; система газонагнетания после всплытия автоматически надувает антенну гелием, обеспечивающим подъем антенны на высоту 10 м над поверхностью моря; питание радиопередатчика осуществляется от аккумуляторных батарей, гарантирующих работоспособность в ходе длительного хранения радиобуя (не менее трех лет) на подводном объекте; корпус радиобуя обеспечивает механическую прочность на предельных глубинах погружения подводного объекта, а также положительную плавучесть всплывающего аварийно-информационного радиобуя.
Достигаемый технический результат заключается в стабильных полевых характеристиках антенны всплывающего аварийно-информационного радиобуя за счет исключения заливания основания антенны морской водой и влияния взволнованной морской поверхности на положение антенны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - конструкция всплывающего аварийно-информационного радиобуя;
на фиг. 2 - конструкция четырехзаходной сферической спиральной антенны;
на фиг. 3 - диаграмма направленности антенны на частоте 6 МГц;
на фиг. 4 - диаграмма направленности антенны на частоте 8,14 МГц;
на фиг. 5 - диаграмма направленности антенны на частоте 9 МГц;
на фиг. 6 - диаграмма направленности антенны на частоте 12,42 МГц;
на фиг. 7 - диаграмма направленности антенны на частоте 15 МГц.
Обозначения, принятые на фиг. 1:
1 - корпус радиобуя;
2 - аккумуляторные батареи;
3 - радиопередатчик;
4 - согласующее устройство;
5 - антенна;
6 - крепежный трос;
7 - газонагнетательная система.
Работа всплывающего аварийно-информационного радиобуя заключается в следующем. При возникновении нештатной (аварийной) ситуации всплывающий аварийно-информационный радиобуй автоматически (или по команде оператора) выпускается из устройства отдачи, закрепленном на корпусе подводного объекта. В радиопередатчик 3 заранее записывается информационное сообщение, а непосредственно перед отдачей - координаты подводного объекта из навигационного комплекса.
Благодаря положительной плавучести корпуса радиобуя 1 всплывающий аварийно-информационный радиобуй поднимается на поверхность морской воды, где система газонагнетания 7 автоматически начинает подачу легкого газа (гелия) в антенну 5. Через установленный промежуток времени, достаточный для заполнения антенны газом и ее подъема на заданную высоту, начинается передача сообщения. Питание радиопередатчика 3 осуществляется от аккумуляторных батарей 2, гарантирующих работоспособность в ходе длительного хранения радиобуя (не менее трех лет) на подводном объекте.
Антенна 5 представляет собой четырехзаходную спиральную сферическую антенну, трехмерная модель которой показана на фиг. 3. Антенна выполняется методом нанесения проводящей медной ленты на поверхность сферы, поэтому для изготовления антенны необходимо перевести диаметр провода, полученный при моделировании антенны, в экивалентную ширину ленты W по формуле [Типикин Моделирование антенных устройств в Matlab с использованием пакета расширнгия Antenna Toolbox. M.: Солон-Пресс, 2016. - 106 с.]:
где D - диаметр провода.
Целесообразно изготавливать антенну 5 с резонансной частотой 6 МГц что соответствует одному из наиболее пригодных для дальней связи поддиапазонов частот декаметровых волн [Гончаренко И.В. - Антенны Часть 11. Основы и практика - М.: ИП Радиософт, 2005. - 288 с.]. Радиус сферы в этом случае составит 1,85 м.
2
Общая масса антенны 5, выполненной из стеклоткани плотностью 0,5 кг/м, с учетом массы 10-метрового крепежного троса ЛК-Р диаметром 6,2 мм, 10-метрового радиочастотного кабеля РК-75Д, и медного покрытия толщиной 30 мкм, при общей площади покрытия около 50% площади сферы составит 27,78 кг. При заполнении гелием сферы при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст., подъемной силы газа достаточно для поднятия антенны 5 на высоту 10 м.
Моделирование показало, что диаграмма направленности антенны в диапазоне частот от 3 до 8 МГц является тороидальной с осью симметрии z. Выше 8 МГц диаграмма направленности начинает искажаться и в районе 9 МГц сначала принимает форму тора с осью симметрии в плоскости xy, а затем в районе 15 МГц и далее - сложную форму с четырехлепестковой структурой в плоскости AY. Трехмерные диаграммы направленности антенны 5 для частот 6; 8,14; 9; 12,42 и 15 МГц показаны на фиг. 3-7 соответственно.
По результатам моделирования характеристик антенны, расположенной над морской поверхностью с относительной электрической проницаемостью E'=80 и удельной проводимостью σ=3,17 См/м, коэффициент усиления антенны поднятой на высоту 10 м в диапазоне полярных углов 60°<β<90° не уступает коэффициенту 8-метровой штыревой антенны, расположенной на поверхности морской воды. Расчеты проводились с учетом затухания в кабеле РД 75-3-11.
Как показывают расчеты крепежный трос б, выполненный из стального троса ЛК-Р диаметром 6,2 мм, с закрепленными на нем радиочастотным кабелем и шлангом подачи газа, выдерживает ветровую нагрузку, создаваемую воздействием ветра со скоростью 50 м/с на антенну 5.
К недостаткам антенны J следует отнести ограниченную собственной полосу пропускания антенны, которая по результатам расчетов составляет 2% от рабочей частоты по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН=3. В связи с этим в состав радиобуя включено согласующее устройство 4, обеспечивающее работу в диапазоне от 1,5 до 30 МГц.
Таким образом, проведенные технические расчеты свидетельствуют о потенциальной реализуемости изобретения, а всплывающий аварийно-информационный радиобуй с надувной сферической спиральной антенной лишен таких недостатков существующих конструкций радиобуев декаметрового диапазона, как заливание основания антенны морской водой и нестабильность положения антенны на поверхности воды вследствие волнения. Изобретение может быть использовано на подводных объектах Военно-морского флота.