Автономный дрейфующий профилирующий океанологический буй
AUTONOMOUS DRIFTING PROFILING OCEANOLOGIC BUOY

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области подводной робототехники, в частности к технике изучения и освоения океана, к автономным и автоматизированным подводным аппаратам дрейфующего, профилирующего типа - буям.
Уровень техники.
Благодаря программе АРГО (ARGO) автономные дрейфующие ныряющие (профилирующие) буи («ocean profiling floats» или «Argo Profiling Floats») стали основным инструментом глубоководных измерений термохалинной структуры и климатических трендов в Мировом океане (Roemmich, D., Owens W.B. The Argo Project: Global ocean observations for understanding and prediction of climate variability. Oceanography, 2000, 13, No. 2 (NOPP Special Issue), 45-50). Уже через несколько лет после старта программы АРГО в конце 1990-х гг. отношение количества вертикальных профилей солености, температуры и давления воды, полученных автономными профилирующими буями и судами, составляло 5:1 (Gould, J., and the Argo Science Team, 2004. Argo profiling floats bring new era of in situ ocean observations. EoS, Transactions of the American Geophysical Union, 85(19), 11 May 2004). Значимость автономных буев для исследований и мониторинга океана продолжает расти, что подтверждается финансированием новых крупнейших проектов, таких, например, как AtlantOS (https://www.atlantos-h2020.eu/), в целях оперативной океанографии и научных исследований Мирового океана.
Дрейфующие профилирующие буи выполняют несколько функций, главные из которых нижеследующие:
- проводят измерения вертикальных профилей океанологических характеристик;
- определяют скорость и направление переноса в системе течений на изопикнических поверхностях в водной толще в качестве квази-лагранжевых дрифтеров;
- проводят мониторинг подводных шумов при оснащении их гидроакустической аппаратурой;
- определяют свои географические координаты, находясь на поверхности воды, и передают данные измерений по каналам спутниковой связи.
Известен сканирующий тепловой буй, включающий в себя прочный цилиндрический корпус, содержащий приборный контейнер и стальной сильфон, упирающийся одной торцевой стенкой в боковую поверхность цилиндрического корпуса, при этом он дополнительно включает в себя стальную пружину, зажатую между второй торцевой стенкой сильфона и противоположной боковой стенкой цилиндрического корпуса, а также стопор, взаимодействующий со штоком, жестко соединенным со второй торцевой стенкой сильфона и герметически соединенный с этим сильфоном, сильфон меньшего диаметра, причем общее внутреннее пространство сильфонов заполнено легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами, а противоположные торцевые стенки сильфонов жестко соединены стержнем, проходящим через их общую внутреннюю полость (RU 2137662, 20.09.1999). Однако подобные тепловые устройства не достаточно надежны в изменении плавучести буя за счет того, что вертикальные градиенты температуры воды в океане незначительны в умеренных широтах в холодное полугодие.
На сегодняшний день наиболее надежными являются буи АРГО, которые были созданы в результате более чем 20-летней работы по развитию технологии океанографических буев специалистами США при поддержке Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований США.
-3
-3
3
-3
-3
Буй АРГО имеет цилиндрическую форму. На верхней крышке снаружи корпуса буя установлены океанологические измерители, включая датчики температуры, электропроводности и давления, а также антенны систем навигации и связи. В верхней части буя также расположена расширительная емкость для воздуха, который выкачивается из корпуса при всплытии к поверхности, чтобы приподнять антенны над водой. На нижней крышке снаружи корпуса буя расположена расширительная емкость для рабочей жидкости гидравлической системы погружения/всплытия. Для всплытия рабочая жидкость выкачивается в эту емкость из одноцилиндрового пистонного насоса, расположенного внутри корпуса буя, вследствие чего общий объем буя увеличивается и, соответственно, возрастает архимедова сила, выталкивающая буй вверх к поверхности воды. Для погружения рабочая жидкость закачивается обратно внутрь пистона, при этом объем буя уменьшается, архимедова сила становится меньше силы тяжести, и буй погружается в водную толщу. Большую часть рабочего цикла погружение/всплытие, как правило, до 10 суток буй находится под водой на горизонте дрейфа, обычно заданном равным 1000 м или 2000 м. Рабочее положение буя - вертикальное. Конструкция одноцилиндрового пистонного насоса позволяет менять вес буя в воде с точностью до 10 кг. Такая точность необходима для выхода буя на заданный горизонт в толще воды. Дело в том, что вблизи горизонта 2000 м, который часто задан как горизонт дрейфа буя, вертикальный градиент плотности воды обычно незначителен, например, в северной части Тихого океана он составляет примерно 5⋅10 кг/м. В этих условиях буй АРГО типа APEX, имеющий объем 25 л, при увеличении своего веса на 10 кг погружается на 12.5 метров. То есть, теоретически, ошибка в регулировке веса буя в ±10 кг приводит в данном районе к погрешности выхода на горизонт дрейфа ≈10 м. На практике погрешность выхода на горизонт 2000 м буя АРГО часто достигает 50 м (Laughlin Barker, Santa Clara University Closed - loop buoyancy control for a Coastal Profiling Float Mentor: Gene Massion Summer 2014, найдено 10.05.2015 в Интернет: http://www.mbari.org/education/internship/14interns/2014_papers/Barker_Laughlin.pdf). Данное техническое решение принято нами за ближайший аналог.
3
При работе с буем АРГО большое внимание уделяется аккуратной балансировке буя с учетом вертикального распределения плотности воды и коэффициента термического расширения алюминиевого сплава корпуса буя при характерных значениях температуры воды в акватории дрейфа. Для профилирования в океане объем буя АРГО APEX изменяется в пределах 260 см. Буй поднимается медленно, поскольку архимедова сила частично компенсирована силой сопротивления движению буя в воде. На всплытие буя с горизонта 2000 м уходит 5-7 часов. Небольшая скорость всплытия буя необходима для обеспечения высокой точности определений солености воды. На 90% буев как APEX, так и AVROR, также работающих по программе АРГО, устанавливаются измерители температуры, электропроводности и давления SBE 41/41CP CTD (до 1000 шт. ежегодно). Будучи установлены на верхней крышке корпуса буя, эти датчики позволяют проводить измерения в невозмущенной водной среде при подъеме буя к поверхности воды. Версия CP измерителя SBE CTD41 появилась в 2008 г. и представляет собой совершенный океанологический инструмент, обеспечивающий высокую точность и стабильность данных солености воды. Датчик электропроводности характеризуется точностью определения солености воды, равной 0.005 практических единиц солености в течение 3 лет эксплуатации. Измеритель температуры, электропроводности и давления, а также датчик кислорода включаются только на участках подъема. На участках спуска термохалинные характеристики не регистрируются, главным образом, из-за того, что измерения проводятся в спутном следе над буем и качество данных неизбежно снижается.
Таким образом, из-за того что измерители температуры, электропроводности и давления выключены на участках спуска буя, объем данных, которые могли бы быть получены за цикл погружение/всплытие, уменьшен вдвое, хотя на спуск буя также затрачивается работа гидравлической системы погружения/всплытия. Следовательно, удельное количество данных, получаемых на единицу электрической емкости батареи, оказывается заниженным, что нерационально. Для того чтобы увеличить объем данных в 2 раза за цикл погружение/всплытие, буй должен всплывать датчиками вверх, а погружаться этими же датчиками вниз, т.е. разворачиваться в вертикальной плоскости на 180° в нижней и верхней точках траектории профилирования. В этом случае океанологические измерения будут проводиться в невозмущенной среде на всей траектории профилирования буя.
Нами решена задача перемещения буя датчиками вперед при профилировании в водной толще за счет возможности его переворота на 180° в верхней и нижней точках траектории движения буя (то есть всплывать датчиками вверх, а погружаться этими же датчиками вниз).
Сущность изобретения.
Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении на 100% объема данных океанологических измерений автономным дрейфующим профилирующим буем в невозмущенной среде за цикл погружение/всплытие за счет обеспечения переворота буя в вертикальной плоскости на 180° в верхней и нижней точках траектории его движения.
Технический результат достигается тем, что создан автономный дрейфующий, профилирующий океанологический буй, содержащий обтекаемый герметичный прочный корпус, выполненный в виде цилиндра, на верхней крышке корпуса сверху установлены антенна систем навигации и связи, датчики электропроводности, температуры и давления, а на нижней крышке корпуса снаружи установлена расширительная емкость, внутрь корпуса вмонтированы резервуар с рабочей жидкостью, соединенный гидравлическими магистралями с расширительной емкостью, электрический насос, блок питания, соединенный электрически со всеми системами буя, и электронный блок управления системами буя, при этом электрический насос закреплен с внутренней стороны нижней крышки и обеспечивает закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость из резервуара с рабочей жидкостью, установленного внутри корпуса вблизи верхней крышки, а в центральной части корпуса установлены электронный блок управления и линейный актуатор, на котором закреплен блок питания с возможностью его перемещения вверх и вниз на расстояние 50-100 мм.
Технический результат достигается также и тем, что создан автономный дрейфующий, профилирующий океанологический буй, содержащий обтекаемый герметичный прочный корпус, выполненный в виде цилиндра, на верхней крышке корпуса сверху установлены антенна систем навигации и связи, датчики электропроводности, температуры и давления, а на нижней крышке корпуса снаружи установлена расширительная емкость, внутрь корпуса вмонтированы резервуар с рабочей жидкостью, соединенный гидравлическими магистралями с расширительной емкостью, электрический насос, блок питания, соединенный электрически со всеми системами буя, и электронный блок управления системами буя, при этом электрический насос закреплен с внутренней стороны нижней крышки и обеспечивает закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость из резервуара с рабочей жидкостью, установленного внутри корпуса вблизи верхней крышки, а под резервуаром с рабочей жидкостью и над электрическим насосом установлены балластные емкости, между которыми закреплен дополнительный электрический насос, перекачивающий балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 представлен чертеж общего вида океанологического ныряющего буя, в котором смещение центра масс осуществляется при помощи электрического линейного актуатора.
На Фиг. 2 представлен чертеж общего вида океанологического ныряющего буя, в котором смещение центра масс осуществляется за счет дополнительного электронасоса, перекачивающего жидкость между балластными емкостями, расположенными в верхней и нижней частях прочного корпуса буя.
На Фиг. 3 представлена схема устройства обеспечения вертикальной ориентации буя при изменении его плавучести с дополнительной системой продольного перемещения балласта внутри корпуса буя. Пунктиром показаны уровень рабочей жидкости во внутреннем резервуаре и увеличенная расширительная емкость при всплытии буя.
На Фиг. 4 представлена схема работы дрейфующего океанологического буя, при которой профилирование в водной толще проводится в положении датчиками вперед, с переворотом на 180° (всплытие датчиками вверх и погружение этими же датчиками вниз) с целью обеспечить океанологические измерения в невозмущенной среде.
Подробное описание осуществления изобретения
В первом варианте (см. фиг. 1) автономный дрейфующий профилирующий океанологический буй содержит обтекаемый герметичный прочный корпус (1), выполненный в виде цилиндра с полусферическими законцовками для снижения гидродинамического сопротивления. На верхней крышке (2) снаружи корпуса (1) установлены океанологические измерители (3) - датчики температуры, электропроводности и давления, а также антенны систем навигации и связи (4). На нижней крышке (5) снаружи корпуса (1), под пластиковым обтекателем (6), закреплена расширительная емкость (7) для рабочей жидкости гидравлической системы погружения/всплытия. На этой же нижней крышке (5) с внутренней стороны установлен электрический насос (8), обеспечивающий закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость (7) из резервуара с рабочей жидкостью (9), расположенного внутри прочного корпуса (1) вблизи верхней крышки (2). В центральной части прочного корпуса вмонтированы блок питания (10) и электронный блок управления системами буя (11), соединенные электрически со всеми системами буя. Также внутри прочного корпуса (1) в его центральной части установлен линейный актуатор (12), на котором закреплен блок питания (10) с возможностью его перемещения вверх и вниз на расстояние, достаточное, чтобы обеспечить смещение центра масс для переворота буя на 180° в верхней и нижней точках траектории движения буя.
Во втором варианте (см. фиг. 2) автономного дрейфующего, профилирующего океанологического буя для обеспечения смещения центра масс и его переворота на 180° в верхней и нижней точках траектории движения буя в центральной части корпуса (1) под резервуаром с рабочей жидкостью (9) и над электрическим насосом (8) размещены балластные емкости (13), между которыми закреплен дополнительный электрический насос (14), перекачивающий балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями (13).
Пусть в системе координат, связанной с буем, ось Z направлена вверх, тогда, чтобы повернуть буй в вертикальной плоскости на 180°, следует обеспечить такое перемещение центра масс относительно центра вытеснения, чтобы первый при спуске находился выше второго: Zц.м.>Zц.в., а при подъеме - наоборот: Zц.м.<Zц.в. Причем в устойчивом положении угол, между продольной осью буя и его вертикальной осью стремится к 0°, центр масс и центр вытеснения должны располагаться на продольной оси буя: Хц.м.=Хц.в. и Yц.м.=Yц.в.
Внутренний резервуар с рабочей жидкостью гидравлической системы погружения/всплытия расположен в окрестности центра вытеснения так, что при всплытии буя уровень рабочей жидкости во внутреннем резервуаре опускается и, как следствие, центр масс опускается, а при погружении буя рабочая жидкость заполняет внутренний резервуар и центр масс поднимается. При достижении уровнем рабочей жидкости во внутреннем резервуаре положения, Zy.p.ж., при котором Zц.м.=Zц.в., буй оказывается в неустойчивом равновесии, при котором, в результате локального внешнего воздействия на боковую поверхность корпуса, буй переворачивается, например, в зоне турбулентности в толще воды или под действием орбитального движения в волне (см. фиг. 4).
В оптимальных условиях буй должен переворачиваться в момент начала погружения или всплытия через бесконечно малый интервал времени после изменения знака собственной плавучести: . Эти условия позволяют провести равноценные по качеству измерения полных вертикальных профилей термохалинных характеристик с помощью стандартного измерителя температуры, электропроводности и давления, например SBE 41/41CP CTD, как на траектории подъема, так и на траектории спуска буя.
плавучесть=0
На практике нужно добиться, чтобы момент времени наступления состояния неустойчивого равновесия буя, , совпал с моментом t перехода плавучести от положительной к отрицательной, или наоборот, с учетом того, что вертикальные профили плотности воды меняются в зависимости от географического положения буя и сезона. Поэтому мы использовали дополнительную систему продольного перемещения балласта внутри корпуса буя (см. фиг. 3а, 3б).
С помощью системы управления мы добились синхронизации времени изменения положения центра масс с временем изменения положения центра вытеснения, что обеспечило переворот буя на 180° в нижней и верхней точках траектории профилирования независимо от плотности воды в акватории.
Исходя из этой модели мы максимизировали количество океанологических данных, получаемых за один рабочий цикл профилирования. При этом объем данных измерений возрос в 2 раза по сравнению с ближайшим аналогом (буем АРГО).
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском буя в воду рабочая жидкость находится в резервуаре (9) и центр масс смещен к верхней крышке (2). При такой комбинации буй имеет отрицательную плавучесть и погружается вперед датчиками (3). В период погружения буя датчиками вниз идет накопление данных измерений электропроводности (солености), температуры и давления в невозмущенной среде. При достижении заданной глубины, контролируемой с помощью датчика давления (3), блок управления (11) выдает команду на электронасос (8) для перекачки рабочей жидкости по гидравлическим магистралям из резервуара (9) в расширительную емкость (7) и на устройство, перемещающее центр масс к нижней крышке (5).
В первом варианте блок управления (11) выдает команду на электрический линейный актуатор (12), по которому осуществляется перемещение балласта - блока питания (10), который всегда имеет значительную массу, достаточную для переворота буя на 180°. Актуатор (12) позволяет производить линейное перемещение балласта как вверх, так и вниз на значительное расстояние (например, 50-100 мм).
Во втором случае смещение центра масс осуществляется за счет балластного электронасоса (14), перекачивающего балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями (13), расположенными в верхней и нижней частях прочного корпуса (1) буя. Данный балласт в виде балластных емкостей (13) и балластной жидкости имеет также массу, достаточную для переворота буя на 180°.
В результате наличия в первом и втором вариантах изобретения дополнительных конструктивных элементов, перемещающих центр масс, буй переворачивается в вертикальной плоскости на 180° и приобретает положительную плавучесть за счет увеличения общего объема буя. Буй начинает всплывать к поверхности воды вперед датчиками (3).
При достижении поверхности буй определяет свои координаты по спутниковой системе навигации, например GPS, и передает накопленные данные по радиоканалу. После завершения сеанса радиосвязи блок управления (11) выдает команду на смещение центра масс к верхней крышке (2). Буй переворачивается на 180° и после этого включается электронасос (8) для перекачки рабочей жидкости из расширительной емкости (7) в резервуар (9). Получив отрицательную плавучесть, буй начинает погружаться и начинается следующий рабочий цикл погружения/всплытия. Профилирование водной среды каждый раз происходит в положении датчиками (3) вперед, что обеспечивает океанологические измерения в невозмущенной среде. Таким образом, океанологические измерения проводятся в невозмущенной среде на всей траектории профилирования буя, то есть как при всплытии, так и при погружении.
Заявленный автономный дрейфующий, профилирующий океанологический буй обеспечивает подвижность вертикального положения центра масс относительно центра вытеснения буя в результате следующего.
Система продольного смещения балласта внутри корпуса буя изготовлена с применением в первом случае: линейного актуатора, перемещающего балласт - блок питания (10) (см. фиг. 3а) и во втором случае - балластного электронасоса (14), перекачивающего балластную жидкость между балластными емкостями (13), расположенными выше и ниже центра вытеснения буя (см. фиг. 3б).
Таким образом, заявленное изобретение, обеспечивая переворот буя в вертикальной плоскости на 180° в верхней и нижней точках траектории его профилирования, позволяет увеличить количество получаемых данных океанологических измерений в 2 раза за цикл погружение/всплытие.