ПОДВОДНЫЙ ПЛАНЕР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВЕКТОРНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

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.
Scarlet Knight принципиально новым аппаратом не является. Это серийно производимый подводный планер типа Slocum, созданный почти два десятилетия назад. Подводный планер представляет собой небольшую автоматическую подводную лодку, способную перемещаться в воде без использования движетеля. Устройство может автоматически погружаться и всплывать на поверхность, соответственно заполняя водой балластную цистерну и продувая ее сжатым воздухом. Движение "по вертикали" преобразуется в горизонтальное благодаря горизонтальным рулям большой размерности. Выпускается в модификации как с электрическим, так и с "термическим" источником энергии, обеспечивающим предельно высокую автономность и малозаметность - за 5 лет без обслуживания он может пройти до 40 тыс. км на разных глубинах от 4 до 2000 м.
Подводный планер APEX способен автономно действовать в Мировом океане в течение 4 лет, совершив за это время 150 циклов погружения/всплытия. Максимальная глубина погружения - до 2000 м.
Seaglider - этот программируемый робот оснащен GPS-навигацией и 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
Наиболее близким к заявляемому является подводный робот-планер Spray [http://www.membrana.ru/articles/technic/2004/11/09/195700.html, 9 ноября 2004 г.]. Spray конструктивно состоит из корпуса обтекаемой формы, несущих поверхностей (крыльев), горизонтального киля, электронного блока управления, записи и передачи информации, системы аккумуляторов, системы управления плавучестью. Траектория движения Spray в вертикальной плоскости напоминает синусоиду. Когда аппарат скользит вниз или вверх, его крылья работают как крылья планера, так что при плавном погружении и всплытии машина перемещается и по горизонтали. Потому и какого-либо тягового устройства (винта, водомёта) у него нет. 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, солёности 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.
Задачей полезной модели является расширение возможностей подводного планера за счет обеспечения измерения векторных характеристик гидроакустического поля.
Поставленная задача решается подводным планером, состоящим из цилиндрического корпуса с носовым отсеком, несущих поверхностей, горизонтального киля, установленных в корпусе электронного блока управления с системой спутниковой навигации, записи и передачи информации, аккумуляторных батарей, систем связи и управления плавучестью, выполненной с возможностью придавать планеру положительную плавучесть близкую к нулевой, набора датчиков, включающих гирокомпас, инклинометр и датчик глубины, при этом носовой отсек корпуса выполнен сообщающимся с внешней средой и представляет собой звукопрозрачный обтекатель, внутри которого установлена двухзвенная подвеска, состоящая из звукопрозрачной рамки, внутри которой расположен комбинированный приемник, и лонжей из эластичных и ограничительных нитей, соединяющих комбинированный приемник с рамкой, рамку с корпусом и комбинированный приемник с корпусом посредством ограничительной нити соединенной с натяжителем, установленным внутри корпуса,
Комбинированный приемник представляет собой измерительное устройство, состоящее из скалярного и векторного приемников, имеет небольшие геометрические размеры (является практически точечным), что сделало возможным расположить его в ограниченном пространстве подводного планера.
Система связи планера может быть реализована как посредством радиоканала, так и через гидроакустический канал либо при необходимости на планере может быть установлены обе системы.
Предложенная конструкция подводного планера позволяет производить измерения в полосе частот от 1 Гц до 12000 Гц различных акустических полей, в том числе уровень давления подводного окружающего шума, разностно-фазовые соотношения между акустическим давлением и компонентами колебательной скорости (корреляционные характеристики), определение пеленга из одной точки на источник звука, направленные свойства переноса энергии в акустическом волноводе, кроме этого, одиночный точечный комбинированный приемник, установленный на планере в широкой полосе частот обладает возможностями антенны, построенной на основе гидрофонов.
На Фиг.1 приведена схема крепления комбинированного приемника в подводном планере; а - во время проведения измерений, б - в походном положении, где 1 - корпус подводного планера; 2 - комбинированный приемник; 3 - эластичные нити; 4 - звукопрозрачный обтекатель; 5 - звукопрозрачная рамка, 6 - ограничительные нити, 7 - натяжитель
На фиг.2 приведена схема движения планера. А - планирование, В положение планера в режиме измерений гидроакустического поля, h - глубина начала измерений.
Заявляемая конструкция планера позволяет значительно снизить шумы обтекания (псевдозвук) и вибрации, передающиеся непосредственно на комбинированный приемник, что и обеспечило возможность получения векторных характеристик гидроакустического поля.
Для уменьшения воздействия на комбинированный приемник вибраций используют двузвенную подвесную систему, при которой комбинированный приемник устанавливается в звукопрозрачной рамке, которая в свою очередь присоединена к корпусу через натяжитель, к которому посредством ограничительной нити крепится и комбинированный приемник. Крепление осуществляют посредством лонжей, изготовленных из эластичной и ограничительной нитей, обеспечивающих разную частоту резонанса лонжей, например из резиновых и кевларовых нитей.
Натяжитель может быть выполнен, например, в виде катушки с электромотором.
Для исключения влияния шумов обтекания при проведении гидроакустических измерений система изменения плавучести планера выполнена таким образом, что на глубине измерения (h) планер принимает и сохраняет на время измерений положительную плавучесть близкую к нулевой (Фиг.2), что позволяет ему свободно дрейфовать вместе с водными массами вертикально вверх, производя измерения от заданной глубины до поверхности океана.
Система изменения плавучести, обеспечивающая положительную плавучесть, близкую к нулевой, может быть выполнена любым известным способом, например, она может быть выполнена в виде эластичного полимерного пузыря, в который из двух емкостей насосом высокого давления закачивается или откачивается рабочая жидкость. Во время измерений для получения близкой к нулевой положительной плавучести рабочая жидкость полностью перекачивается из одной емкости в другую, а при необходимости всплыть рабочая жидкость докачивается из второй емкости.
После процесса измерений планер может передать записанную акустическую информацию либо через спутник, либо по любым другим приемлемым каналам связи.
Носовой отсек корпуса планера выполнен в виде звукопрозрачного обтекателя сообщающегося с внешней средой, что обеспечивает нахождение комбинированного приемника в измеряемой среде, например, выполняя обтекатель дырчатым.
Во время погружения комбинированный приемник зафиксирован в строго определенном положении и неподвижен. В противном случае его смещение при маневрировании планера будет изменять центр масс планера, что привело бы к непредсказуемому изменению траектории полета планера. Фиксацию приемника осуществляют путем натяжения ограничительных нитей подвески. Натяжение осуществляется включением натяжителя, установленного в корпусе. Такая система позволяет фиксировать комбинированный приемник в строго определенном положении. В точке начала акустических измерений планер принимает вертикальное положение (носом вниз) и натяжитель освобождает комбинированный приемник от фиксации.
Для определения направления прихода акустической волны, при измерении векторных характеристик гидроакустического поля, необходимо иметь информацию о положении подводного планера в пространстве, для этой цели планер оснащен гирокомпасом, инклинометром и датчиком глубины, спутниковым (GPS, ГЛОНАСС) навигатором.
Для проведения океанографических измерений планер может быть снабжен другим набором датчиков, комплектация которого определяется задачей исследования, например, температуры, солености и прозрачности воды, датчик для измерения скорости звука в воде и другими.
Маршрут следования планера, как правило, задается заранее, однако допускается дистанционное перепрограммирование при сеансе связи. Сеансы связи можно осуществлять и по гидроакустическому каналу с использованием гидроакустического модема, что уменьшит расход электроэнергии, а, следовательно, увеличит автономность аппарата.
Предложенная конструкция подводного планера позволяет использовать акустические методы исследования для долговременных измерений шумов океана в интересах пассивного мониторинга неоднородностей морской среды на шельфе океана, исследования сигналов, излучаемых морскими организмами в целях определения промысловой численности, активно-пассивный мониторинг тепломассообмена через проливные зоны для прогноза глобальных изменений климата на планете и т.п. Применение полезной модели дает возможность снизить нижнюю границу диапазона акустических измерений до 1 Гц, существенно снизить затраты на проведение мониторинга в любом районе Мирового океана.