ПРИВЯЗНОЙ СВОБОДНО ПАДАЮЩИЙ ЗОНД

Полезная модель относится к измерительной технике, применяемой при исследовании микроструктуры водной толщи океанов и морей.
Известны автономные свободно падающие микроструктурные зонды, применяемые для измерений микроструктуры на любых океанских глубинах, содержащие набор датчиков с программируемым устройством автономной регистрации данных, программируемым устройством управления плавучестью. Зонды смонтированы в секционированном корпусе обтекаемой формы, снабженном элементами плавучести, сбрасываемым балластным грузом и хвостовым стабилизатором, который обеспечивает, при наличии балласта, свободное падение с постоянной вертикальной ориентацией и стабильной скоростью. Свободное падение прерывается устройством управления при подаче команды на сброс балласта, в результате чего меняется знак плавучести зонда и он всплывает на поверхность, обнаруживается и выбирается на борт судна (зонд VMP 6000 Deep Sea Turbulence Profiler, www.rocklandscientific.com).
К недостаткам автономных свободно-падающих зондов можно отнести то, что они должны быть оснащены дополнительно системой дистанционного обнаружения на водной поверхности, а на их поиск необходимо тратить судовое время, все это отражается на стоимости проводимых исследований, кроме того, при ухудшении погодных условий существует риск потери зонда.
Известны квазисвободные, или привязные падающие зонды, отличающиеся от свободно падающих наличием механической связи зонда с судном, с которого производится зондирование; эти зонды применяются преимущественно для исследования микроструктуры верхнего слоя океана. Привязные зонды оснащены таким же набором датчиков, как и свободные зонды, а именно датчиками для регистрации микроструктуры, тонкой термохалинной структуры и глубины, а также акселерометрами, измеряющими ориентацию и вибрации зонда, позволяющими объективно оценивать качество микро- и тонкоструктурных измерений. Привязные зонды могут быть снабжены блоком автономной регистрации данных или же, в другом варианте исполнения, системой телеметрии для передачи данных на борт судна по сигнальному кабелю. И те, и другие зонды имеют прочный корпус, конструктивно объединенный с модулем плавучести в единое композитное тело, выполненное с гидродинамическими обводами и обладающее небольшой результирующей отрицательной плавучестью, которая может менять знак при сбросе балласта при плановом или аварийном всплытии. Зонды снабжаются хвостовым стабилизатором, обеспечивающим свободное падение с постоянной вертикальной ориентацией и стабильной скоростью. К привязным зондам прикрепляют тонкий прочный фал или сигнальный кабель для передачи данных, выпускаемые с борта дрейфующего судна. Свободное падение привязных зондов происходит до тех пор, пока осуществляют выпуск фала либо кабеля. Затем привязной зонд вытаскивается с использованием фала (кабеля) на борт судна и, что важно для решения исследовательских задач, измерения можно оперативно повторять с целью получения статистически достоверных данных (зонд VMP2000 Coastal Turbulence Profiler фирмы Rockland Scientific, www.rocklandscientific.com; семейство привязных кабельных зондов для различных диапазонов глубин MSS60, MSS90, MSS90-D фирмы ISW Wassermesstichnik, www.isw-wasser.com, исполненных как в автономном, так и в кабельном вариантах).
К недостаткам привязных зондов можно отнести ограниченность глубины зондирования, которое обусловлено дестабилизирующим воздействием большой длины тянущегося вслед за падающим зондом связующего элемента, вследствие чего падение постепенно перестает быть свободным. Воздействие связующего элемента на движение зонда возрастает, когда судно дрейфует, т.к. течение относит зонд от точки начала зондирования, при этом возрастает не только продольная (осевая) составляющая силы натяжения, но образуется и боковая составляющая этой силы, создающая постепенно возрастающий угол атаки датчиков турбулентности в отношении набегающего потока, кроме того поперечная составляющая потока заставляет натянутый фал (кабель) вибрировать; все это приводит к нарастающему зашумлению сигналов датчиков турбулентности.
За ближайший аналог принят привязной свободно-падающий зонд «Баклан» (Paka V.T., V.N.Nabatov, I.D.Lozovatsky, and T.M.Dillon, 1999. Oceanic microstructure measurements by "Baklan" and "Grif", J. Atmosph. and Ocean Tech., 16(11), 1519-1532) в бескабельном варианте исполнения, выполненный в виде сборного секционного контейнера удлиненной обтекаемой цилиндрической формы с носовым и хвостовым обтекателями, обеспечивающими хорошие гидродинамические свойства. Хвостовая секция выполнена с внутренней герметичной полостью для частичной компенсации отрицательной плавучести контейнера и снабжена стабилизатором скорости и вертикального положения зонда при свободном падении. На хвостовой секции контейнера имеется приспособление для крепления связующего элемента - фала, запас которого находится на палубе судна, откуда он выпускается со скоростью, несколько превышающей скорость свободного падения зонда, что минимизирует воздействие фала на движение зонда. В первой секции контейнера расположен приборный модуль с блоком электроники и батарей, на передней крышке которого закреплены датчики турбулентности и тонкой термохалинной структуры. Кроме того, в приборном модуле находятся датчик давления и трехкомпонентный акселерометр, автономная система регистрации данных, съемная карта памяти которой размещена в специальном герметичном объеме на задней крышке приборного модуля. Система регистрации данных включается магнитоуправляемым реле и выключается по достижении заданной глубины зондирования или по истечении заданного промежутка времени. Для предупреждения повреждений датчиков при соударении их с грунтом предусмотрено защитное приспособление, выполненное в виде штырей, длина которых значительно превышает длину датчиков. Штыри крепятся на передней крышке приборного модуля, таким образом, чтобы они окружали датчики и, выступая вперед при свободном падении зонда, защищали их от соударения с препятствием.
Полезная модель решает задачу обеспечения возможности проведения исследований микроструктуры более глубоких слоев водной толщи с более низким уровнем помех для датчиков турбулентности за счет конструктивных изменений зонда, позволяющих исключить возникновение вибраций привязного фала и его негативное влияние на скорость свободного падения и ориентацию зонда в пространстве без изменения отрицательной плавучести зонда.
Для обеспечения необходимого технического результата в известном привязном свободно падающем зонде, выполненном в виде сборного секционного контейнера удлиненной обтекаемой формы, включающего герметичную секцию приборного модуля с блоком электроники и батарей, системой регистрации на съемную карту памяти, датчиками параметров внешней среды, расположенными с внешней передней стороны модуля и оснащенными защитным приспособлением, и датчиками положения и вибрационных помех, расположенных внутри приборного модуля, хвостовую секцию, выполненную с внутренним объемом и снабженную стабилизатором скорости и вертикальной ориентации зонда при свободном падении, предлагается во внутреннем объеме хвостовой секции разместить запас фала, длина которого выбрана с учетом заданной протяженности свободного падения зонда, причем фал выбрать с нулевой плавучестью, а хвостовую секцию выполнить с возможностью обеспечения свободного выхода фала при свободном падении зонда и снабдить блокиратором выхода фала, управляемым дистанционно. Толщину стенок секции приборного модуля предлагается выбрать с учетом гидростатического давления на максимальной глубине зондирования, а контейнер оборудовать секцией модуля плавучести, которую расположить между секциями приборного модуля и хвостовой и выполнить в виде негерметичного тонкостенного корпуса с полыми плавучими стеклянными сферами внутри, прочность которых выбрать с учетом гидростатического давления на максимальной глубине зондирования, а положительную плавучесть - с учетом компенсации большей части отрицательной плавучести зонда.
На прилагаемых к описанию схемах изображено:
на фиг.1 - привязной свободно падающий зонд, общий вид в сборе;
на фиг.2 - то же, в разобранном виде.
На схеме приняты следующие обозначения:
1 - привязной фал; 2 - хвостовая секция; 3 - стабилизатор скорости и вертикальной ориентации зонда при свободном падении; 4 - полые плавучие стеклянные сферы; 5 - секция модуля плавучести; 6 - фланцы; 7 - стойки для крепления секции приборного модуля (13) к секции модуля плавучести 5; 8 - носовой обтекатель; 9 - задняя крышка секции приборного модуля; 10 - герморазъем; 11 - съемная карта памяти; 12 - герметичные колпачки; 13-секция приборного модуля; 14 - батареи; 15 - передняя крышка секции приборного модуля, с установленными на ней датчиками 16; 17 - защитное приспособление датчиков.
В предлагаемом привязном зонде хвостовая секция и секция модуля плавучести разгерметизированы и предельно облегчены за счет использования тонкостенных материалов, а герметичность секции приборного модуля сохранена, причем толщина стенок секции выбрана с учетом гидростатического давления на максимальной глубине зондирования. В секции модуля плавучести использованы плавучие стандартные стеклянные сферы, например можно использовать продукцию компании Teledyne Benthos - A Teledyne Technologies Incorporated (Undersea flotation, buoyancy devices, htm), выпускающей 10-дюймовые стеклосферы с рабочей глубиной погружения до 6 км.
Набор датчиков включает в себя не менее 2-х датчиков пульсаций скорости (что соответствует принципу резервирования хрупких чувствительных элементов), малоинерционный термометр, трехкомпонентный акселерометр для оценки стабильности ориентации и отсутствия вибраций зонда и ячейку CTD (электропроводность-температура-давление) для точного измерения фоновой тонкой структуры температуры, солености и плотности.
Предлагаемая конструкция привязного свободно падающего зонда выполнена в виде сборного контейнера удлиненной обтекаемой формы и состоит из 3-х секций: приборного модуля, модуля плавучести и хвостовой секции. Толщина стенок секции приборного модуля выбрана с учетом гидростатического давления на максимальной глубине зондирования. При максимальной глубине зондирования 6000 м, толщина стенок секции приборного модуля, выполненной из титанового сплава ВТ1-0 должна быть не менее 8 мм при наружном диаметре 120 мм.
Секция приборного модуля 13 предназначена для защиты от гидростатического давления и размещения в нужном сочетании и нужной пространственной ориентации датчиков, их электроники, батарей электропитания, герморазъема для подключения зонда к компьютеру и зарядному устройству, устройства автоматического включения прибора с помощью магнитоуправляемого реле и герметизированного узла для съемной карты памяти 11, вынесенной из гермообъема секции приборного модуля 13 на его заднюю крышку 9. На передней крышке 15 секции приборного модуля 13 установлены датчики 16, оснащенные защитным приспособлением 17 от механических повреждений при достижении дна во время зондирования или при постановке зонда на палубу судна после зондирования. Защитное приспособление 17 выполнено в виде набора распределенных по окружности штырей, длина которых значительно превышает длину датчиков. Штыри приварены к кольцу, которое крепится болтами на передней крышке 15 секции приборного модуля, в таком положении штыри окружают датчики и, выступая вперед, защищают их от соударения с препятствием.
Секция модуля плавучести 5 выполнена в виде негерметичного, тонкостенного цилиндра с полыми плавучими стеклянными сферами 4 внутри, обладающими большой положительной плавучестью и способность противостоять гидростатическому давлению на предельных глубинах погружения зонда. Положительная плавучесть стеклянных сфер 4 компенсирует большую часть отрицательной плавучести зонда. Секция приборного модуля 13 присоединяется к секции модуля плавучести 5 посредством стойки 7 с двумя фланцами 6 с помощью болтов. Стойка 7 закрывается носовым обтекателем 8, установленным с возможностью перемещения по секции приборного модуля 13 для обеспечения доступа к герморазъему 10 и карте памяти 11, и стопорится на нижнем торце модуля плавучести 5, например, при помощи байонетного замка (на фиг.2 не показан).
Хвостовая секция 2 выполнена негерметичной, тонкостенной с внутренним объемом и имеет в верхней части отверстие для укладки запаса привязного фала 1, необходимого для заданной глубины зондирования. Фал выбран с нулевой плавучестью. Хвостовая секция выполнена с возможностью свободного выхода фала при свободном падении зонда и снабжена блокиратором (на схемах не показан) выхода фала, управляемым дистанционно. Для того, чтобы не расходовать привязной фал до перевода зонда в режим свободного падения, выход фала блокируется с помощью дистанционно-управляемого пускового устройства до момента доставки зонда на стартовый горизонт с помощью вспомогательного носителя и разблокируется в момент отсоединения зонда от носителя и перевода его в режим свободного падения. Хвостовая секция 2 снабжена стабилизатором 3 скорости и вертикальной ориентации зонда при свободном падении, который может быть выполнен, например, в виде «ромашки» из проволочного и волосяного материала. Скорость падения стабилизируется при равенстве отрицательной плавучести и силы гидродинамического сопротивления, которая пропорциональна квадрату скорости с коэффициентом, являющимся конструкционным параметром хвостового стабилизатора. Регулировка скорости может быть обеспечена при использовании съемного балласта, представляющего собой набор свинцовых грузов, которые можно закрепить внутри стойки под носовым обтекателем 8.
Привязной фал 1 выполнен из синтетического материала и имеет нейтральную плавучесть для того, чтобы зонд не менял своей результирующей плавучести при выходе фала. Фал должен быть тонким, чтобы во внутренней емкости секции 2 поместилось не менее 300 м фала, и достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузку при выборке зонда к поверхности воды. Например, может быть использован капроновый фал диаметром 4 мм, прочность на разрыв которого около 400 кг. Между тонким фалом и корпусом зонда имеется участок более толстого и более прочного фала (8 мм и 1000 кГ соответственно) длиной около 10 метров. Конец этого фала пропущен через отверстие в хвостовой секции и закреплен на торце секции модуля плавучести. Этот участок фала используется для выборки зонда из воды, и при этом он испытывает повышенную нагрузку из-за большого веса зонда в воздухе и рывков при извлечении зонда из воды на борт судна.
Описание работы предлагаемого привязного свободно падающего зонда.
Осуществляют сборку секционного контейнера зонда, соединяя его три секции: приборного модуля 13, модуля плавучести 5 и хвостовую 2 с закрепленным на ней хвостовым стабилизатором 3. Защитное приспособление 17 датчиков 16 при помощи винтов крепят к секции приборного модуля 13. Фланец большего диаметра 6 стойки 7 крепят болтами к модулю плавучести 5. Носовой обтекатель 8 одевают на секцию приборного модуля 13, после чего к передней крышке 15 секции приборного модуля 13 болтами крепят фланец меньшего диаметра 6 стойки 7. Пропускают утолщенный конец привязного фала через отверстие в хвостовой секции 2 и закрепляют на торцевой поверхности секции модуля плавучести 13. Хвостовая секция 2 присоединяется к секции модуля плавучести 5 при помощи стопорящегося байнетного замка (не показан на схеме). Зонд в собранном виде в вертикальном положении может опираться на защитное приспособление 17 датчиков 16. В таком положении в его хвостовую секцию 2 закладывают 300 м тонкого привязного фала, оставляя его конец снаружи хвостовой секции 2.
При исследовании слоев водной толщи на глубинах более 300 м (т.е. на дистанции, превышающей свободное падение зонда с запасом фала в 300 м), необходимо использовать для доставки зонда на заданную глубину какие-нибудь носители, например, в каком качестве был использован карусельный пробоотборник «Розетта» SBE32 фирмы Sea Bird Electronics www.seabird.com. Верхний конец привязного фала крепился к «Розетте» постоянно, а сам зонд крепился с помощью дистанционно-управляемого замка, соединенного управляющим тросиком со стандартным устройством «Розетты», используемым для дистанционного закрытия батометров при взятии проб воды на заданных горизонтах. Для управления привязным зондом резервируется устройство управления одним из батометров, которое переделывается на удержание, а при поступлении стандартной команды - на раскрытие замка крепления зонда к раме «Розетты». Команда на пуск зонда подавалась при достижении заданной глубины, при этом происходил сброс крепежных ремней, после чего зонд отходил вбок и вниз от пробоотборника. Одновременно запускалась система измерений и записи данных, посредством выдергивания из гнезда в крышке приборного модуля магнита (на схеме не показан). Продолжительность записи была запрограммирована на максимальное расчетное время свободного падения, определяемое длиной привязного фала и скоростью свободного падения зонда. По истечении этого времени начиналась выборка «Розетты» с помощью ее кабель-тросовой лебедки, по завершении которой обеспечивался доступ к верхнему концу привязного фала, за который производилась выборка зонда.
До выхода зонда на поверхность фал находится под сравнительно небольшим воздействием гидродинамических сил сопротивления движению фала и зонда в набегающем потоке воды, определяемым скоростями выборки зонда и ветрового дрейфа судна. В конце выборки на палубу выходит утолщенный конец фала, на котором, используя штатный судовой грузоподъемный механизм, зонд выбирается на палубу судна для завершающего обслуживания, т.е. извлечения и замены карты памяти и, при необходимости, заряда батарей.