RU106880U1 - UNDERWATER PLANER FOR MONITORING VECTOR ACOUSTIC FIELDS - Google Patents

Abstract

1. Подводный планер, состоящий из цилиндрического корпуса с носовым отсеком, несущих поверхностей, горизонтального киля, электронного блока управления с системой спутниковой навигации, записи и передачи информации, аккумуляторных батарей, системы управления плавучестью, набора датчиков, включающих гирокомпас, инклинометр и датчик глубины, отличающийся тем, что система управления плавучестью выполнена с возможностью обеспечения планеру положительной плавучести, близкой к нулевой, носовой отсек корпуса выполнен сообщающимся с внешней средой и представляет собой звукопрозрачный обтекатель, внутри которого расположена подвеска, выполненная двузвенной и состоящая из звукопрозрачной рамки, внутри которой установлен комбинированный приемник, и лонжей из эластичных и ограничительных нитей, соединяющих комбинированный приемник с рамкой, а рамку с корпусом, при этом комбинированный приемник дополнительно соединен ограничительной нитью с натяжителем, установленным внутри корпуса. ! 2. Подводный планер по п.1, отличающийся тем, что набор датчиков дополнительно содержит датчики для измерения температуры, или солености, или прозрачности воды или датчик для измерения скорости звука в воде. ! 3. Подводный планер по п.1, отличающийся тем, что система связи выполнена на базе гидроакустического модема, обеспечивающего гидроакустический канал связи, и/или на базе устройства беспроводной передачи данных, обеспечивающего радиосвязь. 1. An underwater glider consisting of a cylindrical body with a bow compartment, bearing surfaces, a horizontal keel, an electronic control unit with a satellite navigation system, recording and transmitting information, batteries, a buoyancy control system, a set of sensors including a gyrocompass, an inclinometer and a depth sensor, characterized in that the buoyancy control system is configured to provide the glider with positive buoyancy close to zero, the nose compartment of the hull is communicating with an external rare and represents a translucent fairing, inside of which there is a suspension made of a two-link and consisting of a translucent frame inside which a combined receiver is installed, and lounges of elastic and restrictive threads connecting the combined receiver to the frame, and the frame to the body, while the combined receiver is additionally connected by a restrictive thread to a tensioner installed inside the housing. ! 2. Underwater glider according to claim 1, characterized in that the set of sensors further comprises sensors for measuring temperature, or salinity, or transparency of water, or a sensor for measuring the speed of sound in water. ! 3. The underwater glider according to claim 1, characterized in that the communication system is based on a hydroacoustic modem providing a hydroacoustic communication channel, and / or on the basis of a wireless data transmission device providing radio communication.

Description

Полезная модель относится к океанологии, конкретно, к подводным планерам для исследования водных акваторий и может быть использована для океанологических и гидроакустических исследований.The utility model relates to oceanology, specifically, to underwater gliders for the study of water areas and can be used for oceanological and hydroacoustic studies.

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.Underwater glider - an autonomous uninhabited small-sized underwater vehicle capable of moving in water without using a mover. For horizontal movement under water, the glider principle is used - due to the lifting force (bearing surfaces) of the wings when the depth changes. Due to its low energy consumption, the glider has high autonomy and is able to cover very large distances, while collecting oceanographic and other data, transmitting them during communication sessions to a control point.

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.To date, several glider models are available (http://en.wikipedia.org/wiki/Seaglider). Among them, the most famous are Scarlet Knight, APEX producer Teledyne Webb, Seaglider developer University of Washington, Spray developer 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.Scarlet Knight is not a fundamentally new device. This is a mass-produced underwater glider such as Slocum, created almost two decades ago. An underwater glider is a small automatic submarine that can navigate in water without using a mover. The device can automatically sink and float to the surface, respectively filling the ballast tank with water and blowing it with compressed air. The movement "vertically" is converted to horizontal due to the horizontal rudders of large dimension. It is produced in modifications with both an electric and a “thermal” energy source providing extremely high autonomy and low visibility - in 5 years without service it can cover up to 40 thousand km at different depths from 4 to 2000 m.

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.The APEX underwater glider is capable of operating autonomously in the oceans for 4 years, having completed 150 diving / ascent cycles during this time. Maximum immersion depth - up to 2000 m.

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.Seaglider - This programmable robot is equipped with GPS navigation and can cross the ocean basin in missions that can last for months. The maximum depth that the robot is capable of diving is about a kilometer.

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 происхожденияThese devices are designed to collect information using a variety of sensors and sensors. For this, they can be equipped with sensors for depth, temperature, salinity, transparency of sea water, hydrophones can be installed on them to study hydroacoustic noise of any origin

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.Closest to the claimed is an underwater robot-glider Spray [http://www.membrana.ru/articles/technic/2004/11/09/195700.html, November 9, 2004]. Spray constructively consists of a streamlined body, bearing surfaces (wings), a horizontal keel, an electronic control unit, recording and transmitting information, a battery system, and a buoyancy control system. The vertical trajectory of a Spray resembles a sine wave. When the device glides up or down, its wings work like glider wings, so that with smooth immersion and ascent, the machine moves horizontally. Therefore, he does not have any traction device (screw, water jet). The glider is equipped with a set of equipment, including a satellite navigator, an acoustic Doppler current meter that allows you to build vertical sections of underwater flows, as well as a gyrocompass, inclinometer, pressure, temperature, salinity and transparency sensors, chemical analyzers, biological sensors.

Однако из-за шумов обтекания и вибрации, которые неизбежно возникают при движении данного аппарата. Spray не может осуществлять измерения векторных характеристик гидроакустического поля.However, due to flow noise and vibration, which inevitably arise when this unit is moving. Spray cannot measure the vector characteristics of a sonar field.

Задачей полезной модели является расширение возможностей подводного планера за счет обеспечения измерения векторных характеристик гидроакустического поля.The objective of the utility model is to expand the capabilities of the underwater glider by providing measurement of the vector characteristics of the sonar field.

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,The problem is solved by an underwater glider, consisting of a cylindrical body with a bow compartment, bearing surfaces, horizontal keel installed in the body of the electronic control unit with a satellite navigation system, recording and transmitting information, batteries, communication systems and buoyancy control, made with the ability to give the glider positive buoyancy close to zero, a set of sensors including a gyrocompass, inclinometer and depth sensor, while the nose compartment of the body is made inform It is connected with the external environment and represents a translucent fairing, inside of which a two-link suspension is installed, consisting of a translucent frame inside which a combined receiver is located, and lounges of elastic and restrictive threads connecting the combined receiver to the frame, the frame with the body and the combined receiver with the body through a limit thread connected to a tensioner mounted inside the housing,

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.The combined receiver is a measuring device consisting of scalar and vector receivers, has small geometric dimensions (it is almost point-like), which made it possible to place it in a limited space of an underwater glider.

Система связи планера может быть реализована как посредством радиоканала, так и через гидроакустический канал либо при необходимости на планере может быть установлены обе системы.The airframe communication system can be implemented both through a radio channel and through a sonar channel, or if necessary, both systems can be installed on the airframe.

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.The proposed design of the underwater glider allows measurements in the frequency range from 1 Hz to 12000 Hz of various acoustic fields, including the pressure level of the underwater ambient noise, phase difference between the acoustic pressure and the components of the vibrational velocity (correlation characteristics), determination of the bearing from one point to a sound source, directional properties of energy transfer in an acoustic waveguide, in addition, a single point combined receiver mounted on a glider in a wide th frequency band antenna has capabilities built based hydrophones.

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 - натяжительFigure 1 shows the mounting scheme of the combined receiver in an underwater glider; a - during measurements, b - in the stowed position, where 1 is the underwater glider body; 2 - combined receiver; 3 - elastic threads; 4 - a soundproof fairing; 5 - soundproof frame, 6 - restrictive threads, 7 - tensioner

На фиг.2 приведена схема движения планера. А - планирование, В положение планера в режиме измерений гидроакустического поля, h - глубина начала измерений.Figure 2 shows the motion scheme of the glider. A - planning, In the position of the glider in the measurement mode of the hydroacoustic field, h - the depth of the start of measurements.

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.The claimed design of the airframe can significantly reduce flow noise (pseudo-sound) and vibration transmitted directly to the combined receiver, which made it possible to obtain vector characteristics of the hydroacoustic field.

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.To reduce the impact on the combined vibration receiver, a two-link suspension system is used, in which the combined receiver is mounted in a soundproof frame, which in turn is connected to the housing through a tensioner, to which the combined receiver is also attached via a restrictive thread. The fastening is carried out by means of spars made of elastic and restrictive threads, providing different resonance frequencies of the spars, for example of rubber and Kevlar threads.

Натяжитель может быть выполнен, например, в виде катушки с электромотором.The tensioner can be made, for example, in the form of a coil with an electric motor.

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.To exclude the influence of flow noise during hydroacoustic measurements, the system of changing the buoyancy of the glider is made in such a way that, at the depth of measurement (h), the glider receives and maintains positive buoyancy close to zero for the duration of the measurements (Figure 2), which allows it to drift freely with water masses vertically upward, taking measurements from a given depth to the surface of the ocean.

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.The buoyancy changing system, providing positive buoyancy close to zero, can be made by any known method, for example, it can be made in the form of an elastic polymer bubble into which working fluid is pumped or pumped out of two containers by a high pressure pump. During measurements, in order to obtain close to zero positive buoyancy, the working fluid is completely pumped from one tank to another, and if necessary, the working fluid is floated from the second tank.

После процесса измерений планер может передать записанную акустическую информацию либо через спутник, либо по любым другим приемлемым каналам связи.After the measurement process, the glider can transmit the recorded acoustic information either via satellite or via any other suitable communication channel.

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.The nose compartment of the airframe is made in the form of a translucent fairing communicating with the external environment, which ensures the location of the combined receiver in the measured medium, for example, making a perforated fairing.

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.During the dive, the combined receiver is fixed in a strictly defined position and is stationary. Otherwise, its displacement during maneuvering the glider will change the center of mass of the glider, which would lead to an unpredictable change in the trajectory of the glider. Fixation of the receiver is carried out by tensioning the restrictive threads of the suspension. The tension is carried out by turning on the tensioner installed in the housing. This system allows you to fix the combined receiver in a strictly defined position. At the point where acoustic measurements began, the glider takes a vertical position (nose down) and the tensioner releases the combined receiver from fixation.

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.To determine the direction of arrival of the acoustic wave, when measuring the vector characteristics of the hydroacoustic field, it is necessary to have information about the position of the underwater glider in space, for this purpose the glider is equipped with a gyrocompass, an inclinometer and a depth sensor, and a satellite (GPS, GLONASS) navigator.

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.For oceanographic measurements, the glider can be equipped with another set of sensors, the equipment of which is determined by the research task, for example, temperature, salinity and transparency of water, a sensor for measuring the speed of sound in water and others.

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.The route of the glider, as a rule, is set in advance, however, remote reprogramming during a communication session is allowed. Communication sessions can also be carried out on a sonar channel using a sonar modem, which will reduce energy consumption, and, therefore, increase the autonomy of the device.

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.The proposed design of an underwater glider allows the use of acoustic research methods for long-term measurements of ocean noise in the interests of passive monitoring of heterogeneities of the marine environment on the ocean shelf, studies of signals emitted by marine organisms in order to determine fishing abundance, and active-passive monitoring of heat and mass transfer through flood zones to predict global climate changes on the planet, etc. The use of the utility model makes it possible to reduce the lower boundary of the range of acoustic measurements to 1 Hz, significantly reduce the cost of monitoring in any region of the oceans.

Claims (3)

1. Подводный планер, состоящий из цилиндрического корпуса с носовым отсеком, несущих поверхностей, горизонтального киля, электронного блока управления с системой спутниковой навигации, записи и передачи информации, аккумуляторных батарей, системы управления плавучестью, набора датчиков, включающих гирокомпас, инклинометр и датчик глубины, отличающийся тем, что система управления плавучестью выполнена с возможностью обеспечения планеру положительной плавучести, близкой к нулевой, носовой отсек корпуса выполнен сообщающимся с внешней средой и представляет собой звукопрозрачный обтекатель, внутри которого расположена подвеска, выполненная двузвенной и состоящая из звукопрозрачной рамки, внутри которой установлен комбинированный приемник, и лонжей из эластичных и ограничительных нитей, соединяющих комбинированный приемник с рамкой, а рамку с корпусом, при этом комбинированный приемник дополнительно соединен ограничительной нитью с натяжителем, установленным внутри корпуса.1. An underwater glider consisting of a cylindrical body with a bow compartment, bearing surfaces, a horizontal keel, an electronic control unit with a satellite navigation system, recording and transmitting information, batteries, a buoyancy control system, a set of sensors including a gyrocompass, an inclinometer and a depth sensor, characterized in that the buoyancy control system is configured to provide the glider with positive buoyancy close to zero, the nose compartment of the hull is communicating with an external rare and represents a translucent fairing, inside of which there is a suspension made of a two-link and consisting of a translucent frame inside which a combined receiver is installed, and lounges of elastic and restrictive threads connecting the combined receiver to the frame, and the frame to the body, while the combined receiver is additionally connected by a restrictive thread to a tensioner installed inside the housing. 2. Подводный планер по п.1, отличающийся тем, что набор датчиков дополнительно содержит датчики для измерения температуры, или солености, или прозрачности воды или датчик для измерения скорости звука в воде.2. Underwater glider according to claim 1, characterized in that the set of sensors further comprises sensors for measuring temperature, or salinity, or transparency of water, or a sensor for measuring the speed of sound in water. 3. Подводный планер по п.1, отличающийся тем, что система связи выполнена на базе гидроакустического модема, обеспечивающего гидроакустический канал связи, и/или на базе устройства беспроводной передачи данных, обеспечивающего радиосвязь.

3. The underwater glider according to claim 1, characterized in that the communication system is based on a hydroacoustic modem providing a hydroacoustic communication channel and / or on the basis of a wireless data transmission device providing radio communication.