RU2516822C2 - Apparatus for subglacial reception of satellite navigation system signals - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, navigation.

SUBSTANCE: invention relates to use of satellite navigation systems in high latitudes. The apparatus for subglacial reception of satellite navigation system signals by an object in a subglacial position includes raising the object to the ice cover and breaking the ice in the area of the antenna device, the apparatus being characterised by that it includes an extension device which is a hollow pipe with diameter of up to 150 mm, in the top part of which a perforated ring is attached and inside it there is a steam pipe and a pipe with high-pressure air, wherein the perforated ring has mixing nozzles for directed outlet of steam for penetrating breakage (melting) of ice from below in order to form a hole and feeding high pressure air in order to remove sea water from the formed hole to allow the antenna to come out at a given height, determined by a contact sensor for detecting contact of the extension device with ice, wherein the extension device moves in the vertical plane and is rotated by a reducing gear from an electric motor and is fixed at a given point on the cockpit of the underwater object, and has an antenna for receiving satellite navigation system signals; the output of the antenna is connected to the input of a computing unit, which determines the height of the extension device, selects the optimum mode of supplying the heat carrier and control thereof depending on the given steam drilling mode, and calculates observed coordinates of the underwater object.

EFFECT: receiving second-generation satellite navigation system signals to perform subglacial observation at an arbitrary moment in time.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области использования спутниковых навигационных систем (СНС). Известно устройство приема сигналов СНС на антенну, находящуюся над водой. Устройство заключается в том, что для производства обсервации подводный объект (ПО) вынужден всплывать в надводное положение, когда антенна судовой спутниковой навигационной аппаратуры (СНА) находится над водой, или использовать выдвижные антенные устройства (ВУ) при нахождении ПО в перископном положении. Недостатком таких устройств является невозможность приема радиосигналов СНА, а следовательно, и производство обсервации ПО в любой момент времени в условиях подледного плавания.The invention relates to the use of satellite navigation systems (SNA). A device for receiving SNS signals to an antenna located above water is known. The device consists in the fact that in order to conduct an observation, an underwater object (PO) is forced to float above the surface when the antenna of the ship’s satellite navigation equipment (SNA) is above water, or use retractable antenna devices (WU) when the software is in the periscope position. The disadvantage of such devices is the impossibility of receiving radio signals from SNA, and, consequently, the production of software observations at any time in the conditions of ice navigation.

Ближайшим аналогом антенны для подледного приема спутниковых радиосигналов является устройство с термобуром (Катенин В.А. Способ подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем. Патент №2119703, 1998 г.).The closest analogue of the antenna for under-ice reception of satellite radio signals is a device with a thermal drill (Katenin V.A. A method of under-ice reception of signals from satellite navigation systems. Patent No. 2119703, 1998).

Для осуществления приема радиосигналов СНС в этом случае необходимо произвести:To receive radio signals of the SNA in this case, it is necessary to produce:

1. Поиск с помощью эхоледомера (9) и телевизионных средств (11) места, пригодного для приледнения.1. Search using an echo-meter (9) and television means (11) for a place suitable for icing.

2. Приледнение к нижней кромке ледового покрова (3) без хода и с дифферентом (3-5°) на корму.2. Clinging to the lower edge of the ice sheet (3) without running and with trim (3-5 °) on the stern.

3. «Припечатывание» рубки ПО (8) к нижней кромке ледового покрова (3) путем создания положительной плавучести ПО для избежания его горизонтальных перемещений.3. “Sealing” of the cutting of the software (8) to the lower edge of the ice cover (3) by creating positive buoyancy of the software to avoid its horizontal movements.

4. Выравнивание корпуса ПО (8) за счет отвода дифферента.4. Alignment of the software housing (8) due to the removal of trim.

5. Подъем ВУ (6) и создание полости (4) необходимых размеров с подачей воздуха высокого давления (ВВД) для удаления морской воды (осушение полости).5. The lifting of the VU (6) and the creation of the cavity (4) of the required size with the supply of high pressure air (VVD) to remove sea water (drainage of the cavity).

6. Прием радиосигналов (2) от космических аппаратов (1) через лед на «сухую» антенну (5) и определение своего местоположения.6. Receiving radio signals (2) from spacecraft (1) through ice to a “dry” antenna (5) and determining its location.

7. Возврат ВУ (6) с антенной в исходное положение.7. Return WU (6) with the antenna to its original position.

8. Погружение подводного объекта (8) на заданную глубину и продолжение выполнения поставленной задачи.8. Immersion of the underwater object (8) to a given depth and the continuation of the task.

В патенте №2119703 был рассмотрен способ приема радиосигналов низкоорбитных спутниковых навигационных систем в диапазоне 150 и 400 МГц, проникающих сквозь ледовый покров на основе термобура.In patent No. 219703, a method for receiving radio signals of low-orbit satellite navigation systems in the range of 150 and 400 MHz penetrating through the ice sheet based on a thermal drill was considered.

В настоящее время в эксплуатации находятся среднеорбитные СНС, работающие в диапазоне 1176,45-1615,5 МГц и сигналы которых сквозь морской лед не проникают. Это вынуждает на ПО для производства обсервации осуществлять сквозное плавление ледового покрова с выходом антенного устройства наружу. При этом высота антенного устройства в заявленном способе не регулировалась, что может негативно сказываться на вероятности его обнаружения и выхода его из строя за счет перегорания нагревателя на открытом воздухе.Currently in operation are medium-orbit SNS operating in the range 1176.45-1615.5 MHz and whose signals do not penetrate through sea ice. This forces the observational software to perform through melting of the ice cover with the antenna device going out. Moreover, the height of the antenna device in the claimed method was not regulated, which may negatively affect the likelihood of its detection and failure due to burnout of the heater in the open air.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известного антенного устройства подводного объекта, предназначенного для плавления ледяного покрова снизу и создания благоприятных условий приема радиосигналов спутниковых навигационных систем второго поколения GPS и ГЛОНАСС.The aim of the invention is to expand the functionality of the known antenna device of an underwater object designed to melt the ice cover from below and create favorable conditions for receiving radio signals from second-generation GPS and GLONASS satellite navigation systems.

Эта цель достигается за счет использования специальных антенных устройств, а также тем, что в известную схему антенного устройства добавляется вычислительный блок для автоматического определения высоты подъема выдвижного устройства, выбора оптимального режима подачи теплоносителя (пара или мощности электрического тока) и его регулирования в зависимости от заданного режима паробурения (термобурения) ледяного покрова снизу.This goal is achieved through the use of special antenna devices, as well as the fact that a computing unit is added to the known antenna device circuit to automatically determine the lift height of the drawer, select the optimal coolant supply mode (steam or electric current power) and adjust it depending on the set regime of steam drilling (thermal drilling) of the ice cover from below.

Для реализации предлагаемого устройства производят:To implement the proposed device produce:

1. Поиск с помощью эхоледомера (9) и телевизионных средств (11) места, пригодного для приледнения.1. Search using an echo-meter (9) and television means (11) for a place suitable for icing.

2. Приледнение к нижней кромке ледового покрова (3) без хода и с дифферентом (3-5°) на корму.2. Clinging to the lower edge of the ice sheet (3) without running and with trim (3-5 °) on the stern.

3. «Припечатывание» рубки ПО (8) к нижней кромке ледового покрова (3) путем создания положительной плавучести ПО (8) для избежания его горизонтальных перемещений.3. "Sealing" of the cabin of the software (8) to the lower edge of the ice cover (3) by creating a positive buoyancy of the software (8) to avoid its horizontal movements.

4. Выравнивание корпуса ПО (8) за счет отвода дифферента.4. Alignment of the software housing (8) due to the removal of trim.

5. Подъем ВУ (6) и сквозное плавление льда до тех пор, пока головка антенного устройства не окажется над поверхностью ледового покрова (3) на минимальной высоте, обеспечивающей уверенный прием радиосигналов (2), что обеспечивается дополнительным вычислительным блоком.5. Lifting the VU (6) and through melting of ice until the antenna device head is above the ice cover surface (3) at a minimum height, which ensures reliable reception of radio signals (2), which is provided by an additional computing unit.

6. Прием радиосигналов (2) от космических аппаратов (1) через лед (3) на «сухую» антенну (5) и определение своего местоположения.6. Receiving radio signals (2) from spacecraft (1) through ice (3) to a “dry” antenna (5) and determining its location.

7. Возврат ВУ (6) с антенной (5) в исходное положение.7. Return WU (6) with the antenna (5) to its original position.

8. Погружение подводного объекта (8) на заданную глубину и продолжение выполнения поставленной задачи.8. Immersion of the underwater object (8) to a given depth and the continuation of the task.

На фиг.1 изображена принципиальная схема приема радиосигналов СНС, где:Figure 1 shows a schematic diagram of the reception of radio signals of the SNA, where:

1. - Космические аппараты (спутники).1. - Spacecraft (satellites).

2. - Радиосигналы.2. - Radio signals.

3. - Ледовый покров.3. - Ice cover.

4. - Сквозное проплавленное отверстие.4. - Through melted hole.

5. - Антенное устройство (антенна).5. - Antenna device (antenna).

6. - Выдвижное устройство.6. - Retractable device.

7. - Электромотор с редуктором.7. - Electric motor with gear.

8. - Подводный объект.8. - Underwater object.

9. - Эхоледомер.9. - Sounder.

10. - Глубиномер.10. - Depth gauge.

11. - Телевизионная камера.11. - A television camera.

В качестве антенных устройств подледного приема спутниковых радиосигналов представляется возможным использовать три их варианта: паровоздушное, с механическим буром, с электротермобуром.It is possible to use three of their variants as antenna devices for under-ice reception of satellite radio signals: steam-air, with a mechanical drill, with an electrothermal drill.

Паровоздушное антенное устройствоSteam Air Antenna

На фиг.2 изображено паровоздушное антенное устройство (5). Паровоздушное антенное устройство (5) представляет собой кольцевой трубопровод - перфорированный тор с внешним диаметром до 150 мм и крепится в верхней части ВУ (6). По периметру трубопровода расположены смесительные сопла-форсунки (14) для направленного выхода пара и подачи ВВД диаметром 3 мм. ВУ (6) представляет собой полую трубу, внутри которой проходят паропровод (12) и трубопровод с ВВД (13). Пар и ВВД через форсунки (14) подаются к ледовому покрову (3). ВВД служит для осушки полости, образующейся при плавлении льда паровоздушным антенным устройством. Для определения высоты подъема ВУ (6) при плавлении ледяного покрова (3) в верхней части паровоздушного антенного устройства (5) крепится датчик (15) контакта ВУ (6) со льдом.Figure 2 shows the steam-air antenna device (5). The steam-air antenna device (5) is an annular pipeline - a perforated torus with an external diameter of up to 150 mm and is mounted in the upper part of the VU (6). Along the perimeter of the pipeline are mixing nozzle nozzles (14) for the directional output of steam and the supply of VVD with a diameter of 3 mm. VU (6) is a hollow pipe, inside which pass the steam line (12) and the pipeline with the VVD (13). Steam and VVD through nozzles (14) are fed to the ice cover (3). The VVD is used to dry the cavity formed during ice melting with a steam-air antenna device. To determine the lift height of the VU (6) during melting of the ice cover (3), a sensor (15) of the contact of the VU (6) with ice is mounted in the upper part of the steam-air antenna device (5).

На фиг.3 изображена принципиальная схема выработки и подачи перегретого пара на выдвижное устройство (6) для плавления льда. На ПО (8) с атомной энергетической установкой (АЭУ) (16) пар генерируется в типовой паропроизводительной установке (ППУ) (17) и далее по главному паропроводу (18) подается к паротурбинной установке (ПТУ) (19), обеспечивающей движение ПО (8).Figure 3 shows a schematic diagram of the generation and supply of superheated steam to a drawer (6) for melting ice. Steam (8) with a nuclear power plant (AEU) (16) generates steam in a typical steam production plant (PPU) (17) and then passes through the main steam line (18) to a steam turbine plant (PTU) (19), which ensures the movement of the software ( 8).

Пар к ВУ (6) подается по специальному вспомогательному трубопроводу (20) через арматуру подачи пара в смесительные форсунки (14).Steam to the WU (6) is supplied through a special auxiliary pipeline (20) through the steam supply valves to the mixing nozzles (14).

Соединение трубопроводов (12) и (20) осуществляется гибким металлическим патрубком (21) для обеспечения поступательного движения на величину подъема ВУ (6).The connection of pipelines (12) and (20) is carried out by a flexible metal pipe (21) to ensure translational movement by the amount of lifting the VU (6).

Процесс плавления льда паром происходит следующим образом. С помощью эхоледомера (9), глубиномера (10) и телевизионных средств (11), позволяющих определить толщину ледового покрова и неровности нижней кромки льда, производят подбор места приледнения ПО (8). Подводный объект (8) всплывает и упирается верхним срезом ограждения рубки в ледяной покров (3). Поднимается ВУ (6) с паровоздушным антенным устройством (5) до контакта с ледяной поверхностью (3).The process of melting ice with steam is as follows. With the help of an echo-meter (9), a depth gauge (10) and television tools (11), which make it possible to determine the thickness of the ice cover and the roughness of the lower edge of the ice, the location of the PO ice is made (8). The underwater object (8) floats up and abuts with the upper cut of the wheelhouse fence in the ice cover (3). The VU (6) rises with the steam-air antenna device (5) until it contacts the ice surface (3).

Датчик (15) фиксируют подъем ВУ (6) на первоначальную высоту. Подается перегретый пар и начинается процесс плавления льда с одновременным плавным подъемом ВУ (6). Зная размеры паровоздушного антенного устройства и высоту подъема ВУ (6) в процессе плавления, представляется возможным с помощью специального вычислительного блока (23) рассчитать расплавленную массу льда и объем образовавшейся полости (4), в которую для вытеснения морской воды подается ВВД из баллона (22).The sensor (15) fixes the rise of the VU (6) to the original height. Superheated steam is supplied and the process of ice melting begins with the simultaneous smooth rise of the WU (6). Knowing the dimensions of the steam-air antenna device and the height of the WL (6) during the melting process, it seems possible using a special computing unit (23) to calculate the molten mass of ice and the volume of the cavity (4) into which the VVD is displaced from the cylinder (22) )

Более подробная схема систем главного и вспомогательного пара представлена на фиг.4.A more detailed diagram of the systems of the main and auxiliary steam is presented in figure 4.

Работоспособность системы основывается на законах преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию струи пара из сопел (14) и далее в теплоту плавления льда до появления сквозного отверстия для ВУ (6).The system’s operability is based on the laws of the conversion of thermal energy into kinetic energy of a steam jet from nozzles (14) and then into the heat of fusion of ice until a through hole for a VU appears (6).

В общем случае система уравнений имеет вид (см. формулы 1-8).In the general case, the system of equations has the form (see formulas 1-8).

1) Уравнение сохранения энергии (1) и теплового баланса для одного килограмма пара(1А) для адиабатического процесса:1) The equation of conservation of energy (1) and heat balance for one kilogram of steam (1A) for the adiabatic process:

$$h_0+\frac{c_{10}^2}{2}=const,\left(1\right)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="h"\; filenames="00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">h</figure-callout>}}_0+\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="10"\; label="c"\; filenames="00000033.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">c</figure-callout>}}_{10}^2}{2}=const,\left(\mathrm{one}\right)$$

$$h_0+\frac{c_2^{10}}{2}=h_{1A}+\frac{c_{1A}^2}{2},\left(1A\right)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="h"\; filenames="00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">h</figure-callout>}}_0+\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="c"\; filenames="00000034.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">c</figure-callout>}}_2^{10}}{2}=h_{\mathrm{one}A}+\frac{c_{\mathrm{one}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="A"\; filenames="00000034.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">A</figure-callout>}}^2}{2},\left(\mathrm{one}A\right)$$

где h₀ - начальная энтальпия пара кДж/кГ;where h ₀ is the initial enthalpy of steam kJ / kg;

h₁₀ - энтальпия пара, кДж/кГ. Снимается с диаграммы h-S, изображенной на фиг.5 [Вуколович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. - М: Энергоиздат, 1952. - 298 с.].h ₁₀ - vapor enthalpy, kJ / kg. Removed from the diagram hS shown in figure 5 [Vukolovich MP, Novikov II Technical thermodynamics. - M: Energoizdat, 1952. - 298 p.].

С₁₀ - скорость пара в сечении 1-0, м/с;С ₁₀ - steam velocity in the section 1-0, m / s;

С_1А - скорость пара в сечении 1 А, м/с.C _1A - steam velocity in the cross section 1 A, m / s.

2) Кинетическая энергия струи пара на выходе из сопел:2) The kinetic energy of the steam jet at the exit of the nozzles:

$$W=\frac{m_{п}{c}_{1A}^2}{2}.\left(2\right)$$

$$W=\frac{m_P{c}_{\mathrm{one}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="A"\; filenames="00000034.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">A</figure-callout>}}^2}{2}.\left(2\right)$$

3) Местная скорость звука (а):3) Local speed of sound (a):

$$a=\sqrt{k{\rho }_0{\nu }_0},\left(3\right)$$

$$a=\sqrt{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="k\; \rho "\; filenames="00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">k\; </figure-callout>}{\rho }_{}{}_0{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\nu "\; filenames="00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">\nu </figure-callout>}}_0},\left(3\right)$$

где $$k=\overline{\mathrm{1,3}}$$

- показатель адиабаты для перегретого пара;Where $$k=\overline{1.3}$$

- adiabatic exponent for superheated steam;

ρ₀ - начальное давление на выходе из сопел для параметров атомной энергетической установки (ρ₀≈2,5 мПа; t₀≈250°С);ρ ₀ is the initial pressure at the exit from the nozzles for the parameters of the nuclear power plant (ρ ₀ ≈ 2.5 MPa; t ₀ ≈250 ° С);

t₀ - начальная температура;t ₀ is the initial temperature;

ν₀ - удельный объем (м³/кГ) при начальных параметрах.ν ₀ - specific volume (m ³ / kg) at the initial parameters.

4) Суммарное количество тепла для расплавления льда (кДж):4) The total amount of heat for melting ice (kJ):

$${\displaystyle \sum Q=Q_1+Q_2,\left(4\right)}$$

$${\displaystyle \sum Q=Q_{\mathrm{one}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="Q"\; filenames="00000034.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">Q</figure-callout>}}_2,\left(\mathrm{four}\right)}$$

где Q₁ - количество тепла, необходимое для доведения массы льда до температуры плавления льда (100°С), кДж;where Q ₁ - the amount of heat required to bring the mass of ice to the melting temperature of the ice (100 ° C), kJ;

Q₂ - количество тепла, необходимое для расплавления массы льда (G_л, кГ).Q ₂ - the amount of heat required to melt the mass of ice (G _l , kg).

Q₁=C_pΔt;Q ₁ = C _p Δt;

Q₂=λG_л, кДж;Q ₂ = λG _l , kJ;

λ=3,4×10³, кДж/кГ - теплота плавления льда.λ = 3.4 × 10 ³ , kJ / kg - the heat of fusion of ice.

5) Масса льда5) mass of ice

$$G_{л}=\gamma \frac{\pi d^2}{4}\overline{l},кГ\left(5\right)$$

$$G_l=\gamma \frac{\pi {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d"\; filenames="00000034.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">d</figure-callout>}}^2}{\mathrm{four}}\overline{l},\mathrm{to}G\left(5\right)$$

Здесь $$\gamma =\mathrm{0,95}\times {10}^3\frac{кГ}{{м}^3}$$

- удельный вес льда;Here $$\gamma =0.95\times {10}^3\frac{\mathrm{to}G}{m^3}$$

- specific gravity of ice;

d=0,15 м - диаметр головки выдвижного паровоздушного устройства;d = 0.15 m is the diameter of the head of the retractable steam-air device;

$$\overline{l}=\mathrm{1,4}м$$

- средняя толщина ледового покрова, т.е. средняя высота подъема ВУ. $$\overline{l}=1.4m$$

- the average thickness of the ice cover, i.e. average lift height WU.

6) Тепловая мощность6) Thermal power

$$N_4=m_{п}\left(h_{10}-h_{1A}\right){\eta }_y,кВт.\left(6\right)$$

$$N_{\mathrm{four}}=m_P\left(h_{10}-h_{\mathrm{one}A}\right){\eta }_y,\mathrm{to}\mathrm{AT}t.\left(6\right)$$

Здесь η_у - эффективность устройства, равная 0,6 (кВт);Here η _у is the device efficiency equal to 0.6 (kW);

m_п - масса пара, кГ.m _p - mass of steam, kg.

h₁₀ - эпитальгия пара (кА/кГ) снимается с диаграммы h-S (фиг.5).h ₁₀ - epithelial vapor (kA / kg) is removed from the chart hS (figure 5).

7) Масса пара mn, кГ7) Vapor mass mn, kg

$$m_{п}=\frac{F_c{C}_{1A}}{{\nu }_{1A}},\left(7\right)$$

$$m_P=\frac{F_c{C}_{\mathrm{one}A}}{{\nu }_{\mathrm{one}A}},\left(7\right)$$

где F_c - сечение сопел, м²;where F _c is the nozzle section, m ² ;

С_1А - скорость пара в сечении 1А;C _1A is the steam velocity in section 1A;

ν_1A - удельный объем в сечении 1А, снимается с диаграммы h-S на фиг.5.ν _1A - specific volume in section 1A, is removed from the diagram hS in figure 5.

8) Начальная энергия (энтальпия) пара h₁₀=f(p₀,t₀). Зависит от параметров пара в парапроводе (точка А₀ на диаграмме состояния h-S.8) The initial energy (enthalpy) of the vapor h ₁₀ = f (p ₀ , t ₀ ). Depends on the parameters of the steam in the parawire (point A ₀ on the state diagram hS.

Расчетная схема паровоздушного антенного устройства приведена на фиг.6. Здесь показаны характерные сечения для парового потока:The design scheme of the steam-air antenna device is shown in Fig.6. Typical sections for steam flow are shown here:

сечение 1-1 выходное сечение сопла, когда начальная скорость пара от С₀=0 увеличивается до скорости C_1A;section 1-1 the output section of the nozzle when the initial steam velocity from C ₀ = 0 increases to a speed of C _1A ;

сечение 1А-1А - сечение максимальной скоростиsection 1A-1A - section of the maximum speed

$$C_{1A}=\sqrt{2\left(h_{10}-h_{1A}\right)},м/с$$

; $$C_{\mathrm{one}A}=\sqrt{2\left(h_{10}-h_{\mathrm{one}A}\right)},m/\mathrm{from}$$

;

h₁₀ - начальная энтальпия (кДж/кГ), как функция начальныхh ₁₀ - initial enthalpy (kJ / kg), as a function of initial

параметров пара перед соплами (р₀ - начальное давление, Н/м²; t₀ - начальная температура, °С, снимаем с диаграммы h-S состояния пара на фиг.5;steam parameters in front of the nozzles (p ₀ is the initial pressure, N / m ² ; t ₀ is the initial temperature, ° C, removed from the steam state diagram hS in FIG. 5;

h_1A - конечная энтальпия пара (насыщенный пар при смешении с водой в зависимости от глубины погружения (всплытия); сечение П-П - конечное сечение.h _1A - final vapor enthalpy (saturated steam when mixed with water, depending on the depth of immersion (ascent); section П-П - final section.

F_П - var - сечение поверхности льда, переменное по мере размыва и расплавления. Снимаем с диаграммы h-S состояния пара на фиг.5.F _P - var - section of the ice surface, variable as it erodes and melts. Remove from the hS state diagram of steam in FIG. 5.

ПримерExample

1. Для начальных параметров пара р₀=26×10⁵ Н/м²; t₀=280°С, т.е. когда пар находится в паропроводе при всплытии, снимаем в точке А₀ начала истечения пара1. For the initial parameters of the steam p ₀ = 26 × 10 ⁵ N / m ² ; t ₀ = 280 ° C, i.e. when the steam is in the steam line at the ascent, remove at point A _{0 the} beginning of the flow of steam

h₀=2970 кДж/кГ.h ₀ = 2970 kJ / kg.

2. Точка A_1A(A'_1A) - конечная точка расширения пара (сохраняется форма струй). В ней2. Point A _1A (A ' _1A ) - the end point of expansion of the vapor (the shape of the jets is preserved). In her

h_1A=2820 кДж/кГ.h _1A = 2820 kJ / kg.

Тогда адиабатный период На при расширении пара будетThen the adiabatic period of

Н_а=h₀-h_1A=2970-2820=150 кДж/кГ.N _a = h ₀ -h _1A = 2970-2820 = 150 kJ / kg.

3. Скорость пара в сечении A_1A (теоретическая) будет определяться выражением3. The vapor velocity in the cross section A _1A (theoretical) will be determined by the expression

$$C_{1A}=\sqrt{2H_a{10}^3}=\sqrt{2\times 150\times {10}^3}\approx 548м/с$$

. $$C_{\mathrm{one}A}=\sqrt{2H_a{10}^3}=\sqrt{2\times 150\times {10}^3}\approx 548m/\mathrm{from}$$

.

4. Дросселирование и смешение пара с водой идет ступенчато до давления забортной воды (на глубине ~1,4 м), равного $$p_{П}^{\text{'}\text{'}}=\mathrm{1,4}\times {10}^5Н/{м}^2$$

:4. The throttling and mixing of steam with water proceeds stepwise to the pressure of sea water (at a depth of ~ 1.4 m) equal to $$p_P^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}=1.4\times {10}^{5}N/m^2$$

:

процесс от т. $$A_{1A}-A_{1A}^{\text{'}}$$

- дросселирование без смешения (перегретый пар);process from t. $$A_{\mathrm{one}A}-A_{\mathrm{one}A}^{\text{'}\text{'}}$$

- throttling without mixing (superheated steam);

процесс от т. $$A_{{}_{1A}}^{\text{'}}-A_{1A}^{\text{'}\text{'}}$$

- снижение давления перегретого пара в ходе дросселирования;process from t. $$A_{{}_{\mathrm{one}A}}^{\text{'}\text{'}}-A_{\mathrm{one}A}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}$$

- decrease in superheated steam pressure during throttling;

процесс от т. $$A_{{}_{1A}}^{\text{'}\text{'}}-A_{1A}^{\text{'}\text{'}\text{'}}$$ - процесс дросселирования и смешения перегретого пара;process from t. $$A_{{}_{\mathrm{one}A}}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}-A_{\mathrm{one}A}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}$$ - the process of throttling and mixing superheated steam;

процесс от т. $$A_{{}_{1A}}^{\text{'}\text{'}\text{'}}-A_{{П}_{Т}}^{\text{'}\text{'}\text{'}}$$

- образование пароводяной смеси и размыв струи влажного пара.process from t. $$A_{{}_{\mathrm{one}A}}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}-A_{P_T}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}$$

- the formation of a steam-water mixture and erosion of a jet of wet steam.

Точка $$A_{{П}_{Т}}^{\text{'}\text{'}\text{'}}$$

- конечная (теоретическая) точка процессов дросселирования и смешения воды и влажного пара. Это соответствует влажному пару, смешанному с водой. Степень влажности составляет 0,95.Point $$A_{P_T}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}$$

- The final (theoretical) point of the processes of throttling and mixing of water and wet steam. This corresponds to wet steam mixed with water. The degree of humidity is 0.95.

Процесс завершается образованием сквозного отверстия во льду с возможным выбросом в атмосферу пароводяной смеси.The process ends with the formation of a through hole in the ice with the possible release of a steam-water mixture into the atmosphere.

5. Масса льда, которая подлежит плавлению, находится по формуле5. The mass of ice to be melted is found by the formula

$$G_{л}=\gamma \frac{\pi d^2}{4}=\frac{950\times \mathrm{3,14}\times {\mathrm{0,15}}^2}{4}\approx 30кГ$$

. $$G_l=\gamma \frac{\pi {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d"\; filenames="00000034.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">d</figure-callout>}}^2}{\mathrm{four}}=\frac{950\times 3.14\times {0.15}^2}{\mathrm{four}}\approx \mathrm{thirty}\mathrm{to}G$$

.

6. Общее количество тепла, необходимое для расплавления льда, массой G_л, будет6. The total amount of heat required to melt the ice, weighing G _l , will be

Q₂=λG_л=3,14×10³×30=102000 кДж.Q ₂ = λG _l = 3.14 × 10 ³ × 30 = 102000 kJ.

7. Тепловая мощность $$Q_1^{\text{'}}$$

, соответствующая расчетным энергетическим параметрам паровоздушного антенного устройства $$h_0^{\text{'}}$$

, $$h_{{А}_{П}}^{\text{'}\text{'}\text{'}}$$

, $$\overline{C_{10}}$$

,n_y:7. Thermal power $$Q_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}$$

corresponding to the calculated energy parameters of the steam-air antenna device $$h_0^{\text{'}\text{'}}$$

, $$h_{{\mathrm{BUT}}_P}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}$$

, $$\overline{{\mathrm{<figure-callout\; id="10"\; label="C"\; filenames="00000033.png,00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_{10}}$$

, n _y :

$$\begin{array}{c}{Q}_1^{\text{'}}=m_{п}\left[h_0^{\text{'}}-\left(h_{A_{П}}^{\text{'}\text{'}\text{'}}+\frac{{\overline{C}}_{10}^2}{2}\right)\right]{\eta }_{у}=\\ =\mathrm{6,8}\left[2970-\left(2600+\frac{{274}^2}{2\times {10}^3}\right)\right]\times \mathrm{0,6}=\mathrm{1296,8}кДж/с.\end{array}\left(8\right)$$

$$\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}=m_P\left[h_0^{\text{'}\text{'}}-\left(h_{A_P}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}+\frac{{\overline{C}}_{10}^2}{2}\right)\right]{\eta }_{\mathrm{at}}=\\ =6.8\left[2970-\left(2600+\frac{{274}^2}{2\times {10}^3}\right)\right]\times 0.6=1296.8\mathrm{to}D\mathrm{well}/\mathrm{from}.\end{array}\left(8\right)$$

8. Время плавления (t_пл) массы льда при заданных гидрологических параметрах G_k=30 кГ8. The melting time (t _PL ) of the mass of ice at a given hydrological parameters G _k = 30 kg

$$t_{пл}=\frac{Q_2}{Q_1^{\text{'}}}=\frac{102000}{\mathrm{1296,8}}=79c$$

. $$t_{Pl}=\frac{Q_2}{Q_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}}=\frac{102000}{1296.8}=79c$$

.

9. Суммарный расход пара для работа паровоздушного антенного устройства9. The total consumption of steam for the operation of the steam-air antenna device

G_п=m_пt_пл=6,8×79=537,2 кГG _p = m _p t _PL = 6.8 × 79 = 537.2 kg

Такой расход пара соответствует реальным условиям восполнения расхода пара (воды) в термодинамическом цикле ПТУ.Such a steam flow rate corresponds to the real conditions of replenishment of the steam (water) flow rate in the thermodynamic cycle of a vocational school.

Антенное устройство с механическим буромMechanical drill antenna device

Антенна СНА помещается в обтекателе конической формы (фиг.7), который выполнен в виде головки бура (24) с режущими кромками (25), установленной на штатном ВУ (6), представляющем собой полую трубу, внутри которой проложен трубопровод ВВД (13). ВУ может перемещаться в вертикальной плоскости и вращаться вокруг оси от электромотора (7) с помощью редуктора.The СНА antenna is placed in a cone-shaped fairing (Fig. 7), which is made in the form of a drill head (24) with cutting edges (25) mounted on a standard WU (6), which is a hollow pipe, inside which an air duct (13) is laid . WU can move in a vertical plane and rotate around the axis from the electric motor (7) using a gearbox.

Для приема спутниковых сигналов ПО (8) приледняется рубкой, чтобы исключить горизонтальные перемещения корпуса, создается небольшая положительная плавучесть, которая «припечатывает» ПО к нижней кромке ледового покрова (3). Поднимается ВУ (6) и начинается бурение сквозного отверстия (4). Для удаления морской воды и ледяной стружки в отверстие подается ВВД. Для получения информации о пройденном расстоянии при бурении льда снизу на головке механического бура имеется датчик контакта его со льдом (26), выполняющего ту же роль, что и в случае с паровоздушным антенным устройством. Процесс продолжается до тех пор, пока поверхность антенны (обтекатель (24) не окажется надо льдом. После чего подача ВВД прекращается. Спутниковые сигналы (2) принимаются на «сухую» антенну СНА и происходит сеанс обсервации.To receive satellite signals, software (8) is icy-cut to prevent horizontal movement of the hull, a small positive buoyancy is created, which “prints” software to the lower edge of the ice cover (3). WU rises (6) and drilling through hole (4) begins. To remove sea water and ice shavings, a VVD is fed into the hole. To obtain information on the distance traveled when drilling ice from below, on the head of a mechanical drill there is a sensor for contacting it with ice (26), which performs the same role as in the case of a steam-air antenna device. The process continues until the surface of the antenna (the cowling (24) is over ice. After that, the air supply stops. The satellite signals (2) are received on the “dry” antenna of the ATS and an observation session takes place.

Производительность механического вращательного бурения (глубина погружения сверла за минуту непрерывного бурения) зависит от твердости льда, частоты вращения бура, осевой нагрузки, типа режущего инструмента и состояния его поверхности.The performance of mechanical rotary drilling (drill immersion depth per minute of continuous drilling) depends on the ice hardness, drill speed, axial load, type of cutting tool and the state of its surface.

Скорость резания льда может быть определена по формуле [Богородский В.В., Гаврило В.П., Недовишин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 232 с.]The ice cutting speed can be determined by the formula [Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P., Nedovishin O.A. The destruction of ice. Methods, technical means. - L .: Gidrometeoizdat, 1983. - 232 p.]

$$V=\frac{\pi Dn}{1000},\left(9\right)$$

$$V=\frac{\mathrm{<figure-callout\; id="1000"\; label="\pi \; D\; n"\; filenames="00000035.png"\; state="\{\{state\}\}">\pi \; </figure-callout>}Dn}{1000},\left(9\right)$$

где V - скорость бурения льда, м/мин;where V is the ice drilling speed, m / min;

D - диаметр бура, м;D is the diameter of the drill, m;

n - частота вращения бура, об/мин.n is the rotational speed of the drill, rpm

Время бурения льда, заданного объема, можно оценить по формулеThe drilling time of ice, a given volume, can be estimated by the formula

$$t=\frac{H}{V},\frac{м}{мин}.\left(10\right)$$

$$t=\frac{H}{V},\frac{m}{m\mathrm{and}n}.\left(10\right)$$

Электротермическое антенное устройствоElectrothermal Antenna Device

Представляет собой ВУ (6), в верхней части которого крепится электротермический бур (27). Основной элемент электротермобура - нагреватель, обеспечивающий плавление льда.It is a VU (6), in the upper part of which an electrothermal drill (27) is attached. The main element of electrothermobur is a heater that provides ice melting.

Бурение-протаивание происходит под воздействием тепла, выделяемого нагревателем. Питание нагревателя осуществляется от судовой сети (28). Для удаления морской воды из отверстия (29) через головку бура подается ВВД по трубопроводу (13). Для получения информации о пройденном расстоянии при бурении льда снизу на головке электротермобура имеется датчик контакта его со льдом (30), выполняющего ту же роль, что и в случае с паровоздушным антенным устройством и механическим буром. Во избежание перегорания нагревателя питание на нагреватель подается до тех пор, пока головка электротермобура не выйдет на поверхность ледового покрова (3).Drilling-thawing occurs under the influence of heat generated by the heater. The heater is powered from the ship network (28). To remove sea water from the hole (29), the VVD is fed through the drill head through a pipe (13). To obtain information on the distance traveled when drilling ice from below, on the head of the electrothermoborer there is a sensor for contacting it with ice (30), which performs the same role as in the case of a steam-air antenna device and a mechanical drill. To avoid burnout of the heater, power is supplied to the heater until the head of the electrothermobur reaches the surface of the ice cover (3).

Потребляемую мощность электрического тока для образования сквозного отверстия можно приблизительно оценить по формуле [Кухлинг X. Справочник по физике. - М.: Высшая школа, 1983. - 520 с.]:The power consumption of the electric current to form a through hole can be approximately estimated by the formula [Kuhling X. Handbook of Physics. - M.: Higher School, 1983. - 520 p.]:

$$N=k{M}_{л}\left({С}_{л}Т+L\right)t^{-1},\left(11\right)$$

$$N=k{M}_l\left({\mathrm{FROM}}_{l}T+L\right)t^{-\mathrm{one}},\left(\mathrm{eleven}\right)$$

где М_л - масса расплавленного льда;where M _l is the mass of molten ice;

С_л - удельная теплоемкость льда;With _l - specific heat of ice;

L - удельная теплота плавления льда;L is the specific heat of melting ice;

Т - средняя температура льда;T is the average temperature of the ice;

k - коэффициент, учитывающий потери тепла (k=1,2).k - coefficient taking into account heat loss (k = 1,2).

Время, необходимое для плавления льда заданной массы, может быть найдено из выражения:The time required for melting ice of a given mass can be found from the expression:

$$t=k{M}_{л}\left(C_{л}T+L\right)/N.\left(12\right)$$

$$t=k{M}_l\left(C_{l}T+L\right)/N.\left(12\right)$$

Процесс обсервации с использованием электротермического антенного устройства не отличается от описанного выше. Принципиальная схема антенны с электротермобуром приведена на фиг.8, гдеThe observation process using an electrothermal antenna device does not differ from that described above. Schematic diagram of the antenna with electrothermobur shown in Fig, where

6 - ВУ;6 - WU;

13 - Трубопровод ВВД;13 - Pipeline VVD;

27 - Нагреватель электротермобура;27 - Electric heating drill heater;

28 - Кабель с электропитанием от судовой сети;28 - Power cable from the ship's network;

30 - Датчик контакта электротермобура со льдом;30 - Sensor contact electrothermal drill with ice;

31 - Антенна СНА.31 - Aerial of SNA.

Claims (3)

1. Устройство подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем (СНС) объектом, находящимся в подледном положении, включающее приледнение объекта и разрушение льда в зоне расположения антенного устройства, отличающееся тем, что содержит выдвижное устройство, представляющее собой полую трубу диаметром до 150 мм, на верхней части которой крепится перфорированный тор, а внутри проложены паропровод и трубопровод с воздухом высокого давления (ВВД), при этом перфорированный тор содержит смесительные сопла-форсунки для направленного выхода пара, с целью сквозного разрушения (плавления) льда снизу, для образования отверстия и подачи воздуха высокого давления с целью удаления морской воды из созданного отверстия для прохода антенны наружу на заданную высоту, определяемую датчиком контакта выдвижного устройства со льдом, при этом выдвижное устройство перемещается в вертикальной плоскости и вращается с помощью редуктора от электромотора и устанавливается в заданном месте на рубке подводного объекта, и содержит антенну для приема сигналов СНС, выход антенны соединен с входом вычислительного блока, осуществляющего определение высоты подъема выдвижного устройства, выбор оптимального режима подачи теплоносителя и его регулирования в зависимости от заданного режима паробурения, а также расчет обсервованных координат места подводного объекта.1. The device under-ice receiving signals of satellite navigation systems (SNA) by an object located in the ice position, including freezing of the object and the destruction of ice in the area of the antenna device, characterized in that it contains a retractable device, which is a hollow pipe with a diameter of up to 150 mm, on the top parts of which a perforated torus is attached, and a steam line and a pipeline with high pressure air (HVP) are laid inside, while the perforated torus contains mixing nozzle nozzles for directional steam outlet, with the goal of breaking down (melting) the ice from below, to form a hole and supply high pressure air to remove sea water from the created hole for the antenna to go out to a predetermined height, determined by the contact sensor of the sliding device with ice, while the sliding device moves in a vertical plane and rotates using a gearbox from an electric motor and is installed in a predetermined place on the cabin of an underwater object, and contains an antenna for receiving SNA signals, the antenna output is connected to the input of the computing unit that determines the height of the drawer, the choice of the optimal mode of supply of the coolant and its regulation depending on the given mode of drilling, as well as the calculation of the observable coordinates of the underwater object. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разрушение льда осуществляют с помощью механического бура, содержащего антенну для приема спутниковых навигационных сигналов, которые закреплены в верхней части выдвижного устройства, представляющего собой полую трубу диаметром до 150 мм, внутри которой проложен трубопровод воздуха высокого давления для удаления морской воды из создаваемого буром отверстия, перемещаемое в вертикальной плоскости и вращаемое с помощью редуктора от электромотора, закрепленное в заданном месте на рубке подводного объекта и содержащее антенну для приема сигналов СНС, выход антенны соединен с входом вычислительного блока, осуществляющего определение высоты подъема выдвижного устройства, выбор оптимального режима бурения, а также расчет обсервованных координат места подводного объекта.2. The device according to p. 1, characterized in that the destruction of ice is carried out using a mechanical drill containing an antenna for receiving satellite navigation signals, which are fixed in the upper part of the retractable device, which is a hollow pipe with a diameter of up to 150 mm, inside which an air pipe is laid high pressure to remove sea water from the hole created by the drill, moved in a vertical plane and rotated by a gearbox from an electric motor, fixed in a predetermined place on the underwater cabin object and containing an antenna for receiving SNA signals, the antenna output is connected to the input of a computing unit that determines the height of the retractable device, selects the optimal drilling mode, as well as calculates the observable location coordinates of the underwater object. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрушение льда осуществляют с помощью электротермобура, содержащего антенну для приема спутниковых навигационных сигналов, которые закреплены в верхней части выдвижного устройства, представляющего собой полую трубу диаметром до 150 мм, внутри которой проложен трубопровод воздуха высокого давления для удаления морской воды из создаваемого термобуром отверстия, перемещаемое в вертикальной плоскости и вращаемое с помощью редуктора от электромотора, закрепленного в заданном месте на рубке подводного объекта и содержащее антенну для приема сигналов СНС, выход антенны соединен с входом вычислительного блока, осуществляющего определение высоты подъема выдвижного устройства, выбор оптимального режима термобурения, а также расчет обсервованных координат места подводного объекта. 3. The device according to claim 1, characterized in that the destruction of the ice is carried out using an electrothermal drill containing an antenna for receiving satellite navigation signals, which are fixed in the upper part of the retractable device, which is a hollow pipe with a diameter of up to 150 mm, inside which a high-pressure air pipe is laid pressure to remove sea water from a hole created by a thermal drill, moved in a vertical plane and rotated using a gearbox from an electric motor, fixed in a predetermined place on the wheelhouse of an object and containing an antenna for receiving SNA signals, the antenna output is connected to the input of a computing unit that determines the lift height of the retractable device, selects the optimal heat drilling mode, and calculates the observable location coordinates of the underwater object.

Images