ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ МАЯК-ОТВЕТЧИК Российский патент 1999 года по МПК G01S15/74 G01S7/52 

Изобретение относится к способам и средствам подводной навигации, а именно к конструкции систем, использующих вторичное излучение акустических волн. Оно может быть использовано в подводной технике определения местоположения объектов.

Известны гидроакустические маяки-ответчики одноразового действия, включающие последовательно соединенные акустическую антенну, коммутатор приема-передачи, приемный усилитель, дешифратор, устройство включения сигнала излучения со схемой сброса, задающий генератор, усилитель мощности, выход которого соединен с вторым входом коммутатора приема-передачи, а также химический источник тока [см. В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов, Н.А. Толстикова, Г.В. Яковлев: Гидроакустические навигационные средства. - Л.: Судостроение, 1983, с. 71].

Основным преимуществом таких маяков-ответчиков является простота их структурной схемы, обеспечивающая высокую надежность работы маяков.

Однако решения-аналоги обладают существенными недостатками, приводящими к большой стоимости эксплуатации навигационных систем, основанных на применении указанных маяков-ответчиков. Используемые в маяках-ответчиках в качестве источников тока кадмий-никелевые аккумуляторы характеризуются величиной саморазряда 6. . .10% в месяц, что обусловливает относительно невеликий срок службы маяка - не более года [см. вышеприведенный источник, стр. 73]. Кроме того, при израсходовании энергоресурса источника тока маяк не может быть извлечен из воды для повторного использования без неоправданно больших затрат.

Указанные недостатки частично устранены в гидроакустических маяках-ответчиках многократного использования, в которых при использовании энергии источника тока или по команде на всплытие происходит отделение маяка-ответчика от якоря с последующим всплытием маяка, имеющего положительную плавучесть, для замены источника тока или его перезарядки. В состав таких маяков-ответчиков дополнительно к блокам решений-аналогов включены механизм отделения якоря, вход которого соединен с выходом приемного усилителя через второй дешифратор и блок ИЛИ, второй вход которого соединен с электрическим аккумулятором через пороговое устройство и блок НЕ [см. В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов, Н.А. Толстикова, Г.В. Яковлев: Гидроакустические навигационные средства, Л., "Судостроение", 1983, стр. 70] - прототип.

Однако недостаток, связанный с малым сроком службы маяка в указанном техническом решении, полностью не устраняется. При всплытии маяка-ответчика по причине израсходования энергоресурса источника тока маяк не всегда удается подготовить к повторному использованию. Для участков Мирового океана при наличии ледового покрова всплытие маяка-ответчика приводит, очевидно, к его потере. Явление же саморазряда источников тока не позволяет обеспечить всплытие маяка по команде с поверхности в более благоприятных климатических или погодных условиях после израсходования энергоресурса источника питания.

Задачей заявленного изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно повышение срока службы маяков-ответчиков и обеспечение возможности их всплытия на поверхность воды в благоприятных для судов гидрометеослужбы условиях, независимо от состояния источника тока маяка-ответчика.

Технический результат достигается включением новых блоков и иной, отличной от решения-прототипа, связью между блоками в гидроакустическом маяке-ответчике, включающем электрический аккумулятор и последовательно соединенные акустическую антенну, коммутатор приема-передачи, приемный усилитель, первый дешифратор, устройство включения канала излучения со схемой сброса, задающий генератор и усилитель мощности, выход которого соединен с вторым входом коммутатора приема-передачи, механизм отделения якоря, вход которого соединен с выходом приемного усилителя через второй дешифратор и блок ИЛИ, а также соединенный с электрическим аккумулятором через пороговое устройство блок НЕ, заключающийся в том, что в него дополнительно введены последовательно соединенные источник ионизированных излучений, физический источник тока с напряжением, превышающем напряжение электрического аккумулятора, заключенные в герметический, экранирующий излучения корпус, накопитель, преимущественно ионистор, устройство подзаряда, выход которого соединен с электрическим аккумулятором, а также переключатель питания, второй блок НЕ и блок И, причем второй вход блока ИЛИ соединен с выходом накопителя через второй блок НЕ и блок И, второй вход которого соединен с выходом первого блока НЕ, а входы по питанию приемного усилителя, второго дешифратора и механизма отделения якоря соединены с электрическим аккумулятором через переключатель питания, второй вход которого соединен с выходом накопителя, а третий вход соединен с выходом порогового устройства.

Идея предложенного технического решения заключается в постоянном подзаряде электрического аккумулятора подводного гидроакустического маяка-ответчика током безопасного маломощного физического изотопного источника тока, обеспечивающем компенсацию саморазряда аккумулятора, а также накоплении электрической энергии в накопителе большой электрической емкости - ионисторе в количестве, достаточном для поддержания дежурного режима работы части электрической схемы маяка-ответчика для приема команды на его всплытие и однократного срабатывания механизма отделения якоря маяка-ответчика по команде на всплытие.

Покажем существенность отличительных признаков.

Введение в схему маяка-ответчика источника ионизирующих излучений и физического источника тока дополнительно к электрическому аккумулятору является новым решением, хотя и известны технические решения, в которых источником тока для гидроакустических маяков служит изотопный источник тока. Но, поскольку электрическая мощность излучаемого ответного сигнала маяка достигает 200 Вт [см. вышеприведенный источник, стр. 72], мощность ионизированного излучения таких изотопных источников соответственно является большой, что возможно только при большой активности изотопного источника. Но такой изотопный источник тока становится экологически чрезвычайно опасным.

В предложенном же решении мощность физического источника тока с учетом величины саморазряда электрического аккумулятора КНГ 10% в месяц, энергоемкости аккумулятора 44 Ач/дм³ и размеров батарейного отсека маяка-ответчика (при диаметре 12,5 см и длине 90 см) [см. А.Л. Простаков: Электронный ключ к океану (Гидроакустическая техника сегодня), Ленинград, "Судостроение", 1986, стр. 32] может не превышать (при наиболее часто применяемом значении напряжения 12 В, обусловленном условиями работы маяка-ответчика и стандартом) величины порядка 1 Вт. Очевидно, что такой маломощный источник энергии может быть выполнен экологически безопасным. Кроме того, при маломощном источнике ионизирующих излучений количество радиоактивного изотопа в источнике может быть небольшим.

Физический источник тока нашел широкое применение в космической технике в качестве преобразователя в изотопных источниках электрической энергии и может применяться, в частности, для компенсации токов утечек в приборах, работающих в поле ионизирующего излучения.

В отличие от изотопных источников электрической энергии, применяемых в гидроакустической технике и основанных на использовании эффекта термоэмиссии, в предлагаемом техническом решении используется физический источник тока, основанный на использовании, например, эффекта Дамбера.

Использование в предлагаемом техническом решении такого физического источника тока обеспечивает преобразование энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию при температуре окружающей среды, что обеспечивает возможность использовать обычные полупроводниковые материалы и исключает коррозию корпусных конструкций, имеющую место при высоких температурах, возникающих в термоэмиссионном источнике тока. Выполнение же физического источника тока с выходным напряжением, превышающим напряжение электрического аккумулятора, обеспечивает возможность подзаряда последнего.

Заключение источника ионизирующих излучений и физического источника тока в герметический, экранирующий излучения корпус обеспечивает радиационную безопасность при обращении с аппаратурой маяка-ответчика и исключает возможность возникновения наведенной активности в воде или грунте в месте установки маяка-ответчика.

Введение накопителя электрической энергии и выполнение его в виде ионистора является новым решением, обеспечивающем в небольших габаритах маяка-ответчика накопление достаточной энергии для обеспечения функционирования в дежурном режиме части электрической схемы маяка-ответчика и для однократного срабатывания механизма отделения его якоря. Кроме того, наличие такого накопителя в схеме обеспечивает постоянство параметров питающего работающих в дежурном режиме блоков схемы напряжения в условиях, когда израсходован энергоресурс, электрического аккумулятора.

Введение устройства подзаряда в схему маяка-ответчика и соединение его входа с выходом накопителя, а выхода - с электрическим аккумулятором является новым решением. Оно обеспечивает подзаряд аккумулятора, компенсирующий токи утечки за счет явления саморазряда, а также исключает разряд накопителя через аккумулятор в случае короткого замыкания в нем или при его полном разряде.

Введение в схему маяка-ответчика переключателя питания и соединение входов по питанию приемного усилителя, второго дешифратора и механизма отделения якоря с электрическим аккумулятором через переключатель питания, а также соединение выходов накопителя и порогового устройства соответственно с вторым и третьим входами переключателя питания является новым решением. Оно обеспечивает переключение схемы маяка-ответчика в экономический дежурный режим работы в случае израсходования энергоресурса электрического аккумулятора. В этом режиме потребление энергии, запасаемой в накопителе, идет только на обеспечение однократного срабатывания механизма отделения якоря при приеме команды на всплытие маяка-ответчика.

Введение в схему маяка-ответчика второго блока НЕ и блока И с их связями с другими блоками схемы является новым решением, обеспечивающем исключение срабатывания механизма отделения якоря в случае израсходованиия энергоресурса электрического аккумулятора при наличии запасенной на накопителе энергии от физического источника тока. Кроме того, это решение обеспечивает срабатывание механизма отделения якоря в случае отсутствия достаточного количества энергии и в электрическом аккумуляторе, и в накопителе в случае выхода из строя физического источника тока.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема предлагаемого гидроакустического маяка-ответчика.

Гидроакустический маяк-ответчик содержит:
блок 1 - акустическая антенна,
блок 2 - коммутатор приема-передачи,
блок 3 - приемный усилитель,
блок 4 - первый дешифратор (дешифратор команды на излучение),
блок 5 - устройство включения канала излучения со схемой сброса,
блок 6 - задающий генератор,
блок 7 - усилитель мощности,
блок 8 - электрический аккумулятор,
блок 9 - второй дешифратор (дешифратор команды на всплытие),
блок 10 - механизм отделения якоря,
блок 11 - пороговое устройство,
блок 12 - блок ИЛИ,
блок 13 - первый блок НЕ,
блоки 1-13 характеризуют прототип.

Дополнительно к блокам 1...13 в гидроакустический маяк-ответчик введены следующие новые блоки.

Блок 14 - источник ионизирующих излучений. В качестве такого блока может быть использован радиоактивный источник ионизированных излучений в форме металла, сплава, химического соединения, концентрата, выпускаемый серийно предприятиями Минатома России.

Блок 15 - физический источник тока в виде набора последовательно соединенных p-n переходов (см. а.с. N 287336 от 02.01.89).

В таком физическом источнике тока при его помещении в поле ионизирующих излучений создается на каждом p-n переходе ЭДС величиной 0,5 В. Требуемая величина напряжения источника, превышающая напряжение электрического аккумулятора, легко обеспечивается последовательным соединением соответствующего числа таких p-n переходов. Величина же тока обеспечивается площадью p-n перехода (при постоянном сопротивлении цели), то есть количеством параллельно соединенных последовательных p-n переходов.

Физический источник тока 15 выполнен с механической связью с источником ионизирующих излучений 14. Такая связь обеспечивает минимум расстояния между источником излучения и местом поглощения излучения в физическом источнике тока, что обеспечивает, в свою очередь, в условиях поглощения излучений в среде, окружающей источник ионизирующих излучений 14, максимальную эффективность использования энергии источника ионизирующих излучений.

Блок 16 - герметический экранирующий излучения корпус, выполненный, например, в виде цилиндрического контейнера с завинчивающейся крышкой, имеющей вывод электрической цепи.

Блок 17 - накопитель, выполненный в виде ионистора. Ионисторы выпускаются серийно предприятиями радиоэлектронной отрасли промышленности.

Блок 18 - устройство подзаряда, выполненное в виде последовательно соединенных электрического вентиля (диода) и ограничивающего резистора (терморезистора, сопротивление которого увеличивается при увеличении проходящего через него тока). Электрический вентиль исключает разряд электрического аккумулятора через цепи накопителя и физического источника тока, а ограничивающий резистор обеспечивает исключение шунтирования накопителя в случаях короткого замыкания в электрическом аккумуляторе или при полном разряде аккумулятора.

Блок 19 - переключатель питания, аналогичный коммутатору приема-передачи 2, выполненный в виде диодного коммутатора, не потребляющего электропитание [см. В. И. Бородин, Г.Е. Смирнов, Н.А. Толстикова, Г.В. Яковлев: Гидроакустические навигационные средства, Л., "Судостроение", 1983, стр. 71]. Когда на выходе порогового устройства 11 присутствует сигнал, выход блока 19 соединяется с его первым входом, и питание блоков 3, 9 и 10 осуществляется от электрического аккумулятора. Когда сигнал на выходе блока 11 отсутствует, выход блока 19 отсоединяется от его первого входа и соединяется с вторым входом, и питание блоков 3, 9, 10 осуществляется от физического источника тока 15 через накопитель 17. Третий вход блока 19 является управляющим.

Блоки 20 и 21 - соответственно блок И с двумя входами и второй блок НЕ.

Схема гидроакустического маяка-ответчика работает следующим образом.

Акустическая антенна 1 воспринимает сигналы, излучаемые гидроакустической станцией кораблей и судов, решающих навигационные задачи. Эти сигналы, пройдя коммутатор приема-передачи 2, усиливаются в приемном усилителе 3 и поступают на входы первого и второго дешифраторов 4 и 9. При неисчерпанном энергоресурсе электрического аккумулятора 8 на выходе порогового устройства 11 присутствует сигнал, при наличии которого входы по питанию (на схеме вторые входы) блоков 3, 9 и 10 подсоединены к электрическому аккумулятору 8 через переключатель питания 19. Если сигнал, поступающий на вход приемного усилителя 3, является сигналом на излучение маяка-ответчика, то на выходе первого дешифратора 4 формируется сигнал, который через устройство включения канала излучения 5 поступает на вход задающего генератора 6. Последний начинает работать, и усиленные в усилителе мощности 7 сигналы через второй вход коммутатора приема-передачи 2 поступают на акустическую антенну 1, излучающую акустические сигналы в зону акустической освещенности. Если же сигнал, воспринимаемый антенной 1, является сигналом на всплытие маяка-ответчика, то на выходе второго дешифратора 9 формируется сигнал, который через блок ИЛИ 12 поступает на вход механизма отделения якоря 10, срабатывание которого может быть обеспечено путем разрыва одного из звеньев с помощью пиропатрона, в результате поворота запорного устройства двигателем, или путем электролитического растворения входящего в состав механизма отделения якоря отрезка проволоки [см. вышеуказанный источник, стр. 81 - 82].

Наличие сигнала на выходе порогового устройства 11 вызывает отсутствие сигнала на втором входе 20 блока И. Поэтому отсутствует сигнал на втором входе блока ИЛИ 12.

Поле ионизирующих излучений, создаваемое источником 14, вызывает появление ЭДС в физическом источнике тока 15 и соответственно появление электрического тока в цепи "физический источник тока 15 - накопитель 17". Энергией, накопленной в накопителе 17, через устройство подзаряда 18 осуществляется подзаряд электрического аккумулятора 8, компенсирующий ток его саморазряда.

При израсходовании энергоресурса электрического аккумулятора 8 исчезает сигнал на выходе порогового устройства 11, что вызывает переключение выхода переключателя питания 19 с первого его входа на второй вход, т.е. подсоединение входов по питанию (на схеме вторых входов) приемного усилителя 3, второго дешифратора 9 и механизма отделения якоря 10 к выходу накопителя 17. Одновременно на втором входе блока И 20 появляется сигнал. Теперь, если на выходе накопителя 17 по какой-либо причине сигнал исчезнет, то появится сигнал на первом входе блока И 20, что вызовет прохождение сигнала на вход механизма отделения якоря 10 через второй вход блока ИЛИ 12.

Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования предложенного технического решения можно заключить, что гидроакустический маяк-ответчик, в котором реализовано данное решение, обладает преимуществами, отвечающими поставленной цели - повышению срока службы гидроакустических маяков-ответчиков и обеспечению возможности их всплытия на поверхность в благоприятных условиях, независимо от состояния электрического аккумулятора маяка-ответчика.

Реализация предложения отвечает целям навигации, так как удовлетворяются такие требования, предъявляемые к системам и устройствам автоматической навигации, как высокая надежность, безопасность плавания, особенно на окраинных, покрытых льдом морях.

Предложение реализовано в виде имитационной модели, подтвердившей при ее испытаниях на ЭВМ существенное повышение срока службы маяка-ответчика и возможность его длительного сохранения под водой с разреженной аккумуляторной батареей с последующим всплытием маяка по команде на всплытие.

Изобретение относится к средствам подводной навигации. Достигаемый технический результат - повышение срока службы гидроакустических маяков-ответчиков. Устройство содержит электрический аккумулятор (ЭА), последовательно соединенные акустическую антенну, коммутатор приема-передачи (КПП), приемный усилитель (ПУ), первый дешифратор (ДШР), устройство включения канала излучения со схемой сброса, задающий генератор, усилитель мощности, выходом связанный с вторым входом КПП, механизм отделения якоря, по входу соединенный с выходом ПУ через второй ДШР и блок ИЛИ, соединенный с ЭА через пороговое устройство блок НЕ, а также последовательно соединенные источник ионизированных излучений, физический источник тока, накопитель, устройство подзаряда, соединенное с ЭА, переключатель питания, второй блок НЕ и блок И, через которые второй вход блока ИЛИ соединен с выходом накопителя, второй вход блока И соединен с выходом первого блока НЕ, а входы питания ПУ, второго ДШР и механизма отделения якоря соединены с ЭА через переключатель питания, второй вход которого соединен с выходом накопителя, а третий - с выходом порогового устройства. 1 ил.

Гидроакустический маяк-ответчик, включающий электрический аккумулятор и последовательно соединенные акустическую антенну, коммутатор приема-передачи, приемный усилитель, первый дешифратор, устройство включения канала излучения со схемой сброса, задающий генератор и усилитель мощности, выход которого соединен с вторым входом коммутатора приема-передачи, механизм отделения якоря, вход которого соединен с выходом приемного усилителя через второй дешифратор и блок ИЛИ, а также соединенный с электрическим аккумулятором через пороговое устройство блок НЕ, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные источник ионизированных излучений, физический источник тока с напряжением, превышающем напряжение электрического аккумулятора, заключенные в герметический экранирующий излучения корпус, накопитель, преимущественно ионистр, устройство подзаряда, выход которого соединен с электрическим аккумулятором, а также переключатель питания, второй блок НЕ и блок И, причем второй вход блока ИЛИ соединен с выходом накопителя через второй блок НЕ и блок И, второй вход которого соединен с выходом первого блока НЕ, а входы по питанию приемного усилителя, второго дешифратора и механизма отделения якоря соединены с электрическим аккумулятором через переключатель питания, второй вход которого соединен с выходом накопителя, а третий вход соединен с выходом порогового устройства.