АВАРИЙНО-СИГНАЛЬНЫЙ РАДИОБУЙ Российский патент 2010 года по МПК B63B22/18 G01S1/02 B63C7/26 

Предлагаемый аварийно-сигнальный радиобуй (АСРБ) принадлежит к средствам оповещения об аварии, которые подводная лодка выбрасывает из глубины, а надводный корабль, судно сбрасывает за борт для передачи через систему глобальной спутниковой связи по системе КОСПАС-САРСАТ краткого кодированного сообщения.

Особенность предлагаемого технического решения в том, что архитектурная форма и взаимное расположение центра масс и плавучести этого АСРБ обеспечивают ему необходимую остойчивость и ограниченную вертикальную и угловую качку, чем способствует повышению надежности передачи аварийного сигнала на морском волнении. Кроме того, предлагаемое техническое решение содержит источник электрохимической энергии, работающий в морской воде.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является АСРБ подводной лодки по патенту РФ №2287450 - прототип [1]. Он имеет целый ряд положительных свойств:

- его вертикально вытянутая форма и небольшой диаметр обеспечивают удобство размещения на ПЛ в специальном или в штатном контейнере и небольшое сопротивление при всплытии;

- он состоит из двух цилиндрических частей: верхней прочной, в которой размещается вся радиоаппаратура, и нижней, заполняемой водой, что позволяет центр плавучести иметь на середине непроницаемой части, а в самой нижней, проницаемой части разместить твердый балласт и этим обеспечить необходимую остойчивость.

- нижняя проницаемая часть АСРБ выполняет роль нейтрализатора волнового возмущающего момента (НВМ), что обеспечивает бую ограниченную угловую качку.

Недостатком прототипа является то, что у него нет средств нейтрализации вертикальных волновых возмущающих сил. Поэтому у буя-прототипа на определенных частотах не исключена повышенная вертикальная качка, « выпрыгивание» из воды и заваливание на борт, что снижает надежность передачи аварийного сигнала. Такие явления наблюдались в лабораторном эксперименте [2]. Устройство для нейтрализации вертикальных волновых сил содержит плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости [3] (аналог). Это устройство представляет собой пластинчатый конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС), устанавливаемый снаружи вертикального цилиндрического корпуса на небольшом удалении от поверхности. Диаметр такого НВС составляет 1,4-1,6 диаметра цилиндрического корпуса. Для АСРБ ПЛ это совершенно недопустимо по условиям размещения его в контейнере. Требуется изменение конструкции проницаемого корпуса. Кроме того, ни аналог, ни прототип не имеют электрохимических источников энергии. Наличие же такого источника для АСРБ, который начинает работать только после попадания в морскую воду, весьма желательно. Его энергия может быть вполне достаточной для питания аварийного радиопередатчика и маяка в течение нескольких часов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей известных технических решений путем одновременной нейтрализации волновых возмущающих моментов и возмущающих сил, существенного уменьшении угловой и вертикальной качки и установки на АСРБ электрохимических источников энергии.

Указанные цели достигаются тем, что у известных технических решений, содержащих вертикально ориентированный частично погруженный непроницаемый цилиндрический прочный корпус, нейтрализаторы волновых возмущающих сил и моментов, твердый балласт, радиоаппаратуру и другие полезные грузы, располагающиеся внутри непроницаемого прочного корпуса, геометрические размеры которого определяются из совместного решения уравнений масс и плавучести, остойчивости, заданной степени нейтрализации волновых нагрузок и ограничения вертикальных размеров АСРБ, нейтрализатор волновых моментов выполнен из диэлектрического материала в виде 2 взаимно перпендикулярных вертикально вытянутых пластин (ВП), длиной не менее половины осадки Т и шириной, не меньшей диаметра верхнего прочного цилиндрического корпуса D=2R, жестко крестообразно соединенных своими серединами между собой под прямым углом и с верхним непроницаемым прочным корпусом, в нижней части этих вертикальных пластин устанавливается конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС) с образующей, наклоненной не более 20° к горизонту, с диаметром основания, равным наибольшей ширине крестообразных ВП, между дном верхнего непроницаемого цилиндрического корпуса и нижним КНВС при необходимости устанавливаются такие же промежуточные КНВС, бую в надводном положении обеспечивается запас плавучести 20-30% и расположение центра масс ниже центра плавучести на величину не менее 0,2 осадки Т непроницаемого корпуса, при этом пластинчатые нейтрализаторы волновых моментов выполнены гофрированными в вертикальном направлении, в гофрах ВП установлены гальванические элементы из металлов разной электрохимической активности или металлосодержащих паст, например, на основе серебра-палладия (катоды) и кадмий-магния (аноды), соединенных в батарею, способную создавать в морской воде ЭДС для питания аварийного радиопередатчика и маяка [4, 5].

На фиг.1 показан АСРБ для ПЛ, а на фиг.2 - для надводных кораблей и судов. Их главное отличие - в общей высоте и ширине вертикальных пластин. Для АСРБ ПЛ, который хранится в специальном герметичном контейнере, необходимо обеспечить устойчивое всплытие с глубины на поверхность и остойчивость после всплытия. Для этого в подводном положении центр плавучести буя должен быть выше его центра масс. В надводном положении буй также должен иметь положительную остойчивость и запас плавучести 20-30%. Поэтому для этого буя обязательна вертикально вытянутая форма, его центр масс должен располагаться ниже центра плавучести в надводном положении, а ширина крестообразных гофрированных пластин должна быть равна диаметру непроницаемого корпуса.

Для АСРБ НК диаметр верхнего водонепроницаемого цилиндра по сравнению с ПЛ может быть увеличен, уменьшен общий его вертикальный размер, а ширина вертикальных гофрированных пластин сделана большей 2 радиусов цилиндра.

Волностойкие формы АСРБ, показанные на фиг.1 и 2, включают:

- подводную часть 1 прочного непроницаемого корпуса радиуса R и осадкой Т в рабочем надводном положении;

- надводную часть непроницаемого корпуса 2 высотой Н_нч=k_зпТ, где k_зп=0.2-0.3 - коэффициент запаса плавучести;

- крестообразные вертикальные гофрированные в вертикальном направлении пластины 3 для нейтрализации волновых моментов общей высотой Н_вп и шириной B≥2R, выполненные из прочных диэлектрических материалов;

- нижний конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил 4 диаметром основания, равным ширине В;

- промежуточные конические демпферы-нейтрализаторы волновых сил 5 такого же диаметра;

- твердого балласта 6, который располагается снизу нижнего конического нейтрализатора волновых сил и служит для обеспечения АСРБ необходимого значения метацентрической высоты и осадки;

- батарею гальванических элементов 7, вмонтированных в гофры нейтрализатора волновых моментов (не показаны).

АСРБ в надводном положении на тихой воде должен удовлетворять условиям плавучести и заданной остойчивости. Условие плавучести для буя имеет вид:

где m_нг - сумма масс заданных независимых грузов: радиоаппаратуры, антенны, источников питания (аккумуляторной батареи и гальванических элементов), аппаратуры управления, кг;

m_пк - масса прочного непроницаемого корпуса высотой Н_пк=(1+k_зп)Т, зависящая от его радиуса R, толщины δ_пк и плотности материала ρ_пк;

- массы весом в воде вертикальных гофрированных пластин-нейтрализаторов волновых моментов, конических нижнего и промежуточных нейтрализаторов вертикальных волновых сил и твердого балласта, зависящие от их размеров и плотности материалов, из которых они сделаны. Конкретные выражения для всех зависимых масс являются «ноу-хау» авторов.

Условие остойчивости АСРБ в надводном положении

где у_с=Т/2 - аппликата центра плавучести; у_G - аппликата центра масс;

r_mc=I_zs/V - метацентрический радиус, равный для цилиндра R²/4T. Как показано в [1] для R/T≤0,2, величиной r_mc≤0,05R ожно пренебречь. Тогда условие (2) приводит к условию допустимого возвышения центра масс над основной плоскостью, проходящей по днищу прочного корпуса

Исходя из требований запаса плавучести Н_нч=k_зп·Т, высоты ПН и ограничения общей высоты АСРБ Н_max по условиям его размещения на ПЛ, можно составить еще одно ограничение

Аналогичное ограничение может быть записано для АСРБ НК.

Волновой процесс на глубокой воде описывается выражением

где A₀ - амплитуда волны на поверхности;

y - удаление рассматриваемого горизонта от невозмущенной поверхности;

- волновое число, λ - длина волны;

- частота волны, τ - ее период.

Принцип нейтрализации возмущающих воздействий волны на АСРБ и уменьшения его вертикальной и угловой качки с помощью предлагаемых средств демонстрируют фиг.3 (для нейтрализации волновых сил) и фиг.4 (для нейтрализации возмущающих моментов).

В соответствии с теорией волностойких архитектурных форм [2] и описанием аналога [3], на частично погруженный вертикально ориентированный неподвижный цилиндрический прочный корпус (фиг.3) действуют следующие основные волновые силы:

где - квазистатическая сила, действующая в фазе с волной на надводную часть корпуса АСРБ от его накрытия волной или оголения, она пропорциональна A₀πR²cos ωt;

- инерционно-волновая сила, действующая на погруженную часть ПК в противофазе с волной; она пропорциональна - kA₀πR²Te^-kT/2cosωt;

- инерционно-волновая сила, действующая на пластинчатый конический нейтрализатор волновых сил в противофазе с волной; она пропорциональна -

Точные выражения для этих сил также являются «ноу-хау» авторов. Но важно, что действуют в фазе с волной, a и - в противофазе. И если задать условие, чтобы при заданной расчетной волне, например при 6 баллах, АСРБ отслеживал волну по вертикали с заданной погрешностью, например, не более |δ|≤0,2Т, то можно из уравнений (1), (2), (3), (4) и (6) определить водоизмещение АСРБ, его радиус, осадку и потребную площадь нижнего и промежуточных КНВС и их удаление от основной плоскости, которые обеспечивают условие нейтрализации вертикальных волновых сил. Главными членами возмущающего момента, действующего на вертикально ориентированный цилиндр и вертикальные пластины (фиг.4) в соответствии с [2] и описанием прототипа [1] при 2R<0,15 м, осадкой T≤0,6 м и Н_пн≥0,5Т, являются

где - квазистатический волновой момент от остойчивости нагрузки (возвышения центра плавучести над центром масс) относительно центра масс АСРБ;

- момент от боковой инерционно-волновой силы относительно центра масс АСРБ, вблизи центра плавучести объема;

- момент относительно центра масс от боковой инерционно-волновой силы, действующей на ПН и приложенной посередине его высоты.

Первые два члена в (7) в фазе волны фиг.4 действуют по часовой стрелке, третий - против. И эта противофазность сохраняется во всех фазах волны. Поэтому по уравнению (7) вместе с уравнением плавучести (1), остойчивости (2), (3) ограничением (4) можно найти высоту и ширину ПН для заданной степени нейтрализации волновых возмущающих моментов и этим обеспечить уменьшение угловой качки АСРБ не хуже, чем у прототипа [1].

Искомые водоизмещение и оптимальные главные размерения АСРБ могут быть найдены известными в теории проектирования методами последовательных приближений и многокритериальной оптимизации. Пример применения такого метода приведен в описании патента-прототипа [1]. Поэтому реализуемость предложенного технического решения сомнений не вызывает.

Предложенные архитектурные формы АСРБ существенно отличаются от существующих аналогов:

- замена у прототипа проницаемого цилиндрического нейтрализатора волновых моментов на две взаимно перпендикулярных пластины шириной, равной диаметру непроницаемого корпуса АСРБ ПЛ, позволила при том же диаметре контейнера использовать их в качестве нейтрализаторов волновых моментов и расположить в нижней их части конический нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС), чем существенно улучшить свойства прототипа;

- это техническое решение обладает патентной новизной по сравнению с аналогом [3], т.к. позволило создать работающий КНВС того же диаметра, что и диаметр прочного непроницаемого корпуса;

- предусмотрена возможность установки в случае необходимости дополнительных КНВС;

- форма КНВС с небольшой конусностью будет мало влиять на работу ПН по нейтрализации волновых моментов, в принципе возможна и плоская форма ПН, без конусности;

- для АСРБ НК предусмотрена возможность увеличения диаметра прочного корпуса, сокращения общей высоты и увеличения ширины пластинчатых нейтрализаторов;

- пластинчатые нейтрализаторы выполнены гофрированными, что увеличивает их жесткость на изгиб, и это в данном техническом решении обладает существенной новизной и полезным эффектом;

- в гофрах ПН размещаются электроды гальванических элементов, что является новым техническим решением в АСРБ:

- в вопросах уменьшения качки АСРБ применены известные (по названию) уравнения частичной нейтрализации волновых возмущающих сил и моментов, однако структуры этих уравнений из-за существенного изменения архитектурной формы АСРБ существенно отличается от прототипа и аналога.

Патентный поиск не выявил похожих технических решений, поэтому предложенные архитектурные формы отвечают критерию существенной патентной новизны.

Кроме того, предложенные технические решения по сравнению с известными обладают существенным положительным эффектом:

- обеспечивают одновременное уменьшение и угловой, и вертикальной качки АСРБ;

- предложенный тип АСРБ снабжен гальваническим источником энергии, работающим в морской воде.

Источники информации

1. Аварийно-сигнальный радиобуй подводной лодки. Патент РФ №2287450, 2005.

2. Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В., Ейбоженко А.В., и др. Поисковые исследования по обоснованию и разработке волностойких высокоэффективных образцов вооружения и военной техники. Технический отчет о НИР «Ингул», СПб, 1999 г.

3. Плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости. Патент РФ №2324619 по заявке №2006102912 от 01.02.06.

4. Глинка Н.Л Общая химия. Пособие для студентов. 23 издание, Л.: Химия, 1984 г.

5. О применении материалов и изделий на основе драгоценных металлов для электронной техники. ЗАО «ЭЛМА-ПАСТЫ», http:||www. Infontr.ru/artides/newscomp 009/ php.

Изобретение относится к средствам оповещения об аварии, которые подводная лодка выбрасывает из глубины, а надводный корабль, судно сбрасывает за борт для передачи через систему глобальной спутниковой связи по системе КОСПАС-САРСАТ краткого кодированного сообщения. Аварийно-спасательный радиобуй содержит нейтрализатор волнового момента, который выполнен в виде двух взаимно-перпендикулярных вытянутых в вертикальном направлении пластин, длиной не менее половины осадки и шириной, не менее диаметра верхнего прочного цилиндрического корпуса. В нижней части вертикальных пластин устанавливается конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил. Архитектурная форма и взаимное расположение центра масс и плавучести аварийно-спасательного радиобуя обеспечивают ему необходимую остойчивость и ограниченную вертикальную и угловую качку. Радиобуй снабжен гальваническими элементами, соединенными в батарею, способную создавать в морской воде ЭДС для питания аварийного радиопередатчика и маяка. Достигается повышение надежности передачи аварийного сигнала на морском волнении. 4 ил.

Аварийно-сигнальный радиобуй, содержащий вертикально ориентированный частично погруженный непроницаемый цилиндрический прочный корпус, нейтрализаторы волновых возмущающих сил и моментов, твердый балласт, радиоаппаратуру и другие полезные грузы, располагающиеся внутри непроницаемого прочного корпуса, геометрические размеры которого определяются из совместного решения уравнений масс и плавучести, остойчивости и заданной степени нейтрализации волновых нагрузок и ограничений вертикальных размеров, отличающийся тем, что нейтрализатор волновых моментов выполнен из диэлектрического материала в виде 2-х взаимно перпендикулярных вытянутых в вертикальном направлении пластин (ВП) длиной, не меньшей половины осадки Т, и шириной, не меньшей диаметра верхнего прочного цилиндрического корпуса D=2R, жестко крестообразно соединенных своими серединами между собой под прямым углом и с верхним непроницаемым прочным корпусом, в нижней части этих вертикальных пластин устанавливается конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС) с образующей, наклоненной не более 20° к горизонту, с диаметром основания, равным наибольшей ширине крестообразных вертикальных пластин, между дном верхнего непроницаемого цилиндрического корпуса и нижним КНВС при необходимости устанавливаются такие же промежуточные КНВС, бую в надводном рабочем положении обеспечивается запас плавучести 20-30% и расположение центра масс ниже центра плавучести на величину не менее 0,2 осадки Т непроницаемого корпуса, при этом пластинчатые нейтрализаторы волновых моментов выполнены гофрированными в вертикальном направлении, в гофрах ВП установлена батарея гальванических элементов, представляющая собой совокупность электродов из металлов разной электрохимической активности или металлосодержащих паст, например, на основе серебра-палладия (катоды) и кадмий-магния (аноды), соединенных в батарею, способную создавать в морской воде ЭДС для питания аварийного радиопередатчика и маяка.