САМОХОДНЫЙ ПОИСКОВЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2019 года по МПК B63G8/00 F42B19/00 F42B19/01 

Изобретение относится к области морской техники и может быть использовано для поиска морских объектов.

Известно, что для поиска морских объектов используют различные измерительные устройства, основанные на регистрации в водной среде материальных тел и присущих им физических полей. Из-за особенностей распространения в воде различных видов энергии наиболее широкое распространение получили гидроакустические средства поиска, основанные на законах распространения звука в воде.

Для поиска морских объектов и выполнения других задач в водной среде, в том числе физического воздействия на морские объекты, на флотах применяются различные подводные аппараты, такие, как торпеды, мины, необитаемые подводные аппараты, оснащенные средствами обнаружения [1, 2].

В общем случае подводные аппараты имеют корпус обтекаемой цилиндрической или иной формы, средства движения и энергообеспечения, гидроакустические и телевизионные средства поиска подводных объектов, навигационное оборудование, средства связи, отсек для полезной нагрузки, приборы управления [3, 4].

Известен самоходный поисковый подводный аппарат, принятый за прототип изобретения, представляющий собой торпеду, которая в качестве полезной нагрузки имеет боевую часть с зарядом взрывчатого вещества и взрывателем, бортовые системы управления и обнаружения цели, служащие для поиска, обнаружения и наведения на цель, сближения с ней вплотную или на дистанцию срабатывания неконтактного взрывателя, энергетическую установку, обеспечивающую работу приборов управления и органов движения, двигательную установку и движитель [5, 6]. Практическая торпеда в качестве полезной нагрузки вместо боевой части оснащается регистрирующей аппаратурой и устройствами для подъема ее из воды.

Торпеды различаются: по габаритам (калибр - 324, 400, 482, 533, 550 и более мм); по носителям - корабельные и авиационные; по способу управления - самонаводящиеся и телеуправляемые; по назначению - противокорабельные, противолодочные, универсальные; по типу энергосиловой установки - тепловые и электрические [7].

Для поиска цели в торпедах используются системы наведения. Как было отмечено выше, из-за особенностей распространения в воде различных видов энергии, наиболее широкое распространение получили гидроакустические средства поиска. Самонаводящиеся торпеды имеют в основном акустические автономные системы самонаведения, которые обнаруживают цель, определяют ее положение относительно продольной оси торпеды и вырабатывает необходимые команды для системы управления. В современных торпедах применяют системы самонаведения, которые обеспечивают наведение торпеды на цель по отраженным от нее звуковым импульсам (активные ССН) или по шуму от винтов и работающих механизмов (пассивные ССН).

Телеуправляемые торпеды оснащают системами телеуправления с проводной или оптоволоконной линиями связи. Команды управления формируются на корабле и в виде электрических сигналов подаются на торпеду. Точность наведения торпеды зависит от погрешностей работы гидроакустического комплекса корабля. При подходе к цели торпеду переводят в режим поиска цели и в режим самонаведения.

Универсальные торпеды применяются как по подводным лодкам, так и по надводным кораблям (судам). Их оснащают акустическими системами самонаведения в противолодочном и противокорабельном варианте, а также системой телеуправления. Универсальная торпеда имеет прочный корпус, обеспечивающий ее живучесть при стрельбе по подводной лодке, идущей на большой глубине [5].

Активные ССН торпед излучают и принимают звуковые импульсы в двух плоскостях: в горизонтальной - по курсу торпеды и в вертикальной - по ее глубине.

Двухплоскостные ССН используются в противолодочных и универсальных торпедах, а одноплоскостные - в противокорабельных. При этом задействуется либо горизонтальная плоскость, либо вертикальная, как, например, в подструйной ССН торпеды Мк45 F мод. 1 (США), работающей с кильватерным следом цели [6].

Наиболее сложными для поиска являются подвижные морские объекты и, в частности, подводные лодки. Подводные лодки представляют наибольшую опасность для военной и экономической инфраструктуры государств в глобальном и в региональном масштабе, так как они обладают высокой скрытностью и большим ударным потенциалом, включающим межконтинентальные баллистические ракеты, крылатые ракеты большой дальности, минное оружие и другие средства. Для эффективного противодействия им требуется широкое привлечение авиации, подводных лодок, надводных кораблей с применением торпедного оружия и поисковых подводных аппаратов. При этом эффективность действий этих сил и, в конечном счете, исход боевых столкновений сил и средств сторон, зависит от соотношения дальностей взаимного обнаружения. Известно, что авиация и надводные корабли обнаруживаются подводной лодкой заблаговременно, и только подводные лодки имеют между собой приблизительный паритет. Поэтому объектом изобретения являются торпеды, применяемые с подводных лодок.

Таким образом, главной задачей поиска морских объектов и, в частности, подводных лодок, является упреждение в их обнаружении. Применяемые для обнаружения морских целей акустические средства имеют в разных странах схожие характеристики и не обеспечивают существенных преимуществ какой-либо стороне. Это касается как дальностей обнаружения морских целей, так и их кильватерного следа. С учетом вышеизложенного, торпеды во всех вариантах их оснащения, а потому и подводные лодки - носители торпед, не имеют преимуществ в дальности обнаружения подводной цели, что является их главным недостатком.

Современные исследования водной среды показали, что в процессе взаимного смещения слоев воды из-за влияния струй и вихрей сплошность гидродинамических явлений дополнительно приводит к формированию поля акустических центров рассеяния в виде зоны сплошной возмущенности с плавным изменением интенсивности и местными локальными проявлениями всплесков. Нестационарные режимы вихревых течений образуют спутный вихревой след, тянущийся за материальным объектом, который может быть обнаружен в течение нескольких часов после своего появления высокочувствительными оптическими приборами [8].

Имеющиеся малогабаритные лазерные излучатели и высокочувствительные фотоприемники позволяют обнаруживать спутный вихревой след (СВС) после прохождения подводного объекта с помощью оптических средств и методов на расстоянии десятков и сотен км от него [9]. Применение данного метода и указанных средств позволяет в отличие от акустики, многократно повысить дальность обнаружения морской цели и значительно опередить ее в этом.

Известно устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, служащее для обнаружения СВС цели, которое основано на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV - Particle Image Velocimetry) [10]. Оно включает источник лазерного излучения (импульсный лазер с энергией не менее 120 мДж), приемник изображений засеянных частиц с двумя CCD-камерами с оптическими узкополосными фильтрами (CCD -charge-coupled device, прибор с зарядовой связью), процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер.

Устройство позволяет исследовать кинематические характеристики потоков жидкости и газа, измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения и по трекам частиц анализировать поля скорости потока в фиксированном сечении.

Применение ЛДА позволяет проводить только последовательные измерения скорости в пространстве, переходя от точки к точке исследуемого течения, а использование PIV (Particle Image Velocimetry) - получать мгновенное распределение скорости в исследуемом сечении и наблюдать мгновенную картину течения в пределах двумерной плоскости светового ножа. При диагностике осциллирующих вихревых течений совместное использование ЛДА для измерения скорости лазерным доплеровским анемометром и PIV для анализа структуры течения по трекам частиц позволяет существенно улучшить временное и пространственное разрешение измерений и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений.

Устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений с совместным использованием ЛДА и PIV включает:

- источник лазерного излучения (лазер),

- приемник изображений засеянных частиц с двумя CCD-камерами с оптическими узкополосными фильтрами и процессором обработки изображений,

- лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере,

- процессор обработки доплеровских сигналов.

Использование CCD-камер с частотным разрешением от 8 до 16 Гц позволяет проводить измерения мгновенного трехкомпонентного поля скорости в 8-16 точках периода пульсаций вихревой структуры, что существенно улучшает временное разрешение и точность измерений [10].

Указанное устройство, выполненное в малых габаритах и установленное в составе бортовой системы обнаружения морских объектов, позволит СППА обнаруживать их на больших удалениях, значительно упреждая их в этом.

Догон обнаруженного морского объекта вдоль СВС может быть обеспечен за счет изменения режима движения самоходного поискового подводного аппарата (СППА) на траектории с учетом показателя его ходового качества (ХК), определяемого по формуле [4, 12, 13]:

XK=DV²,

где D - дальность хода, V - скорость движения.

Некоторые современные торпеды имеют механизмы переключения скорости движения на дистанции, служащие им для снижения скорости в поисковом режиме и ее повышения до максимального значения на участке наведения. Однако показатель ходового качества многорежимных торпед в разных режимах движения не одинаков, так как КПД двигателя и движителя резко меняется при изменении числа оборотов вала [6].

Оценка ходовых качеств двухрежимной торпеды, например, Mk 48 (США) показывает, что ее скорость V₁=55 уз соответствует дальности хода D₁=38 км. При уменьшении скорости до V₂=40 уз дальность ее хода D₂ должна возрасти и достичь значения:

На самом деле дальность хода D₂ торпеды Mk 48при скорости V₂=40 уз составляет 50 км [14]. То есть, использование механизма переключения скорости движения СППА и ее уменьшение на 15 уз (27%) дает прирост дистанции на 12 км (32%).

Целью изобретения является разработка устройства самоходного поискового подводного аппарата, способного обнаруживать морской объект на значительном его удалении по спутному вихревому следу и после этого сближаться с ним вплотную.

Для достижения цели изобретения предлагается самоходный поисковый подводный аппарат, включающий отсек с полезной нагрузкой с боевой частью, зарядом взрывчатого вещества и взрывателем или регистрирующей аппаратурой и устройствами для подъема аппарата йз воды, бортовые системы управления и обнаружения морских объектов, служащие для их поиска, обнаружения и наведения, энергетическую установку, обеспечивающую работу приборов управления и органов движения, двигательную установку и движитель, отличающийся тем, что дополнительно в состав бортовой системы обнаружения включается устройство оптического обнаружения спутного вихревого следа морских объектов и вычислительное устройство, а двигательная установка имеет механизм переключения скорости движения.

Устройство оптического обнаружения спутного вихревого следа морского объекта, в качестве которого может быть использовано, например, устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, размещается в приборном отсеке СППА и обеспечивает обнаружение морского объекта по его спутному вихревому следу.

Вычислительное устройство рассчитывает скоростной режим и траекторию движения СППА для догона морского объекта после обнаружения его спутного вихревого следа.

Техническим результатом изобретения является устройство самоходного поискового подводного аппарата, способного обнаруживать морской объект на значительном удалении по его спутному вихревому следу и после этого сближаться с ним вплотную.

Источники информации, использованные при выявлении изобретения и составлении его описания:

1. Сурин В.В., Пелевин Ю.Н., Чулков В.Л. Противолодочные средства иностранных флотов. - М.: Воениздат, 1991.

2. Автономные подводные аппараты. Материалы сайта Института проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, 2002.

3. Сиденко К.С., Илларионов Г.Ю. Подводная лодка и автономный необитаемый подводный аппарат // МРЭ, №2, 2008.

4. Пантов Е.Н., Махин Н.Й., Шереметьев Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов. - Л.: Судостроение, 1973. - 209 с.

5. Торпеда. Военно-морской словарь /Гл. ред. В.Н. Чернавин. - М.: Воениздат, 1989. - 511 с. С. 431.

6. Косарев В.В., Садовников В.Н. Торпедное оружие: Методические указания для самостоятельной работы по дисциплине «Боевые средства флота и их боевое применение» / СПбГЭУ «ЛЭТИ»/. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2000. - 48 с. С. 13-21, 27-30.

7. Кузин В.П., Никольский В.И. Военно-морской флот СССР 1945-1991. -СПб.: Историческое Морское Общество, 1996. - 614 с.

8. Андронов П.Р., Гувернюк С.В, Дынникова Г.Я. Вихревые методы расчета нестационарных гидродинамических нагрузок. - М.: Изд-во Моск. унта, 2006. - 184 с., с. 18.

9. Системы лазерного сканирования для проведения подводных исследований. - URL: http://avia.pro/blog/sistemy-lazernogo-skanirovaniya-dlya-provedeniya-podvodnyh-issledovaniy - 2015-01 -31. - 2015.

10. Патент на полезную модель RU 121082. Устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений / И.В. Наумов. М.: ФИПС, 2012. Бюл. №28

11. Коптев Б.А., Гусев А.Л. Тенденции развития зарубежного торпедного оружия // Морская радиоэлектроника, №3 (17), 2006, с. 58-63.

12. Костенко В.В., Михайлов Д.Н. Определение параметров энергосиловой установки автономного необитаемого подводного аппарата по заданной дальности хода. - Известия ЮФУ. Технические науки. - С. 70-73 с.

13. Стекольников Ю.И. Энергосиловые установки торпед: Учебное пособие / Военно-морская академия им. Н.Г.Кузнецова. - СПб.: ВМА, 2002. - 240 с.

14. Сариев К.С.Универсальная тяжелая торпеда Мк 48//Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Морское подводное оружие. Перспективы развития». СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2015. 125 с: ил. С. 105-111.

Самоходный поисковый подводный аппарат имеет бортовую систему обнаружения, в состав которой входит устройство оптического обнаружения спутного вихревого следа подвижных морских объектов и вычислительное устройство, которое рассчитывает скоростной режим и траекторию движения самоходного поискового подводного аппарата для догона морского объекта после обнаружения его спутного вихревого следа, а двигательная установка имеет механизм переключения скорости движения. Обеспечивается возможность обнаружения морского объекта на значительном удалении по его спутному вихревому следу и сближения с ним вплотную.

Самоходный поисковый подводный аппарат, в состав которого входят отсек с полезной нагрузкой, в качестве которой применяется боевая часть с зарядом взрывчатого вещества и взрывателем или регистрирующая аппаратура и устройства, обеспечивающие подъем аппарата из воды, бортовые системы управления и обнаружения морских объектов, энергетическая и двигательная установки, органы управления и движитель, отличающийся тем, что дополнительно в состав бортовой системы обнаружения включается устройство оптического обнаружения спутного вихревого следа подвижных морских объектов и вычислительное устройство, которое рассчитывает скоростной режим и траекторию движения самоходного поискового подводного аппарата для догона морского объекта после обнаружения его спутного вихревого следа, а двигательная установка имеет механизм переключения скорости движения.