Подводная гидроакустическая антенна

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим антеннам, и может быть использовано в гидроакустических донных или опускаемых станциях различного назначения.

Применение донных и опускаемых гидроакустических станций обусловлено многими задачами, такими как освещение подводной обстановки и обнаружение подводных целей, а также в интересах геологоразведочных, сейсмических и других исследований. Гидроакустические донные станции содержат гидроакустические антенны, в состав которых входят акустические приемники, несущие конструкции (каркасы), экранирующие покрытия (экраны) и линии электрических коммуникаций (патенты РФ №2427005, 2427004, 2300479, 2169438 на изобретения, патент РФ №60737 на полезную модель). Каркасы, на которых располагаются приемники, могут быть выполнены в виде жесткой цельной конструкции, большой вес и массивность которой затрудняют изготовление, транспортировку в места морского базирования, а также приводят к значительным затратам средств и времени.

В качестве аналога предлагаемого технического решения может быть выбрана сферическая гидроакустическая антенна тракта шумопеленгования (патент РФ №2153685 на изобретение), состоящая из акустических приемников, установленных на несущих конструкциях над экранирующим покрытием, закрепленных на каркасе, образующем форму антенны, где в качестве несущей конструкции используются металлические ленты, предварительно растянутые с нормированным усилием и концами, прикрепленными к каркасу, при этом ленты повторяют форму каркаса.

Недостатки конструкции аналога заключаются в том, что в широком диапазоне частот характеристики акустических приемников, расположенных вблизи гидроакустических экранов, при конечной концентрации, имеют недостаточную стабильность по чувствительности и по помехозащищенности, обусловленную свойствами акустических экранов. Кроме того, экраны обладают высоким коэффициентом отражения звуковой энергии, повышающим гидролокационную заметность антенны.

Наличие металлического каркаса и металлических лент может способствовать распространению вибрационной помехи по несущим элементам конструкции, а также приводить к заметному увеличению массы, материалоемкости и удорожанию антенны.

В качестве прототипа выбрана техническое решение (патент РФ №2535639 С1) представляющее собой гидроакустическую антенну выпуклой формы, состоящую из приемных модулей, содержащих акустические приемники, установленные на несущей конструкции и закрепленные с помощью такелажа, якорной системы и плавучести, отличающаяся тем, что несущая конструкция представляет собой звукопрозрачную оболочку, выполненную из упругого водонепроницаемого материала, внутренний объем которой заполнен под избыточным давлением рабочей жидкостью с помощью гидравлического насоса.

По мнению авторов, применение звукопрозрачной оболочки, выполненной из упругого водонепроницаемого композиционного материала и заполненной рабочей жидкостью под давлением, обеспечивает необходимую форму оболочки, служащей каркасом, на который непосредственно устанавливаются акустические приемники, что позволяет обеспечить достигаемый технический результат - повышение эффективности работы таких гидроакустических антенн и, соответственно, автономных гидроакустических станций. При этом, основным факторами повышения эффективности работы гидроакустических антенн считается снижение гидролокационной заметности, а также повышение помехозащищенности от структурных и вибрационных помех, а для гидроакустических станций - снижение материалоемкости и массы, а, следовательно, и транспортабельности и стоимости.

Вместе с тем, существенным недостатком предложенной конструкции являются потери коэффициента концентрации антенны за счет ее звукопрозрачности. По существу, за счет звукопрозрачности оболочки приемники антенны расположенные, например, на сферическом каркасе из такелажа, помещены как бы в «свободное» поле. Однако, согласно фундаментальным оценкам (смотри, например, Песоцкий А.В., Смарышев М.Д. «Сопоставительная оценка эффективности приемных антенн, состоящих из комбинированных приемников, в свободном поле и вблизи плоского экрана», Акустический Журнал, том 35, выпуск 3, страницы 495-498, 1989 год) эти потери выглядят неприемлемыми с точки зрения дальности обнаружения малошумных целей. Например, для отдельного монопольного приемника в свободном поле (отдельный приемник сферической антенны в прототипе) по сравнению с монополем около жесткого экрана концентрация падает в два раза, а для мягкого экрана даже в шесть раз. Для линейной антенны эти потери составляют - в два и в четыре раза соответственно, а для плоской антенной решетки независимо от импеданса экрана - в два раза. По порядку величины эти оценки относятся и к сферической антенне. Таким образом, антенна - прототип за счет сниженной концентрации обладает недостаточной эффективностью.

Задача изобретения - повышение эффективности работы гидроакустических станций. Эта задача решается путем замены полой (однокамерной) звукопрозрачной оболочки на двухкамерную или, в случае сферической антенны, двухслойною. При этом для приемников (например, монопольных) установленных на внешней поверхности оболочки и собранных в антенну обеспечивается подложка в виде мягкой границы между заполненной водной средой (в случае сферы, внешней оболочкой) и объемом внутренней полости, заполненной газом. Это обеспечивает существенное увеличение концентрации антенны и одновременно позволяет регулировать величину ее плавучести. Легко видеть, что, например, в случае сферической оболочки, нейтральная плавучесть двуслойной сферы обеспечивается, когда диаметр внутренней оболочки D₁, выбран согласно соотношению где P - вес контейнера с якорным тросом, ρ - плотность водной среды вне сферической антенны.

При этом на глубине основная нагрузка приходится на внутреннюю оболочку. Внешняя оболочка антенны с установленными приемниками находится под сравнительно небольшим избыточным давлением, например, порядка одной атмосферы. Так, на глубине установки 300 метров, при внешнем давлении 31 атмосфера, статическое давление в сферическом слое может составить порядка 32 атмосфер, а во внутренней полости также порядка 30 атмосфер, создаваемых побудителем объемного расширения газа, например, баллоном со сжатым воздухом или газом. При этом, например, для сферической антенны, сохраняется технический результат, достигаемый в прототипе - повышение эффективности антенны в части увеличения угла обзора (360°) и коэффициента концентрации в широкой полосе частот, снижение материалоемкости, массы, стоимости. Обеспечивается также компактность антенны значительных волновых размеров при помещении незаполненной оболочки, например, в контейнер, применяемый при установке с корабля. Подобные крупногабаритные антенные решетки сохраняют жесткую геометрическую форму за счет заполнения под избыточным давлением части внутреннего объема забортной жидкостью на горизонте (глубине) установки. В одной из камер оболочки, например, в большей камере, избыточное давление создается с помощью гидравлического насоса. При этом величина избыточного давления не должна приводить к разрушению оболочки. В другой, меньшей камере давление создается с помощью побудителя объемного расширения газа. Таким побудителем может быть не только баллон со сжатым газом, но и сухое вещество, помещенное в камеру, которое при соединении с небольшим объемом окислителя или просто водной среды выделяет необходимые объемы газа.

На фигуре 1 приняты следующие обозначения:

- двухкамерная оболочка антенны из композиционного материала (с камерами А и В), вариант I - сферическая антенна, вариант II - цилиндрическая антенна, вариант III - плоская антенна;

- приемные модули, закрепленные на внешней поверхности оболочки;

- рабочая жидкость - водная среда под давлением;

- сжатый газ под давлением;

- контейнер с якорной системой;

- гидравлический насос;

- побудитель объемного расхода газа или баллон со сжатым газом. Антенна работает следующим образом. После выброса платформы

(капсулы) с антенной в водную среду, происходит ее спуск и закрепление платформы относительно дна с использованием якорного устройства (якоря с тросом). После этого из капсулы освобождается оболочка антенны и происходит заполнение двух полостей водной забортной средой с помощью гидронасоса до давления несколько большего статического давления в среде для обеспечения жесткости структурного каркаса антенны. Меньшая полость заполняется сжатым газом в первую очередь (для обеспечения положительной плавучести). Это также снижает нагрузку на внутреннюю оболочку. При этом нагрузка на внешнюю оболочку с приемными модулями (преобразователями) также снижается. Одновременно, заполненная газом, плотностью гораздо меньшей жидкости, камера оболочки обеспечивает подложку (мягкую границу) для антенны из приемных модулей, закрепленных на внешней стороне камеры, заполненной водной средой. Объем меньшей камеры оболочки за счет архимедовой силы создает необходимую положительную плавучесть, растягивающую контейнер с платформой и антенной на якорном тросе. Внутренний объем большей камеры А звукопрозрачной оболочки 1, выполненной из водонепроницаемого материала, заполняется под давлением с помощью гидравлического насоса 6 рабочей жидкостью 4, образуя заданный жесткий (например, сферический) каркас, на поверхности которого размещается антенная решетка, образованная приемными модулями 2 с фиксированным расположением информационных каналов, обеспеченных креплением к поверхности оболочки 1. Пространственное расположение бескорпусной гидроакустической антенны в воде обеспечивается за счет контейнера с якорной системой 5 и меньшей по размеру камеры В оболочки, заполняемой побудителем объемного расхода газа, в простейшем случае, баллоном со сжатым газом 7. Гидравлический насос 6 и баллон со сжатым газом 7 могут быть расположены внутри контейнера с якорной системой 5 и размещены в верхней части контейнера или в нижней части оболочки соответственно. Форма оболочки антенны может быть различной. Практически наиболее актуальными являются сферическая, цилиндрическая и плоская антенны, которые должны обладать камерами соответствующей формы.

В сферической антенне звукопрозрачная оболочка выполнена в форме двухслойной сферы, причем, для обеспечения необходимой положительной плавучести контейнера с якорным тросом с установленной антенной, диаметр внутренней камеры D₁, выбран согласно соотношению где Р - вес контейнера с якорным тросом, ρ - плотность водной среды вне сферической антенны.

В цилиндрической антенне звукопрозрачная оболочка выполнена в форме двухслойного цилиндра с цилиндрической внутренней перегородкой, делящей цилиндр на две неравные камеры, причем, внешняя, большая из камер с установленными на ее поверхности приемниками заполняется под давлением водной средой, а внутренняя, меньшая для обеспечения необходимой положительной плавучести антенны заполняется сжатым газом, причем диаметр внутренней камеры D₁, выбран согласно соотношению где Р - вес контейнера с якорным тросом, ρ - плотность водной среды вне цилиндрической антенны, H - высота антенны.

И, наконец, в плоской антенне звукопрозрачная оболочка выполнена в форме параллелепипеда с внутренней перегородкой, делящей параллелепипед на две неравные камеры, причем, для обеспечения необходимой положительной плавучести антенны, большая из камер с установленными на ее поверхности приемниками заполняется под давлением водной средой, а меньшая - сжатым газом.

Как уже упоминалось, простейший побудитель объемного расхода газа может представлять собой баллон с газом 7 может быть расположен в контейнере с якорной системой 5. Иной побудитель объемного расхода газа, например, газо-выделяющее химическое вещество с окислителем может быть расположено непосредственно внутри меньшей по объему камеры В.