СОДЕРЖАНИЕ

ГИДРОАКУСТИКА В КОРАБЛЕВОЖДЕНИИ

При плавании, особенно в прибрежных районах, ' 'необходимо постоянно знать глубину моря. В старину мореплаватели определяли глубину очень простым способом — опускали груз на тросе до тех пор, пока он не касался грунта.

Однако большую глубину таким способом измерить очень трудно, а подчас и невозможно. В этом случае незаменима гидролокация. Небольшие и несложные по устройству гидролокационные приборы, называемые эхолотами, быстро и точно измеряют глубину.

С помощью эхолота измеряют даже самые большие глубины Мирового океана — более 10 000 метров. Зная глубины отдельных участков и районов моря или океана, можно составить карту дна. Рельеф дна моря или океана внешне напоминает рельеф земной поверхности. Составление морских карт имеет научное и практическое значение, особенно оно важно для моряков, так как обеспечивает безопасность плавания. Имея карту морских глубин и сравнивая ее данные с показаниями эхолота, можно ориентировочно определить местонахождение своего корабля в море.

При постановке корабля на якорь тоже необходимо знать глубину

Для обнаружения впереди по курсу подводных препятствий (айсберг, скала, банка) используется горизонтальный эхолот или обычный гидролокатор. При прохождении узкостей или районов с подводными препятствиями гидроакустик обследует сектор в носовых курсовых углах в режиме эхопеленгования. Получив отраженный от подводного препятствия эхо-сигнал, корабль может обойти его, изменив курс. Ультразвуковые эхолоты незаменимы и при подледном плавании подводных лодок. С помощью специального эхолота можно определить толщину льда и выбрать место для всплытия.

Принцип действия эхолота тот же, что и гидролокатора, однако устройство его значительно проще. Он состоит из генератора, передающей антенны (излучателя), приемной антенны (приемника), усилителя и индикаторного устройства. Акустический метод измерения глубин заключается в измерении промежутка времени, в течение которого импульс проходит расстояние от судна до отражающего объекта. Для автоматического фиксирования коротких промежутков времени применяют различные электромеханические и электронно-измерительные устройства (индикаторы) — указатели глубин, самописцы и электронные отметчики.

Указатель глубин предназначен для регистрации мгновенного значения глубины под днищем корабля с помощью быстровращающейся неоновой лампочки. Цифровой указатель глубин представляет собой преобразователь типа «время — цифра», в котором промежуток времени между посылкой импульса и приемом эхо-сигнала от дна преобразуется в пропорциональное число счетных импульсов, соответствующее глубине. Самописцы служат для записи глубин, которая производится на сухой электротермической или влажной электрохимической бумажной ленте специальными записывающими устройствами. В электронном отметчике для измерения промежутков времени используется электронно-лучевая трубка. Электронный отметчик имеет обзорный и просмотровый диапазоны.

По мнению зарубежных специалистов, эхолот с высокой разрешающей способностью должен отвечать следующим требованиям: схема обработки сигналов обеспечивает высокую точность измерения времени прихода отраженного от дна импульса; акустическая антенна имеет узкую характеристику направленности, которая стабилизирована по крену и дифференту; при измерении времени прихода эхо-сигнала учитывается вертикальное перемещение корабля вследствие волнения моря.

Современные эхолоты отличаются большой чувствительностью и точностью, поэтому они применяются не только для измерения глубины, но и для поиска подводных объектов, затонувших кораблей. Так, с помощью ультразвукового эхолота был обнаружен на дне моря большой океанский теплоход «Лузитания». Ученые даже считают возможным с помощью эхолотов обнаруживать на дне моря древние памятники культуры.

По заказу научно-исследовательского управления военно-морского флота США была создана ультразвуковая камера, которая с большой точностью снимает план морского дна со скоростью 4 км/ч. Камера обнаруживает даже предметы размером в 1 м² на глубине 6 ООО м. Ультразвуковой луч камеры обегает дно полосами длиной 720 м и шириной 1,2 метра. Рельеф дна непрерывно записывается на чувствительной бумаге, одновременно изображение его появляется на телевизионном экране. Конструкторы ряда стран считают, что практически можно создать подобную камеру с любой разрешающей способностью и для более значительных глубин. Ультразвуковая камера использовалась американскими специалистами для поиска загадочно погибшей атомной подводной лодки «Трешер». Она может применяться и для нужд океанографии, морской геологии, поисков полезных ископаемых. В США разработана новая гидроакустическая аппаратура для точной подводной картографической съемки на больших глубинах. Эта аппаратура может найти применение в навигационной системе атомных подводных лодок, основанной на принципе слежения за рельефом морского дна.

По данным зарубежной печати, на основе последних достижений техники микроэлектронной памяти одной из фирм ФРГ создан навигационный эхолот. Разрешающая способность его самописца при минимальной дальности действия от 0 до 10 м в три-четыре раза выше, чем существующих аналогичных эхолотов. Повышенная разрешающая способность, а также возможность одновременной записи эхо-сигналов от двух излучателей позволяет использовать эхолот на больших кораблях и судах. К эхолоту поставляются два типа высокоэффективных керамических преобразователей на 30 и 100 кГц. Если максимальная глубина не превышает 700 м, рекомендуется применять преобразователь на 100 кГц, а для глубин до 1000 м — преобразователь на 30 кГц. Диапазоны измеряемых глубин: 0—10, 0—25, 0—50, 0—500, 0—1000 метров.

По мнению зарубежных специалистов, в эхолотах, особенно в эхолотах специального назначения, могут найти широкое применение приемопередающие параметрические антенны. Это объясняется тем, что в современных эхолотах достигнута высокая точность регистрации времени прихода сигнала при использовании корреляционных и других методов обработки, обеспечивающих погрешность 1 метр при измерении больших глубин. Однако эта возможность полностью не реализуется вследствие того, что ширина характеристики направленности обычной антенны эхолота составляет более 20°, а это вызывает появление больших дополнительных погрешностей. Оптимальная рабочая частота для измерения глубин до 6000 м равна 9 кГц. Чтобы на такой частоте сформировать обычными способами характеристику направленности шириной около 2°, требуется антенна площадью 25 м². В новом эхолоте (основная частота 200 кГц, разностная— 12 кГц) применена параметрическая антенна, имеющая характеристику направленности 2°. Боковые лепестки в такой характеристике полностью отсутствуют. При работе эхолота с параметрической антенной на глубинах до 4000 метров получены положительные результаты.

Разновидностью гидроакустических средств, применяемых в кораблевождении, является эхоледомер

Он предназначен для измерения толщины льда и обнаружения полыней. По данным зарубежной печати, в настоящее время атомные подводные лодки оснащаются специальными комплексами гидроакустического оборудования для обеспечения безопасности плавания и всех видов действий подводных лодок в арктических районах. Навигационные гидроакустические средства особенно необходимы при плавании подводных лодок под сплошными льдами, на мелководье, в районах айсбергов, а также в узких проливах.

В состав разработанного в США навигационного гидроакустического комплекса входит эхоледомер AN/BQN-4A, который непрерывно автоматически измеряет расстояние до нижней кромки льда и показывает его толщину. Усовершенствование эхоледомера привело к созданию гидроакустических приборов с гидростатическим серворегулированием, в которых предусмотрены автоматическая корректировка ошибок измерения и ввод поправок на крен и дифферент подводной лодки. Рабочая частота этого прибора 150 кГц. Результаты измерений эхоледомера непрерывно регистрируются на рекордограмме.

Для обнаружения полыней используется гидролокатор AN/BQS-7, в котором акустическая энергия может излучаться под определенным углом к поверхности воды по курсу подводной лодки. Это позволяет заблаговременно обнаруживать полыньи для всплытия. Гидроакустическая станция также предназначена для обеспечения всплытия подводной лодки. Луч диаграммы направленности этой станции поворачивается в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Некоторые эхоледомеры имеют несколько антенн, которые устанавливаются вдоль корпуса подводной лодки. В этом случае получают информацию об обстановке сразу над всей подводной лодкой. Вся информация о ледовой обстановке поступает в пост управления подводной лодки и используется для принятия решения о характере маневрирования на всплытие и т.д.

Для кораблевождения, а также при производстве различных навигационных и гидрографических работ используются также специальные гидроакустические системы и обычные гидролокационные станции. Они позволяют кораблям и подводным лодкам решать следующие задачи: определять свое местонахождение, обнаруживать различные подводные предметы и объекты, изучать рельеф дна.

Так, например, в США создана гидроакустическая позиционная навигационная система для определения местонахождения корабля при выполнении следующих задач: пуск ракет подводными лодками; координирование донных мин; погружение глубоководных аппаратов; проведение океанографических исследований и промеров, поисковых и спасательных операций; слежение корабельной аппаратурой за траекторией полета ракет и искусственных спутников Земли; бурение дна океана со специальных судов на больших глубинах. Система состоит из группы приемопередатчиков, установленных на грунте, и корабельных средств, включающих акустический приемник и счетно-решающее устройство для обработки принятых звуковых сигналов. Исходными данными для вычислений являются интервалы времени между запросом корабля и ответом каждого приемоответчика. Надежность системы и точность определения места обусловлены количеством приемопередатчиков, а также глубиной океана, рельефом дна, температурой и соленостью воды. Как правило, группа приемоответчиков располагается по окружности на участке диаметром 5—15 миль.

Одной из американских фирм разработана гидроакустическая доплеровская навигационная система для надводных кораблей. Приемоизлучающая система с механизмами стабилизации по азимуту и горизонту состоит из двух сборок — нижней и верхней. Нижняя сборка выдвигается за пределы корпуса корабля и включает в себя четыре гидроакустических излучателя и четыре приемных гидрофона с предварительными усилителями, гидравлические приводы компенсации бортовой и килевой качки, а также гидровертикаль. Верхняя сборка содержит электрогидравлический двигатель, привод стабилизации по азимуту, вращающиеся контактные и другие устройства и механизмы. Излучатели и гидрофоны смонтированы на стабилизированных платформах. При глубинах до 90 м установленная на кораблях гидроакустическая доплеровская навигационная система работает на сигналах, отраженных от дна, а при больших глубинах— на сигналах, отраженных от взвешенных в воде частиц. Основным устройством отображения данных от доплеровской системы является автопрокладчик, который обеспечивает прокладку пути корабля в реальном масштабе времени на обычных навигационных картах.

В США имеются гидроакустические навигационные системы с глубоководными приемопередатчиками. Они отличаются высокой степенью точности, что делает их пригодными для создания ориентиров, обеспечивающих использование подводного оружия, кораблевождение, океанографические исследования и промеры, спасательные операции и т.д. При этом ориентиры могут быть созданы там, где другие навигационные системы из-за ограниченной возможности обслуживания непригодны. Необходимый радиус действия достигается соответствующим выбором мощности и частоты импульсов. Мощность 200 Вт и диапазон частот около 10 кГц обеспечивают дальность действия системы до 15 миль и более. Принцип действия системы заключается в подаче сигнала с корабля на приемопередатчик, где сигнал принимается, фильтруется, усиливается в соответствующих контурах и посылается обратно на определенной частоте или на разных частотах.

Практически неограниченная глубина постановки и продолжительный срок службы позволяют использовать эту систему и для других целей. Во-первых, для обеспечения длительного пребывания подводных лодок в подводном положении путем создания скрытых ориентиров для прохода узкостей и опасных районов в тех случаях, когда другие навигационные системы не могут быть использованы. При этом скрытность достигается соответствующим кодированием системы и ограничением дальности передачи путем подбора частоты и выходной мощности. Во-вторых, система применима для обеспечения океанских и морских путей. С этой целью создаются специальные ориентиры из двух-трех установок на необходимых интервалах. Дистанция между ориентирами определяется требуемой точностью счисления пути корабля. В-третьих, система пригодна для уточнения топографии дна при различных видах подводных работ.

Для изучения рельефа океанского и морского дна и поиска затонувших объектов в США разработана гидроакустическая система глубоководной навигации буксируемого исследовательского аппарата. Создание этой системы стало возможным в результате применения оборудования с высокой разрешающей способностью и нового метода использования существующих приборов на больших глубинах. В качестве глубоководного аппарата служит торпедообразный снаряд, буксируемый с помощью бронированного коаксиального кабель-троса. Бортовое приборное оборудование состоит из эхолотов с направленными вверх и вниз приемоизлучателями, магнитометра, датчика температуры, прибора для измерения скорости распространения звука и гидроакустической станции бокового обзора. Управление глубоководным аппаратом производится с буксирующего корабля.

В последние годы усилия зарубежных специалистов направлены на совершенствование гидроакустической навигационной аппаратуры. В США разработана вращающаяся стереоскопическая гидролокационная система для картографирования дна океана и определения местоположения характерных участков дна. Она включает в себя два работающих в импульсном режиме акустических преобразователя, размещенных друг над другом на стационарной конструкции, которая устанавливается на дне. Разнесение преобразователей позволяет получить объемное изображение зондируемого участка дна. Параметры гидролокационной системы выбираются такими, чтобы сканируемая круговая область дна находилась в зоне ближнего поля каждого преобразователя. Диаграммы направленности преобразователей ориентируются таким образом, что круговое сканирование двух вращающихся преобразователей покрывает основную часть зондируемой области дна. Главное достоинство системы состоит в том, что она обеспечивает формирование объемного изображения, на основании которого сразу же может быть прослежена топография дна. Кроме того, система позволяет определять точные координаты характерных участков дна.

Для целей кораблевождения, и в частности для определения места корабля, используются и обычные гидролокационные станции в режиме эхопеленгования, а при наличии в районе плавания подводных излучателей и в режиме шумопеленгования. Ввиду того что дальность действия корабельного гидролокатора в режиме эхопеленгования относительно небольшая, его применяют для определения места корабля вблизи побережья, а также при плавании в узкостях, шхерных районах и в районах подводных рифов, скал, банок, отмелей. В режиме эхопеленгования с помощью гидролокатора устанавливают направления на подводные объекты и расстояния до них. Эти данные наносятся на каргу, на которой определяется место корабля.

Эхолот нашел и другое применение — для определения скорости корабля, т. е. он может использоваться в качестве лага. Истинную скорость определить нелегко из-за влияния побочных факторов — течений и ветра, вызывающих снос и дрейф корабля. Учеными за рубежом разработан ультразвуковой метод определения скорости корабля. Она вычисляется по данным двух эхолотов, преобразователи которых установлены в носовой и кормовой частях корпуса корабля. Запись эхо-сигналов, отраженных от дна и принимаемых двумя звукоприемниками, производится на бумажной ленте. Анализ записи позволяет установить время запаздывания одними и теми же неровностями морского дна отраженных сигналов, принятых кормовым эхолотом, относительно сигналов, принятых носовым эхолотом. Так как расстояние между двумя эхолотами известно, легко вычислить скорость корабля.

По сведениям зарубежной печати, на американских кораблях используются доплеровские лаги для регистрации скорости корабля относительно дна и пройденного расстояния, определения точного положения корабля относительно фиксированных точек и обеспечения надводном положении путем создания скрытых ориентиров для прохода узкостей и опасных районов в тех случаях, когда другие навигационные системы не могут быть использованы. При этом скрытность достигается соответствующим кодированием системы и ограничением дальности передачи путем подбора частоты и выходной мощности. Во-вторых, система применима для обеспечения океанских и морских путей. С этой целью создаются специальные ориентиры из двух-трех установок на необходимых интервалах. Дистанция между ориентирами определяется требуемой точностью счисления пути корабля. В-третьих, система пригодна для уточнения топографии дна при различных видах подводных работ.

Для изучения рельефа океанского и морского дна и поиска затонувших объектов в США разработана гидроакустическая система глубоководной навигации буксируемого исследовательского аппарата. Создание этой системы стало возможным в результате применения оборудования с высокой разрешающей способностью и нового метода использования существующих приборов на больших глубинах. В качестве глубоководного аппарата служит торпедообразный снаряд, буксируемый с помощью бронированного коаксиального кабель-троса. Бортовое приборное оборудование состоит из эхолотов с направленными вверх и вниз приемоизлучателями, магнитометра, датчика температуры, прибора для измерения скорости распространения звука и гидроакустической станции бокового обзора. Управление глубоководным аппаратом производится с буксирующего корабля.

В последние годы усилия зарубежных специалистов направлены на совершенствование гидроакустической навигационной аппаратуры

В США разработана вращающаяся стереоскопическая гидролокационная система для картографирования дна океана и определения местоположения характерных участков дна. Она включает в себя два работающих в импульсном режиме акустических преобразователя, размещенных друг над другом на стационарной конструкции, которая устанавливается на дне. Разнесение преобразователей позволяет получить объемное изображение зондируемого участка дна. Параметры гидролокационной системы выбираются такими, чтобы сканируемая круговая область дна находилась в зоне ближнего поля каждого преобразователя. Диаграммы направленности преобразователей ориентируются таким образом, что круговое сканирование двух вращающихся преобразователей покрывает основную часть зондируемой области дна. Главное достоинство системы состоит в том, что она обеспечивает формирование объемного изображения, на основании которого сразу же может быть прослежена топография дна. Кроме того, система позволяет определять точные координаты характерных участков дна.

Для целей кораблевождения, и в частности для определения места корабля, используются и обычные гидролокационные станции в режиме эхопеленгования, а при наличии в районе плавания подводных излучателей и в режиме шумопеленгования. Ввиду того что дальность действия корабельного гидролокатора в режиме эхопеленгования относительно небольшая, его применяют для определения места корабля вблизи побережья, а также при плавании в узкостях, шхерных районах и в районах подводных рифов, скал, банок, отмелей. В режиме эхопеленгования с помощью гидролокатора устанавливают направления на подводные объекты и расстояния до них. Эти данные наносятся на карту, на которой определяется место корабля.

Эхолот нашел и другое применение — для определения скорости корабля, т. е. он может использоваться в качестве лага. Истинную скорость определить нелегко из-за влияния побочных факторов — течений и ветра, вызывающих снос и дрейф корабля. Учеными за рубежом разработан ультразвуковой метод определения скорости корабля. Она вычисляется по данным двух эхолотов, преобразователи которых установлены в носовой и кормовой частях корпуса корабля. Запись эхо-сигналов, отраженных от дна и принимаемых двумя звукоприемниками, производится на бумажной ленте. Анализ записи позволяет установить время запаздывания одними и теми же неровностями морского дна отраженных сигналов, принятых кормовым эхолотом, относительно сигналов, принятых носовым эхолотом. Так как расстояние между двумя эхолотами известно, легко вычислить скорость корабля.

По сведениям зарубежной печати, на американских кораблях используются доплеровские лаги для регистрации скорости корабля относительно дна и пройденного расстояния, определения точного положения корабля относительно фиксированных точек и обеспечения швартовки больших судов. Доплеровские лаги работают на принципе непрерывного и импульсного излучения ультразвуковых колебаний. Доплеровский лаг MRQ-2015A работает, например, в импульсном режиме. Он включает в себя: два доплеровских датчика для измерения скорости в двух взаимно перпендикулярных направлениях; цифровое устройство для обработки сигналов и регистрации величины скорости движения корабля и пройденного расстояния; устройство для коррекции отклонений от заданного курса; устройство для компенсации воздействия качки. Рабочая частота 300 кГц. Система обеспечивает измерение скорости движения относительно дна при глубине 180—300 метров. Если глубина больше, измерение производится с помощью сигналов, отраженных от расположенных вблизи поверхности океана (на глубинах до 60 м) звукорассеивающих слоев.