Область применения вч гас ШП

 

Следует отметить, что характер применения ГАС ШП с момента появления первых ГАС и по настоящее время диктовался только военными задачами. При этом другие области применения полностью игнорировались. Поэтому для выявления области возможного применения высокочастотных ГАС ШП первоначально следует выявить новые области техники, в которых они могут быть эффективно использованы. Фактически здесь следует использовать принцип прогресса Стива Джобса: «не дожидаться когда потребитель на своем жизненном опыте сформулирует требования к объекту техники, а опережающе сформировать и создать на уровне имеющихся знаний потребность в новом объекте с позитивными потребительскими или техническими свойствами». Применительно к задачам гидроакустики следует, не дожидаясь, когда численное увеличение ТПЛ начнет приводить к навигационным авариям с участием ТПЛ, опережающе формировать гидроакустические средства снижения риска возникновения таких аварий.

Такая задача была ранее сформулирована и поставлена в [3,4], где было показано, что ТПЛ не обеспечены собственными средствами предотвращения навигационных аварий с участием ТПЛ и надводных судов при всплытии ТПЛ и, особенно, при аварийном всплытии ТПЛ. В [3,4] также отмечалось, что на тот период времени ТПЛ были ныряющих типов и эксплуатировались в небольшом числе прибрежных зон, в основном бухт, заливов и атоллов с ограничением движения надводных судов вокруг ТПЛ (фактически с применением ограничения движения в зоне, как при проведении водолазных работ). Там же отмечалось (2002 г. - 2004 г.), что тенденция развития ТПЛ приведет к появлению морских ТПЛ, для которых вероятность возникновения навигационных аварий (при отсутствии гидроакустических средств) начнет сильно возрастать. В [3,4] также на первичном уровне были сформулированы требования по дистанциям обнаружения надводных судов и приведены примеры возможностей обнаружения надводных судов активными высокочастотными ГАС в сложных гидролого-акустических условиях на фоне влияния реверберационных помех.

Хотя в [3,4] отмечалась необходимость развития и других гидроакустических средств ТПЛ (ШП ГАС обеспечения всплытия), детального анализа возможностей таких станций не проводилось.

Из изложенного материала следует, возможной областью применения ГАС ШП может быть область обеспечения навигационной безопасности плавания ТПЛ.

В качестве объекта применения следует выбрать автономную ТПЛ морского плавания, как наиболее подверженную риску навигационных аварий по причине ее выхода в свободное плавание на прибрежные коммуникации и шельфовые зоны, отличающиеся повышенной плотностью надводного судоходства, особенно в туристических районах. Примером такой ТПЛ может служить «Феникс» со следующими параметрами:

-  глубина погружения - 305 м;

-  длина - 65 м;

-  ширина - 8 м;

-  водоизмещение - 1500 т;

-  максимальная скорость на поверхности - 18 узлов;

-  максимальная скорость под водой - 10 узлов;

-  запас кислорода - 30 дней;

-  дальность автономного плавания - 3000 морских миль.

Основные требования к ГАС ШП ТПЛ

 

Обеспечения навигационной безопасности ТПЛ

Используя подходы [3,4, 9] определим минимальные требования к зонам обнаружения надводных судов. В качестве такого требования следует выбрать время принятия и выполнения решения с момента обнаружения опасных целей для прекращения всплытия или экстренного перехода от всплытия к погружению. Минимальное значение времени примем за t_мин =60 сек (исходя 10 сек на анализ цели, 10 сек на принятие решения и 40 сек на выполнение перехода на безопасную глубину 30-40 м), в качестве желательного времени принятия решения следует выбрать значение t_тип =120 сек, при котором кроме погружения можно принять и маневр уклонения на 150 м в сторону от курса опасного судна (при скорости ТПЛ - 5 км/час), за критическое время можно принять t_кр =30 сек (7 сек на анализ опасной цели, 3 сек на принятие решения, 20 сек на экстренное прекращение всплытия и переход на глубину 25-30 м). Исходя из этих значений времени при скорости сближения надводного корабля v_нк=60 км/час (высокая скорость, сильная цель) требование к зонам обнаружения будут, соответственно:

r_мин= 1 км

r_тип =2 км

r_кр=0,5 км

Поскольку желательно иметь запас по времени принятия решения посильным быстроходным целям можно рассматривать и возможность пеленгования целей на дистанции до 3 км.

Очевидно, что по слабым среднескоростным (20 км/час) и тихоходным (10 км/час) кораблям время принятия и выполнения решения даже при обнаружении на дистанции 1 км значительно возрастет и составит 180 сек и 360 сек, соответственно. Таким образом, единственным на данный момент областью применения высокочастотных ГАС ШП может стать область обеспечения навигационной безопасности ТПЛ и в части оперативной выдачи экипажу ТПЛ сведений о направлениях на надводные суда в районе плавания ТПЛ и изменении этих направлений с течением времени.

Диапазон рабочих

Исходя из выбора интервала дистанций, на которых желательно проводить наблюдение с ТПЛ надводных судов до сближения с ТПЛ, можно провести предварительное определение диапазона рабочих частот ГАС ШП ТПЛ. Для этого воспользуемся формулой (4) определения оптимальной частоты шумопеленгования [10]:

 

 

 

Подставляя в формулу для оптимальной частоты ШП (1) значения дистанций от 3 до 0,5 км, получим для выделенной зоны наблюдения значения диапазона оптимальных частот ШП в пределах от 9,0 кГц для 3 км до 29,7 кГц для 0,5 км. Учитывая, что процесс шумопеленгования производится не на одиночной частоте, а в достаточно широкой полосе, поддиапазоны частот по проведенным расчетам можно определить как:

–  первый 10 ± 5 кГц, второй 20 ± 5 кГц, третий 30 ± 5 кГц для шумопеленгования с использованием трех поддиапазонов;

–  первый 10 ± 2,5 кГц, второй 15 ± 2,5 кГц, третий 20 ± 2,5 кГц, четвертый 25 ± 2,5 кГц, пятый 30 ± 2,5 кГц для шумопеленгования с использованием пяти поддиапазонов;

–  первый 10 ± 4 кГц, второй 19 ± 5 кГц, третий 28 ± 6 кГц для шумопеленгования с использованием трех поддиапазонов неравномерных по ширине.

Вопрос о выборе поддиапазонов ГАС ШП ТПЛ при применении цифровой обработки техники ШП не является критичным и может реализовываться самим оператором ГАС ШП ТПЛ путем индивидуальной переустановки значений границ цифровых фильтров для подбора удобного представления целей на экране индикатора (в военных ГАС ШП поддиапазоны ШП и диапазоны до сих пор имеют фиксированный характер, что можно объяснить стремлением оптимизировать ГАС ШП под максимальные дистанции обнаружения целей широкоапертурными ГАС ШП военного назначения).

Массо-габаритные характеристики приемной антенны

Антенны, используемые в ГАСШП военного назначения, отличаются значительным разнообразием по форме и размеру, способам формирования и управления ХН, типу примененных электроакустических преобразователей, способу размещения на носителе и условиям эксплуатации. Выбор той или иной антенны определяется в конечном счете результатом системного анализа по критерию «носитель - ГАС», при котором учитываются требования согласования формы антенны с обводами корабля и возможности ее размещения на ПЛ.

Приемные антенны существующих ГАС ШП разделяются на следующие группы:

)   цилиндрические антенны;

)   сферические антенны;

)   конформные антенны, оптимизированные под обводы корпуса;

)   длинные плоские бортовые антенны;

)   длинномерные гибкие буксируемые антенны.

Учитывая, что ГАС ШП ТПЛ на данном этапе рассматриваются впервые из перечня рассматриваемых антенн ШП для ТПЛ следует исключить:

-  длинномерные гибкие буксируемые антенны, по причине отсутствия на ТПЛ мест для установки устройств постановки выборки, ограниченного сектора наблюдения (только по борту) и принципиального применения только низких частот в ШП для дальнего обнаружения целей;

-  длинные плоские бортовые антенны, по причине ограниченного сектора наблюдения (только по борту) и принципиального применения только низких частот в ШП для дальнего обнаружения целей, а так же отсутствия в РФ на данный момент технологий изготовления и применения длинных бортовых антенн (за рубежом на ПЛ военного назначения такие антенны длинной 25-70 м используются серийно);

-  сферические антенны, по причине специфических требований размещения на ПЛ (занимают всю носовую оконечность), более сложной пространственной обработки и фазирования при формировании каналов;

-  конформные антенны, по причине необходимости построения таких антенн непосредственно вписанных в корпус корабля, что невозможно без разработки ГАС ШП совместно с ПЛ, и наиболее сложной пространственной обработки и фазирования при формировании каналов при использовании приемных элементов, расположенных на криволинейных поверхностях.

Таким образом из всех антенн ШП для решения поставленной задачи оптимально подходит антенна ШП цилиндрической формы (рисунок5). Антенны ШП цилиндрической формы обеспечивают возможности:

-  минимизации числа элементарных приемных каналов по сравнению со сферическими и конформными антеннами с тем же характерным диаметром;

-  более простую обработку при фазировании элементарных каналов и формировании пространственных каналов по сравнению со сферическими и конформными антеннами;

-  хорошей идентичностью пространственных каналов по сравнению с конформными антеннами;

-  хороший пространственный обзор по горизонтали ограниченны в корму только затенением секторов обзора корабельными конструкциями;

-  удобством размещения на ТПЛ как при проектировании ТПЛ, так и при их модернизации (цилиндрическая антенна ШП может быть установлена в носовой оконечности на палубе, в обводах или под килем, а также на рубке ТПЛ).

 

Рисунок 5 - Цилиндрическая приемная антенна

 

Диаметр цилиндрической антенны ТПЛ ограничивается только габаритами корпуса ТПЛ по ширине. Учтем, что чем выше антенна, тем уже будет ХН по вертикали, что увеличит зону акустической тени у поверхности на ближних расстояниях от ТПЛ, а введение многолучевых вееров в вертикальной плоскости, как в комплексах военных ПЛ является экономически и энергетически нецелесообразно для ТПЛ. Исходя из параметров выбранного объекта ТПЛ «Феникс», принципиально не представляется никаких трудностей по размещению на данной ТПЛ цилиндрической антенны ШП с параметрами:

1) Диаметр - 1,5 м;

)   Высота - 0,1 м;

)   Число элементов по горизонтали - 144;

)   Расстояние между элементами по горизонтали - 2,5°;

5) Число элементов по вертикали - 2 (каналы по вертикали объединены);

)   Общее число элементарных каналов 144 по выходу антенны.

Выбранная высота антенны оптимальна для данного диапазона частот с точки зрения минимизации числа элементарных каналов при одновременном обеспечении захвата целей по вертикали (обеспечение достаточной ширины главного максимума ХН по вертикали). В результате ширина ХН в вертикальной плоскости будет от 26,2° до 59,7°, чего достаточно для обеспечения безопасности всплытия. Число элементов по горизонтали определено исходя из значения выбранных частот и диаметра антенны ШП для обеспечения шага между элементами антенны ШП 1/2 длины волны на частоте 30 кГц при обеспечении общего сектора обзора от -90 до + 90 градусов. Можно расширить сектор обзора, однако, при этом характеристики приема в пространственных каналах наблюдения находящихся за пределами ±90 градусов ухудшатся.