Океанографічний надповерхневий дрейфуючий радіозонд-буй

Реферат: Винахід належить до вимірювальних океанографічних приладів, призначених для визначення характеристик довколишнього середовища. Надповерхневий дрейфуючий радіозонд-буй містить газонаповнену оболонку 1, до якої за допомогою стропа 2 прикріплено приладовий блок, який містить у собі електрично з'єднані верхній приладовий блок 3, закріплений на верхній частині стропа 2, та нижній приладовий блок 4, прикріплений до нижнього кінця стропа 2. Зонд містить крило 5, закріплене на стропі таким чином, що його положення зафіксовано щодо осі натягнутого стропа 2. Нижній приладовий блок 4 може бути виконаний у вигляді одного елемента або декількох елементів, з'єднаних гнучким зв'язком. Технічний результат: значне збільшення швидкості дрейфу радіозонда-буя та автоматичне забезпечення дрейфу у заданому діапазоні висот за рахунок чого можливо проведення досліджень в умовах, наближених до вимог лагранжевої методики вимірювань, а також підвищення точності проведених вимірювань; а також зменшення динамічних навантажень на конструкцію радіозонда-буя. UA 98186 C2 (12) UA 98186 C2 UA 98186 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальних океанографічних приладів, призначених для визначення характеристик навколишнього середовища, переважно - суміжного шару атмосфери та океану. Відомий метеорологічний радіозонд [1] для вимірювання параметрів атмосфери, що містить газонаповнену оболонку, до якої за допомогою стропа прикріплено приладовий контейнер. Радіозонд запускається у верхні шари атмосфери, де вільно дрейфує під дією повітряних потоків та передає наукову інформацію по радіоканалу. За відповідним баластуванням (заданим співвідношенням загальної ваги зонда та вантажопідйомності оболонки, заданим конструктивним виконанням) такий радіозонд може дрейфувати, як буй, вимірюючи параметри суміжного шару атмосфери та океану. Цей радіозонд вибрано як прототип. Він характеризується такими ознаками, подібними до суттєвих ознак заявленого винаходу: газонаповнена оболонка, до якої за допомогою стропа прикріплено приладовий контейнер, наявність співвідношення ваги зонда та вантажопідйомності оболонки. Недоліком прототипу є мала, у порівнянні зі швидкістю вітру, швидкість дрейфу радіозонда через силу опору, що знижує точність проводжуваних вимірювань. В океанології та гідродинаміці розрізняють ейлеровський та лагранжевий підходи. У першому випадку вимірюється швидкість потоку у даній фіксованій точці, а у другому - відслідковується траєкторія рідкої частки, тому необхідною умовою підвищення точності вимірювань, проведених лагранжевим методом, є наближення швидкості дрейфу радіозонда-буя до швидкості вітру. Іншим недоліком є неможливість радіозонда утриматися у межах потрібного діапазону висот - із-за сильного вітру оболонка може піднятися надто високо над водою або притиснутися до води, що також знижує точність визначення характеристик саме заданого діапазону приводного середовища. Недоліком також є те, що із-за великого приладового блока зонд-буй зазнає великих динамічних навантажень через пориви повітря та хвилювання морської поверхні. В основу винаходу поставлено задачу створення конструкції океанографічного надповерхневого дрейфуючого радіозонда-буя, суттєві ознаки якого дозволяють здійснити задане баластування зонда та забезпечити особливість процесу його руху під впливом повітряного потоку. Поставлена задача вирішується тим, що у радіозонді-буї, що містить приладовий блок, з'єднаний стропом із газонаповненою оболонкою, вантажопідйомність якої співвідноситься із вагою радіозонда-буя, новим є те, що на стропі закріплено крило, яке має постійне положення відносно осі натягнутого стропа, вага у повітрі радіозонда-буя перевищує на задану величину вантажопідйомність оболонки, при цьому приладовий блок містить у собі електрично зв'язані верхній блок, закріплений на стропі, наприклад, поблизу оболонки, та нижній блок, який закріплений на нижньому кінці стропа та виконаний у вигляді одного конструктивного елемента або декількох конструктивних елементів, з'єднаних гнучким зв'язком. Сукупність суттєвих ознак заявленого технічного рішення дозволяє усунути недоліки прототипу. Введення аеродинамічної поверхні (крила) не лише дозволило створити додаткову підйомну силу та парусність. Ознака «крило» у взаємозв'язку з іншими ознаками винаходу, такими, як «крило має постійне положення відносно осі натягнутого стропа», «вага у повітрі зонда перевищує на задану величину вантажопідйомність оболонки», «приладовий блок містить у собі електрично з'єднані верхній та нижній блоки», обумовлюють нові технічні властивості, не притаманні відомим аналогам - значне збільшення швидкості дрейфу радіозонда-буя та автоматичне забезпечення дрейфу саме у заданому діапазоні висот. Ці нові технічні властивості особливо виявляються при лагранжевому методі вимірювань, що вимагає максимального наближення швидкості руху зонда до швидкості вітру. Виконання приладового блока у вигляді рознесених у просторі верхнього та нижнього блоків (контейнерів), а також виконання нижнього блока в вигляді одного конструктивного елемента або декількох елементів, з'єднаних гнучким зв'язком, забезпечують ще одну нову технічну властивість - зниження динамічних навантажень на конструкцію зонда за збільшенням кількості вимірюваних параметрів, більш точне баластування зонда та забезпечення роботи вимірників саме у відповідних середовищах - у повітряному або водному. Зазначені нові технічні властивості обумовлюють досягнення технічного результату винаходу - підвищення точності визначення параметрів заданого суміжного шару атмосфери та океану. Суть винаходу пояснюється за допомогою опису процесу дрейфу радіо-зонда-буя (у припущенні, що турбулентність повітряного потоку відсутня) із посиланням на креслення, на яких схематично зображено: 1 UA 98186 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на фіг. 1 - зонд за відсутності вітру; на фіг. 2 - зонд за наявності вітру; на фіг. 3 - момент, коли зонд під дією сильного вітру відірвав нижній приладовий контейнер від води та здійснює маятниковий рух; на фіг. 4 - випадок, коли після маятникового руху зонда не відбувається торкання нижнього приладового контейнера з водою. Радіозонд-буй (фіг. 1) містить: оболонку 1, наповнену газом, наприклад, гелієм; строп 2, який прикріплений до оболонки 1; приладовий блок, який містить у собі електрично з'єднані верхній приладовий блок (контейнер) 3, закріплений вверху стропа 2, переважно поблизу оболонки 1, та нижній приладовий блок (контейнер) 4, прикріплений до нижнього кінця стропа 2; крило 5, закріплене, переважно, у верхній частині стропа, під верхнім приладовим блоком 3. Крило 5 може бути виконано у вигляді однієї аеродинамічної поверхні заданої форми, або у вигляді декількох аеродинамічних поверхонь, закріплених одна від іншої. У цьому прикладі представлено крило 5 у вигляді однієї плоскою поверхні. Крило 5 закріплено на стропі 2 так, що строп проходить крізь нього, та зафіксовано знизу та зверху за допомогою розтяжок 6. Розтяжки 6 забезпечують постійність положення крила 5 відносно осі натягнутого стропа 2 (з люфтом, який допускає технологія зборки). У цьому випадку розтяжки забезпечують прямий кут нахилу плоского крила до натягнутого стропа. Нижній приладовий блок 4 може бути виконаний у вигляді одного конструктивного елемента, наприклад, як показано на ілюстраціях, у вигляді одного плавучого приладового контейнера обтічної форми, або у вигляді декількох конструктивних елементів, з'єднаних гнучким зв'язком, - наприклад, у вигляді зануреної у воду приладової "коси" (гірлянди вимірників), або у вигляді з'єднаних кабель-тросом декількох плавучих приладових контейнерів обтічної форми. Конструктивні параметри заявленого зонда можуть бути, наприклад, такими: за малої автоматичності зонда, наприклад, 7 днів, та більшої частки ваги, що приходиться на елементи живлення, оболонка 1 зонда виконана еластичною або фольгованою та має діаметр приблизно 3 2 м, об'єм - біля 3 м та вантажопідйомність - 3,0 кг. Кращими у світі вважаються японські оболонки фірми «ТОТЕХ» [2]. Строп 2, крім механічного з'єднання елементів конструкції зонда, забезпечує електричний зв'язок між приладами, тому, залежно від завдань, як строп 2 може бути використаний, наприклад, дріт польовий двожильний П-274М або кабель-трос, виготовлений у лабораторних умовах, що являє собою виту пару ізольованих провідників типа МГТФ та вантажонесучий сердечник з троса діаметром 1 мм, поміщений до оболонки з термоусадної трубки. Довжина стропа дорівнює, наприклад, 20 м. У цьому прикладі у нижньому приладовому контейнері 4 вагою 0,5 кг розташовано датчик температури води. Крило 5 являє собою, наприклад, чотирикутний каркас із натягнутою на нього тонкою лавсановою тканиною. 2 Вага крила площею 0,75 м з розтяжками з капронових ниток становить 0,25 кг. У верхньому приладовому контейнері 3 розташовують основну масу наукових приладів, таких, як датчик швидкості та напряму вітру, альтиметр (вимірник висоти над рівнем моря), GPS-приймач, акселерометр для реєстрації траєкторії руху оболонки, датчик температури та вологості повітря, система супутникового зв'язку, а також елементи живлення. У цьому прикладі, за невеликої вантажопідйомності оболонки, зонд-буй баластують наступним чином. Загальна вага наукових приладів у верхньому приладовому контейнері 3 становить біля 2,2 кг. При цьому сумарна вага обладнання радіозонда без урахування ваги нижнього приладового контейнера 4 становить 3,0 кг, тобто, дорівнює вантажопідйомності оболонки 1. Це означає, що газонаповнена оболонка тримає у повітрі усю конструкцію радіозонда, крім нижнього приладового контейнера, який залишається на плаву. У загальному випадку співвідношення загальної ваги зонда у повітрі та вантажопідйомності газонаповненої оболонки задається розрахунковим та дослідним шляхом, виходячи з вимоги стабільного натягнення стропа та з конкретних умов, таких, як конструктивні параметри зонда, максимальна потрібна висота його підйому над поверхнею води, вага кожного з контейнерів приладового блока, необхідність перебування нижнього контейнера на плаву або заглиблення його у воду на певний горизонт, передбачувані кліматичні та метеоумови у досліджуваному районі акваторії. Одним з головних напрямків при цьому є мінімалізація ваги зонда та розміру оболонки. Вищенаведеним розподілом навантажень забезпечується заданий винаходом рух зонда-буя під час його дрейфу. Постановка зонда у досліджуваній акваторії здійснюється з борта судна або літального апарата, а також з берега. Радіозонд-буй рухається наступним чином. За повної відсутності вітру (фіг. 1) газонаповнена оболонка 1 прямує угору, забезпечуючи натягнення стропа 2, його вертикальне положення, внаслідок дії на строп вертикальної, спрямованої вгору, сили, що 2 UA 98186 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дорівнює вантажопідйомності оболонки. У цьому прикладі вага у повітрі усієї конструкції зонда перевищує вантажопідйомність оболонки на величину ваги нижнього приладового контейнера 4, тому плавучий нижній приладовий контейнер 4 продовжує залишатися на воді. Жорстко встановлене плоске крило 5 із-за вертикального положення стропа 2 розташовується горизонтально. Через відсутність повітряного потоку, що набігає, крило 5 не створює підйомної сили, парусності немає. У такому положенні зонд переміщується лише під впливом течії, що впливає на нижній приладовий контейнер 4. За наявності вітру (фіг. 2), швидкість якого дорівнює VВ, строп відхиляється від вертикалі під дією на оболонку горизонтальної сили тиску вітру R0, парусності. Нахил стропа викликано тим, що оболонка спрямована рухатися вперед у напрямку вітру, а нижній приладовий контейнер, що перебуває у воді, створює опір FТ цьому руху. Якщо порівняти із прототипом - у ньому через сили опору FТ із-за великого вітру відбувається пригинання оболонки до морської поверхні або навіть її притиснення до води. На відмінку від прототипу, у заявленому винаході виключено притискання оболонки, навіть із-за значного збільшення сили вітру - крило не дозволить оболонці опуститися надто низько до поверхні океану. Заявлений зонд працює як система автоматичного регулювання - він дрейфує саме у зазначеному, обмеженому зверху й знизу, діапазоні висот. Це пояснюється наступним. Нахил стропа (під дією сили тиску вітру R 0 та сили опору FT) утворює кут атаки на крило, у результаті чого виникає додаткова підйомна сила Q К, спрямована вгору, як і сила вантажопідйомності оболонки Q 0. Ця додаткова підйомна сила підсумовується з вантажопідйомністю оболонки. Коли швидкість вітру досягне деякої величини й до вантажопідйомності оболонки додасться достатня підйомна сила крила, оболонка та крило, діючи спільно, витягнуть нижній приладовий контейнер з води. Через зменшення сили опору швидкість дрейфу радіозонда різко зросте. Збільшення підйомної сили крила QК із-за зростання швидкості потоку повітря, що набігає на крило, відбувається з двох причин. Перша - це безпосередньо сама величина VB швидкості вітру. Але крім того, збільшення швидкості вітру викликає збільшення нахилу стропа, а разом з ним - й збільшення кута атаки на крило, що також автоматично призводить до збільшення Q К. Підйомна сила крила, збільшення якої пов'язане з посиленням вітру, не дозволяє оболонці зонда опускатися до поверхні води, а, навпаки, прагне підняти її вгору. Тобто, сила вітру, яка прагне притискати оболонку до поверхні океану, за допомогою крила перетворюється на підйомну силу, що перешкоджає цьому процесу. Необхідно наголосити, що будь-які змінювання кута нахилу натягнутого стропа призводять до змінювань кута нахилу крила та, відповідно, - до зміни підйомної сили крила. Така залежність забезпечується жорсткою фіксацією площини крила відносно осі стропа зверху та знизу розтяжками. Таким чином, збільшення швидкості вітру призводить до збільшення підйомної сили крила QК та збільшення швидкості дрейфу зонда, крило не дозволяє оболонці опускатися до води нижче заданого горизонту, причому дія крила у необхідному напрямку відбувається в автоматичному режимі. Крім підйомної сили QК на крило діє й горизонтальна сила тиску вітру R К (парусність), яка також збільшує швидкість дрейфу. Далі, щойно нижній приладовий контейнер буде піднято на деяку висоту над водою (фіг. 3), через нахил стропа нижній приладовий контейнер, діючи як маятник, точка підвісу якого перебуває вверху зонда спереду по вітру, почне рухатися вперед по вітру до стану рівноваги, тобто, до положення, за якого строп буде розташовуватися вертикально. Цей маятниковий рух зонда буде супроводжуватися зниженням підйомної сили крила через зменшення кута атаки на нього та приведе до торкання нижнім приладовим контейнером води (таке положення показано пунктиром). Якщо ж зонд встигне піднятися вище над водою (фіг. 4), то після закінчення маятникового руху нижнього контейнера, за вертикальним положенням стропа, не відбудеться торкання нижнього приладового контейнера води - він зависне на висоті h (ліве пунктирне зображення), максимальна величина якої задана баластуванням. Через те, що вантажопідйомність оболонки менша за вагу зонда на величину ваги нижнього приладового контейнера, а також через рівність нулю підйомної сили крила за такого положення стропа, зонд буде знижатися до моменту торкання нижнього приладового контейнера поверхні води (праве пунктирне зображення). Так система крило-вантаж (до системи належать усі елементи зонда) автоматично обмежує висоту підйому зонда. Потім усе повториться: нижній приладовий контейнер знов створить силу гальмування, нахил стропа приведе до збільшення кута атаки на крило, виникне додаткова підйомна сила, зонд відірветься від води та зробить маятниковий рух, потім зонд знов буде опускатися, торкатися води та прослизати по водній поверхні із-за сильного вітру, потім - знов підійматися. 3 UA 98186 C2 5 10 15 20 25 30 Процеси, що відбуватимуться із зондом, будуть циклічними, будуть повторюватися один за одним у наведеній послідовності. Траєкторія руху газонаповненої оболонки матиме хвилеподібний характер і буде здійснюватися в обмеженому баластуванням, у тому числі довжиною стропа та регулюванням крила, діапазоні висот. Для зменшення динамічних навантажень на строп та усю систему, що виникають у результаті хвилеподібних рухів оболонки, великий за вмістом нижній приладовий контейнер виконують у вигляді низки плавучостей, з'єднаних між собою гнучким зв'язком. Зауважимо, що велика швидкість вітру, турбулентність та хвилювання океану можуть вносити елемент невизначеності до характеру руху зонда, можливі короткочасні виходи його з заданого горизонту висот, однак, таку позаштатну поведінку зонда може бути виявлено за допомогою даних альтиметра, та відповідно до цих даних вимірювані параметри можуть бути відфільтровані, тобто, похибка може бути врахована у результаті вимірювань. Суть заявленого винаходу пояснено на прикладі конструкції зонда із невеликою вантажопідйомністю - 3,0 кг. Однак, навіть обмежену декількома добами автономну роботу зонда може бути виправдано з огляду на отримувану наукову інформацію - зонд здатний, за середньої швидкості вітру 5 м/с та швидкості дрейфу приблизно 2 м/с, за одну добу зробити «зріз» над поверхнею океану довжиною більше 170 км. Відповідно за 7 днів - 1200 км. Для виконання «зрізу» такої довжини за використанням навіть найменшого морського судна необхідні витрати у декілька тисяч доларів. Заявлений зонд здатний передавати інформацію з районів ураганів, де перебування суден небажане, але в яких дослідження турбулентного суміжного шару океан-атмосфера являє великий науковий інтерес. Він дає унікальну можливість проводити дослідження в умовах, наближених до вимог лагранжевої методики вимірювань. Ілюзорно простий, винахід забезпечує дуже важливу в океанографії властивість підвищення точності проведених вимірювань параметрів атмосфери у суміжному шарі океану як за рахунок автоматичного утримування вільно дрейфуючого радіозонда-буя у потрібному діапазоні висот над поверхнею води, так і за рахунок збільшення швидкості дрейфу. Джерела інформації: 1. Ґуральник.И.И., Дубинський Г.П., Мамиконова С.В., Метеорология. – Л.: Гідрометеоиздат, 1972. - С. 21 - прототип. 2. Сайт ФДУП «Гідрометпоставка» (www.zondr.ru). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Океанографічний надповерхневий дрейфуючий радіозонд-буй, що містить приладовий блок, з'єднаний стропом з газонаповненою оболонкою, вантажопідйомність якої співвідноситься з вагою радіозонда-буя, який відрізняється тим, що на стропі закріплено крило, яке має постійне положення відносно осі натягнутого стропа, вага у повітрі радіозонда-буя перевищує на задану величину вантажопідйомність оболонки, при цьому приладовий блок містить у собі електрично з'єднані верхній блок, закріплений на верхній частині стропа, та нижній блок, закріплений на нижньому кінці стропа й виконаний у вигляді одного елемента або декількох елементів, з'єднаних гнучким зв'язком. 4 UA 98186 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5