CC BY-NC
27
Озеров М.В.
ЗАО «Центральный научно-исследовательский институт судового машиностроения», Санкт-Петербург. Россия
ДРЕЙФУЮЩАЯ СИСТЕМА СБОРА ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПЕРЕМЕННОГО ГЛУБИННОГО ПРОФИЛЯ
Изложены результаты проработок концепции создания перспективного дрейфующего комплекса для проведения океанографических исследований в различных районах Мирового океана.
Ключевые слова: подводный комплекс, океанография, дрифтер, буй нейтральной плавучести, дрейф, ветровое течение.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Озеров М.В. Дрейфующая система сбора океанографических данных переменного глубинного профиля. Труды Крыловского государственного научного центра. 2018: специальный выпуск 1: 000-000.
УДК 551.46:681.3 DOI: 10.2493 7/2542-2324-2018-1-S-I-235-241
Ozerov M.
JSC Central Research institute of Marine Engineering. St. Petersburg. Russia
DRIFTING OCEAN DATA STATION OF VARIABLE DEPTH
Conceptual design studies for developing an advanced drifting ocean data system intended for operation in various parts of the world ocean are described.
Key words: underwater system, oceanography, drifter, neutral-buoyancy buoy, drift, wind-driven current Author declares lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Ozerov M. Drifting ocean data station of variable depth. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018: special issue 1: 000-000 (in Russian).
UDC 551.46:681.3 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-1-S-1-235-241
Мировой океан, таящий в своих недрах огромные запасы пищевых и минеральных ресурсов, становится в настоящее время сферой хозяйственной де-ятелвностн человека. Более 10 % животнвк белков, употребляемых в пищу населением планеты, добывается в океанах и морях. Более 30 % мировой добычи нефти ведется в прибрежных зонах океана, кроме того, освоена промышленная добыча газа и некоторых редких полезных ископаемых.
Океан является главной транспортной артерией планеты, он в существенной степени определяет погоду Земли за счет аккумулирования значительных запасов тепловой и механической энергии. Интересы народного хозяйства требуют интенсивного развития сырьевой и энергетической базы, и изучение Мирового океана как наиболее перспективного источника становится первоочередной задачей.
В настоящее время получили развитие и активно используются следующие методы и средства исследования океана:
■ дистанционное зондирование с исполвзованием искусственных спутников 'Земли (ИЗС);
■ автономные океанологические станцшг (АОС);
■ свободно дрейфующие буи, буи нейтральной плавучести (БНП) и буи-профипемеры:
■ автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА);
■ глубоководные обитаемые подводные аппараты:
■ судовые океанографические наблюдения. Дистанционное зондирование с помощью искусственных спутников (при их достаточном количестве) позволяет вести наблюдение за всей поверхностью Мирового океана и проистекающими в нем процессами, такими как: таяние и образование ледяного покрова полярных зон, образование циклонов и антициклонов, погодные наблюдения. Также спутники позволяют выполнять контроль уровня моря, измерение температуры поверхности океана и многие другие измерения. Этому способствуют имеющиеся средства наблюдения, позволяющие вести контроль за океаном в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом спектрах. Но у этого способа есть и существенный недостаток: с помощью спутников невозможно заглянуть в океан и производить измерения температуры, солености, давления и многих других параметров непосредственно на глубине. Для решения подобных задач требуются приборы и методы, позволяющие проводить вертикальное зондирование толщи вод океана. В данный момент наибольшее распространение получили автономные океанографнческие станции, свободно дрейфующие буи. БНП и буи-профнлемеры.
Океанограф1гческие станции позволяют непрерывно получать информацию о состоянии выбранного участка толщи океана в течение большого промежутка времени. Но в то же время с их помощью возможно проводить только локальные измерения. Для оперативных и глобальных измерений (в том числе и для измерений течений) применяются свободно дрейфующие буи и БНП. Свободно дрейфующие буи (они же дрифтеры) измеряют температуру и прозрачность приповерхностного слоя воды, а так же атмосферное давление (примером может служить отечественный буй «ЛОБАН»). Специализированные метеорологические дрифтеры (например, серия дрифтеров WaveGlider Mercury, разработка компании Liquid Robotics, США) способны определять основные характеристики приводного слоя атмосферы (скорость и направление ветра, влажность воздуха и прочее).
БНП перемещаются в толще воды под действием подводных течений. Они так же способны перемещаться, изменяя свою плавучесть. БНП осуществляют долговременные измерения профилей температуры и солености воды. В момент всплытия накопленные данные передаются через уже упомянутые спутники исследовательской группе на землю. Такой подход, совмещающий перечисленные методы и средства не следований, позволяет создать глобальную исследовательскую сеть для всеобъемлющего контроля за Мировым океаном.
Предлагаемая в данной работе система является своеобразным гибридом дрифтера и буя нейтральной плавучести. Она объединяет в одном устройстве несколько различных датчиков для проведения измерений параметров как приповерхностного слоя воды и прилегающей атмосферы, так и более глубоких слоев океана (до 600 м). Система будет иметь срок жизни, превышающий срок жизни буя-профипемера, за счет возможности подзарядки входящих в ее состав аккумуляторов (с помощью солнечных батарей) и. в то же время, сможет проводить измерения недоступные для дрифтеров (такие, как профили температуры и солености на глубине, измерение скорости звука и другие). Продолжительность измерений - от полутора до двух лет.
Так же создание данной системы представляется актуальным ввиду морального и технического устаревания имеющихся в Российской Федерацшг устройств (так, зондирующий дрифтер «Зенит» и дрифтер «ЛОБАН» были созданы в период «перестройки». распада СССР и «лихих» 90-х), а также тем. что проектировавшиеся в период 90-х гг. перспективные устройства так и не вышли за рамки
НИОКР и макетов. Ввиду задачи освоения Арктики и контроля за ней наличие подобных систем крайне необходимо.
Назначение системы определено техническим заданием:
■ измерение параметров приповерхностного слоя атмосферы:
■ измерение параметров верхнего н глубинных слоев океана;
■ составление карты течения (как поверхностного слоя, так и глубинного).
Система передвигается в горизонтальной плоскости под действием течения, в котором находится.
В связи с тем, что для возможности цроведения измерений всех заявленных в техническом задании параметров системе по сути придется находиться одновременно в двух средах (под водой и над ней), было принято решение разделить ее на дна отдельных блока, соединенных тросовой системой - на верхний и погруженный подвижный, перемещающийся по тросу. К концу троса прикреплен груз-заглубигель (рис. 1).
Верхний блок находится на поверхности воды. Он осуществляет измерения параметров приповерхностного слоя атмосферы и верхнего слоя воды, таких как: температура, влажность, направление движения н скорость воздуха у поверхности воды: температура, соленость верхнего слоя воды, количество кислорода в нем и прочее.
В состав аппаратуры верхнего блока входят:
■ метеостанция АиМаг РВ200 для измерения параметров приповерхностного слоя атмосферы:
■ блок спутниковой связи АМл05-3 для связи с землей, уточнения своего местоположения и отправки накопленных данных на землю:
■ жесткий диск для записи данных измерений верхнего блока;
■ лебедка с ходовым тросом, по которому перемещается подвижный блок. Так же в тросе находится проводник для функционирования индукционного модема;
■ управляющий контроллер на базе процессора Ва1ка1-Т1;
■ приемное устройство индукционного модема для получения данных измерений, проведенных подвижным блоком (встроено в управляющий контроллер и получает питание от него). Верхний блок осуществляет непрерывные измерения параметров верхних слоев воды и приповерхностного слоя атмосферы в течение всего времени работы системы (рнс. 2).
Структурная схема электроники верхнего блока представлена на рис. 3.
Рис. 1. Общий вид комплекса Fig. 1. General view of system
Аккуму- Ш лятор
Рис. 2. Верхний блок Fig. 2. Topside block
Электропитание - автономное, осуществляется от бортового лнтнй-ионного аккумулятора. Напряжение в системе 17= 12 В. Исходя из характеристик приборов (рабочего напряжения и тока) высчитаем энергопотребление: ЦП управляющего контроллера: 5 Вт; жесткий диск: 7 Вт; метеостанция: Рмс = 12В 0,22 А = 2,64 Вт; блок спутниковой связи: Рбсс= 12В 0,12А= 1,44 Вт. Просуммировав полученные значения получим общее энергопотребление систем верхнего блока: Рвбоб = 5 Вт + 7 Вт + 2,64 Вт +1.44 Вт = 1 б, 08 Вт.
Верхний блок
Подвижный блок
Ходовой трос
Груз-заглубите ль
Пополнение запаса электроэнергии осуществляется с помощью блока солнечных батарей, закрепленного на верхней поверхности блока. Емкости аккумулятора должно хватить как минимум на месяц автономной работы (720 ч), так как КПД солнечных батарей сильно зависит от погодных условий, и не всегда будет возможно пополнить запас энерппг. С учетом этих факторов суммарная емкость аккумулятора верхнего блока составит
-¥вб = 16,08Вт-720ч = 11520Вт -ч.
Погруженный подвижный блок перемещается по ходовому торсу в толще воды с помощвю электромотора. Блок осуществляет получение вертикальных профилей океанографическнх параметров, таких как температура, соленость, давление, скорость звука в воде, количество кислорода и прочее. Для этого он осуществляет цикл всплытие-погружение. Блок осуществляет до пяти подобных циклов раз в 1-2 сут. со скоростью перемещения 0,5 м/с. Продолжительность цикла: 1 час. Итого в сутки блок работает в течении 5 часов.
В состав аппаратурв1 подвижного блока входят (рис. 4):
■ датчик температуры, солености, давления, и флуориметр дня проведения соответствующих измерений МЕЧ1-РАСК. Число нзмеряе-мых параметров можно увеличить, подключив к данному датчику дополнительные. Возможна установка акустической антенны:
■ электромотор с планетарным редуктором для передвижения по тросу:
■ жесткий диск для хранения накопленнвгс данных измерений;
■ акселерометр измерения скорости и направления движения системы.
■ управляюпппг контроллер на базе процессора Ва]ка№;
■ индукционный модем 5еаВпс1 5ВЕ 44 для передачи накопленных данных в верхний блок. Функционалвная схема электроники подвижного блока представлена на рис. 5.
Электропитание - автономное от бортового аккумулятора большой емкости. Рабочее напряжение 11= 12 В. Исходя из характеристик приборов высчитаем энергопотребление: ЦП управляющего контроллера 5 Вт: жесткий диск: 7 Вт; датчик СГО-Б:
Ведущий ролик
\
Управляющий контроллер
Эле ктродв и гате л ь с редуктором
Датчик CTD-F
/
Направляющие ролики
Аккумулятор
Рис. 4. Подвижный блок Fig. 4. Moving block
Рис. 5. Функциональная схема электроники подвижного блока
Fig. 5. Circuit diagram of moving block electronics
Жесткий диск
Рд = 12 B-0,03 А* = 0,36 Вт; потребление электромотора: Рэм = 12В-0,634А= 7,608 Вт: потребление индукционного модема: Рим = 12В-0.01 А = 0,12 Вт. Просуммировав полученные значения, получим
Й5боб = 5 Вт + 7 Вт + 0,36Вт+7,608Вт + 0,12 = = 20,1Вт.
При времени работы по 5 часов в суткн в течении 2 лет необходимый запас энергии аккумулятора составит (с некоторым запасом):
№ б = 20,1 Вт ■ 5ч ■ 365 суток ■ 2 = 75000 Вт ■ ч.
Максимальная глубина погружения подвижного блока определяется предельной возможной глубиной работы датчиков, входящих в состав подвижного блока. В качестве основного предлагается использовать мульти-датчик температура-соленость-давление- флуориметр MINI-PACK (разработка компании Chelsea Teclmologies Group. Великобритания). Его максимальная рабочая глубина составляет 600 м. Также возможно использование датчиков, регистрирующих только один параметр единовременно (к примеру, решения компании Sea-Bird, США). Создание отечественного аналога подобных датчиков в рамках импортозамещения является важной задачей, решение которой позволит развить в нашей стране необходимые технологии н устранить зависимость от зарубежных стран.
В подвижном блоке предусмотрено несколько разъемов под различные датчики для проведения более широкого спектра измерений.
Наиболее близким аналогом подвижного блока может служить отечественный зонд-профшюграф
«Аквалог» (разработка Института океанологии им. П.П. Ширшова, Москва). Он применяется в качестве составного элемента автономных океанологических станций. Также аналогом является зонд-профилограф McLane Moored Profiler (разработка компании McLane Research Lab. США).
Комплекс поставляется заказчику в стандартном двадцатифутовом контейнере. В нем же он доставляется на судно, с которого будет осуществляться его постановка. При этом верхний и подвижный блоки соединены в единое целое. Солнечная батарея демонтирована. Аккумуляторы обоих блоков не заряжены. Д.ля приведения комплекса в рабочее состояние потребуется смонтировать на корпусе верхнего блока солнечную батарею так, как представлено на чертежах (в инструкции), и зарядить аккумуляторы блоков (от сети корабля). Также перед постановкой комплекса на воду необходимо проверить работоспособность всех систем комплекса - метеостанции, блока спутниковой связи, датчика CDT-F, электромотора, управляющего контроллера, жестких дисков, лебедки.
Когда работоспособность всех систем будет подтверждена, и аккумуляторы будут заряжены, комплекс следует краном-манипулятором опустить на поверхность воды. После этого лебедка, присоединенная к сети корабля, размотает трос на длину, равную предельной глубине погружения подвижного блока. Границей этой глубины служит груз, закрепленный на погружаемом конце троса. После его разматывания лебедка отключается от сети корабля. Затем подвижный блок отделяется от верхнего н начинает погружение.
Лебедка с тросом
г
4
Метеостанция
Управляющий контроллер
Аккумулятор
Рис. б. Верхний блок в полярном исполнении Fig. 6. Topside block (polar design)
Для использования в условиях Арктики предусмотрен иной вариант компоновки системы. Верхний блок предполагается вмораживать в лед. Также ввиду сложных климатических условий и недостатка солнечного света блок солнечных батарей и подзаряжаемый от него аккумулятор относительно небольшой емкости заменяется на один аккумулятор, способный обеспечить энергией все системы верхнего блока на протяжении всего цикла работы (рис. 6). В данном случае необходимая емкость аккумулятора составит
Лвб = 16,08Вт 24часа ■ 365 суток- 2 = 290000 Вт ч.
Подобные системы уже реализованы за рубежом и используются для проведения океанографических наблюдений в арктической зоне. Это Polar Ocean Profilng System (POPS, совместная разработка компаний JAMSTEC и MetOcean, Япония - Канада), и Ice Tethered Profiler (ITP, разработка Вудс-Холвского Института океанографии. CHIA). Данные системы активно применяются с 2008 г., в том числе и в отечественных экспедициях.
Для наблюдения за исследуемым районом океана предполагается использование нескольких систем (от десяти и более), объеднненнвгх в единую информационную сеть. Это позволит получить наиболее полную картину происходящего в исследуемом районе. Также это будет более экономически оправдано, нежели использование двух отдельных групп аппаратов для наблюдения за приповерхностным и глубинным слоями океана в исследуемом районе. Установка на подвижный блок системы вместо одного из датчиков акустической антенны (микрофона) позволит использовать ее в качестве системы обнаружения и опознавания подводных лодок и аппаратов (по.лучится своеобразный аналог американской системы SOSUS).
Освоение Арктики, контроль за ее экологией, ресурсами и успешная защита северных рубежей нашей страны от возможных враждебных действий соседних государств требует наличия специальных технических средств. Предлагаемая система позволит решать широкий спектр научных и оборонных задач в любом (в том числе и арктическом) регионе Мирового океана. В работе рассмотрены основные вопросы, связанные с формированием облика и аппаратного состава предлагаемой системы. Также был определен аппаратный состав системы и ее основные энергетические характеристики, составлена математическая модель поведения системы при дрейфе под действием ветрового течения. Информационной базой послужили источники, опубликованные в открытой печати.
Следует отметить направления, в которых предлагаемая система может быть улучшена: увеличение КПД солнечных батарей, улучшение характеристик батарей верхнего и нижнего блоков, совершенствование математической модели поведения системы при нахождении течении, разработка отечественных аналогов используемых датчиков.
Библиографический список
References
1. Писарев C.B. Опыт применения автоматических дрейфующих устройств для исследования водной толщи и ледового покрова Арктики в начале XXI века. М.: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. 2014. [S. Pisarev. Service experience with automatic drifting devices intended for studying water columns and ice cover in the Arctic in the early XXI century. M. P.P. Shirsliov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences. 2014. (In Russian)].
2. Островстш AT., Зацепин AT., Соловьев АГ., Цибульский АЛ., ШвоевДА. Автономный мобильный аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования морской среды на заякоренной подводной станции. М.: Инстшут океанологии им. П.П. Ширшова РАН 2012. [A. Ostmvstiy. A. Zatsepin, A. Solo\1e\\ A. Tsibubkiy,
D. Shvoev. Autonomous mobile software & hardware system for vertical probing of marine environment on a moored underwater station. M. P.P. Sliirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences. 2012. (In Russian)].
3. Мотыжев C.B. Лунев ET. Толстошеее А.П. Развитие дрнфтерных технологий и их внедрение в практику океанографических наблюдений в Черном море и Мировом океане. Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. 2011. [£ Motyzhev,
E. Lunev, A. Tolstosheev. Drifter technology development
and implementation for practical oceanographic observation in the Black Sea and world ocean. Sevastopol: Marine Hy-dropliysical Institute. National Academy of Sciences of Ukraine. 2011. (In Russian)].
4. Смирнов Г.В., Еремеев B.H., Агеев М.Д., Каратаев Г.К., Ястребов B.C., Мотыжев С.В. Океанология. Средства н методы океанологических исследований. М.: Наука. 2005. С. 81-125. [G. Smmiov. V. Eremeev, М. Agee\\ G. Korotaev, V. Yastrebov, S. Motyzhev. Oceanology. Means and methods of oceanological investigations. M.: Nanka. 2005. P. 81-125. (InRussian).
5. McLane Moored Profiler Datasheet. McLane Research Laboratories. Massachusetts. USA. 2011.
Сведения об авторах
Озеров Михаил Вячеславович, ннженер-консгруктор Ш категории ЗАО «ЦНИИ судового машиностроения». Адрес: 192029. Санкт-Петербург, ул. Крупской, д. 2а. Тел.: +7 (963) 247-39-22, +7 (999) 668-29-33: E-mail: mvozerov@ma il .ш.
Abo lit the authors
Ozerov M., design engineer in category. JSC Central Research institute of Marine Engineering. Address: ul. Knipskoi 2a, St. Petersburg 192029, Russia. Tel.: +7 (963) 247-39-22, +7 (999) 668-29-33; E-mail: mvozerov@mail.ru.
Поступила/Received: 02.03.18 Принята в печать / Accepted: 18.04.IE © Озеров M.B., 2018
