Возможные направления совершенствования средств траления акваторий в целях гуманитарного разминирования Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич, профессор, доктор технических наук БРОВИН Андрей Валерьевич, кандидат технических наук

ВОЗМОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ ТРАЛЕНИЯ АКВАТОРИЙ В ЦЕЛЯХ ГУМАНИТАРНОГО РАЗМИНИРОВАНИЯ

В последнее время значительно возросла актуальность проблемы разминирования различных участков морских и речных акваторий, расположенных по всей планете. Это обусловлено, прежде всего:

♦ прокладкой газо- и нефтепроводов по морскому и речному дну;

♦ активным освоением морского шельфа, в том числе и на малых глубинах, там, где на дне особенно много взрывоопасных предметов;

♦ освоением прибрежных территорий с целью создания новых портов и расширения старых, строительства жилых и спортивных комплексов (программа «Большой Сочи», расширение порта Новороссийск и др.)

Балтийское море - самый «заминированный» участок мирового океана, где опасные находки обнаруживаются и через 60 с лишним лет после окончания Второй мировой войны. Известно, что только Германия установила во время войны в Финском заливе около 66 000 морских мин. Кроме того, на дне находится много неразорвавших-ся авиабомб и снарядов. Создаваемый Северо-Европейский газопровод (Nord Stream) длиной более 1200 км., пройдет здесь по дну моря.

Другие типичные, проблемные участки акваторий:

♦ побережье Персидского залива и

Красного моря;

♦ остров Сахалин и Курильские острова;

♦ участок реки Дунай, протекающий

по территории бывшей Югославии.

В целях освоения таких участков морского и речного дна необходимо предварительно произвести их траление — то есть осуществить поиск и уничтожение мин и других взрывоопасных предметов для обеспечения безопасности [1].

Необходимо отметить, что при ведении боевых действий как у нас в стране, так и за рубежом ускоренное разминирование прибрежной полосы предполагается осуществлять в основном взрывным способом с использованием удлиненных зарядов разминирования. В мирное время, учитывая огромный экологический вред (взрыв

Рис. 1. Основные методы обнаружения

многих тонн взрывчатого вещества в воде), этот способ неприменим.

При гуманитарном разминировании нет одного способа его реализации для всех типов акваторий. Этот процесс является творческим, весьма трудоемким и опасным. Как правило, он включает несколько этапов:

♦ первоначальный поиск объектов, похожих на взрывоопасные предметы;

♦ распознавание выявленного объекта;

♦ точное обозначение выявленного объекта с использованием системы «GPS/ ГЛОНАСС» и специальных буйков;

♦ обезвреживание взрывоопасных предметов (путем извлечения его из воды водолазом или локальное уничтожение взрывным способом на месте).

На рис.1 приведены основные мето-

Фото 1. Буксируемый магнитометр PROTON 4

взрывоопасных предметов в водной среде

ды обнаружения взрывоопасных предметов в водной среде [2 - 7]. Выбор методов обусловлен рядом факторов:

♦ максимальной глубиной поиска;

♦ прозрачностью воды;

♦ наличием на дне укрывающего слоя ила, под которым находится взрывоопасный предмет;

♦ неровностью дна, наличием камней и др.

В абсолютном большинстве случаев объекты поиска являются ферромагнитными (старые морские мины, авиабомбы, артиллерийские снаряды и др.). Это делает возможным использование для их обнаружения магнитометров. Типичный современный подводный магнитометр приведен на фото 1.

Максимальная дальность обнаружения взрывоопасных предметов современными магнитометрами, характерные размеры которых составляют десятки сантиметров, достигают в лучшем случае нескольких метров, однако этого часто бывает недостаточно. Магнитометры полезны в том случае, когда использование гидролокации затруднительно: при нахождении взрывоопасного предмета в толще неоднородного слоя грунта морского дна, при наличии

большого количества камней на дне и др.

Наиболее простой случай при гуманитарном разминировании — когда вода прозрачная, а дно ровное песчаное. Такие участки дна наиболее часто встречаются в море при спокойной погоде. Например, на Балтике при прокладке газопровода для поиска взрывоопасных предметов использовались гидролокаторы бокового обзора (ГБО) с высоким разрешением (единицы сантиметров), а также телеуправляемые малогабаритные подводные аппараты с телевизионными системами наблюдения. На фото 2 показан внешний вид такого аппарата, использованного при исследовании дна Балтийского моря и озера Байкал. Ха-

Фото 2. Телеуправляемый аппарат GNOM

Гидролокаторы бокового обзора (ГБО)

Диапазон фиксированной рабочей частоты на каждый борт 30 - 500 кГц*

Тип зондирующего сигнала тон, ЛЧМ

Разрешение по наклонной дальности 1 - 25 см

Максимальная наклонная дальность 60 - 7500 м

Диаграмма направленности приемо-передающей антенны (1 - 4)°x50°

Диаграмма направленности антенны и интерферометра (2 - 4)°x50°

Ширина бокового обзора на каждый борт 5 - 7 глубин

Точность построения рельефа дна в полосе до 6 глубин 0,5%

Система питания сеть 220 В/50 Гц, аккумуляторы

Профилографы с линейно-частотно модулированным зондирующим сигналом

Диапазон фиксированной рабочей частоты 30 кГц*

Тип зондирующего сигнала ЛЧМ

Система питания сеть 220 В/50 Гц, аккумуляторы

Примечание: * - Гидролокатор настраивается на фиксированную частоту в указанных диапазонах на этапе изготовления, по требованию пользователя обеспечивая соответствующую комбинацию «разрешение - дальность». Возможно двухчастотное исполнение, при этом параметры гидролокатора определяются рабочей частотой.

рактерные дальности зондирования дна при этом десятки — сотни метров.

В качестве типичного примера современного отечественного гидроакустического комплекса, пригодного для использования в целях поиска взрывоопасных предметов на акваториях, можно привести комплекс «Гидра». Это мобильный малогабаритный автоматизированный программно-аппаратный комплекс для площадного исследования дна, поиска подводных объектов с использованием цифровых методов обработки сигналов.

Комплекс пригоден для работы на водоемах практически любой глубины. Благодаря малой массе (около 20 кг) комплекс может мобильно разворачиваться на резиновой лодке и стационарно размещаться на катерах и судах небольшого водоизмещения.

Комплекс работает совместно со спутниковой системой определения местоположения GPS, а также с отечественными и иностранными системами определения курса, крен-дифферента, вертикальных перемещений («Мини навигация-К», «МРК-11»,

«Меридиан сервейер», «ОС;аш

осеапо» и др.)

Комплекс может быть гибко скомпонован для выполнения различных функций:

♦ ГБО для получения высококачественного акустического изображения дна, которое необходимо для поиска объектов, в том числе взрывоопасных;

♦ ГБО может быть расширен до комплекса площадной съемки дна, что позволяет одновременно получать высококачественное акустическое

Таблица 2. Зависимость основных характеристик комплекса от рабочей частоты

Частота, кГц Разрешение, см Рекомендуемая максимальная глубина, м Максимальная наклонная дальность, м

500 1 20 70

240 4 50 300

100 В 100 600

30 25 150 7500

а) Усиление демаскирующих магнитных свойств ферромагнитного взрывоопасного предмета (при поиске магнитометром)

б) Механическое разрушение взрывоопасного предмета (траление)

Накопитель электрической Накопитель электрической

энергии энергии

1

Коммутатор Коммутатор

(формирователь ударного импульса) (формирователь ударного импульса)

десятки миллисекунд десятки миллисекунд

воздух

вода

і і і + У *

2 воздух

вода

4 і 3

Рис. 2. Ударное магнитное и электрогидравлическое воздействие на взрывоопасный предмет в воде с целью его траления:

1 - излучатель импульсного магнитного поля;

2 - линия передачи электрической энергии;

3 - объект воздействия;

4 - разрядник электрогидроударной установки

Весьма сложный случай при гуманитарном разминировании в водной среде — это при мутной воде и большом слое мягкого ила толщиной в несколько метров, под которым находятся взрывоопасные предметы. Такой случай, например, имеет место при разминировании реки Дунай.

Предположительные объекты поиска при этом:

♦ американская бомба Мк 84 (масса 894 кг, длина 3,84 м, диаметр 0,46 м, масса стальной рубашки бомбы 464 кг);

♦ американская бомба Мк 83 (масса 447 кг, длина 3,0 м, диаметр 0,35 м, масса стальной рубашки бомбы 244 кг);

♦ американская бомба Мк 82 (масса 241 кг, длина 2,21 м, диаметр 0,273 м, масса стальной рубашки бомбы 154 кг);

♦ американская бомба BLU-109 (масса 893 кг, длина 1,6 м, диаметр 0,46 м, масса стальной рубашки бомбы 650 кг). Наибольшая глубина реки здесь —

8,1 м, толщина слоя ила — до 5 м. При поиске указанных объектов необходимо использовать комплект аппаратуры, состоящий из:

♦ гидролокатора бокового обзора;

♦ акустического профилографа;

изображение и рельефа дна; применяется для решения задач исследования участка дна перед разминированием, прокладкой кабелей связи, трубопроводов, проведении строительных работ и др.;

♦ для исследования структуры дна комплекс может быть укомплектован параметрическим профилографом, который позволяет увидеть слоистую структуру дна (песок, камни, глина и т.д.); при этом возможно выявление взрывоопасных предметов в слое однородного грунта или ила.

Основные технические характеристики различных модификаций гидролокатора «Гидра» приведены в табл. 1.

Характерные размеры взрывоопасных предметов и их конструктивных элементов (морских мин, артиллерийских снарядов, авиабомб и др.) составляют единицы - десятки сантиметров. Из табл. 2 следует, что для распознавания характерной формы взрывоопасного предмета на небольших глубинах целесообразно использовать частоты 200 - 500 кГц.

,м 4

3.5 3

2.5 2

1.5 1

0,5

0.

ж $ 3 / У'

' 2 ^ 1 І *0* > 1

і

і

і

0,05 0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

гмм

Рис. 3. Зависимости предельной глубины обнаружения ферромагнитной сферы от ее радиуса при различных уровнях намагниченности объекта поиска:

1 - ненамагниченный;

2 - намагниченный до Вг = (0,25 - 0,35)Вгтах;

3 - намагниченный до Вг = В,шах, где Вг - остаточная магнитная индукция ферромагнитного материала

Фото 3. Экспериментальная установка ЭГУ

♦ подводного магнитометра.

Из изложенного следует, что весьма проблематичными при разминировании акваторий являются два вопроса:

♦ недостаточная дальность действия современных магнитометров по обнаружению взрывоопасных предметов;

♦ значительная трудоемкость и опасность процесса уничтожения обнаруженного взрывоопасного предмета с использованием водолазов. Одно из возможных направлений

решения этих задач является применение ударного (импульсного) электромагнитного воздействия на ферромагнитные объекты поиска, находящиеся на дне акваторий (рис. 2).

Это воздействие может осуществляться в двух вариантах:

♦ созданием мощного импульсного магнитного поля в месте расположения предполагаемого взрывоопасного предмета;

♦ воздействием квазиконтактно-го электрогидравлического удара на обнаруженный взрывоопасный предмет.

В первом случае происходит усиление демаскирующих признаков ферромагнитных объектов за счет их намагничивания [8, 9]. При этом глубина обнаружения этих объектов в полу-проводящих средах может увеличиваться в несколько раз (рис. 3), что весьма важно для практики траления акваторий.

Зависимости 1 и 2 на рис. 3 проверены экспериментально с использованием магнитометра OGF-L. Наличие воды на дальность обнаружения не влияет.

Длительность намагничивающего импульса определяется, прежде всего, толщиной стенки взрывоопасного предмета, которая лежит в пределах 3 -25 мм. На практике эта длительность будет составлять десятки миллисекунд (с учетом необходимой глубины проникновения магнитного поля в стенку боеприпаса). Амплитуда импульсного магнитного поля должна быть приблизительно на два порядка больше постоянного магнитного поля Земли [9]. Потери поля во вмещающей полупро-водящей среде (грунте, соленой и пресной воде) для таких низкочастотных процессов незначительны.

Второй возможный вариант применения ударного воздействия на взрывоопасный предмет - это использование электрогидравлического удара (ЭГУ) (рис. 2). Как известно, между

разрядными электродами возникает давление на фронте ударной волны, измеряемое единицами - десятками тысяч атмосфер [10, 11]. Длительность импульсного давления составляет десятки микросекунд при напряжении между электродами в жидкости 10 -100 кВ. В тоже время для разрушения тонкостенной металлической оболочки взрывоопасного предмета достаточно импульсное давление в несколько сотен атмосфер.

Детонация в массиве взрывчатого вещества может быть возбуждена при импульсном (от 10 мкс и более) механическом давлении [12]:

♦ тротил — 11000 атм.;

♦ тетрил — 8400 атм.;

♦ ТЭН - 4800 атм.

Поэтому, эффект электрогидравли-ческого удара в принципе может быть использован для разрушения (траления) обнаруженных взрывоопасных предметов на дне акватории.

В качестве мобильных накопителей электрической энергии могут быть использованы:

♦ емкостные накопители;

♦ молекулярные накопители (ионис-торы);

♦ индуктивные накопители;

♦ сверхпроводящие индуктивные накопители.

Применительно к решаемой проблеме наиболее приемлемо использование емкостных накопителей. Из отечественных образцов лучше всего подходят импульсные конденсаторы

высокой удельной энергии типа КПИ, КПИ-1, КПИМ и КПИМ 1. Их характеристики:

♦ удельная энергия 0,1 - 0,3 Дж/г;

♦ электрическая емкость 1 - 240 мкФ

♦ напряжение - до 100 кВ;

♦ внутреннее сопротивление - деся-тые...сотые доли Ом;

♦ внутренняя индуктивность — 10. 85 нГн;

♦ максимальный импульсный ток — 100.300 кА.

Эти характеристики приемлемы для создания мобильных установок, предназначенных для траления акваторий. На фото 6 приведен вид экспериментальной установки ЭГУ, собранной с использованием отечественных высоковольтных конденсаторов КПИ с общей емкостью 2 мкФ. Рабочее напряжение — 30 кВ, энергия в импульсе 900 Дж, длительность импульса — десятки микросекунд (зависит от состояния электродов и свойств воды).

Даже при столь небольшой энергии ударного воздействия было зафиксировано повреждение металлического корпуса опытного цилиндра (фото 4), заполненного водой. Толщина стенок у него — 3 мм. Материал — сталь. Расстояние от разрядника до стенок цилиндра — несколько сантиметров.

Другое возможное направление использования ударного электромагнитного воздействия в целях траления — это подрыв или вывод из строя противодесантных мин с неконтактными датчиками цели. Как известно,

Литература

1. Военный энциклопедический словарь. Под редакцией Огаркова Н.В. М.: Военное издательство. 1984, 863 с.

2. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов. М. «Арбат-Информ», 2004, 144 с.

3. Вялышев А.И. и др. Аспекты, технологии и стратегии обследования ППОО в Балтийском, море/ Подводные технологии и мир океана, 2006, № 5 - 6, с. 50 - 56.

4. Захаров А.И. и др. Современный гидролокатор/ Специальная техника, 2001, № 6, с. 22 - 26.

5. Скнаря А.В. и др. Применение гидролокаторов бокового обзора для решения задач, безопасности судоходства и экологического мониторинга/ Специальная техника, 2003, № 2, с. 20 - 24.

6. Волков В.Г. Приборы, подводного видения/ Специальная техника, 2003, № 4, с. 2 - 10.

7. Касвицер В.И. и др. Акустическое зондирование морского дна сигналами с линейной частотной модуляцией/ Радиотехника, 2004, № 1, с. 42 - 46.

8. Щербаков Г.Н. Обнаружение объектов в укрывающих средах. М.: «Арбат. — Информ», 1998, 127 с.

9. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н. Увеличение глубины обнаружения локальных ферромагнитных объектов методом, дистанционного параметрического подмагничивания/ Специальная техника, № 6, 2004, с. 25 - 58.

10. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. М.: Машиностроение, 1986, 253 с.

11. Наугольных К.А. Рой Н.А. Электрические разряды, в воде. М:. Наука, 1971, 155 с.

12. Физика взрыва. Том. 1. Под редакцией Орленко Л.П., М.: Физматлит, 2002, 832 с.

основными каналами обнаружения у таких датчиков цели являются гидроакустический и магнитный. Воздействие на эти каналы мощных ударных помех, на много порядков превышающих характерный уровень сигналов, принимаемых от реальных целей, может привести к их срабатыванию (то есть подрыву мины) или выходу из строя (нейтрализации мины). При гуманитарном разминировании такой способ возможен вскоре после окончания военного конфликта, когда датчики цели установленных мин еще функционируют от своих источников питания. Реально этот срок может быть от нескольких месяцев до нескольких лет со дня установки этих мин.

Итак, в результате ударного электромагнитного воздействия на водную

среду с находящимися в ней взрывоопасными предметами возможно:

♦ осуществлять параметрическое намагничивание ферромагнитной оболочки взрывоопасных предметов в целях увеличения дальности их последующего обнаружения магнитометрами;

♦ производить разрушение взрывоопасных предметов в воде как за счет бездетонационного разрушения их конструкции, так и за счет возбуждения детонации в заряде взрывчатого вещества;

♦ осуществлять траление противодесантных мин с работоспособными неконтактными взрывателями (вскоре после окончания вооруженного конфликта — в целях гуманитарного разминирования).

Предложенное совершенствование магнитометрического метода поиска ферромагнитных объектов позволит увеличить вероятность обнаружения взрывоопасных предметов в водной среде за один проход и этим повысить общий темп ведения разведки.

Это удешевляет стоимость поисковых работ и уменьшает время их проведения, особенно для сложных условий (наличие толстого слоя неоднородного ила, большого количества камней на дне акватории и др.).

Другое предложенное новое направление совершенствования средств траления - это использование эффекта электрогидравлического удара для разрушения обнаруженных на дне взрывоопасных предметов. Это повышает безопасность работ при подводном разминировании, так как исключает привлечение водолазов для проведения опасных взрывных работ под водой. Особенно это важно при уничтожении невзорвавшихся боеприпасов (авиабомб, артиллерийских снарядов и др.), имеющих установленные взрыватели.