аварийная система внутрикорабельной радиосвязи

Формула изобретения

Аварийная система внутрикорабельной радиосвязи, содержащая в каждом отсеке корабля переносную радиостанцию, отличающаяся тем, что введены металлические полые цилиндры (резонаторы) длиной по 20 см, внутренний диаметр которых составляет 5 см, закрытые с торцов звукопрозрачным водонепроницаемым веществом, которые устанавливаются попарно в межотсечных переборках так, что их торцы находятся в смежных отсеках на расстояниях, кратных где N - целое число, - длина рабочей волны, при этом радиостанции излучают частоту, близкую к резонансной частоте полых цилиндров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для организации аварийной радиосвязи на кораблях, судах, подводных аппаратах, т.е. между изолированными, экранированными помещениями (отсеками).

Одним из основных требований к аварийной системе внутрикорабельной связи (ВКС) является обеспечение устойчивой связи между абонентами, находящимися в герметизированных и практически полностью экранированных помещениях, например отсеках подводных объектов (ПО). При этом предполагается, что на корабле или подводном объекте может возникнуть пожар, затопление отсеков или другая аварийная ситуация.

Известно радиопередающее устройство для связи, используемое в транспортном средстве [патент ФРГ № 3537107, Н 04 В 7/155, 1987].

Устройство состоит из радиопередатчика, внешней антенны, соединительного фидера, внутренней антенны, усилителя и приемника.

На транспортном средстве установлена внешняя антенна, принимающая посылаемые радиопередатчиком сигналы. Соединительный фидер антенны введен в транспортное средство, где принятый сигнал усиливается усилителем и посредством внутренней антенны излучается в пределах транспортного средства.

Недостатком этого устройства является невозможность установления гарантированной аварийной связи на кораблях, судах, подводных объектах, где имеется большое количество помещений, отсеков, которые, как правило, находятся в агрессивной внешней среде - воде. При применении такого устройства на корабле не обеспечивается требуемая надежность аварийной связи. Это обусловлено отсутствием в устройстве герметичного перехода ввода фидера и использованием дополнительного усилителя, требующего внешнего питания. Кроме того, в условиях пожара в отсеке фидер устройства является ненадежным элементом, т.к. подвержен выгоранию, что снижает надежность аварийной связи в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является “Система внутрикорабельной аварийной связи” [патент РФ № 2108671, кл. 6 Н 04 В 7/155 1985г.]. Система содержит симметричную направляющую линию, вдоль которой расположены абонентские приборы безбатарейной телефонной связи, малогабаритные приемопередатчики, портативные радиостанции и блоки сопряжения абонентских приборов безбатарейной телефонной связи с приемопередатчиками. Для приема и передачи речевой информации используется физическая цепь двухпроводной линии, по которой передаются электромагнитные волны. Сигналы с приемопередатчика передаются по двухпроводной линии связи в обе стороны и через блок сопряжения поступают на другие приемопередатчики, эти же сигналы проходят через приемопередатчики, усиливаются в блоках сопряжения и излучаются в отсеках корабля. Излучение принимается портативными радиостанциями.

Недостатком этой системы является то, что она не обеспечивает гарантированной аварийной связи на корабле вследствие того, что при выгорании любого из отсеков выгорают и проводные линии связи.

Одновременно следует указать, что нарушение проходящей через отсеки корабля, подводного объекта электрической магистрали, вызванное пожаром, механическим повреждением, проникновением кислот и т.д., ведет к потере радиосвязи между отсеками корабля, подводного объекта разделенными повреждением.

Это обусловлено характером распространения излучения радиостанции, определяемого только наводками на кабельные электрические магистрали ПО или корабля. Нарушение кабельных электрических магистралей в отсеках вследствие пожара наблюдалось на аварийной ПЛ “Комсомолец”.

Таким образом, надежность и эффективность работы существующей системы внутренней аварийной связи недостаточна и находится в зависимости от внешних факторов (состояние кабельных трас).

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и живучести аварийной внутрикорабельной связи.

Поставленная цель достигается тем, что в аварийную систему внутрикорабельной связи, состоящую из переносных радиостанций, размещаемых в каждом из отсеков корабля, дополнительно включены металлические полые цилиндры, установленные попарно в межотсечных переборках так, что их торцы находятся в смежных отсеках на расстояниях, кратных где N - целое число, - длины рабочей волны радиостанции, причем указанные торцы закрыты герметическими крышками из термостойкого высокопрочного диэлектрика, например кварцевого стекла, при этом радиостанции излучают частоту, близкую к резонансной частоте указанных цилиндров.

Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает повышение надежности работы системы корабельной внутренней радиосвязи в аварийных условиях.

На фиг.1 представлена структурная схема системы, где:

1 - прочный корпус ПЛ;

2 - межотсечные переборки;

3 - переносные радиостанции;

4 - металлические полые цилиндры;

5 - герметические крышки из диэлектрика.

Прочный корпус 1 служит для размещения личного состава и оборудования, межотсечные переборки 2 служат для образования герметизирующихся отсеков и размещения металлических полых цилиндров 4, радиостанции 3 служат для обеспечения передачи и приема информации в радиодиапазонах шкалы электромагнитных волн, металлические полые цилиндры 4 являются резонаторами для рабочих частот радиостанций 3 и служат для канализации электромагнитной энергии в пределах прочного корпуса 1 через переборки 2, герметичные крышки 5 служат для герметизации цилиндров 4 и обеспечивают условия переизлучения электромагнитной энергии при герметизации отсека в целом.

Крепление металлических полых цилиндров 4 с диэлектрическими крышками 5 на межотсечных переборках 2 в более крупном масштабе показано на фиг.2.

Устройство работает следующим образом.

При работе аварийной радиостанции 3 ее антенна возбуждает в пространстве отсека, образованного прочным корпусом 1 и межотсечными переборками 2, электромагнитное поле, представляющее собой комбинацию стоячих электрических и магнитных волн со сложной картиной распространения узлов и пучностей.

Сложная картина пространственного распределения узлов и пучностей стоячих электрических и магнитных волн определяется неидеальной формой отсека, свойствами материалов, произвольным распределением оборудования и другими факторами.

Электромагнитное поле, имеющее частоту, близкую к резонансной для полых металлических цилиндров 4, возбуждает в них направленные волны типа Е, Н или одновременно волны этих типов. Эти волны распространяются вдоль цилиндров 4 и переизлучаются в смежных отсеках.

Если торец одного из цилиндров 4 располагается в узле электрической или магнитной волны (наихудшее условие возбуждения), то для канализации энергии поля используется другой соседний цилиндр 4, расположенный от первого на расстоянии, кратном нечетному количеству четверти волны (условия пучности стоячей волны, т.е. оптимальных условий возбуждения).

Таким образом, излучения распространяются из отсека в отсек, испытывая переизлучение на резонаторах, образованных цилиндрами 4 с герметичными крышками 5. Это излучение принимается приемниками остальных радиостанций 3, размещенных в других отсеках. В данной системе радиостанции 3 работают с использованием прямого, а не наведенного излучения. Поэтому дальность аварийной связи будет находиться в пределах всего корабля, а не будет зависеть от расположения радиостанции 3 в пределах отсека, что определяется увеличением напряженности поля и его распределением. Кроме того, по указанной причине система оказывается независимой от нарушения целостности электрической кабельной магистрали, вызванной пожаром или другими причинами. Надежность системы в аварийных условиях обеспечивается применением для герметизации металлических цилиндров 4 высокопрочных термостойких диэлектриков, пожаростойкость которых выше, чем у изделий кабельных корабельных магистралей.

Параметры элементов системы могут быть оценены следующим образом.

Наиболее низкую критическую частоту в волноводе круглого сечения имеет волна типа Н_11. При заданной длине волны распространение энергии в волноводе круглого сечения возможно, если его радиус больше

для волн H_m,

для волн H_m,

[см. Айзенборг Г.З. и др. Антенны УКВ. Т. I, М.: Связь, 1977].

Учитывая, что, исходя из условий обеспечения прочности, внутренний диаметр цилиндров 4 может составлять 2а=5 см, а длина l=15-20 см, рабочая длина волны составит 5-10 см.

Таким образом, в качестве радиостанции 3 для использования в системе может быть применена переносная корабельная радиостанция Р-622, имеющая указанный диапазон частот и всенаправленную антенну.

В качестве материала крышек 5 цилиндрических резонаторов возможно применение специальных стекол, обладающих высокой прочностью, малыми диэлектрическими потерями и температурой плавления 1200-2100С (синтетический сапфир t_пл=2030, окись магния t_пл=2080). [Крикунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978].

Проведем обоснование заявленной системы. Итак, изотропный излучатель, установленный в замкнутом помещении, создает на его стенках поле, энергетическое распределение которого представляет собой сложную интерференционную картину.

В общем случае в предположении, что приходящие в точку приема лучи имеют одинаковые амплитуды и равномерное распределение фаз в пределах 0-2, энергетическое распределение поля будет равномерным. Тогда при увеличении числа описанных ретрансляторов передаваемая в смежные отсеки энергия будет пропорционально увеличиваться. В данном случае попарное размещение ретрансляторов обеспечит усиление эффекта переизлучения. Другим экстремальным случаем будет случай, рассмотренный в заявке, когда интерференционная картина будет представлять собой чередование минимумов и максимумов, отстоящих друг от друга на расстоянии Этот случай, как наиболее неблагоприятный, и учитывает предложенные попарные расположения резонаторов-ретрансляторов.

Для подтверждения сказанного рассмотрим интерференцию произвольно взятых двух лучей, представленную на фиг.2.

Пусть в помещении, имеющем в плане сегменты а₁ а₂ а₃ a₄ (где a₁ а₂=d=а₃ a₄ - ширина помещения и a₁ а₃=z - длина), интерферируют два луча, исходящих из точек а₁ а₂, причем картина имеет максимум в точке 0.

Точка 0 симметрична относительно точек a₁ а₂ и a₃ a₄.

Заметим также, что точки а₁ а₂ могут рассматриваться не только как крайние точки отсека, но и как две любые точки, произвольно выбранные в пространстве симметрично относительно оси 00₁.

Определим расстояние от точки 0 до ближайшего минимума Х интерференционной картины. Два луча, исходящих из точек а₁ а₂, будут иметь длину хода лучей r₁ и r₂. Результат взаимодействия лучей A(t) в точке Х можно записать как

где А - амплитуда, - частота, - волновое число.

В соответствии с обозначениями на фиг.3 длина хода лучей определяется:

Рассмотрим ход лучей:

Таким образом, функция A(t) имеет минимум, когда:

т.е.

откуда

при d2Z.

Обычно Z=1,5-2d, поэтому в реальном случае минимум картины, создаваемый большинством отраженных лучей, будет отстоять от максимума на расстояние которое может рассматриваться как крайний случай, учитываемый попарным размещением пассивных ретрансляторов.

Эффективность работы системы в условиях пожара будет определяться потерями на распространение поля в плазме, то есть величиной диэлектрической проницаемости. Как указано в В.А. Гинзбург. “Распространение радиоволны в плазме”. М.: 1969 г.

где f_пл=10⁷ Гц - частота плазмы.

Так как система использует для работы сантиметровый частотный диапазон, то и величина E_пл, определяющая потери в плазме, практически не изменится. Это дает основание полагать, что в условиях пожара работоспособность сохранится.

При полном затоплении отсека работоспособность системы в целом несколько снизится, вследствие того, что на участке затопленного отсека ведущую роль при ретрансляции сигнала будут играть кабельные трассы, которые в этом случае сохранятся. При частичном затоплении отсека, когда ретрансляторы не закрыты водой (экипаж сохраняет работоспособность), предлагаемая система работает эффективно.

В системе предполагается возбуждать резонаторы ненаправленным излучением радиостанции типа Р-622, следовательно, мощность возбуждения резонатора будет невелика, противоположный конец резонатора также генерирует ненаправленные излучения, таким образом, через 1-2 отсека излучение будет столь мало, что никакая радиостанция его не воспримет.

Это замечание справедливо для условий свободного пространства или ограниченного полупространства.

Однако в условиях замкнутого объема, ограниченного проводящей средой (случай загерметизированного отсека подводного объекта или помещения НК), независимо от типа излучателя (штырь, диполь и др.), вся испускаемая им энергия будет заключена в пределах указанного пространства.

При этом, если имеется согласованное с длиной волны и оптимально размещенное устройство вывода (в данном случае предлагается резонатор), в идеальном случае вся излученная энергия будет передана через это устройство.

В данном случае излучение радиостанции будет распространяться во всех направлениях в пределах диаграммы направленности, испытывая на каждом из направлений многократные отражения на экранирующей поверхности отсека и создавая на ней сложную интерференционную картину с чередованием максимумов и минимумов.

Если поместить в пучности такой картины согласованный резонатор, то он и будет являться единственным источником “утечки” всей энергии.

При этом в его возбуждение будут вносить вклад теоретически все пучки энергии, излучаемые антенной по различным направлениям, а не только пучки, падающие непосредственно на торец волновода. Таким образом, в идеальном случае резонатор теоретически будет возбуждаться всей энергией электромагнитного поля, излученной антенной.

В реальных условиях на каждом из направлений излучения будут иметь место потери, определяемые потерями в материале в местах отражений на границе “воздух-металл”. Тем не менее, несмотря на потери, энергия возбуждения резонатора будет больше энергии, определяемой лучами, падающими непосредственно на его торец, что позволит получить дальность связи большую, чем через 1-2 отсека. Однако даже в случае возбуждения резонатора только прямым излучением (наихудший случай) энергетические соотношения на трассе распространения обеспечат дальность связи значительно большую, чем два отсека.

Для оценки энергетических соотношений аварийной связи рассмотрим модель трассы. Модель представлена на фигуре 3.

В модели предполагается, что стенки отсека покрыты поглощающим покрытием. В качестве излучателя в модели выбран диполь (всенаправленная антенна радиостанции образована двумя скрещенными диполями), в качестве приемной антенны - также диполь, имеющий косинусную диаграмму направленности одного лепестка, как и торец резонатора.

При расчетах используем технические характеристики радиостанции Р-622 [Катанович А.А. Судовая светосигнальная связь. СПб.: Судостроение, 2002]

- мощность передатчика 50 мВт;

- чувствительность 510^-15 Вт;

- дальность связи:

на узконаправленные антенны - до 20 км;

на всенаправленные антенны - до 3 км.

Сопротивление излучения полуволнового вибратора R_прд=R_пp=75 Ом.

Тогда максимальный ток в передающей антенне

Максимальное Е_{мгн прд} мгновенное значение напряженности поля, создаваемое передающей антенной на расстоянии r=10 м (длина отсека), определяется [А.С. Дрибкин. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио, 1961], как

где - волновое число;

- угол направления на точку измерения (приема);

r - расстояние до точки измерения;

l - длина элементарного диполя.

Из этого же источника известно, что ЭДО, возбуждаемую в приемной антенне, можно определить из соотношения

где - коэффициент усиления антенны (для диполя =3,28);

F(,) - диаграмма направленности, зависящая от пространственных углов ориентации приемной антенны на источник излучения (может быть принята равной единице вследствие ограниченности по угловому перемещению передатчика и приемника).

Откуда

Коэффициент передачи по мощности для двух смежных отсеков составит:

Энергетический запас “приемник-передатчик” составляет

Таким образом, количество отсеков, обслуживаемых одной радиостанцией в одном направлении:

При размещении управляющей радиостанции в середине подводного объекта, общее количество отсеков которой не превышает 10, можно при использовании предлагаемой системы осуществлять связь в пределах всего подводного объекта.

Приведенный расчет проводился для наихудших условий распространения радиоволн. Однако с учетом дополнительного вклада в возбуждение резонаторов отраженных пучков имеется возможность прямой радиосвязи через все отсеки подводного объекта.

Для наилучших условий (идеальное распространение энергии без потерь на стенках отсека и оптимальное возбуждение резонатора) расчет не приводится, т.к. длина подводного объекта до 150 м, что значительно меньше дальности действия радиостанции - 3 км.

Можно заметить, что, отражаясь от переборок, волны, доходящие до резонаторов, будут испытывать интерференцию, что приведет к случайным замираниям сигнала на входах и, следовательно, выходам резонаторов.

Действительно, излучение антенны создает на стенках отсека сложную интерференционную картину поля с чередованием максимумов и минимумов на расстояниях, кратных С учетом этого предлагается попарная установка резонаторов на расстояниях, кратных нечетному количеству четверти длины волны.

Таким образом, для одного из резонаторов условия возбуждения будут близкими к оптимальным.

Тактико-экономическое обоснование заключается в следующем:

1. Обеспечивается устойчивая работа системы в аварийных условиях при нарушениях целостности кабельных электрических магистралей, вызванных пожаром и механическими повреждениями или другими причинами.

2. Обеспечивается безретрансляционный прием сигналов радиостанций во всех отсеках корабля одновременно при произвольном расположении радиостанции внутри каждого из отсеков.