Гидроакустический комплекс подлодок

Гидроакустические станции (ГАС) представляют собой один из основных, а в подводном положении — единственный источник информации о подводной и надводной обстановке вокруг корабля. ГАС должны обеспечивать сбор, обработку, наглядное отображение и выдачу в другие системы информации об окружающей обстановке при решении ПЛ различных тактических задач. Быстро изменяющаяся обстановка требует минимизации времени обработки получаемой информации. Необходимо, чтобы эти изменения отображались на экранах мониторов и выдавались в другие системы в реальном масштабе времени. Это требование, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения быстродействия средств обработки информации ГАС и, как следствие, к увеличению занимаемых ими объемов и энергопотребления.

В настоящее время ГАС — наиболее сложные средства радиоэлектронного вооружения, как в отношении решаемых задач, алгоритмов и программного обеспечения их решения, так и по составу внешних антенн и аппаратуры обработки информации и отображения. Поэтому основные характеристики ГАС должны определяться применительно к конкретному типу корабля, исходя из условий обеспечения решения возложенных на него задач.

Поскольку ГАС размещаются на подвижном объекте, алгоритмы обработки информации должны учитывать и отслеживать изменение его положения в пространстве, и не только выдавать информацию о внешней обстановке в другие системы, но получать необходимую информацию и от них.

Аппаратура ГАС размещается в замкнутом ограниченном объеме, поэтому один из немаловажных вопросов проектирования как ГАС, так и ПЛ состоит в обеспечении необходимых тепловых режимов, которые могут поддерживаться за счет автономной, входящей в состав аппаратуры, системы охлаждения.

Для обеспечения эффективного использования корабля во всех тактических ситуациях ГАС должны решать задачи, которые условно можно разделить на внешние и внутренние.

Внешние задачи обеспечивают использование корабля, его технических средств и оружия. К ним относятся:

— обнаружение, классификация и автоматическое сопровождение целей с определением направления на них в пассивном режиме;

— измерение дистанции в активном режиме до обнаруженной и сопровождаемой цели в пассивном режиме;

— определение курса и скорости цели по данным пассивного и активного режимов;

— звукоподводная телефонно-телеграфная связь с взаимодействующими силами;

— обмен информацией с другими системами для решения задач кораблевождения и использования оружия;

— обнаружение в активном режиме навигационных препятствий, якорных мин и минных банок впереди по курсу носителя.

Внутренние задачи обеспечивают эксплуатацию ПЛ с заданными при проектировании параметрами. К ним относятся:

— определение начала кавитации гребных винтов;

— определение распределения скорости звука по глубине;

— контроль уровня помех в месте расположения основных антенн ГАС;

— контроль технического состояния ГАС и автоматизированный поиск неисправностей.

Задачи, решаемые ГАС, могут разбиваться на более мелкие — локальные задачи, необходимые для принятия решения в той или иной ситуации. Например, к отдельной задаче, решаемой ГАС, можно отнести задачу обозначения местоположения аварийного объекта.

Как видно из изложенного выше, все станции можно разделить на две группы: работающие в пассивном и в активном режиме.

Традиционно в состав ГАС входили отдельные станции, решающие специализированные задачи в том или ином режиме:

— пассивная станция шумопеленгования (ГАС ШП);

— ГАС перехвата;

— активная станция измерения дистанции до целей (ГАС ИД);

— активная станция обнаружения якорных мин и навигационных препятствий (ГАС ОБО);

— станция звукоподводной связи (ГАС ЗПС);

— система классификации;

— станция определения начала кавитации гребных винтов;

— станция измерения скорости звука в морской воде.

Такой подход позволял снизить требования к отдельным станциям, упростить их аппаратуру. Однако он не был оптимальным по следующим причинам:

а) большое количество станций и антенн приводило к невозможности обеспечения требуемых условий их размещения и, как следствие, к снижению потенциально достижимых характеристик;

б) наличие дублирующих друг друга приборов в разных станциях влекло увеличение объемов, занимаемых аппаратурой, и энергопотребления.

При определении состава гидроакустического вооружения необходимо учитывать особенности обработки, отображения и принятия окончательного решения по получаемой информации. Для одних ГАС требуются сложные процедуры обработки информации. В этом случае для качественного принятия решения большое значение имеют квалификация и опыт оператора. Такие станции обслуживаются постоянно в течение всего времени их работы. Для других постоянное обслуживание не требуется, они фактически используются в режиме Сигнализаторов.

Учитывая особенности обработки информации, отображения, правил принятия решения, времени и условий использования, а также в целях оптимизации состава пультов, гидроакустических антенн и объема аппаратуры, целесообразно объединить отдельные станции в гидроакустический комплекс (ГАК) и передать ему решение задач следующих ГАС:

— пассивной станции шумопеленгования (ГАС ШП);

— пассивной станции обнаружения сигналов работающих гидролокаторов (ГАС перехвата);

— активной станции измерения дистанции до цели (ГАС ИД);

— станции звукоподводной связи (ГАС ЗПС);

— системы классификации.

В этом случае перечисленные ГАС будут представлены в ГАК как отдельные режимы его работы. Структурная схема такого комплекса приведена на рис. 5.34 [128].

Состав антенных устройств выбирают исходя из перечня решаемых задач, назначения и размещения.

Основная антенна шумопеленгования и антенны перехвата предназначены для приема гидроакустической энергии (звукового давления) и преобразования ее в электрические сигналы.

В ГАК прием отраженных эхо-сигналов, а также сигналов звукоподводной связи осуществляется на основную антенну ШП.

Излучающие антенны измерения дистанции преобразуют электрические сигналы в гидроакустические — в звуковом (измерение дистанции, связь) и высокочастотном (освещение ближней обстановки) диапазонах.

Акустические антенны кораблей, выполненные в виде много-элементных антенных решеток, размещаются в специальных акустических выгородках, закрытых звукопрозрачными обтекателями. Принцип построения приемных антенн за последнее время существенно не изменился. Приемные антенны шумопеленгования гидроакустических комплексов кораблей представляют собой конструкции в виде каркаса, облицованного акустическим покрытием (экраном), на поверхности которого располагаются приемные элементы.

При этом габариты антенн выбирают максимально возможные для данного корабля. Форма этих антенн может быть плоской, цилиндрической, сферической или конформной.

Конкретные условия размещения антенн на корабле характеризуются диаграммами секторов обзора, разрабатываемыми проектантом объекта. Под сектором обзора ГАС понимают часть пространства, ограниченную углами обзора, внутри которой должен осуществляться прием (излучение) акустических сигналов антенной, обеспечивающей работу ГАС с заданным в ТТЗ качеством.

Эти диаграммы показывают, в каких направлениях внутри сектора обзора обеспечивается незатенение рабочих участков антенны, и в каких направлениях они затенены, и насколько. Архитектура корабля накладывает существенные ограничения на возможности размещения антенн и их возможные габариты.

Размещение антенн, освещающих носовые курсовые углы, возможно только в носовой оконечности и в носовой оконечности ограждения выдвижных устройств.

Единственный район размещения антенн, освещающих кормовые углы, — кормовая оконечность ограждения выдвижных устройств.

Освещение траверзних направлений возможно при размещении антенн в междубортном пространстве.

Исходя из требований задания, разработчик ГАК совместно с проектантом корабля определяет состав антенн, массогабаритные характеристики и частотные диапазоны с учетом архитектурных особенностей корабля, свободных объемов, обеспечения прочностных характеристик корабельных конструкций, условий монтажа и эксплуатации. Схема расположения антенн ГАК НАПЛ «Амур-1650» приведена на рис. 5.35 [60].

Обтекателем гидроакустической антенны служит оболочка или пластина, защищающая ее от механических повреждений и снижающая гидродинамические помехи, возникающие при движении корабля.

К конструкциям обтекателей предъявляются следующие требования:

— они должны быть достаточно звукопрозрачными, чтобы потери и искажения при прохождении звуковой волны сквозь них оказывались как можно меньше. Это уменьшит ошибку пеленгования, вносимую обтекателем, и предотвратит появление ложных отметок на экране индикатора, возникающих вследствие отражения звука от внутренней поверхности обтекателя;

— конструкция обтекателей должна обеспечивать их прочность и надежность в эксплуатации. В то же время, для увеличения звукопрозрачности необходимо применять оболочки как можно меньшей толщины. Задача о поиске компромисса между обеспечением максимальной звукопрозрачности, с одной стороны, и необходимой прочностью, с другой, представляет основной вопрос разработки гидроакустических обтекателей.

Аппаратура предварительной обработки преобразует акустические сигналы, ее выбирают исходя из обеспечения решения конкретных функциональных задач.

С целью улучшения помехоустойчивости, сокращения количества кабелей, проходящих через ПК, повышения ремонтопригодности, она размещается в прочной капсуле, рассчитанной на полное забортное давление. Капсула оборудуется корабельными техническими средствами для обеспечения эксплуатации и ремонта гидроакустического оборудования в ней при нахождении корабля в базе.

Аппаратура обработки и отображения обеспечивает обработку сигналов, представление и отображение информации, управление режимами работы ГАК, связь с другими системами ПЛ. Размещается в центральном посту, в отдельной выгородке (посту гидроакустики).

Пульт оператора служит для наглядного отображения информации о целях обнаруженных ГАК во всех режимах: контроля и диагностики технического состояния приборов комплекса, управления режимами его работы; аналогичная информация выводится на пульт БИУС.

Средства документирования предназначены для создания твердых копий информации, выводимой на пульт оператора.

ГУИД и СВ по существу являются усилителями мощности и обеспечивают усиление сформированных сигналов до необходимого уровня.

Аппаратура электропитания состоит из распределительного щита (РЩ) и вторичных источников питания (ВП). Она обеспечивает бесперебойное электропитание аппаратуры ГАК при переходе с основного питания на резервное, а также ее защиту в случае аварии электросети.

Таким образом, в гидроакустическое вооружение современного корабля входят:

— гидроакустический комплекс (ГАК);

— станция освещения ближней обстановки (ГАС ОБО);

— станция измерения скорости звука в воде (ГАС ИСЗ);

— станция определения начала кавитации гребных винтов;

— аварийный гидроакустический сигнализатор (АГС).

Что касается АГС, необходимо отметить, что он должен иметь автономный источник питания акустической антенны, независимый от электросети ПЛ, который следует располагать по возможности ближе к антенне, чтобы уменьшить вероятность повреждения кабеля между ними.

Дальность действия и эффективность работы ГАС зависит от уровня помех (электрических и акустических) работе их приемных трактов и, в первую очередь, трактов обнаружения.

Электрические помехи работе ГАС определяются собственными электрическими шумами, обусловленными работой механизмов ПЛ, наводками на преобразователи антенн и кабельные трассы.

Источники акустических помех работе трактов комплекса:

— шумы моря (волнение морской поверхности), интенсивность которых изменяется в широких пределах в зависимости от скорости ветра и высоты волн; влияют на работу Г АС практически при любых условиях их эксплуатации во всем диапазоне частот;

— шумы судоходства, которые по характеру воздействия на антенны ГАС можно разделить на шумы дальнего и ближнего судоходства. Шумы дальнего судоходства проявляются в виде шумового фона, интенсивность которого определяется плотностью судоходства и условиями распространения звука в этом районе; шумы ближнего судоходства воздействуют на приемные антенны ГАС, как пространственно разнесенные источники, и регистрируются на индикаторах ГАС в виде отдельных целей.

Основные составляющие корабельных акустических помех:

— шумовая, обусловленная шумоизлучением корпуса ПЛ в воду, в том числе и вследствие отражения этого шума от поверхности моря. Источники этой составляющей — шумы систем и механизмов ПЛ, а также широкополостной шум гребных винтов турбулентного происхождения. Снижение уровней шумов при проектировании обеспечивается применением механизмов, удовлетворяющих требованиям по виброшумовым характеристикам, с использованием виброизолирующей амортизации и специальных покрытий на корпусных конструкциях ПЛ;

— гидродинамическая, обусловленная воздействием на антенны ГАС гидродинамических шумов обтекания. Гидродинамическая составляющая корабельной помехи, обусловленная воздействием шумов обтекания непосредственно на антенны ГАС, зависит от скорости хода и, незначительно, от характеристик обтекания. Уровень шума обтекания возрастает с увеличением скорости хода приблизительно по кубической зависимости;

— структурная, связанная с механическими вибрациями корпусных конструкций корабля. Структурная составляющая корабельной помехи может быть минимизирована путем правильного крепления и амортизации преобразователей антенн ГАС.

Обеспечение высокой эффективности гидроакустических средств связано с решением двух основных проблем:

1) разработка и создание современных видов гидроакустического вооружения;

2) рациональное сочетание основных качеств ПЛ и конкретных значений тактико-технических характеристик и параметров технических решений гидроакустического вооружения.

Решением первой проблемы занимается приборостроение. Вторая проблема относится к теории проектирования ПЛ.

Эти проблемы нельзя решать в отрыве от третьей, касающейся условий боевого использования ПЛ, которая относится к оперативно-тактическим, однако, рассматриваться она должна обязательно во взаимосвязи с формированием технического облика подводной лодки.