Модульный подход при создании гидроакустических станций для подводных лодок за рубежом (2017)
В. Спирин,
кандидат технических наук
Гидроакустические станции подводных лодок ВМС зарубежных стран предназначены для освещения подводной обстановки и применения оружия. При этом традиционно требуются значительные расходы как на их приобретение, так и на эксплуатацию. Эти системы достаточно сложно усовершенствовать с позиции критерия стоимость/ эффективность, тем более что зачастую необходима полная их замена с учетом длительного жизненного цикла корабля.
Одним из ключевых подходов к обеспечению снижения стоимости ГАС является использование модульности, то есть внедрение типовых стандартизованных компонентов, подсоединяемых через обычный стандартный интерфейс. Модульная система представляет собой законченное изделие, состоящее из нескольких модулей, обеспечивающих повышенный уровень общесистемной надежности и эффективности.
До сих пор антенные решетки гидроакустических станций было сложно изготовить в модульном исполнении, так как это требовало новых подходов при проектировании и понимания, как отдельные модульные компоненты могут быть сконфигурированы и объединены.
Гибкая и наращиваемая система, базирующаяся на модульном принципе, предполагает наличие интегрируемого сенсорного набора (модулей), являющегося основой для формирования ГАС, способной эффективно работать как в глубоком, так и в мелком море. Такой подход охватывает преобразователи, антенны, механические системы и телеметрию, архитектуру бортовых систем, обработку сигналов и данных, а также графические дисплеи.
 |
| Размещение перспективных модульных антенн пассивных ГАС на ДЭПЛ |
Модульный подход к проектированию ГАС обеспечивает следующие основные преимущества:
- гибкость при проектировании, возможность адаптации к выдвинутым оперативным требованиям;
- простоту интеграции модулей;
- автономность блоков (с учетом уровня модульности забортного оборудования, то есть крупности разбиения);
- невысокую стоимость в рамках жизненного цикла;
- простота модернизации системы, не допускающая морального устаревания.
Философия проектирования, базируемая на модульности, сконцентрирована в основном на формировании базисных строительных блоков для устанавливаемых на корпусе конформных приемных антенных решеток, формируемых в носовой оконечности подводной лодки, по ее бортам и в других местах. Идея подбора величин размерений модуля с целью определения его индивидуальных размеров, а также аппаратуры, схожа с концепцией по определению размерности модулей, принятой в открытых системах обработки информации. При этом необходимо учитывать ряд факторов, в первую очередь размерность ГШ, легкость монтажа и сборки, а также степень влияния выхода из строя какого-либо модуля на общую чувствительность антенны.
Забортная приемная антенна системы гидроакустического обнаружения ПЛ включает в себя интегрированное приемное устройство, обеспечивающее обзор пространства на 360° по азимуту и управление по вертикальному углу. Гибкость модульного подхода при проектировании позволяет установить полностью конформную антенную решетку на перспективной ПЛ с любыми внешними обводами. Она обеспечивает максимальную апертуру с минимизированными массой и объемом без необходимости усложнения и удорожания акустического канала.
К числу перспективных модульных антенн пассивных ГАС на ДЭПЛ относятся:
- носовая конформная антенная решетка, созданная на основе использования модулей Ku-панели, которая обеспечивает хорошие акустические характеристики при невысокой стоимости изделия;
- бортовая антенная решетка изготовлена из тех же самых Ku-панельных модулей;
- наматываемая на вьюшку линейная буксируемая антенная решетка, созданная на базе буксируемой системы Crusteacean, представляет собой антенну малого диаметра модульной конструкции, включающей в себя полностью электрическую модульную систему управления;
- специализированные широкополосные высокочастотные антенные модули обеспечивают решение задачи перехвата в области частот выше диапазона упомянутых бортовых ГАС;
- бортовая система обработки с открытой архитектурой, позволяющая реализовать усовершенствование системы с минимизацией затрат и защитой от морального устаревания.
Ku-панель реализована в рамках концепции, базирующейся на отработанной технологии, которая используется при создании легкого, недорогого, с низким уровнем помех приемного модуля, который может быть установлен на борту ГШ без существенного влияния на нее с точки зрения изменения обводов, массы или скрытности.
Проектирование панели предполагает создание слоев развязки, прослаиваемых армированным оптоволокном (sandwiching a Glass-Reinforced Plastic - GRP), которое придает жесткость конструкции плат. Встроенная в панель гидрофонная решетка снабжена соответствующей электроникой, залитой полимером. Это обеспечивает значительное ослабление вибрации на GRP-платах, что способствует уменьшению шумовой помехи на приемнике. Заглушенность, обеспечиваемая слоями развязки, создает гидрофонам условия работы в свободном поле.
Они могут быть изготовлены из любого материала (пьезокерамика, пьезополимеры, обычные керамические диски, композиты) и иметь различную конструкцию (векторные приемники или однокристальные преобразователи). Наряду с этим заглушенность уменьшает влияние излучения активных ГАС-обнаружения.
Размещение и общая компоновка гидрофонов в панели позволяют легко соединять панели между собой, избегая швов. Кривая или плоская антенна может быть сконструирована с применением одной и той же Ku-панельной технологии. Сглаженность форм поверхности достигается за счет дополнительной заливки сверху полиуретаном, который обеспечивает конформность профиля.
Данный метод позволяет при поступлении заказа только подогнать форму, снижая тем самым затраты на проектирование, а также сложность за счет стандартизованных Ku-панелей. Таким образом, для новой ГШ необходимо лишь заранее сделать заказ на проектирование новой поверхностной формовки (заливки), а не проектировать новую антенну.
Каждый канал приемной Ku-панели включает:
- коммерческий тип гидрофона (COTS-тип выбирается исходя из потребностей заказчика) с малошумным предварительным усилителем и 24-битовым аналого-цифровым преобразователем;
- интерфейс для подключения к внутреннему потоку мультиплексированных цифровых данных;
- прямое преобразование цифровых данных в Gigabit Ethernet TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - TCP/IP - платформонеза-висимый набор протоколов для коммуникации в глобальных или локальных вычислительных сетях).
Модульный характер Ku-панели обеспечивает возможность проведения всесторонних сдаточных испытаний и интеграции, прежде чем система будет полностью установлена на борту и размещена внутри корпуса корабля. В связи с тем, что панель выглядит как сетевой узел, моделирование приемника, а следовательно, и возбуждение системы обработки сигналов можно достичь достаточно легко. Это позволяет первичный этап интеграции системы проводить на борту ПЛ при гарантии того, что в ходе тестирования интегрированной системы и приемосдаточных испытаний в море будут получены желаемые результаты.
Ku-панель спроектирована таким образом, что в случае выхода из строя она может быть заменена силами экипажа без постановки корабля в док. Новые панели можно подсоединить и зафиксировать на месте с помощью стандартного инструментария, что обеспечивает быстрое восстановление характеристик антенны.
Перспективная буксируемая система Crusteacean с линейной антенной решеткой имеет высокие характеристики, малый диаметр и полностью интегрированную электрическую систему управления, спроектированную для дизельных ПЛ небольшого водоизмещения. Линейная антенная решетка и система управления - результат успешных работ, инициированных МО Великобритании и направлениях на создание тонколинейной антенны, размещаемой в надстройке подводной лодки. Crusteacean была испытана в море и доказала высокую надежность, которой добивались разработчики фирмы QinetiQ. Та в настоящее время способна обеспечить поставки экспортного варианта, отвечающего наиболее строгим современным требованиям. Измерения в морских условиях, подтвержденные расчетным моделированием, показали, что данная система имеет незначительный уровень шума.
Наиболее привлекательным в Crusteacean является высокая компактность изделия исходя из его диаметра и размещения в свободном пространстве надстройки легкого корпуса. Это дает возможность использовать кабели малого диаметра и в конечном итоге такую же вьюшку для укладки, что. в свою очередь, позволяет экономить энергию при выборке и постановке антенны. Характеристики этой системы несложно адаптировать к рабочим диапазонам скоростей ПЛ при патрулировании и переходах.
Crusteacean реализована в модульном варианте с общей длиной антенны исходя скорее из оперативных потребностей, чем из используемых при ее создании коммерческих компонентов или технических условий заказчика на проектирование. Являясь в полном смысле модульной, при необходимости она может быть дополнена несколькими модулями без изменений в телеметрии или установки еще ряда компонентов.
В случае выхода из строя модуля он может быть демонтирован, а антенна реконфигурирована в более компактное работоспособное изделие. Другим преимуществом является экономия средств, так как это позволяет иметь единый для кораблей тип сменного модуля.
Размер модуля предопределен его функциональными характеристиками, удобством эксплуатации, телеметрической системой, используемыми стандартными коммерческими компонентами. Обеспечивая соответствующее количество и формат передаваемых данных, а также являясь независимой от характера этих данных, телеметрия позволяет встраивать в решетку специализированные модули без существенного изменения ее конструкции.
Оконечное устройство выхода с антенны представляет собой полностью открытый интерфейс, где (ранее упоминалось для Ku-панели) применяется технология Gigabit Ethernet TCP/IP - пакет протоколов управления передачи данных для прямого соединения с открытой системой обработки гидроакустической информации.
Важно отметить, что по программе создания системы Crusteacean, финансированной МО Великобритании, прорабатывался вариант, включающий антенну и систему управления ею. В частности, для надежности работы лебедки с антенной в любых условиях необходимо было добиться, чтобы механизм управления соответствовал характеристикам и свойствам антенны. Интенсивные натурные испытания показали, что в целом вся система управления отвечает всем требованиям по надежности.
В заключение следует подчеркнуть, что модульные антенны пассивных ГАС значительно упростят процесс проектирования подводной лодки и ее гидроакустических средств, облегчат интеграцию антенн с корпусом корабля, снизят стоимость и упростят процесс модернизации гидроакустической системы.