RU2609849C1 - Autonomous drifting profiling oceanologic buoy - Google Patents

Autonomous drifting profiling oceanologic buoy Download PDF

Info

Publication number
RU2609849C1
RU2609849C1 RU2015150936A RU2015150936A RU2609849C1 RU 2609849 C1 RU2609849 C1 RU 2609849C1 RU 2015150936 A RU2015150936 A RU 2015150936A RU 2015150936 A RU2015150936 A RU 2015150936A RU 2609849 C1 RU2609849 C1 RU 2609849C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
buoy
working fluid
profiling
housing
electric pump
Prior art date
Application number
RU2015150936A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Григорьевич Островский
Виктор Валентинович Леденев
Дмитрий Анатольевич Швоев
Original Assignee
Александр Григорьевич Островский
Виктор Валентинович Леденев
Дмитрий Анатольевич Швоев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Григорьевич Островский, Виктор Валентинович Леденев, Дмитрий Анатольевич Швоев filed Critical Александр Григорьевич Островский
Priority to RU2015150936A priority Critical patent/RU2609849C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2609849C1 publication Critical patent/RU2609849C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B22/00Buoys
    • B63B22/18Buoys having means to control attitude or position, e.g. reaction surfaces or tether
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B22/00Buoys
    • B63B22/18Buoys having means to control attitude or position, e.g. reaction surfaces or tether
    • B63B22/20Ballast means

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: autonomous drifting profiling oceanologic buoy contains a streamlined sealed rugged housing, made in the form of a cylinder. On the top cover of the body the aerial navigation and communication systems, sensors of electrical conductivity, temperature and pressure are installed. Outside on the bottom cover the expansion container is installed. Inside the housing tank with hydraulic fluid, connected by the hydraulic lines to the expansion container, electric pump and power supply are mounted. The pump is fixed on the inner side of the bottom cover for injection and selection of working fluid into the expansion container from the tank installed inside the housing. In the central part of the housing the electronic control unit and a linear actuator, on which is fixed the power unit with the possibility of moving up and down at a distance of 50-100 mm are mounted.
EFFECT: possibility of increasing the number of obtained oceanologic data.
2 cl, 5 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к области подводной робототехники, в частности к технике изучения и освоения океана, к автономным и автоматизированным подводным аппаратам дрейфующего, профилирующего типа - буям.The invention relates to the field of underwater robotics, in particular to the technique of studying and developing the ocean, to autonomous and automated underwater vehicles of a drifting, profiling type - buoys.

Уровень техники.The level of technology.

Благодаря программе АРГО (ARGO) автономные дрейфующие ныряющие (профилирующие) буи («ocean profiling floats» или «Argo Profiling Floats») стали основным инструментом глубоководных измерений термохалинной структуры и климатических трендов в Мировом океане (Roemmich, D., Owens W.B. The Argo Project: Global ocean observations for understanding and prediction of climate variability. Oceanography, 2000, 13, No. 2 (NOPP Special Issue), 45-50). Уже через несколько лет после старта программы АРГО в конце 1990-х гг. отношение количества вертикальных профилей солености, температуры и давления воды, полученных автономными профилирующими буями и судами, составляло 5:1 (Gould, J., and the Argo Science Team, 2004. Argo profiling floats bring new era of in situ ocean observations. EoS, Transactions of the American Geophysical Union, 85(19), 11 May 2004). Значимость автономных буев для исследований и мониторинга океана продолжает расти, что подтверждается финансированием новых крупнейших проектов, таких, например, как AtlantOS (https://www.atlantos-h2020.eu/), в целях оперативной океанографии и научных исследований Мирового океана.Thanks to the ARGO program, autonomous drifting diving (profiling) buoys (“ocean profiling floats” or “Argo Profiling Floats”) have become the main instrument for deep-sea measurements of the thermohaline structure and climate trends in the oceans (Roemmich, D., Owens WB The Argo Project : Global ocean observations for understanding and prediction of climate variability. Oceanography, 2000, 13, No. 2 (NOPP Special Issue), 45-50). A few years after the start of the ARGO program in the late 1990s. the ratio of the number of vertical profiles of salinity, temperature, and water pressure obtained by autonomous profiling buoys and vessels was 5: 1 (Gould, J., and the Argo Science Team, 2004. Argo profiling floats bring a new era of in situ ocean observations. EoS, Transactions of the American Geophysical Union, 85 (19), 11 May 2004). The importance of autonomous buoys for ocean research and monitoring continues to grow, as evidenced by the financing of major new projects, such as AtlantOS (https://www.atlantos-h2020.eu/), for operational oceanography and scientific research of the World Ocean.

Дрейфующие профилирующие буи выполняют несколько функций, главные из которых нижеследующие:Drifting profiling buoys perform several functions, the main of which are as follows:

- проводят измерения вертикальных профилей океанологических характеристик;- carry out measurements of vertical profiles of oceanological characteristics;

- определяют скорость и направление переноса в системе течений на изопикнических поверхностях в водной толще в качестве квази-лагранжевых дрифтеров;- determine the speed and direction of transport in the system of currents on isopycnic surfaces in the water column as quasi-Lagrangian drifters;

- проводят мониторинг подводных шумов при оснащении их гидроакустической аппаратурой;- carry out monitoring of underwater noise when equipping them with hydroacoustic equipment;

- определяют свои географические координаты, находясь на поверхности воды, и передают данные измерений по каналам спутниковой связи.- determine their geographical coordinates, being on the surface of the water, and transmit measurement data via satellite channels.

Известен сканирующий тепловой буй, включающий в себя прочный цилиндрический корпус, содержащий приборный контейнер и стальной сильфон, упирающийся одной торцевой стенкой в боковую поверхность цилиндрического корпуса, при этом он дополнительно включает в себя стальную пружину, зажатую между второй торцевой стенкой сильфона и противоположной боковой стенкой цилиндрического корпуса, а также стопор, взаимодействующий со штоком, жестко соединенным со второй торцевой стенкой сильфона и герметически соединенный с этим сильфоном, сильфон меньшего диаметра, причем общее внутреннее пространство сильфонов заполнено легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами, а противоположные торцевые стенки сильфонов жестко соединены стержнем, проходящим через их общую внутреннюю полость (RU 2137662, 20.09.1999). Однако подобные тепловые устройства не достаточно надежны в изменении плавучести буя за счет того, что вертикальные градиенты температуры воды в океане незначительны в умеренных широтах в холодное полугодие.A known thermal buoy including a robust cylindrical body comprising an instrument container and a steel bellows abutting against one side wall of a cylindrical body, further comprising a steel spring sandwiched between the second end wall of the bellows and the opposite side wall of the cylindrical the housing, as well as a stopper interacting with the stem rigidly connected to the second end wall of the bellows and hermetically connected to this bellows, the bellows m nshego diameters, the total internal space of the bellows filled easily evaporable liquid in equilibrium with its vapor, and the opposite end rigidly connected to the bellows wall rod passing through their common inner cavity (RU 2137662, 20.09.1999). However, such thermal devices are not reliable enough to change the buoyancy of the buoy due to the fact that the vertical gradients of the water temperature in the ocean are insignificant at moderate latitudes in the cold half-year.

На сегодняшний день наиболее надежными являются буи АРГО, которые были созданы в результате более чем 20-летней работы по развитию технологии океанографических буев специалистами США при поддержке Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований США.Today, the most reliable are the ARGO buoys, which were created as a result of more than 20 years of work on the development of oceanographic buoy technology by US specialists with the support of the National Science Foundation and the US Naval Research Directorate.

Буй АРГО имеет цилиндрическую форму. На верхней крышке снаружи корпуса буя установлены океанологические измерители, включая датчики температуры, электропроводности и давления, а также антенны систем навигации и связи. В верхней части буя также расположена расширительная емкость для воздуха, который выкачивается из корпуса при всплытии к поверхности, чтобы приподнять антенны над водой. На нижней крышке снаружи корпуса буя расположена расширительная емкость для рабочей жидкости гидравлической системы погружения/всплытия. Для всплытия рабочая жидкость выкачивается в эту емкость из одноцилиндрового пистонного насоса, расположенного внутри корпуса буя, вследствие чего общий объем буя увеличивается и, соответственно, возрастает архимедова сила, выталкивающая буй вверх к поверхности воды. Для погружения рабочая жидкость закачивается обратно внутрь пистона, при этом объем буя уменьшается, архимедова сила становится меньше силы тяжести, и буй погружается в водную толщу. Большую часть рабочего цикла погружение/всплытие, как правило, до 10 суток буй находится под водой на горизонте дрейфа, обычно заданном равным 1000 м или 2000 м. Рабочее положение буя - вертикальное. Конструкция одноцилиндрового пистонного насоса позволяет менять вес буя в воде с точностью до 10-3 кг. Такая точность необходима для выхода буя на заданный горизонт в толще воды. Дело в том, что вблизи горизонта 2000 м, который часто задан как горизонт дрейфа буя, вертикальный градиент плотности воды обычно незначителен, например, в северной части Тихого океана он составляет примерно 5⋅10-3 кг/м3. В этих условиях буй АРГО типа APEX, имеющий объем 25 л, при увеличении своего веса на 10-3 кг погружается на 12.5 метров. То есть, теоретически, ошибка в регулировке веса буя в ±10-3 кг приводит в данном районе к погрешности выхода на горизонт дрейфа ≈10 м. На практике погрешность выхода на горизонт 2000 м буя АРГО часто достигает 50 м (Laughlin Barker, Santa Clara University Closed - loop buoyancy control for a Coastal Profiling Float Mentor: Gene Massion Summer 2014, найдено 10.05.2015 в Интернет: http://www.mbari.org/education/internship/14interns/2014_papers/Barker_Laughlin.pdf). Данное техническое решение принято нами за ближайший аналог.The ARGO buoy has a cylindrical shape. Oceanological meters, including temperature, conductivity and pressure sensors, as well as antennas for navigation and communication systems, are installed on the top cover outside the buoy's hull. In the upper part of the buoy there is also an expansion tank for air, which is pumped out of the body when it ascends to the surface in order to raise the antennas above the water. On the bottom cover outside the buoy housing there is an expansion tank for the working fluid of the hydraulic immersion / ascent system. For ascent, the working fluid is pumped into this tank from a single-cylinder piston pump located inside the buoy body, as a result of which the total volume of the buoy increases and, accordingly, the Archimedean force increases, pushing the buoy up to the surface of the water. For immersion, the working fluid is pumped back inside the piston, while the volume of the buoy decreases, the Archimedean force becomes less than gravity, and the buoy is immersed in the water column. Most of the immersion / ascent cycle, usually up to 10 days, the buoy is under water at the drift horizon, usually set to 1000 m or 2000 m. The buoy's working position is vertical. The design of a single-cylinder piston pump allows you to change the weight of the buoy in the water with an accuracy of 10 -3 kg. Such accuracy is necessary for the buoy to reach a given horizon in the water column. The fact is that near the 2000 m horizon, which is often set as the buoy drift horizon, the vertical gradient of water density is usually insignificant, for example, in the North Pacific Ocean it is about 5⋅10 -3 kg / m 3 . Under these conditions, the APEX type ARGO buoy, having a volume of 25 liters, sinks by 12.5 meters with an increase in its weight by 10 -3 kg. That is, theoretically, an error in adjusting the weight of the buoy of ± 10 -3 kg leads in this area to an error of reaching the drift horizon of ≈10 m. In practice, the error of reaching the horizon of 2000 m of the ARGO buoy often reaches 50 m (Laughlin Barker, Santa Clara University Closed - loop buoyancy control for a Coastal Profiling Float Mentor: Gene Massion Summer 2014, found May 10, 2015 at http://www.mbari.org/education/internship/14interns/2014_papers/Barker_Laughlin.pdf). This technical solution was made by us for the closest analogue.

При работе с буем АРГО большое внимание уделяется аккуратной балансировке буя с учетом вертикального распределения плотности воды и коэффициента термического расширения алюминиевого сплава корпуса буя при характерных значениях температуры воды в акватории дрейфа. Для профилирования в океане объем буя АРГО APEX изменяется в пределах 260 см3. Буй поднимается медленно, поскольку архимедова сила частично компенсирована силой сопротивления движению буя в воде. На всплытие буя с горизонта 2000 м уходит 5-7 часов. Небольшая скорость всплытия буя необходима для обеспечения высокой точности определений солености воды. На 90% буев как APEX, так и AVROR, также работающих по программе АРГО, устанавливаются измерители температуры, электропроводности и давления SBE 41/41CP CTD (до 1000 шт. ежегодно). Будучи установлены на верхней крышке корпуса буя, эти датчики позволяют проводить измерения в невозмущенной водной среде при подъеме буя к поверхности воды. Версия CP измерителя SBE CTD41 появилась в 2008 г. и представляет собой совершенный океанологический инструмент, обеспечивающий высокую точность и стабильность данных солености воды. Датчик электропроводности характеризуется точностью определения солености воды, равной 0.005 практических единиц солености в течение 3 лет эксплуатации. Измеритель температуры, электропроводности и давления, а также датчик кислорода включаются только на участках подъема. На участках спуска термохалинные характеристики не регистрируются, главным образом, из-за того, что измерения проводятся в спутном следе над буем и качество данных неизбежно снижается.When working with the ARGO buoy, much attention is paid to the accurate balancing of the buoy, taking into account the vertical distribution of the water density and the coefficient of thermal expansion of the aluminum alloy of the buoy hull at characteristic values of the water temperature in the drift area. For profiling in the ocean, the volume of the APEX ARGO buoy varies within 260 cm 3 . The buoy rises slowly, because the Archimedean force is partially compensated by the resistance to the movement of the buoy in the water. It takes 5-7 hours to float a buoy from a horizon of 2000 m. A low buoy ascent rate is necessary to ensure high accuracy in determining salinity. 90% of the buoys of both APEX and AVROR, also operating under the ARGO program, are equipped with temperature, electrical conductivity and pressure meters SBE 41 / 41CP CTD (up to 1000 units annually). Being installed on the top cover of the buoy body, these sensors allow measurements in an undisturbed water environment when the buoy rises to the surface of the water. The CP version of the SBE CTD41 meter appeared in 2008 and is a perfect oceanological instrument providing high accuracy and stability of water salinity data. The conductivity sensor is characterized by an accuracy of determining salinity of water equal to 0.005 practical units of salinity during 3 years of operation. The temperature, electrical conductivity and pressure meter, as well as the oxygen sensor, are switched on only in the lifting areas. In the descent sections, thermohaline characteristics are not recorded, mainly due to the fact that measurements are taken in a satellite track over the buoy and the data quality inevitably decreases.

Таким образом, из-за того что измерители температуры, электропроводности и давления выключены на участках спуска буя, объем данных, которые могли бы быть получены за цикл погружение/всплытие, уменьшен вдвое, хотя на спуск буя также затрачивается работа гидравлической системы погружения/всплытия. Следовательно, удельное количество данных, получаемых на единицу электрической емкости батареи, оказывается заниженным, что нерационально. Для того чтобы увеличить объем данных в 2 раза за цикл погружение/всплытие, буй должен всплывать датчиками вверх, а погружаться этими же датчиками вниз, т.е. разворачиваться в вертикальной плоскости на 180° в нижней и верхней точках траектории профилирования. В этом случае океанологические измерения будут проводиться в невозмущенной среде на всей траектории профилирования буя.Thus, due to the fact that the temperature, electrical conductivity and pressure meters are turned off in the sections of the descent of the buoy, the amount of data that could be obtained during the dive / ascent cycle is halved, although the operation of the hydraulic immersion / ascent system is also spent on the descent of the buoy. Consequently, the specific amount of data received per unit of electric capacity of the battery is underestimated, which is irrational. In order to increase the amount of data by 2 times per dive / ascent cycle, the buoy must float up with the sensors, and down with the same sensors, i.e. rotate in a vertical plane 180 ° at the lower and upper points of the trajectory of profiling. In this case, oceanographic measurements will be carried out in an unperturbed medium along the entire path of the buoy profiling.

Нами решена задача перемещения буя датчиками вперед при профилировании в водной толще за счет возможности его переворота на 180° в верхней и нижней точках траектории движения буя (то есть всплывать датчиками вверх, а погружаться этими же датчиками вниз).We have solved the problem of moving the buoy with the sensors forward when profiling in the water column due to the possibility of its rotation by 180 ° at the upper and lower points of the trajectory of the buoy (that is, float with the sensors up, and dive with the same sensors down).

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении на 100% объема данных океанологических измерений автономным дрейфующим профилирующим буем в невозмущенной среде за цикл погружение/всплытие за счет обеспечения переворота буя в вертикальной плоскости на 180° в верхней и нижней точках траектории его движения.The technical result of the claimed invention consists in a 100% increase in the volume of oceanographic measurement data by an autonomous drifting profiling buoy in an unperturbed medium during an immersion / ascent cycle by 180 ° turning the buoy in the vertical plane at the upper and lower points of its trajectory.

Технический результат достигается тем, что создан автономный дрейфующий, профилирующий океанологический буй, содержащий обтекаемый герметичный прочный корпус, выполненный в виде цилиндра, на верхней крышке корпуса сверху установлены антенна систем навигации и связи, датчики электропроводности, температуры и давления, а на нижней крышке корпуса снаружи установлена расширительная емкость, внутрь корпуса вмонтированы резервуар с рабочей жидкостью, соединенный гидравлическими магистралями с расширительной емкостью, электрический насос, блок питания, соединенный электрически со всеми системами буя, и электронный блок управления системами буя, при этом электрический насос закреплен с внутренней стороны нижней крышки и обеспечивает закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость из резервуара с рабочей жидкостью, установленного внутри корпуса вблизи верхней крышки, а в центральной части корпуса установлены электронный блок управления и линейный актуатор, на котором закреплен блок питания с возможностью его перемещения вверх и вниз на расстояние 50-100 мм.The technical result is achieved by creating an autonomous drifting, profiling oceanological buoy containing a streamlined sealed strong body made in the form of a cylinder, an antenna for navigation and communication systems, conductivity, temperature and pressure sensors are installed on the top cover of the body, and outside on the bottom cover of the body an expansion tank is installed, a reservoir with a working fluid is mounted inside the housing, connected by hydraulic lines to an expansion tank, an electric pump c, a power supply unit connected electrically to all buoy systems, and an electronic control unit for the buoy systems, while the electric pump is fixed on the inside of the bottom cover and provides pumping and selection of the working fluid along the hydraulic lines into the expansion tank from the reservoir with the working fluid installed inside the housing near the top cover, and in the central part of the housing there is an electronic control unit and a linear actuator on which the power supply is mounted with the ability to move it up and down to a distance of 50-100 mm.

Технический результат достигается также и тем, что создан автономный дрейфующий, профилирующий океанологический буй, содержащий обтекаемый герметичный прочный корпус, выполненный в виде цилиндра, на верхней крышке корпуса сверху установлены антенна систем навигации и связи, датчики электропроводности, температуры и давления, а на нижней крышке корпуса снаружи установлена расширительная емкость, внутрь корпуса вмонтированы резервуар с рабочей жидкостью, соединенный гидравлическими магистралями с расширительной емкостью, электрический насос, блок питания, соединенный электрически со всеми системами буя, и электронный блок управления системами буя, при этом электрический насос закреплен с внутренней стороны нижней крышки и обеспечивает закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость из резервуара с рабочей жидкостью, установленного внутри корпуса вблизи верхней крышки, а под резервуаром с рабочей жидкостью и над электрическим насосом установлены балластные емкости, между которыми закреплен дополнительный электрический насос, перекачивающий балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями.The technical result is also achieved by the fact that an autonomous drifting, profiling oceanological buoy was created, containing a streamlined sealed strong body made in the form of a cylinder, an antenna for navigation and communication systems, conductivity, temperature and pressure sensors were installed on top of the body cover, and on the bottom cover an expansion tank is installed outside the housing; a reservoir with a working fluid is mounted inside the housing; it is connected by hydraulic lines to an expansion tank; a pump, a power supply unit, electrically connected to all buoy systems, and an electronic control unit for buoy systems, while the electric pump is secured from the inside of the bottom cover and provides pumping and selection of the working fluid along the hydraulic lines to the expansion tank from the reservoir with the working fluid installed inside the housing near the top cover, and under the reservoir with the working fluid and above the electric pump, ballast tanks are installed, between which an additional electric sos pumping ballast fluid along hydraulic lines between ballast tanks.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На Фиг. 1 представлен чертеж общего вида океанологического ныряющего буя, в котором смещение центра масс осуществляется при помощи электрического линейного актуатора.In FIG. 1 is a drawing of a general view of an oceanological diving buoy in which the displacement of the center of mass is carried out using an electric linear actuator.

На Фиг. 2 представлен чертеж общего вида океанологического ныряющего буя, в котором смещение центра масс осуществляется за счет дополнительного электронасоса, перекачивающего жидкость между балластными емкостями, расположенными в верхней и нижней частях прочного корпуса буя.In FIG. 2 is a drawing of a general view of an oceanological diving buoy, in which the center of mass is displaced by an additional electric pump pumping liquid between ballast tanks located in the upper and lower parts of the buoy’s solid body.

На Фиг. 3 представлена схема устройства обеспечения вертикальной ориентации буя при изменении его плавучести с дополнительной системой продольного перемещения балласта внутри корпуса буя. Пунктиром показаны уровень рабочей жидкости во внутреннем резервуаре и увеличенная расширительная емкость при всплытии буя.In FIG. 3 shows a diagram of a device for ensuring vertical orientation of a buoy when its buoyancy changes with an additional system of longitudinal ballast movement inside the buoy body. The dotted line shows the level of the working fluid in the inner tank and the increased expansion capacity when the buoy emerges.

На Фиг. 4 представлена схема работы дрейфующего океанологического буя, при которой профилирование в водной толще проводится в положении датчиками вперед, с переворотом на 180° (всплытие датчиками вверх и погружение этими же датчиками вниз) с целью обеспечить океанологические измерения в невозмущенной среде.In FIG. Figure 4 shows the working scheme of a drifting oceanological buoy, in which profiling in the water column is carried out in the position by the sensors forward, with a 180 ° flip (floating up with the sensors up and immersing the same sensors down) in order to provide oceanological measurements in an undisturbed environment.

Подробное описание осуществления изобретенияDetailed Description of the Invention

В первом варианте (см. фиг. 1) автономный дрейфующий профилирующий океанологический буй содержит обтекаемый герметичный прочный корпус (1), выполненный в виде цилиндра с полусферическими законцовками для снижения гидродинамического сопротивления. На верхней крышке (2) снаружи корпуса (1) установлены океанологические измерители (3) - датчики температуры, электропроводности и давления, а также антенны систем навигации и связи (4). На нижней крышке (5) снаружи корпуса (1), под пластиковым обтекателем (6), закреплена расширительная емкость (7) для рабочей жидкости гидравлической системы погружения/всплытия. На этой же нижней крышке (5) с внутренней стороны установлен электрический насос (8), обеспечивающий закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость (7) из резервуара с рабочей жидкостью (9), расположенного внутри прочного корпуса (1) вблизи верхней крышки (2). В центральной части прочного корпуса вмонтированы блок питания (10) и электронный блок управления системами буя (11), соединенные электрически со всеми системами буя. Также внутри прочного корпуса (1) в его центральной части установлен линейный актуатор (12), на котором закреплен блок питания (10) с возможностью его перемещения вверх и вниз на расстояние, достаточное, чтобы обеспечить смещение центра масс для переворота буя на 180° в верхней и нижней точках траектории движения буя.In the first embodiment (see Fig. 1), an autonomous drifting profiling oceanological buoy contains a streamlined sealed strong body (1), made in the form of a cylinder with hemispherical tips to reduce hydrodynamic resistance. Oceanological meters (3) are installed on the top cover (2) outside the case (1) - temperature, electrical conductivity and pressure sensors, as well as antennas for navigation and communication systems (4). On the bottom cover (5) outside the housing (1), under the plastic cowl (6), an expansion tank (7) for the working fluid of the hydraulic immersion / ascent system is fixed. On the same bottom cover (5), an electric pump (8) is installed on the inside, which provides pumping and selection of the working fluid through the hydraulic lines into the expansion tank (7) from the reservoir with the working fluid (9) located inside the durable housing (1) near top cover (2). In the central part of the robust housing, a power supply unit (10) and an electronic control system for the buoy systems (11) are mounted electrically connected to all buoy systems. Also, a linear actuator (12) is mounted inside the strong housing (1) in its central part, on which the power supply unit (10) is mounted with the possibility of moving it up and down by a distance sufficient to provide a center of mass displacement for turning the buoy by 180 ° the upper and lower points of the trajectory of the buoy.

Во втором варианте (см. фиг. 2) автономного дрейфующего, профилирующего океанологического буя для обеспечения смещения центра масс и его переворота на 180° в верхней и нижней точках траектории движения буя в центральной части корпуса (1) под резервуаром с рабочей жидкостью (9) и над электрическим насосом (8) размещены балластные емкости (13), между которыми закреплен дополнительный электрический насос (14), перекачивающий балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями (13).In the second embodiment (see Fig. 2), an autonomous drifting, profiling oceanological buoy to provide a center of mass displacement and its revolution by 180 ° at the upper and lower points of the buoy trajectory in the central part of the hull (1) under the reservoir with the working fluid (9) and above the electric pump (8), ballast tanks (13) are placed, between which an additional electric pump (14) is fixed, pumping ballast fluid along hydraulic lines between the ballast tanks (13).

Пусть в системе координат, связанной с буем, ось Z направлена вверх, тогда, чтобы повернуть буй в вертикальной плоскости на 180°, следует обеспечить такое перемещение центра масс относительно центра вытеснения, чтобы первый при спуске находился выше второго: Zц.м.>Zц.в., а при подъеме - наоборот: Zц.м.<Zц.в. Причем в устойчивом положении угол, между продольной осью буя и его вертикальной осью стремится к 0°, центр масс и центр вытеснения должны располагаться на продольной оси буя: Хц.м.=Хц.в. и Yц.м.=Yц.в.Suppose that in the coordinate system associated with the buoy the Z axis is directed upwards, then in order to rotate the buoy in a vertical plane by 180 °, it is necessary to ensure such a movement of the center of mass relative to the center of displacement so that the first is lower than the second when descending: Zm.m> Z .v., and when lifting - vice versa: Zts.m. <Zts.v. Moreover, in a stable position, the angle between the longitudinal axis of the buoy and its vertical axis tends to 0 °, the center of mass and the center of displacement should be located on the longitudinal axis of the buoy: Хц.m. = Хц.в. and Ym.m. = Yv.v.

Внутренний резервуар с рабочей жидкостью гидравлической системы погружения/всплытия расположен в окрестности центра вытеснения так, что при всплытии буя уровень рабочей жидкости во внутреннем резервуаре опускается и, как следствие, центр масс опускается, а при погружении буя рабочая жидкость заполняет внутренний резервуар и центр масс поднимается. При достижении уровнем рабочей жидкости во внутреннем резервуаре положения, Zy.p.ж., при котором Zц.м.=Zц.в., буй оказывается в неустойчивом равновесии, при котором, в результате локального внешнего воздействия на боковую поверхность корпуса, буй переворачивается, например, в зоне турбулентности в толще воды или под действием орбитального движения в волне (см. фиг. 4).The internal reservoir with the working fluid of the hydraulic immersion / ascent system is located in the vicinity of the displacement center so that when the buoy emerges, the level of the working fluid in the inner tank drops and, as a result, the center of mass drops, and when the buoy is immersed, the working fluid fills the inner tank and the center of mass rises . When the level of the working fluid in the internal reservoir reaches the position, Zy.p.zh., at which Zц.м. = Zц.в., the buoy is in unstable equilibrium, in which, as a result of local external influence on the side surface of the hull, the buoy turns over , for example, in a turbulent zone in the water column or under the influence of orbital motion in a wave (see Fig. 4).

В оптимальных условиях буй должен переворачиваться в момент начала погружения или всплытия через бесконечно малый интервал времени после изменения знака собственной плавучести:

Figure 00000001
. Эти условия позволяют провести равноценные по качеству измерения полных вертикальных профилей термохалинных характеристик с помощью стандартного измерителя температуры, электропроводности и давления, например SBE 41/41CP CTD, как на траектории подъема, так и на траектории спуска буя.Under optimal conditions, the buoy should roll over at the moment of the start of the dive or ascent through an infinitely small time interval after changing the sign of its own buoyancy:
Figure 00000001
. These conditions make it possible to carry out equal quality measurements of the full vertical profiles of thermohaline characteristics using a standard temperature, conductivity and pressure meter, for example, SBE 41 / 41CP CTD, both on the ascent path and on the descent path of the buoy.

На практике нужно добиться, чтобы момент времени наступления состояния неустойчивого равновесия буя,

Figure 00000002
, совпал с моментом tплавучесть=0 перехода плавучести от положительной к отрицательной, или наоборот, с учетом того, что вертикальные профили плотности воды меняются в зависимости от географического положения буя и сезона. Поэтому мы использовали дополнительную систему продольного перемещения балласта внутри корпуса буя (см. фиг. 3а, 3б).In practice, it is necessary to ensure that the instant of the onset of the state of unstable equilibrium of the buoy,
Figure 00000002
, coincided with the moment t buoyancy = 0 transition of buoyancy from positive to negative, or vice versa, taking into account the fact that the vertical profiles of the density of water vary depending on the geographical position of the buoy and the season. Therefore, we used an additional system of longitudinal ballast movement inside the buoy body (see Figs. 3a, 3b).

С помощью системы управления мы добились синхронизации времени изменения положения центра масс с временем изменения положения центра вытеснения, что обеспечило переворот буя на 180° в нижней и верхней точках траектории профилирования независимо от плотности воды в акватории.Using the control system, we achieved synchronization of the time of the change in the position of the center of mass with the time of the change in the position of the center of displacement, which ensured the buoy to turn 180 ° at the lower and upper points of the trajectory of profiling regardless of the density of water in the water area.

Исходя из этой модели мы максимизировали количество океанологических данных, получаемых за один рабочий цикл профилирования. При этом объем данных измерений возрос в 2 раза по сравнению с ближайшим аналогом (буем АРГО).Based on this model, we maximized the amount of oceanological data obtained in one profiling work cycle. At the same time, the volume of these measurements increased by 2 times in comparison with the closest analogue (ARGO buoy).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Перед спуском буя в воду рабочая жидкость находится в резервуаре (9) и центр масс смещен к верхней крышке (2). При такой комбинации буй имеет отрицательную плавучесть и погружается вперед датчиками (3). В период погружения буя датчиками вниз идет накопление данных измерений электропроводности (солености), температуры и давления в невозмущенной среде. При достижении заданной глубины, контролируемой с помощью датчика давления (3), блок управления (11) выдает команду на электронасос (8) для перекачки рабочей жидкости по гидравлическим магистралям из резервуара (9) в расширительную емкость (7) и на устройство, перемещающее центр масс к нижней крышке (5).Before launching the buoy into the water, the working fluid is in the tank (9) and the center of mass is shifted to the top cover (2). With this combination, the buoy has negative buoyancy and is immersed forward by sensors (3). During the period when the buoy is immersed, the sensors accumulate the data of measurements of electrical conductivity (salinity), temperature and pressure in an undisturbed medium. Upon reaching the specified depth, controlled by a pressure sensor (3), the control unit (11) issues a command to the electric pump (8) for pumping the working fluid along the hydraulic lines from the tank (9) to the expansion tank (7) and to the device moving the center masses to the bottom cover (5).

В первом варианте блок управления (11) выдает команду на электрический линейный актуатор (12), по которому осуществляется перемещение балласта - блока питания (10), который всегда имеет значительную массу, достаточную для переворота буя на 180°. Актуатор (12) позволяет производить линейное перемещение балласта как вверх, так и вниз на значительное расстояние (например, 50-100 мм).In the first embodiment, the control unit (11) issues a command to the electric linear actuator (12), along which the ballast is moved - the power supply unit (10), which always has a significant mass sufficient to turn the buoy through 180 °. The actuator (12) allows linear ballast movement both up and down over a considerable distance (for example, 50-100 mm).

Во втором случае смещение центра масс осуществляется за счет балластного электронасоса (14), перекачивающего балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями (13), расположенными в верхней и нижней частях прочного корпуса (1) буя. Данный балласт в виде балластных емкостей (13) и балластной жидкости имеет также массу, достаточную для переворота буя на 180°.In the second case, the center of mass is shifted due to the ballast pump (14) pumping ballast fluid along the hydraulic lines between the ballast tanks (13) located in the upper and lower parts of the buoy’s strong body (1). This ballast in the form of ballast tanks (13) and ballast liquid also has a mass sufficient to turn the buoy 180 °.

В результате наличия в первом и втором вариантах изобретения дополнительных конструктивных элементов, перемещающих центр масс, буй переворачивается в вертикальной плоскости на 180° и приобретает положительную плавучесть за счет увеличения общего объема буя. Буй начинает всплывать к поверхности воды вперед датчиками (3).As a result of the presence in the first and second embodiments of the invention of additional structural elements that move the center of mass, the buoy turns over in a vertical plane by 180 ° and acquires positive buoyancy by increasing the total volume of the buoy. The buoy begins to float to the surface of the water ahead with sensors (3).

При достижении поверхности буй определяет свои координаты по спутниковой системе навигации, например GPS, и передает накопленные данные по радиоканалу. После завершения сеанса радиосвязи блок управления (11) выдает команду на смещение центра масс к верхней крышке (2). Буй переворачивается на 180° и после этого включается электронасос (8) для перекачки рабочей жидкости из расширительной емкости (7) в резервуар (9). Получив отрицательную плавучесть, буй начинает погружаться и начинается следующий рабочий цикл погружения/всплытия. Профилирование водной среды каждый раз происходит в положении датчиками (3) вперед, что обеспечивает океанологические измерения в невозмущенной среде. Таким образом, океанологические измерения проводятся в невозмущенной среде на всей траектории профилирования буя, то есть как при всплытии, так и при погружении.When the surface is reached, the buoy determines its coordinates using a satellite navigation system, such as GPS, and transmits the accumulated data over the air. After the end of the radio communication session, the control unit (11) issues a command to shift the center of mass to the top cover (2). The buoy is turned 180 ° and after that the electric pump (8) is turned on to pump the working fluid from the expansion tank (7) into the tank (9). Having received negative buoyancy, the buoy begins to sink and the next dive / ascent cycle begins. Profiling of the aquatic environment each time occurs in the position of the sensors (3) forward, which provides oceanological measurements in an undisturbed environment. Thus, oceanological measurements are carried out in an unperturbed medium along the entire trajectory of the buoy profiling, that is, both during ascent and when diving.

Заявленный автономный дрейфующий, профилирующий океанологический буй обеспечивает подвижность вертикального положения центра масс относительно центра вытеснения буя в результате следующего.The claimed autonomous drifting, profiling oceanological buoy provides mobility of the vertical position of the center of mass relative to the center of displacement of the buoy as a result of the following.

Система продольного смещения балласта внутри корпуса буя изготовлена с применением в первом случае: линейного актуатора, перемещающего балласт - блок питания (10) (см. фиг. 3а) и во втором случае - балластного электронасоса (14), перекачивающего балластную жидкость между балластными емкостями (13), расположенными выше и ниже центра вытеснения буя (см. фиг. 3б).The longitudinal ballast displacement system inside the buoy body is made using in the first case: a linear actuator that moves the ballast - a power supply unit (10) (see Fig. 3a) and in the second case - a ballast pump (14) pumping ballast fluid between ballast tanks ( 13) located above and below the center of displacement of the buoy (see Fig. 3b).

Таким образом, заявленное изобретение, обеспечивая переворот буя в вертикальной плоскости на 180° в верхней и нижней точках траектории его профилирования, позволяет увеличить количество получаемых данных океанологических измерений в 2 раза за цикл погружение/всплытие.Thus, the claimed invention, providing a buoy flip in the vertical plane by 180 ° at the upper and lower points of the trajectory of its profiling, allows to increase the amount of obtained oceanological measurement data by 2 times per dive / ascent cycle.

Claims (2)

1. Автономный дрейфующий профилирующий океанологический буй, содержащий обтекаемый герметичный прочный корпус, выполненный в виде цилиндра, на верхней крышке корпуса сверху установлены антенна систем навигации и связи, датчики электропроводности, температуры и давления, а на нижней крышке корпуса снаружи установлена расширительная емкость, внутрь корпуса вмонтированы резервуар с рабочей жидкостью соединенный гидравлическими магистралями с расширительной емкостью, электрический насос, блок питания, соединенный электрически со всеми системами буя, и электронный блок управления системами буя, отличающийся тем, что электрический насос закреплен с внутренней стороны нижней крышки и обеспечивает закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость из резервуара с рабочей жидкостью, установленного внутри корпуса вблизи верхней крышки, а в центральной части корпуса установлен электронный блок управления и линейный актуатор, на котором закреплен блок питания с возможностью его перемещения вверх и вниз на расстояние 50-100 мм.1. An autonomous drifting profiling oceanological buoy containing a streamlined sealed robust housing made in the form of a cylinder, an antenna for navigation and communication systems, conductivity, temperature and pressure sensors are installed on the top cover of the body, and an expansion tank is installed on the bottom cover of the case, inside the case mounted reservoir with working fluid connected by hydraulic lines with expansion capacity, electric pump, power supply unit, electrically connected to all buoy systems, and an electronic control unit for buoy systems, characterized in that the electric pump is fixed on the inside of the bottom cover and provides pumping and selection of the working fluid along the hydraulic lines into the expansion tank from the reservoir with the working fluid installed inside the housing near the top cover, and an electronic control unit and a linear actuator are mounted on the central part of the housing, on which a power supply is fixed with the possibility of moving it up and down to a distance of 50-100 mm. 2. Автономный дрейфующий профилирующий океанологический буй, содержащий обтекаемый герметичный прочный корпус, выполненный в виде цилиндра, на верхней крышке корпуса сверху установлены антенна систем навигации и связи, датчики электропроводности, температуры и давления, а на нижней крышке корпуса снаружи установлена расширительная емкость, внутрь корпуса вмонтированы резервуар с рабочей жидкостью, соединенный гидравлическими магистралями с расширительной емкостью, электрический насос, блок питания, соединенный электрически со всеми системами буя, и электронный блок управления системами буя, отличающийся тем, что электрический насос закреплен с внутренней стороны нижней крышки и обеспечивает закачку и отбор рабочей жидкости по гидравлическим магистралям в расширительную емкость из резервуара с рабочей жидкостью, установленного внутри корпуса вблизи верхней крышки, а под резервуаром с рабочей жидкостью и над электрическим насосом установлены балластные емкости, между которыми закреплен дополнительный электрический насос, перекачивающий балластную жидкость по гидравлическим магистралям между балластными емкостями.2. An autonomous drifting profiling oceanological buoy containing a streamlined, sealed robust housing made in the form of a cylinder, an antenna for navigation and communication systems, conductivity, temperature and pressure sensors are installed on the top cover of the body, and an expansion tank is installed on the bottom cover of the body, inside the body a reservoir with a working fluid is mounted, connected by hydraulic lines with an expansion tank, an electric pump, a power supply unit, electrically connected to everything buoy systems, and an electronic control unit for buoy systems, characterized in that the electric pump is fixed on the inside of the bottom cover and provides pumping and selection of the working fluid along the hydraulic lines into the expansion tank from the reservoir with the working fluid installed inside the housing near the top cover, and under ballast tanks are installed between the working fluid reservoir and above the electric pump, between which an additional electric pump is installed, which pumps ballast fluid through The hydraulic highways between the ballast tanks.
RU2015150936A 2015-11-27 2015-11-27 Autonomous drifting profiling oceanologic buoy RU2609849C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150936A RU2609849C1 (en) 2015-11-27 2015-11-27 Autonomous drifting profiling oceanologic buoy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150936A RU2609849C1 (en) 2015-11-27 2015-11-27 Autonomous drifting profiling oceanologic buoy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2609849C1 true RU2609849C1 (en) 2017-02-06

Family

ID=58457827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015150936A RU2609849C1 (en) 2015-11-27 2015-11-27 Autonomous drifting profiling oceanologic buoy

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2609849C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108482619A (en) * 2018-02-23 2018-09-04 西安应用光学研究所 A kind of extensible sleeve type photoelectricity panorama sounding buoy of carrying underwater carrier and detection method
CN108871445A (en) * 2018-07-05 2018-11-23 西北工业大学 A kind of underwater data autonomous recoding devices
RU2688544C1 (en) * 2017-12-22 2019-05-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Submarine radio beacon
CN114379714A (en) * 2022-01-28 2022-04-22 湖南航智科技有限公司 Buoy body
US11346690B2 (en) 2020-01-10 2022-05-31 Boston Engineering Corporation Device with water-activated, automatic disconnect
US11560204B2 (en) 2019-12-16 2023-01-24 Boston Engineering Corporation Techniques for providing variable buoyancy to a device
CN115743409A (en) * 2022-10-31 2023-03-07 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) Self-floating and sinking type section observation buoy

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2137662C1 (en) * 1998-11-13 1999-09-20 Морозов Андрей Константинович Scanning thermal buoy
CN201362339Y (en) * 2009-03-26 2009-12-16 国家海洋技术中心 Shallow sea self-restraining type drifting circulation detecting buoy
RU2445229C1 (en) * 2010-12-07 2012-03-20 Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Scanning probe for operation in ocean
CN104002927A (en) * 2014-05-26 2014-08-27 清华大学深圳研究生院 Drifting buoy with adjustable buoyancy

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2137662C1 (en) * 1998-11-13 1999-09-20 Морозов Андрей Константинович Scanning thermal buoy
CN201362339Y (en) * 2009-03-26 2009-12-16 国家海洋技术中心 Shallow sea self-restraining type drifting circulation detecting buoy
RU2445229C1 (en) * 2010-12-07 2012-03-20 Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Scanning probe for operation in ocean
CN104002927A (en) * 2014-05-26 2014-08-27 清华大学深圳研究生院 Drifting buoy with adjustable buoyancy

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2688544C1 (en) * 2017-12-22 2019-05-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Submarine radio beacon
CN108482619A (en) * 2018-02-23 2018-09-04 西安应用光学研究所 A kind of extensible sleeve type photoelectricity panorama sounding buoy of carrying underwater carrier and detection method
CN108482619B (en) * 2018-02-23 2019-12-03 西安应用光学研究所 A kind of extensible sleeve type photoelectricity panorama sounding buoy of carrying underwater carrier and detection method
CN108871445A (en) * 2018-07-05 2018-11-23 西北工业大学 A kind of underwater data autonomous recoding devices
US11560204B2 (en) 2019-12-16 2023-01-24 Boston Engineering Corporation Techniques for providing variable buoyancy to a device
US11346690B2 (en) 2020-01-10 2022-05-31 Boston Engineering Corporation Device with water-activated, automatic disconnect
US11566924B2 (en) 2020-01-10 2023-01-31 Boston Engineering Corporation Modular sensing device, system, and method
CN114379714A (en) * 2022-01-28 2022-04-22 湖南航智科技有限公司 Buoy body
CN115743409A (en) * 2022-10-31 2023-03-07 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) Self-floating and sinking type section observation buoy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2609849C1 (en) Autonomous drifting profiling oceanologic buoy
US8265809B2 (en) Autonomous underwater vehicle with current monitoring
US9718523B2 (en) Gliding robotic fish navigation and propulsion
Daniel et al. The Wave Glider: enabling a new approach to persistent ocean observation and research
Davis et al. Autonomous buoyancy-driven underwater gliders
Webb et al. SLOCUM: An underwater glider propelled by environmental energy
CN201362339Y (en) Shallow sea self-restraining type drifting circulation detecting buoy
US8726827B1 (en) Systems and methods for compensating for compressibility and thermal expansion coefficient mismatch in buoyancy controlled underwater vehicles
CN104149939B (en) A kind of acoustics location formula is from drifting along profile buoy device
KR101133197B1 (en) Submarine surface mooring apparatus for oceancurrent observation
KR101649726B1 (en) A floating device for measuring water-environment and real-time water-environment monitering methods using the same
WO2014199857A1 (en) Underwater mobile body
CN105228893A (en) Autonomous sea-going ship
US9381987B1 (en) Air-based-deployment-compatible underwater vehicle configured to perform vertical profiling and, during information transmission, perform motion stabilization at a water surface, and associated methods
CN105644743A (en) Long-term fixed-point observation type underwater robot with three-body configuration
CN102114900A (en) Ocean profile loop detection buoy
CN1326746C (en) Underwater self-navigating platform mechanical system
WO2014185519A1 (en) Underwater mobile body
Ward et al. SkinDeEP: A profiling instrument for upper-decameter sea surface measurements
JP2001515587A (en) Mooring type water quality inspection device
JP2018069881A (en) Floating-sink observation buoy
CN106394836A (en) Small submarine
KR100640291B1 (en) Device of changing buoyancy and machine of gathering environmental informations under water using the device
Ostrovskii et al. Automatic profiling system for underice measurements
JP7466830B2 (en) Underwater Vehicles

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171128