Фундаментальное изучение физико-химических и биологических процессов, происходящих в толще водных масс и на границе раздела вода — атмосфера, а также проведение постоянных наблюдений за гидрометеорологической обстановкой в океане осуществляются разными способами. Это и обширная сеть гидрометеорологических станций, расположенных вдоль побережья материков и на островах, и суда погоды, оборудованные гидрометеорологической и аэрологической аппаратурой. Число судов погоды сравнительно невелико, а стоимость их эксплуатации высока. Важным источником информации о состоянии погоды в открытом океане являются метеосводки с плавающих там судов, но их распределение по площади очень неравномерно, большие районы Мирового океана, удаленные от суши, находятся вне зоны наблюдений.

Информация, поступающая от метеорологических спутников Земли, позволяет судить о крупномасштабных процессах, происходящих в атмосфере и на поверхности океана. Однако измерения гидрометеорологических параметров с ИСЗ не могут обеспечить в настоящее время требуемой точности и полноты Данных.

Один из наиболее перспективных методов получения гидрометеорологических данных, а также проведения длительных научно-исследовательских наблюдений в океане при любых погодных условиях, основан на применении автономных буйковых станций (АБС). Первые буйковые станции использовались главным образом для навигационных целей и устанавливались в прибрежной полосе на малых глубинах.

В середине 50-х годов были осуществлены первые экспериментальные постановки АБС в открытом океане, которые сразу привлекли внимание ученых. В 1967 г. на специальной Международной конференции в Вашингтоне сообщалось, что только в США сконструировано и испытано около 85 различных систем АБС, из числа которых были выбраны более совершенные конструкции.

Использование для ретрансляции данных ИСЗ позволило значительно повысить надежность передачи информации и одновременно упростить аппаратуру, снизить энергопотребление радиопередающих устройств АБС. Применение их позволило сократить число экспедиционных судов.

За прошедшие два десятилетия АБС прочно вошли в состав технических средств, используемых для различных наблюдений в морях и океанах. Так, например, при изучении крупномасштабных синоптических вихрей в Атлантическом океане по международной программе ПОЛИМОДЕ в 1977—1978 гг. только советскими океанологами были установлены 19 АБС. Сотни дрейфующих станций используются для изучения поверхностных течений. В связи с интенсификацией добычи нефти, газа и других природных ископаемых значительно увеличилось число АБС, устанавливаемых на континентальном шельфе и во внутренних морях. Планируется создание региональных и международных сетей гидрометеорологических станций, охватывающих важнейшие районы Мирового океана. В рамках Европейского сообщества к 1980 г. предполагается установить сеть гидрометеорологических АБС в Северном, Балтийском морях и Бискайском заливе. США планируют создать в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах сеть из 500 АБС. Обсуждаются проекты создания Международной глобальной сети АБС.

В то же время проблему создания АБС для проведения длительных наблюдений на больших глубинах океана нельзя считать решенной. Из большого числа разработанных станций в 1978 г. насчитывалось немногим более 20 АБС, эксплуатировавшихся в открытом океане. Интенсивные работы по совершенствованию конструкций АБС и поиску новых решений ведутся в различных странах мира.

1. Типы и состав АБС

В зависимости от назначения и способа постановки можно выделить четыре основных типа АБС:
— с поверхностным, поставленным на якорь, буем; с притапливаемым буем;
— комбинированные с притапливаемым и поверхностным буем; дрейфующие.

Области их применения, достоинства и недостатки рассмотрены ниже. В самостоятельную группу выделяются обитаемые и необитаемые буи-лаборатории.

АБС включает комплекс постановочного оборудования: несущий буй, якорный трос, размыкатель троса и донный якорь; измерительный комплекс: гидрологические, метеорологические и другие измерительные приборы; системы преобразования, обработки и регистрации полученных данных; программное устройство, управляющее работой измерительных и вспомогательных систем АБС; системы телеметрии — приемно-передающие радиостанции, линии связи с первичными преобразователями, включая гидроакустический канал; вспомогательное оборудование — аккумуляторные батареи, энергетические установки Для их подзарядки, системы вентиляции, терморегулирования, навигационное оборудование и т. д.

Несущие буи. Несущий буй сдерживает якорный трос с подвешенными к нему приборами, в нем размещается аппаратурный комплекс, измерительные датчики, радиопередающие устройства, источники питания и вспомогательные системы.

Форма конструкции буя и требования к его гидродинамическим характеристикам определяются в значительной мере системой постановки АБС. В наиболее неблагоприятных условиях находятся АБС с поверхностным заякоренным буем. Эти буи подвергаются воздействию волн, течения и ветра. Поэтому от их гидродинамических характеристик будут зависеть динамические нагрузки, возникающие на якорном тросе. Даже незначительное улучшение этих характеристик повышает надежность постановки АБС и позволяет упростить ее якорную систему. Следует учитывать, что коэффициент лобового сопротивления буев может существенно изменяться при воздействии нерегулярного волнения. Величина и знак этих изменений зависят от формы буя.

В более благоприятных условиях находятся притапливаемые АБС, несущие буи которых подвергаются в основном воздействию течений. Буи этих АБС должны иметь минимальный коэффициент лобового сопротивления и достаточную плавучесть, чтобы удерживаться на заданной глубине при максимальной скорости течения, ожидаемой в районе постановки станции.

Поверхностные заякоренные буи часто имеют форму диска, тороида, вертикально-ориентированного цилиндра, вехи или судна.

В притапливаемых АБС применяются буи в виде сфер, горизонтально ориентированных цилиндров.

Корпуса крупнотоннажных буев изготовляют из стали, буи водоизмещением несколько тонн — из сплавов алюминия, которые благодаря небольшому удельному весу, хорошим антикоррозийным свойствам получили широкое применение.

Синтетические материалы, в том числе в комбинации с металлом, применяют при изготовлении буев, имеющих небольшую плавучесть. Ряд фирм США выпускает серии унифицированных буев с плавучестью от десятков килограмм до нескольких тонн из алюминиевых сплавов. Для увеличения плавучести устанавливают несколько таких буев.

Одной из важных задач, возникающих при разработке морских буев, является защита их корпусов от коррозии и обрастания. Как правило, корпус буя покрывают специальными анти-обрастающими красителями, при этом срок эксплуатации буя составляет 1—2 года в зависимости от района постановки (в тропических районах не более 6—8 месяцев). Однако антиобрастающие красители кроме ограниченного срока службы обладают другими недостатками: в них содержится до 90—95% токсических веществ и только 5—10% пленочного материала. Токсические вещества содержат ионные частицы, которые способствуют электролитической коррозии, вследствие чего между антиобра-стающим красителем и металлом необходимо наносить дополнительный слой антикоррозионного покрытия.

Американской компанией В. Ф. Гудхарда предложен метод защиты металлических корпусов буев от обрастания и коррозии при помощи резиновых пластин специального состава, которые наклеиваются на металлические конструкции, работающие в погруженном состоянии. Путем специальной технологической обработки в резину вводятся токсические вещества, которые сохраняются в ней в течение длительного времени. Такие покрытия имеют целый ряд преимуществ по сравнению с красителями. Срок их службы увеличивается до 5—7 лет и может регулироваться толщиной резиновых пластин и количеством введенных в нее токсических веществ. Покрытия инертны к материалу корпуса и одновременно служат дополнительной защитой буя. Стоимость их в 1,5—2 раза больше стоимости обычных красителей.

Эффективное защитное покрытие для буев применяет фирма «Хагенук» (ФРГ). На корпуса буев из алюминия и других металлов путем горячего напыления наносится слой цинка. Такое покрытие является надежной защитой корпуса буя от коррозии и одновременно, как показала их эксплуатация, от биологического обрастания. Оказалось, что отдельные организмы, прикрепившиеся к подобным корпусам, вскоре смываются водой. Продолжительность действия таких покрытий оценивают в один год, после чего оно может быть обновлено.

В последние годы разработан ряд покрытий на основе эпоксидных смол, показавших хорошие эксплуатационные качества.

Якорный трос. Одним из наиболее ответственных элементов станции, особенно с поверхностным заякоренным буем, от которого в значительной мере зависит ее «живучесть», является якорный трос.

В настоящее время используют как стальные проволочные тросы, так и тросы из синтетических волокон. Достоинствами первых следует считать большую прочность при сравнительно небольшом диаметре, что весьма важно для его гидродинамического сопротивления горизонтальной составляющей течения, и небольшое удлинение под нагрузкой.

Их недостатком является подверженность коррозии. Дело в том, что океанологи применяют обычные тросы, предназначенные для промышленности. Морская вода быстро вымывает смазку и разрушает цинковое покрытие. Как показала практика, срок службы стальных оцинкованных тросов в экваториальных районах не превышает 1 —1,5 месяца. Повреждается под действием коррозии прежде всего верхняя часть троса.

Ряд зарубежных фирм выпускает секции стального троса с нейлоновым или уретановым покрытиями, что значительно повышает срок службы. Эти секции имеют наконечники, позволяющие соединять их между собой. Такой трос можно использовать также в качестве кабеля для передачи данных от гидрологических приборов.

К недостаткам стальных тросов нужно отнести их большую маСсу и, следовательно, инерционность, вследствие чего они испытывают большие динамические нагрузки при волнении. Это часто является причиной разрыва прядей троса вблизи его крепления к бую. В результате раскручивания троса происходит перераспределение нагрузки на отдельных прядях и существенное снижение прочности.

При постановках АБС на больших глубинах для снижения массы применяют тросы переменного сечения с меньшим диаметром внизу. Это позволяет более равномерно распределять нагрузку по длине троса и улучшать условия его работы. Благодаря небольшому растяжению, металлические тросы особенно удобны при постановках притапливаемых АБС.

С появлением тросов из синтетических материалов существенно улучшились качества якорных систем. Одним из основных достоинств синтетических тросов является их небольшой удельный вес, близкий к 1. Благодаря этому уменьшается грузоподъемность несущего буя, что позволяет использовать для постановки трос одного диаметра. Малая масса и, соответственно, инерционность снижают динамические нагрузки, возникающие на тросе при волнении. Тросы из синтетических материалов не подвержены коррозии. Их эластичность позволяет ставить АБС без «притравки» троса. Так, при поисках подводной лодки «Трешер» на глубине 2,5 км было поставлено шесть АБС. В качестве якорного троса использовался 14-миллиметровый нейлоновый канат, длина которого с учетом растяжения на 15% меньше глубины.

До последнего времени были наиболее распространены нейлоновые и дакроновые тросы. Полипропиленовые тросы, имеющие небольшое удлинение и положительную плавучесть, применяют редко, так как при низких температурах они снижают свою прочность. Тросы из стекловолокна, несмотря на высокую прочность (до 35 т/см2). легко повреждаются при механическом воздействии. Рекомендуемая нагрузка на дакроновые и нейлоновые тросы — 20% их разрывной прочности, при этом растяжение для дакрона составляет около 6% и для нейлона — 20%. При оптимальных нагрузках, соответствующих 20%-ной разрывной прочности, срок службы якорного троса из синтетических Материалов оценивают в один. год. В случае увеличения нагрузки до 85% этот срок сокращается до недели. Однако во время эксплуатации АБС тросы нередко повреждают морские животные, особенно на глубинах до 1000 м. Поэтому здесь рекомендуется устанавливать стальной трос.

Синтетической трос из арамидного волокна «Кевлар», разработанного в США, обладает прочностью стального и легкостью нейлонового. Результаты эксплуатационных испытаний тросов и кабелей-тросов из этого волокна показали перспективность их применения в качестве якорных для АБС.

Несмотря на интенсивные поиски и усилия прилагаемые разработчиками к созданию надежных якорных тросов, они по-прежнему остаются наиболее уязвимой частью буйковых станций.

Практически срок постановки АБС определяется надежностью троса.

Донные якоря. В качестве донных якорей АБС используют чугунные литые сегменты, цепи, якоря Стимсона и Дан-форта, а также якоря, заглубляющиеся в грунт при помощи взрывных устройств. В отличие от обычной постановки станции на якорь на мелководье при постановке АБС на большой глубине образуется небольшой угол наклона якорного троса, который ухудшает сцепление якоря с грунтом. Под действием волнения возможен отрыв якоря от грунта и дрейф станции. Во избежание этого применяют якоря в виде якорных цепей или секционные с распределенным грузом. Они состоят из нескольких чугунных сегментов, соединенных последовательно отрезками цепи или троса, вследствие чего снижается вероятность полного отрыва якоря от грунта, а также обрыва троса.

Размыкатели троса. Надежное сцепление якоря с грунтом, которого стремятся достичь при постановках АБС, осложняет подъем станции. В большинстве случаев якоря станции заглубляются в грунт, и при их «вырыве» на тросе возникают большие динамические нагрузки, приводящие к его обрыву. Поэтому раньше в нижней части троса у якоря обычно ставили ослабленное звено. В случае перегрузки это звено обрывалось, а трос с приборами поднимался на борт. В настоящее время вместо ослабленного звена используют размыкатели троса, среди которых наибольшее распространение получили гидроакустические. Такие размыкатели включают в себя механический замок с исполнительным механизмом, гидроакустический приемник, дешифратор кодовых команд и батареи питания, помещенные в прочный корпус. Размыкатель устанавливают обычно в нижней части троса. Управляют гидроакустическими размыкателями с помощью кодовых сигналов, посылаемых судовым передатчиком. Принятые сигналы поступают на дешифратор, после чего включается привод механического замка, который отсоединяет нижнюю секцию троса, прикрепленную к якорю. Наибольшее распространение получила цифровая система кодирования с использованием двух несущих частот. Она обладает высокой помехоустойчивостью и позволяет принимать значительное число различных команд.

Для повышения надежности срабатывания в ряде размыкателей гидроакустические системы дублируются программно-временными устройствами, которые включают привод размыкателя через заданный интервал времени. Аналогичные программно-временные устройства применяются в притапливаемых АБС, которые должны быть подняты после заданного срока, например, при постановке станции на зимний период подо льдом. В этом случае электронные схемы размыкателя включаются к моменту подъема станции. Такая блокировка исключает возможность срабатывания от помех, позволяет значительно уменьшить расход энергии и емкость батарей питания. В качестве программно-временных устройств используют электронные часы со счетными схемами.

Применяют также упрощенные конструкции программно-временных размыкателей, которые срабатывают при электрохимическом разрушении стопорной тяги, изготовленной из сплава магния и алюминия. Скорость электрохимической реакции задается электрической схемой, а в случае ее отказа изменяется только время срабатывания спускового механизма. Такие размыкатели служат для дублирования гидроакустических на притапливаемых станциях.

Системы сбора, накопления и передачи информации АБС. Эти системы обеспечивают вызов измерительных блоков по заданной программе, фиксированной или гибкой; прием информации от измерительных блоков и отдельных датчиков и ее преобразование в цифровой код; накопление полученных данных на носителях и их передачу по радиоканалу. В основе управления системой лежит принцип временного программирования циклов измерения, включения отдельных узлов и блоков, систем регистрации, радиопередающих и приемных устройств и вспомогательной аппаратуры. Программное устройство вырабатывает через заданные интервалы времени командные сигналы, с помощью которых выполняется последовательный, иногда последовательно-параллельный опрос всех измерительных систем, включая контрольную аппаратуру.

Циклы измерения, их последовательность и приоритет опроса определяются по фиксированной программе или по команде из приемного центра. Предусмотрено также автоматическое изменение режима измерения и передачи данных. Так, во время штормовой погоды АБС переходит на непрерывный режим измерения и передачи данных. Команды на измерительные блоки, а также результаты измерений в системы преобразования данных и в блоки памяти передаются по внутренним кабельным линиям связи. В ряде случаев для передачи данных от гидрологических приборов на буи используется гидроакустический канал. Результаты измерения записывают на магнитные носители и затем передают в сеансы связи или по запросу по радиоканалу в береговые центры сбора данных.

Информация передается в большинстве случаев на KB- и УКВ-диапазонах на частотах от 2 до 40 МГц. В целях повышения надежности связи крупнотоннажные АБС оборудуют многоканальными приемно-передающими системами, позволяющими выбрать оптимальный частотный диапазон, для прохождения сигналов с минимальным числом ошибок. Принятая такой системой с береговой станции команда, содержащая кодовый сигнал, ретранслируется на берег, где она проверяется при помощи ЭВМ. При отсутствии ошибок команда вновь посылается на буй уже в качестве исполнительной. После ее получения программное устройство АБС выдает разрешение на передачу данных, записанных в блоке оперативной памяти. При чаличии ошибок из-за плохой связи береговой центр повторяет команду в других частотных диапазонах. Данные передаются также: ч£$-ез спутники связи.

Источники питания. Вспомогательная аппаратура. От энергоресурса АБС в значительной мере зависят сроки ее автономной работы. Непосредственное питание аппаратуры АБС осуществляется от аккумуляторов, которые должны периодически подзаряжаться при длительных постановках станции от различных генераторов. В качестве источников питания обычно применяют на больших буях дизель-генераторы, термоэлектрические генераторы, работающие на сжиженном газе. Последние, благодаря небольшим габаритам, используют также на малых буях. Разработан ряд радиоизотопных установок, которые целесообразно размещать на притапливаемых станциях, где затруднена подача свежего воздуха, необходимого для работы вышеуказанных генераторов.

В число вспомогательной аппаратуры входит навигационный комплекс, включающий осветительные огни, активный радиоответчик, сирену, включаемую при тумане, а также системы контроля за работой агрегатов, вырабатывающих электроэнергию, и состоянием аккумуляторных батарей и др.

2. АБС с поверхностным заякоренным буем

Такие АБС используют для проведения стандартных гидрометеорологических наблюдений, а также для навигационных целей. Одной из первых гидрометеорологических станций, получивших довольно широкое распространение, является станция (Navy Oceanographic Meteorological Automatic Device) NOMAD (США). В течение 25 лет станции этой конструкции успешно эксплуатируются в различных районах Мирового океана. Несущий буй станции выполнен из алюминия в форме лодки длиной 6 м и шириной 3 м. Масса буя — 20 т. Внутри корпуса, разделенного на 12 отсеков, размещены измерительная аппаратура, радиостанция и источники питания. На мачтах буя установлены комплекс метеорологических датчиков и антенна.

За время эксплуатации станция была существенно модернизирована. Вначале она измеряла атмосферное давление, скорость и направление ветра, температуру воздуха и поверхностного слоя воды. Впоследствии в состав измерительной аппаратуры была включена гирлянда термодатчиков для измерения вертикального распределения температуры поверхностного слоя воды. Установлена система для передачи данных через ИСЗ, а также система ракетного зондирования тропосферы до высоты

7 км. Запущенная со станции ракета в процессе снижения на парашюте измеряет и передает данные о вертикальном профиле температуры, давления и относительной влажности воздуха, которые регистрируются и затем передаются совместно с гидрометеорологической информацией на береговой пункт. Сеансы связи проводятся 4 раза в сутки, а при ухудшении погоды через час. Повышена мощность радиостанции с 1 до 4 кВт.

АБС NOMAD предназначена для работы в шельфовой зоне. Однако станции ставили и на глубинах до 4—5 км. Срок действия их без ремонта составляет 8 месяцев. Для постановки АБС в глубоком океане используют буи «Монстр», ХЕРВ-1, ЕЕР, РЕВ, разработанные фирмой «Дженерал дайнамикс» (США). Буи типа «Монстр» прошли успешные испытания при неблагоприятных погодных условиях в открытом океане в 1964—1966 гг. Наиболее уязвимым элементом оказалась якорная система. И хотя станция выдерживала ураганы, при которых скорость ветра достигала 100 миль/ч, а высота волн 15 м, срок действия якорного троса оказался менее запланированного (менее одного года).

Постановка станции на стальном тросе оказалась ненадежной, и трос был заменен на комбинированный — дакроново-по-липропиленовый.

Буй типа «Монстр» послужил основой для разработки АБС ХЕРВ-1. Корпус этого буя сварен из десятимиллиметровой листовой стали и имеет форму диска диаметром 12 м с усечением в нижней части. Водоизмещение—100 т. На буе установлена 12-метровая мачта, которая является опорой антенны и одновременно вентиляционной и выхлопной трубой двигателя внутреннего сгорания. На мачте укреплены метеорологические датчики и мощная навигационная ксеноновая лампа. Буй разделен на 16 водонепроницаемых отсеков. В четырех расположены генераторы и электронное оборудование, восемь заполнено пенопластом, в четырех находятся балластные цистерны с морской водой.

АБС рассчитана на автономную работу в течение года и может устанавливаться практически на любых глубинах. Аппаратура станции позволяет подключать до 100 океанологических и 10 метеорологических датчиков. В подводный измерительный комплекс входят датчики глубины, температуры, солености. Контейнеры с измерительными датчиками могут устанавливаться на якорном тросе на глубине до 3000 м. В каждом контейнере имеются три датчика, преобразователь аналоговых сигналов в частотный и батарейное питание. Опрос и включение отдельных датчиков проводится по команде с буя, в качестве линии связи служит якорный кабель-трос. Ввод данных в линию связи от подводных датчиков и сигналов команды от поверхностного буя осуществляется методом индуктивной связи при помощи специальных трансформаторов с разъемным сердечником. Принятые на буе сигналы отфильтровываются, преобразуются в цифровой код и регистрируются.

Датчики, устанавливаемые на мачте буя, измеряют направление и скорость ветра на высоте 5, 10 и 15 м от водной поверхности, магнитный курс, атмосферное давление, солнечную радиацию, температуру морской воды на поверхности, температуру точки росы и сухого воздуха. Кроме того, определяется ускорение буя по вертикали, фиксируются углы наклона и угловая скорость. Эти данные используются для определения характеристик волнения. Также регистрируются скорости и направления течения в поверхностном слое океана. Датчики течения крепятся к днищу корпуса буя приблизительно на 1 м ниже поверхности.

Показания метеорологических датчиков представляют как аналоговое напряжение, которое преобразуется в ЧМ-сигнал, а затем в 12-разрядный двоичный код. В связи с ограниченной емкостью источников питания станция передает только часть собранной информации, которая необходима главным образом для составления метеорологических прогнозов. На станции предусмотрены блоки долговременной оперативной магнитной памяти. Емкость ее рассчитана на хранение информации, собранной станцией за весь период работы. Оперативная память хранит данные, собранные за последние 24 часа. Аппаратура, установленная для сбора данных от датчиков, может выполнять до 20 различных команд: изменять скорость опроса датчиков, проводить выборочный опрос и т. п. Выход буя в эфир осуществляется по команде с береговой станции. Для большей гибкости предусмотрена возможность связи на шести диапазонах в полосе частот от 3 до 30 МГц. Мощность передатчика — 1 кВт. Телеметрическая система обеспечивает надежную связь в радиусе до 4500 км, используя высокие частоты и ионосферное отражение.

Питание станции обеспечивается никелево-кадмиевыми аккумуляторами, которые периодически подзаряжаются двумя генераторами с приводом от двигателей внутреннего сгорания, работающих на пропане.

Дальнейшими модификациями ХЕРВ-1 являются буи ЕЕР (Engineering Experimental Phase) и РЕВ (Prototype Environmental Buoy). На буе ЕЕР установлена усиленная мачта без оттяжек с антенной высотой 7,5 м. Общая высота буя с оборудованием на мачте равна 11 м. На уровнях 5 и 10 м от поверхности воды размещены датчики общей радиации, температуры, осадков, атмосферного давления, температуры точки росы, скорости и направления ветра.

На буях РЕВ комплекс метеорологических датчиков установлен только на уровне 10 м.

Особое внимание при разработке станции ЕЕР было уделено надежности и стабильности показаний метеорологических датчиков, которые, как показал опыт эксплуатации, быстро выходят из строя и являются одной из наиболее частых причин прекращения работы станций.

Гидрологические измерители скорости и направления течения, температуры и солености морской воды, гидростатического давления и скорости звука размещают в титановых корпусах, которые закрепляют на двенадцати уровнях до глубины 500 м. Для передачи данных от измерительных блоков в кабель-трос используется индуктивный метод связи. Аналогичным образом через линию связи подается питание измерительных схем от источников, расположенных в буе. Сеансы передачи данных с АБС проводятся через 1, 3, 6 часов, а также по запросу. Буй на якорь ставится на синтетическом тросе. В верхней части, длиной 500 м, устанавливают восьмижильный дакроновый кабель-трос, в нижней — нейлоновый канат. Размыкатель троса соединяется с якорем при помощи цепи. Энергия для питания аппаратуры буя вырабатывается дизель-генератором, который периодически подзаряжает буферную аккумуляторную батарею. Буй рассчитан для работы в любых погодных условиях. Автономность буя — 1 год. Предполагаемый срок эксплуатации — 10 лет. Стоимость станции составляет 500 тыс. долл.

В Англии изготовлена и прошла успешные эксплуатационные испытания буйковая станция ДБ-1 аналогичной конструкции, предназначенная для постановки в районах континентального шельфа. Чтобы устранить вращение буя, применяют три якоря. Испытания показали, что якорная система может обеспечить срок постановки до 1 года. Термомеханический генератор, работающий на жидком пропане, рассчитан на 2 года. Для повышения надежности измерения гидрометеорологических параметров датчики дублируются.

Для национальной сети Норвегии разработана АБС с цилиндрическим буем, предназначенная для сбора и передачи гидрометеорологических данных. Корпус его длиной 6,8 м и диаметром 0,8 м изготовлен из металла и стеклопластика. Положительная плавучесть буя — 2 т. Масса оборудования — 0,7 т. В корпусе буя размещены электронная аппаратура, приемно-передающая радиостанция и гидроакустическая станция. Питание станции осуществляется от сухих батарей, рассчитанных на работу в течение восьми месяцев. Гидрологические датчики заключены в автономные контейнеры, имеющие собственные источники питания. Информация, получаемая от этих датчиков, передается по гидроакустическому каналу в цифровом коде на несущий буй и ретранслируется затем по радио.

3. АБС с притапливаемым буем

На АБС с поверхностным буем при измерениях в штормовую погоду вследствие вертикального перемещения троса происходит сильное искажение показаний навешенных на него приборов. Заглубление несущего буя позволяет избежать этого. Кроме того, АБС с притапливаемым буем можно устанавливать в районах, покрываемых в зимний период льдом, и снимать после его таяния. Отсутствие динамических нагрузок на тросе, вызываемых поверхностным волнением, позволяет значительно уменьшить положительную плавучесть несущего буя и использовать более легкие якорные системы.

К недостатку АБС этого типа следует отнести невозможность измерения гидрометеорологических и гидрологических параметров в верхнем, наиболее активном, слое воды над буем, а также отсутствие радиосвязи. Вся информация, собранная станцией, накапливается на регистраторах и доступна только после ее подъема.

Наибольшее распространение эти станции получили при проведении научно-исследовательских работ, а также измерении гидрологических параметров в ледовых районах.

Система постановки аналогична применяемой в поверхностных АБС. Особое внимание уделяется якорным тросам, которые не должны изменять свою длину в процессе эксплуатации. Размыкатели троса для отсоединения донного якоря должны иметь повышенную надежность. В ряде случаев они дублируются. Для обнаружения станций на них устанавливают гидроакустические ответчики, которые часто совмещают с размыкателями троса.

4. Комбинированные АБС

Довольно часто в последнее время применяют комбинированные АБС с притапливаемым и поверхностным буем. Вывод несущего буя из зоны поверхностного волнения позволяет существенно Упростить его конструкцию и систему якорной постановки, о несущем буе сосредоточены основная измерительная аппаратура, источники питания и система сбора и регистрации данных. В результате поверхностный буй, освобожденный от большей части нагрузки, может быть значительно уменьшен в размерах, вследствие чего уменьшается его гидродинамическое сопротивление. На поверхностном буе устанавливают комплекс гидрометеорологических датчиков и радиопередающую станцию с антенной. Связь притапливаемого буя с поверхностным осуществляется при помощи кабеля-троса.

К одной из наиболее удачных систем такого типа следует отнести комбинированную АБС, созданную во Франции. В качестве поверхностного буя служит буй-веха L-55, изготовленный из пенопласта и стеклопластика. Его длина—10 м и диаметр в центральной части — 0,3 м, масса вместе с оборудованием — 100 кг. В верхней части буя расположен съемный блок с комплексом метеорологических датчиков, антенной, проблесковым огнем и радиолокационным отражателем. В качестве балласта к нижней части подвешен контейнер с электронной аппаратурой, радиопередатчиком и батареями питания. Масса контейнера — 275 кг. Основной якорный трос удерживается дополнительным сферическим буем, находящимся на глубине 15—20 м, с которым поверхностный буй соединен полипропиленовым кабелем. Такая система сводит к минимуму вероятность запутывания троса и кабеля.

Буй был многократно испытан в неблагоприятных условиях, при скорости ветра 100—130 км/ч и скорости течения до 4 уз (при этом наклон его корпуса не превышал 15—20°). Установленный в 1000 км от побережья Франции, буй в течение месяца передавал данные через ИСЗ. Радиопередатчик мощностью 5 Вт, работающий на частоте 40 МГц, обеспечивал связь в радиусе 100 км. За один сеанс связи передаются 12 параметров, в том числе значения направления и скорости ветра, атмосферного давления, температуры воды и воздуха. V Международная океанографическая комиссия МОК приняла решение использовать буй L-55 в глобальной системе АБС.

5. Дрейфующие АБС

Для изучения поверхностных течений, а также гидрометеорологических измерений в районах, покрытых льдом, где невозможна постановка заякоренных АБС, широко используют дрейфующие АБС.

В качестве примера такой АБС может быть рассмотрен дрейфующий буй «Sea Robin», разработанный фирмой «Дженерал Электрик». Подводная часть буя имеет форму цилиндра диаметром 0,6 м, который в верхней части имеет коническое расширение диаметром 1,2 м. В нижней части установлен динамический демпфер в виде решетчатого цилиндра. Общая длина буя —4,3 м, масса с полным оснащением — 0,7 т.

На верхнем основании крепится трехметровая стойка с антеннами и гидрометеорологическими датчиками. В корпусе буя размещены приемно-передающие радиостанции, измерительная аппаратура, аккумуляторы и термоэлектрический генератор с запасом пропана. На буе установлено 19 различных океанологических, метеорологических и контрольно-измерительных датчиков.

В Канаде было создано несколько дрейфующих АБС с корпусами из пластиковых материалов и из алюминия. Последний оказался более прочным, легко под: дающимся обработке и дешевым. Буй длиной 2 м, массой 90 кг рассчитан на работу в течение 6—12 месяцев.

На буе установлены датчики атмосферного давления и температуры воды, измерительный преобразователь, радиопередатчик с антенной и батареи питания. В течение двух лет было изготовлено и запущено около 100 дрейфующих АБС.

Для определения местоположения дрейфующих буев используют радионавигационную систему «Омега» и навигационные системы, связанные с ИСЗ. При работе с системой «Омега» принятый на АБС сигнал регистрируется и затем ретранслируется вместе с накопленной гидрометеорологической информацией в береговой центр, где затем вычисляются координаты буя. Точность определения автоматической системой места — около 4—5 км.

Системы, основанные на использовании ИСЗ, наиболее перспективны. Они имеют небольшие габариты, массу и стоимость. Точность определения координат буев (около 3 км) вполне достаточна для проводимых исследований. ИСЗ обеспечивают надежную связь с дрейфующими АБС в любых районах океана при самых неблагоприятных погодных условиях.

6. Буи-лаборатории

Для проведения испытаний акустической аппаратуры, а также поисковых и научно-исследовательских работ, которые необходимо выполнять с бесшумных и малоподвижных платформ, создан ряд обитаемых и автономных буев-лабораторий. Такие буи имеют ряд преимуществ перед экспедиционными судами, благодаря минимальному искажению, вносимому ими в физические поля, и возможности хорошей пространственной стабилизации.

Обитаемый буй-лаборатория BORNA-1 разработанный французской Службой подводных исследований OERS выполнен в виде 60-метровой трубы переменного сечения (1, 2, 3 м). Общая масса буя — около 250 т. Подводная часть буя погружается на глубину 50 м. Эта глубина может регулироваться при помощи воздушного колокола, расположенного в нижней части буя. На верхней части буя на расстоянии 15 м от поверхности моря установлена надстройка, в которой размещены лаборатория, каюта для экипажа из 4 или 9 человек, вспомогательные помещения, радиотелефонная аппаратура и дизель-генераторы.

Плоская крыша служит в качестве вертолетной площадки. На сигнальной мачте размещены датчики для градиентных наблюдений.

Подводные лаборатории находятся в средней части буя. В лабораториях имеются иллюминаторы для наблюдений и устройства для взятия проб. В трубе, кроме лабораторий, размещаются мастерские и складские помещения, в ее нижней части — резервуары пресной воды, горючего и баллоны с сжатым воздухом. Связь между лабораториями осуществляется при помощи лифта.

Опыт эксплуатации показал, что колебания буя даже при сильных штормах не превышают 3°, период качки равен 22 с.

В США в институте Скриппса разработан и находится в эксплуатации с 1962 г. обитаемый буй-лаборатория FLIP (Floating Instrument Platform). Носовая часть буя выполнена, как у судна, для удобства буксировки в горизонтальном положении в место постановки. После заполнения балластных цистерн водой буй переводится в вертикальное положение.

Диаметр нижней части корпуса 6 м, верхней части длиной 27 м — 3,8 м. Буй разделен на четыре вертикальных отсека: машинное отделение, жилое помещение, электронная лаборатория и компрессорная. Имеется также отсек-лаборатория, заполненная водой. Общая масса буя с оборудованием — 590 т. Водоизмещение в горизонтальном положении — 1500 т, в вертикальном — 2000 т. На буе установлены три дизель-генератора (2×60 кВт и 1×20 кВт). На надводной платформе имеются выдвижные стрелы, шпили, лебедки и другое оборудование. Буй снабжен системой ориентации, радиолокатором, радионавигационной станцией «Лоран» и специальной радиоаппаратурой. Установленная аппаратура предназначена для измерения акустических сигналов, сейсмических и внутренних волн, микротермической структуры моря, течения и других параметров водной среды и приводного слоя атмосферы. Колебания буя при воздействии волн высотой 1,5 м с периодом 11 с не превышают 0,2°, при этом амплитуда вертикальных перемещений буя равна 4 см.

Буй имеет высокую чувствительность к вертикальным нагрузкам. Поэтому попытки использовать его для разработки нефтяных месторождений в открытом море окончились неудачно.

На основе опыта эксплуатации буя-лаборагории FLIP сконструирован буй-лаборатория POP меньших размеров. Общая длина равна 70 м, а погружаемой части — 55 м. Масса буя—150 т. Период колебаний буя на резонансной частоте — 21 с.

В том же институте Скриппса для проведения акустических исследований сконструирован необитаемый буй-лаборатория SPAR (Seagoing Platform Acustic Research). Он имеет сигарообразную форму. Его длина — 118 м и диаметр—4,8 м. Масса — 587 т. Водоизмещение в вертикальном положении при заполненных балластных цистернах на глубине 92 м равно 1720 т.

Буй может поворачиваться вокруг вертикальной оси при помощи гребных винтов для ориентировки гидрофонов при испытаниях гидролокаторов. В его верхней части находятся антенны радиопеленгатора. Вдоль корпуса размещены гидрофоны и Другие приборы, внутри него — электронное оборудование, насосы, компрессоры, топливо, дизель-генератор на 10 кВт и аккумуляторные батареи. SPAR работает совместно с двумя вспомогательными судами: одно используется для буксировки и снабжения буя электроэнергией при помощи километрового кабеля во время проведения измерений, другое — для передачи электромагнитных и акустических сигналов в радиусе до 100 миль.

Сигналы, принятые на буе, передаются для анализа по кабелю на судно. Период вертикальных колебаний буя на резонансной частоте равен 19 с. При поверхностных волнах с периодом менее 10 с вертикальные перемещения буя незначительны.

Следует отметить, что стоимость конструкции автономного буя-лаборатории типа SPAR с дистанционным управлением почти вдвое больше стоимости обитаемого буя-лаборатории типа FLIP.

Большое внимание при планировании гидрометеорологических сетей АБС уделяется вопросам их постановки, съема, эксплуатации и периодического контроля специальными судами. Расходы на эксплуатацию судов обеспечения имеют большой удельный вес в общих затратах и в значительной мере зависят от технических характеристик станций, длительности их автономной постановки. При планировании в США национальной сети АБС, состоящей из 300 буев, была дана следующая оценка предполагаемых затрат на ее эксплуатацию в течение десяти лет.

При проведении ревизии буев каждые два месяца для обслуживания сети необходимо 28 судов. Стоимость их эксплуатации составит 3,4 млрд. долл. При интервале осмотра раз в шесть месяцев количество судов уменьшается до девяти, а затраты — до 1,8 млрд. долл. При годичной бесконтрольной работе АБС потребуется пять судов, а затраты снизятся до 0,8 млрд. долл.

Несмотря на столь значительные затраты, буйковые станции и лаборатории будут в дальнейшем совершенствоваться, появятся новые конструкции, так как они являются неотъемлемой частью глобальной системы изучения Мирового океана.

Повышение эксплуатационной надежности АБС требует решения целого ряда задач. Одной из главных является совершенствование постановочных комплексов «буй — якорная система». Создание специальных тросов и кабель-тросов и способов крепления на них измерительной аппаратуры, улучшение гидродинамических характеристик буев за счет применения новых конструктивных материалов и снижения массы якорных тросов позволят повысить «живучесть» АБС.

Применение новой электронной техники даст возможность резко уменьшить габариты, массу и потребление энергии измерительными устройствами, что позволит устанавливать на АБС дублирующие системы и тем самым повысить надежность работы станции.

Совершенствование систем ретрансляции данных через ИСЗ существенно упростит решение проблем энергопитания АБС н увеличения их автономной работы.

Б. В. Шехватов

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Remote ocean engineering environmental date acqusition/G. Haas, T L Livingstоn, R. P. Muelее, R. Y. Pоten.—Oceans 77. Conf. Rec., Los Angeles, 1977,—N. Y„ 1978.
2. Status of data buoy development in the United States Technical.— Conf. of Acqusition and Communication of Ocean Data world meteorological organization.— Tokyo, 1972.
3. Transactions 2nd International Buoy Technology Symposium.— Marine Technology Society, 1967.