science-review.ru
Рассмотрено создание гидрохимических измерительных средств, включаемых в состав анализируемого ниже подводного телеуправляемого комплекса. Комплекс и входящая в его состав измерительная аппаратура по своей специфике являются средствами для проведения геохимических исследований в морской среде и предназначены в том числе для обнаружения и оценки ресурсов морских газогидратных месторождений. Другим важным назначением комплекса является проведение измерений потока химических элементов через поверхность раздела вода – дно. Так как образование и существование газовых гидратов обусловлено наличием восходящего потока метана, то предлагаемый комплекс аппаратуры является одним из инструментов исследований названных процессов. Выполнено исследование методов и особенностей измерения гидрохимических параметров придонного слоя воды и донных осадков, для чего комплекс оборудуется соответствующими датчиками. Другой особенностью исследований является возможность получения характеристик придонных вод в автоматическом режиме в течение продолжительного времени на достаточно больших глубинах. Для этих целей в состав комплекса включены приспособления для отбора проб воды и донных осадков через интервалы времени, предусмотренные программой экспериментов.
Назначение и область применения
Подводный телеуправляемый комплекс предназначен, прежде всего, для обнаружения и исследований газогидратных проявлений на морском дне, для измерения величин восходящего потока метана, как растворенного в морской воде, так и в виде пузырьков. Кроме того, комплекс позволяет измерять потоки таких химических соединений, как хлор или сульфат. Все эти потоки связаны с восходящей фильтрацией глубинных вод. По величинам потока основных ионов может быть рассчитана скорость восходящей фильтрации, но для этого необходимо определение концентрации ионов в фильтрующейся жидкости. Для определения требуемой концентрации ионов необходимо проводить отборы проб осадка в месте постановки блока специализированной аппаратуры, а непосредственное взятие этих проб осуществляется геологическим пробоотборником. Кроме того, проводятся вспомогательные измерения теплового потока (термоградиента) в осадках и визуальные наблюдения в случае наличия пузырьковой разгрузки метана со дна. Также необходимо вести получение данных по временной изменчивости этих параметров, что крайне важно для оценки возможных ресурсов газогидратов в районах проводимых исследований. Подводный телеуправляемый комплекс осуществляет постановку блока гидрохимической аппаратуры на дно и активацию его в рабочий режим на определенное время (время экспозиции). В течение этого времени в непрерывном режиме (скважность 1–2 мин) определяется величина и направление скорости течения и температура внешней воды, содержание кислорода в придонной воде в рабочем и фоновом боксах. Вся эта информация записывается в цифровую память микрокомпьютера бортового блока, откуда в дальнейшем считывается в компьютеры судового центра обработки. Через заданный интервал времени блоки автоматического пробоотбора постановочного блока производят отбор порций воды из рабочего и фонового боксов. За счет обмена химическими элементами и процессов, происходящих в самой воде, концентрации их в объеме боксов изменяются. По этим изменениям определяются потоки через поверхность раздела вода – дно.
Гидрохимические боксы
В состав подводного телеуправляемого комплекса включаются блоки гидрохимической аппаратуры, предназначенные для проведения исследований процессов массообмена химическими элементами через поверхность раздела вода – дно. Важнейшим элементом блока гидрохимической аппаратуры является бокс, а точнее, целый ряд боксов, при постановке на дно заглубляющихся своими краями в грунт (кроме фонового) и ограждающих от окружающей водной среды стенками объем воды с частью дна. Расчеты потоков обмена элементами через дно проводятся на основании измеренных изменений концентраций веществ в объеме боксов. При этом необходимо проводить постоянное перемешивание воды в боксе с целью уменьшения погрешностей измерений. Перечислим основные боксы в соответствии с выполняемыми функциями: рабочий бокс, фоновый бокс, гидрохиноновый (бокс турбулизации). Существенной частью создаваемого комплекса, является упомянутый выше рабочий бокс, снабженный устройством для перемешивания воды. Кроме того, в состав комплекса включается блок автоматического пробоотбора морской воды и фотометрические датчики кислорода с устройствами накопления данных. Отдельно выполнен прочный герметичный корпус для блока питания, электрических кабелей с герметичными разъемами и комплекса аппаратуры управляющего микропроцессорного контроллера. Там же размещается блок технических средств, несущих вспомогательные функции, среди них отметим: фоновый бокс, гидрохиноновый бокс, кассеты с гидрохиноновыми таблетками, Вспомогательный гидрохиноновый бокс применяется для пересчета результатов измерений в закрытой системе бокса на открытую систему морской воды [1–3].
Рабочий бокс
Для исследований газогидратных проявлений проводится изоляция некоторого объема воды и контактирующего с ним участка дна, посредством специального рабочего бокса. Для правильного функционирования рабочего бокса используется подсистема принудительной промывки рабочего объема бокса, вслед за постановкой на грунт. Имитация в боксе специфической гидродинамики придонного слоя осуществляется принудительным перемешиванием воды, а измерения концентраций элементов в боксе осуществляются периодически. Для этого ведется отбор проб воды из бокса, что компенсируется таким же объемом внешней воды. В процессе заданной экспозиции на дне, содержание растворенных элементов в замкнутом объеме бокса изменяется и используется для расчета потоков этих элементов через поверхность раздела вода – осадок. Необходимая для последующего комплексного анализа концентрация кислорода в боксе измеряется посредством чувствительного датчика непрерывного действия.
Фоновый бокс
Вычленение биохимических и гидрохимических преобразований, идущих в замкнутом объеме воды, проводится с помощью не имеющего открытого контакта с дном фонового бокса, в отличие от контактирующего с участком дна открытого рабочего бокса. Внутренний объем рабочего бокса контактирует с поверхностью дна, а в фоновом боксе между дном и внутренним объемом должна стоять непроницаемая перегородка. Начальный же состав воды в фоновом и рабочем боксах одинаков. Процедура отбора проб, перемешивающее устройство, датчики и другие вспомогательные устройства в обоих боксах также одинаковы. Изменения концентраций элементов после постановки на грунт, в объеме фонового бокса, будут определяться только процессами в воде (влияние дна исключено). Так как процессы в воде для фонового и рабочего боксов одинаковы, мы можем вычесть из изменений концентраций в рабочем боксе изменения в фоновом боксе. Разница концентраций будет определяться исключительно процессами обмена через границу раздела вода – осадок. Заметим, что в фоновом боксе имеется закрывающееся специальное нижнее промывочное отверстие, через которое бокс заполняется водой в процессе опускании комплекса и которое закрывается на дне, а рабочий бокс вообще не имеет дна.
Гидрохиноновый бокс
Контроль степени перемешивания (турбулизации) воды внутри боксов осуществляется с помощью специального гидрохинонового бокса. Отметим, что внутренний объем всех трех боксов – рабочего, фонового и гидрохинонового – одинаков, как и системы перемешивания одинаковы. Оценка степени турбулизации осуществляется по скорости растворения гидрохинона (специального слаборастворимого вещества), заполняющего специальные гидрохиноновые плошки. Изменяя степень турбулизации, можно управлять толщиной диффузионного подслоя – тонкого слоя воды вблизи твердой поверхности, с которой, в свою очередь, связаны скорости растворений, В предлагаемой конструкции гидрохинонового бокса степень турбулизации может меняться за счет соответствующих изменений в размерах площади лопастей мешалок. Как показали опыты, скорость растворения гидрохинона прямо пропорциональна площади лопастей и может изменяться в 4–5 раз [4–6].
Подсистема управления
Подсистема выполняет управление автоматической системой пробоотбора, закрытием и открытием промывочных отверстий в верхних крышках рабочего и фонового боксов, обеспечивает питание перемешивающих устройств стабилизированным по напряжению постоянным током. Конструктивно подсистема состоит из прочного корпуса, блока питания, управляющего микропроцессорного контроллера, внутренних коммуникационных проводов и разъемов, необходимых для программирования работы подводного телеуправляемого комплекса, а также из внешних коммуникаций.
Основные характеристики подсистемы управления:
- оптимизированы весогабаритные параметры;
- обладает функциональной гибкостью;
- имеет больший запас рабочей глубины (3000 м);
- легко собирается и разбирается;
- удобно крепится на станции.
Разработаны и изготовлены коммутационные соединения блока гидрохимической аппаратуры. В них использованы удобные для использования в морских условиях разъемы, позволяющие соединять их без предварительной просушки. Была полностью обеспечена потребность коммутаций элементов комплекса, заключающаяся в двух типах специальных разъемов и, соответственно, двух типов кабелей. Блочные части разъемов герметично устанавливались на коммутируемых блоках, а съемные были объединены в две подсистемы в зависимости от типа кабеля.
Модернизация вспомогательных подсистем
Осуществлено обоснование и разработка функциональных схем электрической части гидрохимического блока, включающих: интерфейсы подключения электрохимических измерителей концентраций кислорода в морской воде и величины рН, а также ранее разработанного гидрофизического модуля. Разработан специальный аппаратный интерфейс для гидроакустического канала связи и системы измерения, считывания и передачи электрических сигналов с датчиков. Модернизирована подсистема сбора и накопления информации; подсистема программного и операционного обеспечения работы отдельных устройств станции (работа моторов, шприцев и т.д.). Усовершенствован блок пробоотборников гидрохимического модуля с шаговым приводом исполнительного механизма. Проведены лабораторные испытания всех устройств, блоков и подсистем гидрохимического модуля. В ближайшей перспективе предполагается оснащение комплекса гидроакустической связью для дистанционного считывания информации и передачи команд управления. Предполагается использование корреляционного метода передачи гидроакустических сигналов. Ведется разработка комплекса программ, в которые входят: пакеты моделирования многолучевости и допплеровских смещений, программ обнаружения передаваемой информации, программ генерации излучаемых сигналов.
Механическая модернизация
Проведена модернизация ранее разработанных функциональных узлов и состава механической части комплекса, включающей: опускаемую с судна на морское дно на тросе или в свободном падении несущую металлическую раму с установленными на ней специальными камерами. Для отбора проб придонной воды из боксов устанавливается набор специальных шприцев, а также гидрохиноновый блок – комплекс, позволяющий корректировать разницу в гидродинамике внутри боксов и снаружи, а перемешивание воды в боксах, имитирующих придонную гидродинамику, осуществляется управляемыми моторами. Кроме того, комплекс оборудуется механической подсистемой для отбора донных осадков из-под боксов, после окончания эксперимента.
Реализация плавной постановки на дно
При постановке комплекса на дно происходят определенные нарушения донной поверхности, которые могут повлиять на интенсивность обменных процессов между водой и осадком. Это нарушение неразрывности слоя осадков происходит под воздействием внедряемых в осадок краев бокса. При внедрении краев бокса в осадок возможно добиться уменьшения нежелательных краевых эффектов, для чего края бокса должны быть достаточно тонкими, а размер дна, ограниченный стенками бокса, достаточно большим. Внедрение в осадок должно быть плавным, без ударных нагрузок, нарушающих структуру поверхности осадка. Для донных комплексов были разработаны разнообразные системы плавной постановки на дно. Возможно использование систем, снабженных водяными парашютами. Но наиболее распространенными остаются системы, в которых плавность постановки достигается в два этапа. Первый этап – это установка на дно внешней рамы комплекса. Далее, плавно опускается на дно весь комплекс аппаратуры, включая специальную гидрохимическую аппаратуру. Была проведена проработка техники отдачи балласта гидрохимическим блоком подводного телеуправляемого комплекса. Результатом этого явилась разработка варианта конструкции на базе унифицированных размыкателей троса. Предложенная система отдачи балласта должна обеспечивать всплытие рамной конструкции гидрохимического блока по окончании инкубации на дне. Установленная положительная плавучесть соответствует 50 кг (без балласта). Два гидроакустических размыкающих устройства дублируются размыкающим устройством с пережиганием. Рабочая глубина системы отдачи балласта рассчитана на 2000 м, дальность действия системы гидроакустического управления всплытием – 3000 м, автономность – 30 суток, период управления всплытием по таймеру регулируется в пределах 30 суток с дискретностью одни сутки. Предусмотрено наличие гидроакустической связи после срабатывания механизмов размыкания (масса одного размыкающего элемента не превышает 15 кг) [7–9].
Заключение
Проведено исследование задач, особенностей и методов измерения гидрохимических параметров придонного слоя воды и донных осадков. Сложность проблемы заключается в получении характеристик in situ в течение продолжительного времени в автоматическом режиме на достаточно больших глубинах. Для этих целей подводный телеуправляемый комплекс оборудуется датчиками химических параметров и приспособлениями для отбора проб воды и донных осадков в предусмотренные программой экспериментов интервалы времени. Выполнено обоснование функциональной схемы механической части комплекса. Она включает: несущую металлическую раму с установленными на ней камерами, которая опускается с судна на морское дно на тросе или в свободном падении (тонкая балансировка механической конструкции, возможен парашют); моторы для перемешивания воды в боксах, имитирующие придонную гидродинамику; блок шприцев для отбора проб придонной воды из боксов; гидрохиноновый блок – систему позволяющую корректировать разницу в гидродинамике внутри боксов и снаружи; систему спуска – подъема; устройство для отбора донных осадков из-под боксов после окончания эксперимента. Выполнена разработка и изготовление конструктивных и функциональных элементов опытного образца подводного телеуправляемого комплекса, включая специализированную гидрохимическую аппаратуру для исследования газовых гидратов. Предварительно выполнены конструктивные проработки и макетирование разрабатываемой аппаратуры, а также промежуточные испытания элементов комплекса. Был предложен и отработан комплекс специальных средств, в числе которых отметим: подсистему гидролокационного поиска, гидроакустические средства связи, подводного позиционирования и навигации, средства общесудового и специального назначения, в том числе космические. С помощью этих средств предварительно проводится обследование акваторий для последующих постановок исследовательской аппаратуры. Управление всплытием подводного телеуправляемого комплекса обеспечивается набором специальных акустических подсистем. В дальнейшем предполагается оснастить комплекс независимыми системами отдачи балласта, обеспечивающими всплытие.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН на 2020 г. (тема № 0149-2020-0011) при поддержке РФФИ (проект № 20-05-00384_A и проект № 18-05-60070 «Арктика»).