Су асты дыбысын анықтау жүйесі: Сонобуйлер

Кіріспе

Ұшақтардан немесе кемелерден тасталатын/шығарылатын бір рет қолданылатын сонар жүйесі.

Сонобуй (сонар және буй сөздерінің қосындысы) – су астына қарсы күрес немесе су асты акустикалық зерттеулер үшін ұшақтардан немесе кемелерден тасталатын шағын, бір рет қолданылатын сонар буйы. Сонобуйлердің диаметрі шамамен 3 фут (1 метр) және ұзындығы 1 метрдей болады. Су бетінде қалқығанда, сонобуйлерде су бетінде радио хабар таратушысы және су астында гидрофондық сенсорлар болады.

Жұмыс істеу теориясы

Сонобуйлар ұшақтан контейнерлерде шығарылады және суға тиген кезде жұмысқа кіріседі. Радио хабар берушісі бар қаушақтаушы беттік бөлік әуе кемесімен байланыс үшін су бетінде қалады, ал бір немесе бірнеше гидрофондық сенсорлар мен тұрақтандыру жабдығы қоршаған ортаның жағдайларына және іздеу жолына байланысты өзгеріп отыратын, белгілі бір тереңдікке түседі. Буй гидрофонынан (немесе гидрофондарынан) UHF/VHF радиоарқылы әуе кемесіндегі операторларға акустикалық ақпаратты жібереді.

Тарих

Су асты кемелерінің қазіргі заманғы соғыста технологиялық жетілуімен бірге тиімді іздеу жүйесіне қажеттілік туды. Sound Navigation And Ranging (SONAR) бастапқыда Ұлыбританияда, Бірінші дүниежүзілік соғыстың соңғы күндерінде ASDIC деп аталды. Сол кезде су асты кемелерін анықтаудың жалғыз жолы – оларды тыңдау (пассивті сонар) немесе батареяларын зарядтау үшін су бетіне шыққанда кездейсоқ көру болатын. Әуе патрульдері (британдықтар көбінесе ұзаққа төзімділігі жоғары кішкентай дирижабльдерді қолданды) су асты кемелерін және кейде, жағдайлар қолайлы болғанда, тіпті су астындағыларын да анықтай алатын, себебі сол дәуірдегі су асты кемелерінің тереңге бату мүмкіндігі өте шектеулі болды. Егер байланыс орнатылса, олар су асты кемесінің соңынан еріп, радиоарқылы су үстіндегі кемелерді шабуылға шақыратын. Сонар өте шектеулі қолданыста болды және көбінесе Атлант мұхитында сыналып, көбінесе теңіз офицерлері жүйеде қандай да бір пайдалылықты көрмеді. Бірінші дүниежүзілік соғыстың аяқталуымен АҚШ-та сонарды дамыту тоқтады, бұл Екінші дүниежүзілік соғыстың басындағы қателікке айналды. Алайда, Ұлыбританияда ASDIC-тің жан-жақты дамуы болды, оның ішінде графикалық кестемен және қарумен интеграциялау да бар. Ұлыбритания соғыс аралық кезеңде сонарды дамытуды жалғастырғанда, 1920 жылдары АҚШ Жағалау және геодезиялық қызметі гидрографиялық зерттеулер кезінде суреттеу кемелерінің орнын анықтау үшін радиоакустикалық қашықтық әдісін жасады. Бұл кеменің орналасқан жерінде шағын жарылғыш затты жарылту арқылы, жарылыс дыбысының жағалау станцияларында немесе экипаждық кемелерде орнатылған алыстағы гидрофондарға жетуіне кеткен уақытты тіркеу және дыбысты қабылдау уақытын кемеге радиоарқылы хабарлау арқылы жүзеге асырылды, бұл экипажға үшбұрыш пайдалану арқылы нақты орнын анықтауға мүмкіндік берді. 1931 жылы Жағалау және геодезиялық қызмет командалы станция кемелерін "радиосонобуйлермен" ауыстыруды ұсынды және жаңа буйлерді 1936 жылдың шілдесінен бастап пайдалануға енгізді. Бұл буйлердің салмағы шамамен 4 кг болды, оларды Жағалау және геодезиялық қызмет кемелері бес минут ішінде орналастыра немесе қайта алып алатын, ал олар су асты гидрофондарымен, батареялармен және гидрофондары жарылыс дыбысын анықтағанда автоматты түрде радиосигнал жіберуге қабілетті радио хабар таратушыларымен жабдықталған. Бұл "радиосонобуйлер" 1940 жылдары пайда болған сонобуйлердің алдағы буыны болды. Екінші дүниежүзілік соғыста неміс су асты қайықтары одақтастарға келтірген зиян сонарды қажеттілікке айналдырды. Атлант мұхитында миллиондаған тонна жүктің батып кетуіне байланысты, оларды батыру немесе шабуылдаудың алдын алу үшін су асты кемелерін табу қажет болды. Сонар су асты кемелерін анықтау үшін бірнеше кемелерге орнатылды. Сонар бастапқыда қарапайым жүйе болғанымен, ол үнемі жетілдіріліп отырды. Су асты кемелеріне қарсы қазіргі заманғы соғыс әдістері Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде қарсылық көрсеткен сулар арқылы конвойлар мен ұрыс топтарының қозғалысы үшін жасалған тәсілдерден пайда болды. Су асты кемелерін анықтау және бейтараптандыру міндеті жүктелген топ шабуылға ұшырамас бұрын бұл міндетті орындау қажет болды. Ұшақтардан су асты кемелерін анықтау ең қарапайым шешім болды. Радиобайланыс және сонар технологиясының жетілуі сонар трансляторын, батареяларды, радио хабар таратушыны және сым антеннасын өздігінен орналастырылатын, ауамен жүретін (соно) буйда біріктіруге мүмкіндік берді. Алғашқы сонобуйлердің қашықтығы шектеулі, батареясының қызмет ету мерзімі шектеулі болды және олар мұхиттың шуына толы болды. Олар алғаш рет Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде пайда болды, онда оларды алғаш рет 1942 жылдың шілдесінде RAF жағалау командасы "High Tea" кодолық атымен қолданды, ал 210-шы эскадрилья Сандерлендте жұмыс істеді. Сонымен қатар, оларды мұхит ортасындағы адам жасаған дыбыстарды ажырату үшін адам құлағын пайдалану да шектеді. Алайда, олар технологияның тиімді екенін көрсетті. Жақсартылған гидрофондардың, транзисторлардың және миниатюраландырудың дамуымен, сондай-ақ өте төмен жиілікті дыбыстың маңызды екендігінің түсінілуімен, одан да тиімді акустикалық сенсорлар пайда болды. Сонобуйдің көлемі 2 метр биіктігі және 1 метр диаметрі бар сенсордан бүгінгі күнгі ықшам электрондық жиынтыққа дейін өзгерді. Сонобуй технологиясының жетістіктері П-2 Нептун, С-2 Трекер, С-3Б Викинг және П-3 Орион сияқты су асты кемелеріне қарсы соғысқа арналған ұшақтарды жасауға көмектесті.

With the technological improvement of the submarine in modern warfare, the need for an effective tracking system was born. Sound Navigation And Ranging (SONAR) was originally developed by the British—who called it ASDIC—in the waning days of World War I. At the time the only way to detect submarines was by listening for them (passive sonar), or visually by chance when they were on the surface recharging their battery banks. Air patrols (the British mostly used small airships which had the advantage of long endurance) could spot surfaced submarines and occasionally, when conditions were right, even submerged ones as the diving depth of submarines of the era was so limited. If contact was made, they would follow the submarine while summoning surface ships by radio to attack it. Sonar saw extremely limited use and was mostly tested in the Atlantic Ocean with few naval officers seeing any merit in the system. With the end of World War I came the end to serious development of sonar in the United States, a fact that was to be fatal in the early days of World War II. However, considerable development of ASDIC took place in the United Kingdom, including integration with a plotting table and weapon. While the United Kingdom pursued the development of sonar during the interwar period, the United States Coast and Geodetic Survey during the 1920s developed the radio acoustic ranging method of fixing the position of survey ships during hydrographic survey operations by detonating a small explosive at the location of the ship, recording the time it took for the sound of the explosion to reach distant hydrophones mounted at shore stations or aboard crewed station ships, and radioing the time of receipt of the sound to the ship, allowing the crew to make precise position fixes by using triangulation. In 1931, the Coast and Geodetic Survey proposed the replacement of crewed station ships with "radio sonobuoys", and placed the new buoys in service beginning in July 1936. These buoys weighed , could be deployed or recovered by Coast and Geodetic Survey ships in five minutes, and were equipped with subsurface hydrophones, batteries, and radio transmitters that automatically sent a radio signal when their hydrophones detected the sound of a ranging explosion. These "radio sonobuoys" were the ancestors of the sonobuoys that began to appear in the 1940s. The damage inflicted upon the Allies by German U boats during World War II made the need for sonar a priority. With millions of tons of shipping being sunk in the Atlantic, there was a need to locate submarines so that they could be sunk or prevented from attacking. Sonar was installed on a number of ships along with radar and high frequency direction finding ("Huff Duff") to detect surfaced submarines. While sonar was a primitive system, it was constantly improved. Modern anti submarine warfare methods evolved from the techniques devised for the movement of convoys and battle groups through hostile waters during World War II. It was imperative that submarines be detected and neutralized long before the task group came within range of an attack. Aircraft based submarine detection was the obvious solution. The maturity of radio communication and sonar technology made it possible to combine a sonar transducer, batteries, a radio transmitter and whip antenna, within a self contained air deployed floating (sono)buoy. Early sonobuoys had limited range, limited battery life and were overwhelmed by the noise of the ocean. They first appeared during World War II, in which they first were used in July 1942 by RAF Coastal Command under the code name 'High Tea', the first squadron to use them operationally being No. 210 Squadron RAF, operating Sunderlands. They were also limited by the use of human ears to discriminate man made noises from the oceanic background. However, they demonstrated that the technology was viable. With the development of better hydrophones, the transistor and miniaturization, and the realization that very low frequency sound was important, more effective acoustic sensors followed. The sonobuoy went from being an imposing 6 feet (2 m) tall, 2 feet (1 m) diameter sensor to the compact suite of electronics it is today. The advancement in sonobuoy technology aided the development of aircraft such as the P 2 Neptune, S 2 Tracker, S 3B Viking and P 3 Orion for anti submarine warfare.

Операция

Сонобуйлар үш санатқа бөлінеді: белсенді, пассивті және арнайы мақсаттағы. Белсенді сонобуйлар суға дыбыс энергиясын (пинг) жібереді және ақпаратты (әдетте, UHF/VHF радиоарқылы) қабылдаушы кемеге немесе ұшаққа жібермес бұрын қайта оралатын эхоны тыңдайды. Алғашқы белсенді сонобуйлар орнатылғаннан кейін белгілі бір уақыт аралығында үздіксіз пинг сигналдарын жіберетін. Кейіннен, командалық белсендірілген сонобуй жүйесі (CASS) сонобуйлар ұшаққа радиобайланыс арқылы пингтерді (немесе буйды суға батыруды) іске қосуға мүмкіндік берді. Бұл DICASS (Directional CASS) жүйесіне дамыды, онда қайта оралған эхода бағыт және қашықтық туралы мәліметтер болды. Пассивті сонобуйлар суға ештеңе жібермейді, керісінше, кемелерден немесе су асты кемелерінен шыққан дыбыс толқындарын (мысалы, электр станциясы, перне, есік жабылуы және басқа да шулар) немесе апатқа ұшыраған ұшақтың қара жәшігінің сигналы сияқты басқа да қызықты акустикалық сигналдарды гидрофонға жеткенше күтеді. Дыбыс содан кейін UHF/VHF радиоарқылы қабылдаушы кемеге немесе ұшаққа жіберіледі. Арнайы мақсаттағы сонобуйлар түрлі типтегі океанографиялық деректерді кемеге, ұшаққа немесе спутникке жеткізеді. Бүгінде арнайы мақсаттағы сонобуйлардың үш түрі қолданылады. Бұл сонобуйлар су асты кемелерін анықтау немесе орналасқан жерін табу үшін арналмаған. BT – батитермобуй (BT) әртүрлі тереңдікте батитермографиялық және/немесе тұздылық өлшемдерін жібереді. Сонобуй үлгісін орнату алдында, тығыздық/температуралық қабаттарды анықтау үшін бір немесе бірнеше батитермобуйлар орнатылады. Мұндай қабаттар сонарды кері шағылыстыратын немесе керісінше, толқынды бағыттайтын ретінде әрекет ете алады. SAR – іздеу-құтқару (SAR) буйы жүзетін радиожиіліктік маяқ ретінде жұмыс істеуге арналған. Осылайша, ол ұшақ апатының орнын, суға батқан кемені немесе теңізде аман қалғандарды белгілеуге көмектеседі. ATAC/DLC – әуемен тасымалданатын байланыс (ATAC) және төменге жүктелген байланыс (DLC) буйлары, мысалы UQC немесе "Гертруда", ұшақ пен су асты кемесінің немесе кеме мен су асты кемесінің арасында байланыс құралы ретінде пайдалануға арналған. Бұл ақпарат компьютерлер, акустикалық операторлар және тактикалық үйлестірушілермен талданады, сонобуй ақпаратын түсіндіру үшін. Белсенді және/немесе пассивті сонобуйлар алғашқы анықтау үшін үлкен алаңдарда немесе кедергілерде орналастырылуы мүмкін. Белсенді буйлар содан кейін нақты орналасқан жерін анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Пассивті буйлар да үшбұрыш тәсілімен салыстырмалы түрде дәл орналасқан жерін анықтау үшін бетке орналастырылуы мүмкін. Бірнеше ұшақ немесе кеме су асты кемесін сонар желісіне итеру үшін пассивті түрде тыңдау немесе белсенді түрде сигнал жіберу арқылы үлгіні бақылайды. Кейде үлгі желілік немесе басқа массивтік құрылым түрінде болады және жеке немесе шектеулі гидрофондардың мүмкіндіктерін арттыру үшін күрделі сәулелік сигнал өңдеу қолданылады.

Sonobuoys are classified into three categories: active, passive and special purpose. Active sonobuoys emit sound energy (pings) into the water and listen for the returning echo before transmitting information—usually range and bearing—via UHF/VHF radio to a receiving ship or aircraft. The original active sonobuoys pinged continuously after deployment for a predetermined period of time. Later, Command Activated Sonobuoy System (CASS) sonobuoys allowed the aircraft to trigger pings (or buoy scuttling) via a radio link. This evolved into DICASS (Directional CASS) in which the return echo contained bearing as well as range data. Passive sonobuoys emit nothing into the water, but rather listen, waiting for sound waves (for instance, power plant, propeller or door closing and other noises) from ships or submarines, or other acoustic signals of interest such as a crashed aircraft's black box pinger, to reach the hydrophone. The sound is then transmitted via UHF/VHF radio to a receiving ship or aircraft. Special purpose sonobuoys relay various types of oceanographic data to a ship, aircraft, or satellite. There are three types of special purpose sonobuoys in use today. These sonobuoys are not designed for use in submarine detection or localization. BT—The bathythermobuoy (BT) relay bathythermographic and/or salinity readings at various depths. Laying a pattern of sonobuoys is often preceded by laying one or more bathythermobouys to detect density/temperature strata. Such strata can act as sonar reflectors or, conversely, as waveguides. SAR—The search and rescue (SAR) buoy is designed to operate as a floating radio frequency beacon. As such, it is used to assist in marking the location of an aircraft crash site, a sunken ship, or survivors at sea. ATAC/DLC—Air transportable communication (ATAC) and down link communication (DLC) buoys, such as the UQC, or "gertrude", are intended for use as a means of communication between an aircraft and a submarine, or between a ship and a submarine. This information is analyzed by computers, acoustic operators and tactical coordinators to interpret the sonobuoy information. Active and/or passive sonobuoys may be laid in large fields or barriers for initial detection. Active buoys may then be used for precise location. Passive buoys may also be deployed on the surface in patterns to allow relatively precise location by triangulation. Multiple aircraft or ships monitor the pattern either passively listening or actively transmitting to drive the submarine into the sonar net. Sometimes the pattern takes the shape of a grid or other array formation and complex beamforming signal processing is used to transcend the capabilities of single, or limited numbers of, hydrophones.