[ X ]

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ C

VLF РАДИОСТАНЦИЯ CUTLER (США)

 

C1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Координаты: 44°38'42"N 67°16'57"W.

Позывной: NAA (до 1941 г. использовался радиостанцией г. Arlington, штат Вирджиния)

Начало работы: 1961 г. (активна)

Рабочая частота: 24.00 кГц (ранее использовалась 17,8 кГц)

Мощность передатчика: до 2000 кВт (4x500 кВт)

Мощность, излучаемая антенной: до 1500 кВт.

Классы излучения: F3C (MSK) - основной, F3C (FSK), A1A - резервные.

панорама радиостанции Cutler

Рис.С.1. Панорама радиостанции Cutler

 

Cutler является наиболее передовой в техническом отношении VLF радиостанцией США. Ее отличительная особенность - оригинальная конструктивная схема антенны, получившая название Trideco. Она была взята за основу еще на ряде VLF радиостанциий, в т.ч. на станции Harold E.Holt (NWC) в Австралии, на станции Anthorn в Великобритании, на станции Rosnay (HWU) во Франции и на станции Kattabomman в Индии.

Другой отличительной особенностью станции Cutler является ее исключительно высокая максимальная мощность, достигающая 2000 кВт, что ставит ее в ряд самых мощных VLF радиостанций мира. Кроме того, станция может работать как с одной антенной секцией, так и с двумя, а каждая антенная секция - с полным или частичным включением панелей антенного полотна. Такие возможности реконфигурации обеспечивают станции высокую эксплуатационную гибкость и живучесть.

Еще одним важнейшим отличием станции Cutler является использование безынерционной системы автоподстройки антенны точно на излучаемую частоту, что значительно повышает ее эффективность в режиме частотной манипуляции, в т.ч. в режиме 4 MSK, являющимся основным эксплуатационным режимом работы станции.

Генеральным подрядчиком проектирования и строительства станции являлась компания Continental Electronics Manufacturing Co (Даллас, штат Техас) - ведущий разработчик и производитель супермощных радиопередатчиков, в т.ч. для ВМС США. Проектирование антенны осуществляла компания DECO Electronics (Вашингтон, округ Колумбия).

 

C2. АНТЕННОЕ ПОЛЕ

Антенное поле радиостанции расположено на полуострове Cutler (штат Мэн), омываемом с трех сторон водами заливов Мачайас и Литл Мачайас. Непосредственная близость моря позволяет существенно снизить потери энергии излучения поверхностной волны, а также понизить сопротивление искусственного заземления, соединив его с морем, и тем самым снизить сопротивление потерь излучения антенны и, соответстевнно, повысить ее КПД.

Площадь антенного поля составляет около 2000 акров (чуть более 8 кв.км). На нем расположены две антенные секции - северная и южная, между которыми расположен павильон передатчиков. Каждая антенная секция содержит 13 мачт - одну центральную и два ряда - внутренний и наружный - по 6, между которыми натянуто антенное полотно из шести ромбических панелей - лепестков. У основания центральных мачт антенных секций расположены антенные павильоны с геликсами - перестраиваемыми индуктивностями, служащими для настройки антенных секций и их согласования с передатчиком.

спутниковая карта и план антенного поля радиостанции Cutler

Рис.С.2. Спутниковая карта и план антенного поля радиостанции Cutler

 

Кроме перечисленных элементов передающего комплекса на антенном поле расположена дизельная электростанция с терминалом и хранилищем для приема и хранения дизельного топлива, а также большое число других вспомогательных сооружений.

На антенном поле также располагается заглубленная сеть заземления, состоящая из медных проводников с суммарной длиной около 2000 миль, которая соединена с морем. О каких-либо мерах по повышению элетропроводности почвы и ее стабилизации путем мелиоративных мероприятий, как это было сделано при строительстве станции Goliath, в имеющихся источниках не сообщается.

 

C3. АНТЕННА

Антенные секции по конструкции и параметрам полностью идентичны. Каждая из них представляет собой короткий вертикальный монополь, питаемый снизу и электрически удлиняемый как с помощью емкостной нагрузки, образованной антенным полотном, так и включенной в основании монополя индуктивностью - геликсом.

ОПОРНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Основу опорной конструкции антенной секции составляют упомянутые выше 13 мачт, в т.ч. (см. рис.C.3):

  • 1 центральная мачта «C» высотой около 300 м;
  • 6 мачт «B» 1-го ряда высотой около 266 м каждая, равномерно расположенных по окружности на расстоянии 556 м от центральной мачты;
  • 6 мачт «A» 2-го ряда высотой около 243 м каждая, равномерно расположенных по окружности на расстоянии 936 м от центральной мачты со сдвигом относительно мачт B 1-го ряда на 30°.

Все мачты изготовлены из стальных ферм треугольного сечения, имеют по нескольку ярусов оттяжек и покрашены в красно-белую «зебру».

Внимание! В разных источниках размеры мачт по высоте отличаются на несколько метров. Это связано с тем в разных случаях под высотой понимают либо длину самой мачты, либо высоту ее верхней точки над поверхностью земли с учетом высоты опоры, либо высоту верхней точки всей конструкции, которая включает еще и высоту конструкции для крепления растяжек антенного полотна. Кроме того, имеются также неточности, в т.ч. погрешности округления, при переводе из футов в метры, что сказывается также и на расстояниях между мачтами. Также в некоторых источниках путают высоты мачт A и B, меняя их местами.

АНТЕННОЕ ПОЛОТНО

Антенное полотно состоит из 6-ти лепестков ромбовидной формы, образованных 8-ю проводниками из бронзовых тросов диаметром 1 дюйм. Требуемая ромбовидная форма обеспечивается креплением проводников к несущему поперечному тросу с помощью электрически изолированных от него держателей. Проводники полотен растянуты через высоковольтные изоляторы между центральной мачтой C и периферийными мачтами A, а их поперечные несущие тросы, также через высоковольтные изоляторы, растянуты между смежными мачтами B.

конструктивная схема антенной секции радиостанции Cutler

Рис.С.3. Конструктивная схема антенной секции радиостанции Cutler

 

Пары крайних проводников имеют участки с оболочкой из эвердюра диаметром полтора дюйма. Это сделано для снижения вероятности возникновения на этих участках коронного разряда на заземленные мачты B и их оттяжки.

 

Выбор материала, диаметра и схемы соединения проводников требовал достижения компромисса между различными задачами. Снижение потерь и повышение КПД антенны требует уменьшения сопротивления проводников, что достигается применением материала с низким удельным сопротивлением, увеличением диаметра проводников и их параллельным соединением. Система борьбы с обледенении путем разогрева проводников электрическим током требует повышения их сопротивления, что достигается применением материала с высоким удельным сопротивлением, уменьшением диаметра проводников и их раздельной запиткой током. Защита от коронных разрядов требует увеличения диаметра проводников и применения материалов с высоким поверхностным сопротивлением. Кроме того, важными параметрами, требующими компромисса, являются также масса, прочность при ветровых нагрузках и обледенении, стоимость и пр.

 

Натяжение полотен регулируется системой блоков и противовесов, что обеспечивает полотнам необходимую степень свободы при обледенении и больших ветровых нагрузках. Противовесы выполнены в виде бетонных роликов массой 220 тонн, перемещающихся по эстакадам. Кроме того, последовательно с противовесами установлены электропривода, что позволяет опускать полотна для профилактики и ремонта. Противовесами оснащены мачты A и B, на центральной мачте противовесы не предусмотрены и тросы панелей связаны напрямую с электроприводами, т.е. также имеется возможность опускать полотна на землю. Фото и вид элементов системы натяжения антенного полотна приведены на кадрах 1- 4 рис.C4.

Рис.С4. Система натяжения антенного полотна.

 

Высоковольтные изоляторы за время эксплуатации дважды подвергались замене. Первый раз замена производилась в 1990 г. в связи с выработкой ресурса изоляторов начальной комплектации. Вместо них были установлены т.н. безопасные изоляторы с масляным диэлектриком в компактном исполнении (длина 15 футов и масса 3000 фунтов). Однако они оказались ненадежными и часто выходили из строя от статэлектричества и ударов молний. Поэтому в 2007-2008 годах они были заменены на «дубовые» отказоустойчивые цепные изоляторы на основе фарфоровых пакетов (длина 57 футов, масса 13000 фунтов).

ФИДЕРЫ-ИЗЛУЧАТЕЛИ

В отличие от радиостанции Goliath центральные мачты антенных секций радиостанции Cutler являются пассивными и заземлены, а роль излучателей выполняют 6 фидеров, соединяющих находящийся в антенном павильоне геликс с панелями антенного полотна (рис.C5). Т.о. каждая антенная секция фактически представляет собой 6 включенных параллельно классических L-образных антенн, вертикальные участки которых образованы фидерами, а горизонтальные участки образованы панелями антенного полотна, при этом все 6 антенн запитываются снизу через общую удлиняющую индуктивность.

электрическая схема антенной секции радиостанции Cutler

Рис.С.5. Электрическая схема антенной секции радиостанции Cutler

C1-C6 - емкости панелей 1-6 относительно земли; К-1/2, К-3/4, К-5/6 - коммутаторы пар панелей 1-2, 3-4 и 5-6 соответственно; Lh - удлиняющая индуктивность - геликс; G - передатчик.

 

Фидеры выполнены в виде четырехпроводных воздушных линий. С одной стороны провода фидера подключаются через коннектор к парам проводников панели, а с другой - к коммутатору, расположенному на крыше антенного павильона под антиобледенительным экраном. Каждый из коммутаторов обслуживает 2 смежные панели антенного полотна и позволяет включать их в режиме передачи или в режиме оттаивания наледи, а также полностью отключать для обеспечения безопасности при проведении каких-либо работ под панелями, когда антенная секция работает в режиме передачи. В последнем случае антенная секция продолжает работать в режиме использования 4-х секций с несколько худшими, но приемлемыми характеристиками.

Для фиксации фидеров в нужном положении используются растяжки с противовесами, аналогичными противовесам антенного полотна, но существенно меньшей массы (см. рис.C6). Противовесы сгруппированы по 2 штуки на трех эстакадах соответственно парам панелей, коммутируемым общими коммутаторами.

фидеры-излучатели антенной секции радиостанции Cutler

Рис.С.6. Фидеры-излучатели антенной секции радиостанции Cutler

На проектной схеме (справа) отсутствует промежуточный блок для троса противовеса (не показан для упрощения или впоследствии схема была доработана).

АНТЕННЫЙ ПАВИЛЬОН

Общий вид антенного павильона секции показан на фото рис.7. В отличие от антенных павильонов радиостанции Goliath он представляет собой открытое по бокам трехстороннее сооружение вокруг основания центральной мачты секции. На верхнем уровне павильона расположены упомянутые коммутаторы панелей, закрытые сверху антиобледенительными экранами. Устройство и принцип действия последних нигде не описан и остается неясным.

антенный павильон антенной секции радиостанции Cutler

Рис.С.7. Антенный павильон антенной секции радиостанции Cutler

вид со спутника и панорама

 

Высота павильона приблизительно равна высоте четырехэтажного дома. Внутри него расположены компоненты удлиняющей индуктивности Lh, с помощью которой антенна настравивается на заданную частоту. К этим компонентам относятся:

  • геликс, составляющий основу удлиняющей индуктивности;
  • вариометр, служащий для плавной фиксированной подстройки индуктивности Lh при изменении частоты передачи;
  • реактор, служащий для точной безынерционнной настройки антенны в резонанс синхронно с изменением частоты при частотной манипуляции FSK или MSK.

Геликс по своему конструктивному исполнению аналогичен геликсам многих других VLF радиостанций и представляет собой гигантскую катушку без сердечника, намотанную 33-х жильным литцендратом диаметром 4 дюйма в три провода на диамагнитном непроводящем каркасе (рис.C.8 слева).

компоненты удлиняющей индуктивности антенной секции радиостанции Cutler

Рис.С.8. Компоненты удлиняющей индуктивности антенной секции радиостанции Cutler

 

Вариометр представляет собой две последовательно соединенные катушки существенно меньшего, чем геликс, размера, также намотанные литцендратом, при этом одна катушка находится внутри другой и может поворачиваться вокруг поперечной оси, что позволяет изменять взаимоиндуктивность катушек и, в конечном итоге, их суммарную индуктивность. Поворот обеспечивается электроприводом с дистанционным управлением, что позволяет настраивать антенную секцию с центрального пульта управления радиостанции.

Реактор представляет собой два дросселя (см. рис.C.8) на ферритовых сердечниках, имеющих по две рабочие и по две управляющие обмотки. Рабочие обмотки дросселей включены последовательно-параллельно и подключены через выравнивающие резисторы параллельно вариометру. Управляющие обмотки включены встречно-последовательно и запитываются током со специального выхода частотного модулятора передатчика. Ток управляющих обмоток обеспечивает изменение магнитной проницаемости сердечников дросселей за счет смещения рабочих точек по кривой намагничивания, что позволяет перестраивать индуктивность рабочих обмоток реактора и, соответственно, индуктивность Lh в целом. Изменением тока управляющих обмоток синхронно с изменением частоты сигнала передатчика обеспечивается точная динамическая настройка антенны в резонанс на частотах манипуляции передаваемого сигнала, в результате чего предотвращаются электрические перегрузки в силовых каскадах передатчика и в антенно-фидерном тракте, а такж снижаются потери и побочные излучения и, соответственно, повышается КПД.

Примечание. Применение двух многообмоточных дросселей с описанной схемой включения обмоток вызвано, очевидно, необходимостью линеаризации характеристик реактора. Подобное решение часто используется в технике магнитных управляемых элементов.

схема реактора динамической настройки антенной секции радиостанции Cutler

Рис.С.9. Схема реактора динамической настройки антенной секции радиостанции Cutler

 

Использование динамической настройки антенны с помощью данного реактора особенно эффективно на низких частотах передачи порядка 14 - 18 кГц. На частоте 24 кГц, на которой станция Cutler работает в настоящее время, эффективность реактора не столь ощутима и его включение не является обязательным.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Сеть заземления выполнена из медного провода диаметром 6 мм, заглублена в грунт на 30 см и содержит как радиальные проводники разной длины, так и участки в виде сетки под основаниями центральных мачт. Сеть соединена с морем, что обеспечивает ей крайне низкое сопротивление - менее 10 мОм против 30 мОм у радиостанции Goliath. Суммарная длина проводников заземления достигает 2000 миль, что на порядок с лишним превышает суммарную длину проводников заземления радиостанции Goliath.

ПАРАМЕТРЫ АНТЕННОЙ СЕКЦИИ

Совокупность описанных решений обеспечивает следующие электрические параметры антенной секции (при работе всех шести панелей):

  • частотный диапазон: 14.3 - 30.0 кГц;
  • ширина полосы пропускания - не менее 30 кГц;
  • КПД: 50 - 75%;
  • эффектиная высота: 145 - 150 м;
  • собственная емкость - 124 нФ;
  • собственная резонансная частота (без удлиняющей индуктивности) - 40 кГц;
  • сопротивление излучения - 0.198 ом;
  • суммарное сопротивление (включая сопротивление заземления) - 0.265 ом;
  • напряжение на антенном полотне - до 200 кВ;
  • входное напряжение - до 65 кВ
  • ток потребления - до 1850 А.

Внимание! В различных источниках эти данные могут быть различны и в части взаимного соответствия КПД, мощности передатчика, общего сопротивления, сопротивления излучения и излучаемой мощности могут быть ошибочны.

 

При работе в режиме использование 4-х панелей электрические параметры антенной секции несколько хуже.

Конструкция антенной секции выдерживает ветровую нагрузку при скорости ветра до 175 миль в час, обледенение при толщине (радиусе) льда до полутора дюймов, а также статическое электричество, включая грозовые разряды, с напряженностью поля до 0.65 кВ/мм.

 

Патентов, прямо защищающих технические решения антенны, не обнаружено. Схема вертикальной антенны с симметричной многолепестковой емкостной нагрузкой ранее была уже запатентована фирмой Western Electric Co в патете US-1792662 с приоритетом от 31.03.1925 г. Срок действия данного патента истек задолго до начала работ по станции Cutler. Кроме того, он фактически защищает вариант антенны Александерссона, но в радиальной системе координат. По конструкции антенного полотна эта антенна похожа на антенну радиостанции Cutler, но отличатеся тем, что предусматривает использование центральной мачты в качестве излучателя, а также наличие заземляющих линий в конце радиально расходящихся панелей антенного полотна, также выполняющих функции излучателей.

схемы антенн по патентам Western Electric и DECO Electronics

Рис.С.10. Схемы антенн по патентам Western Electric и DECO Electronics

 

Разработчиком антенны фирмой DECO Electronics Inc. также был получен патент - US-3278937, в описании которого (но не в формуле) присутствуют все отличительные признаки антенны радиостанции Cutler, в т.ч. признаки, отличающие ее от антенны по предыдущему патенту, а именно использование в качестве излучателей вертикальных проводников, соединяющих панели антенного полотна с землей через удлиняющую индуктивность, при этом антенное полотно изолировано от центральной мачты, которая заземлена.

Однако эта совокупность признаков, присутствуя в описании, в формулу изобретения не вошла, что можно объяснить только тем, что патентной экспертизой она не была признана обладающей новизной. В формуле же изобретения присутствуют признаки, отстутствующие в реальной конструкции, а именно, передача энергии от передатчика к антенне через электромагнитное поле ближней зоны. Причины такого расхождения формулы патента с признаками реальной конструкции могут быть различными - от неудачной попытки реализовать решение, вошедшее в формулу, до цели получить патент, пусть даже и не соответствующий по формуле реальному проекту, но содержащий хотя бы в описательном виде его признаки.

 

C4. ПЕРЕДАТЧИК

На радиостанции Cutler используются два передатчика AN/FRT-31, входящие в серию унифицированных LF/VLF передатчиков, разработанных для нужд ВМС США. Разработчиком и изготовителем передатчиков является упомянутая компания Continental Electronics MFG, выступавшая генподрядчиком проектирования и строительства станции.

Каждый передатчик имеет на выходе два усилителя мощности по 500 кВт, включенные последовательно. При работе только одного усилителя выходная мощность передатчика равна 500 кВт, при работе обоих их мощности складываются и мощность передатчика составляет 1000 кВт.

Каждый передатчик питает только свою антенную секцию. При этом возможна работа как любой одной антенной секции с подводимой мощностью 500 или 1000 кВт, так и одновременная работа обеих антенных секций с суммарной подводимой мощностью 1000, 1500 и 2000 кВт. В связи с малым расстоянием между секциями их излучения полностью складываются и суммарная мощность излучения антенны при этом равна сумме мощностей излучения ее секций.

схема передатчика AN/FRT-31 радиостанции Cutler

Рис.С.11. Cхема усилителя мощности передатчика AN/FRT-31 радиостанции Cutler

 

Выходные каскады реализованы по двухтактной пушпульной трансформаторной схеме на мощных вакуумных триодах ML-6697, включенных по 5 штук параллельно в каждом плече и работающих в режиме класса C (рис.C.11). Выходные трансформаторы имеют специальную тороидальную конструкцию без сердечников и именуются торосоленоидами. Их выходы соединены с геликсами антенных секций через мощные 100-омные коаксиальные кабели, расчитанные на ток до 2000 А и напряжение до 100 кВ, протянутые в подземном тоннеле с креплением на специальных изоляторах.

Информация по другим узлам передатчика в сети не представлена.

Патентов, защищающих технические решения передатчика, не обнаружено.

выходной трансформатор - торосоленоид и антенный фидер передатчика радиостанции Cutler

Рис.С.12. Выходной трансформатор - торосоленоид и антенный фидер передатчика радиостанции Cutler

центральный зал передатчиков радиостанции Cutler

Рис.С.13. Центральный зал передатчиков радиостанции Cutler

 

 

C5. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

VLF радиостанция Cutler питается трехфазным напряжением 380 В 60 Гц от собственной дизель-генераторной электростанции, расположенной на западном побережье полуострова (см. карту на рис.C.14). На станции размещено, предположительно, 7 дизель генераторов суммарной мощностью 18 мегаватт (значения в разных источниках различны). Она питает также жилые кварталы близлежащих поселений и потребляет до 3-х миллионов галлонов дизельного топлива в год.

дизель-электрстанция радиостанции Cutler

Рис.С.14. Дизель-электрстанция радиостанции Cutler

Слева - вид со спутника, справа - пульт управления

 

АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Антиобледенительная система предназначена для оттаивания наледи, образующейся на проводниках антенного полотна. Оттаивание обеспечивается путем разогрева проводников переменным током в соответствии со схемой рис.C.5. Переменное напряжение подается на проводники от трансформатора. В режиме оттаивания антенная секция отключается от передатчика и передача ведется с использованием только одной секции. Потребляемая в режиме оттаивания мощность составляет 7.5 мегаватт.

СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ РАЗРЯДОВ

Для защиты от внешних электроперегрузок на радиостанции Cutler используется система отключения передатчика CCO (carrier cut-off) при обнаружении начала искровых разрядов, которые могут иметь место как вследствие ударов молний, так и вследствие разряда накопленного на элементах антенны статического электричества. Начало таких разрядов обнаруживается как по нарастанию токов в антенне, так и по появлению на критических элементах антенны ультрафиолетового свечения. В [3] указывается, что такими системами оснащены все VLF радиостанции США. Однако более подробные сведения о системе CCO на момент публикации настоящего обзора не обнаружены.

 

C6. ЗОНА ПОКРЫТИЯ

Зона покрытия радиостанции Cutler уже приводилась в качестве примера зон покрытия, определяемых по результатам измерений ее сигнала фирмой GEM Systems Inc. (см. рис. 2.6 в главе 2). Как видно, она покрывает почти всю Атлантику, Северное, Балтийское, Средиземное м Черное моря, весь Карибский бассейн и почти всю восточную прибрежную зону Тихого океана.

 

C7. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ И ИЛЛЮСТРАЦИЙ

1. The Biggest Little Antenna in The World
2. US Navy Radio Communication. NAA Cutler Maine - Navy VLF Transmitter Site.
3. Designing the Giant Antennas.
4. Dual-Frequency Distortion Predictions for the Cutler VLF Array
5. Патент фирмы Western Electric Co US-1792662
6. Патент фирмы DECO Electronics inc. US-3278937

 

* * *

 

 

поделиться ссылкой

 

Перепечатка без согласования с автором запрещена.
При цитировании обязательно указание автора, названия и активной ссылки на данную страницу
или ссылки на титульную страницу публикации.

 

наверх

 

 

VLF радиостанция Cutler (США)

Опубликовано 12.05.20. Последнее изменение - нет.

© Janto 2020