近海天線塔和具有受拉構(gòu)件的儀器陣列的制作方法
【專利摘要】一種在近海環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括具有縱軸、上端以及下端的伸長的復(fù)合材料受拉構(gòu)件。另外，該系統(tǒng)包括被耦合至復(fù)合材料受拉構(gòu)件的上端并且被配置成施加拉伸載荷至受拉構(gòu)件的浮力模塊。而且，該系統(tǒng)包括被耦合至復(fù)合材料受拉構(gòu)件的下端的底座。該底座被配置成把受拉構(gòu)件固定至海床。該系統(tǒng)還包括被耦合至浮力模塊并且被設(shè)置在受拉構(gòu)件周圍的多個復(fù)合材料桁條。而且，該系統(tǒng)包括被配置成測量環(huán)境或地質(zhì)數(shù)據(jù)的多個儀表系統(tǒng)。儀表系統(tǒng)耦合至桁條。
【專利說明】近海天線塔和具有受拉構(gòu)件的儀器陣列
[0001]關(guān)于聯(lián)合發(fā)起的研究或開發(fā)的報告書
[0002]不適用。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及用于在整個深度范圍收集和傳送地質(zhì)和環(huán)境數(shù)據(jù)的近海系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明涉及感測、收集、探測、存儲并發(fā)射地質(zhì)和環(huán)境數(shù)據(jù)的柔性復(fù)合材料塔支撐儀表。
【背景技術(shù)】
[0004]與諸如海洋動物的存在和運(yùn)動、不同深度處的水溫、以及不同深度處的水流的有關(guān)的海洋環(huán)境的數(shù)據(jù)，在研究和理解全球變暖、其成因以及隨著時間的效應(yīng)時可能有用。另夕卜，與海底土地形成的地質(zhì)和特征有關(guān)的數(shù)據(jù)(例如，地震數(shù)據(jù))，在調(diào)查和識別諸如油和氣的稀缺天然資源中可能有用。然而，大部分海水體和大淡水體、以及這些水體下面的地球通常還未被勘測。從而，與在這樣的水體中的環(huán)境狀況和這樣的水體下面的地質(zhì)有關(guān)的非常有限的數(shù)據(jù)可用。
[0005]收集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的一種傳統(tǒng)方法是通過水面艦船。然而，這樣的艦船在給定位置處在相當(dāng)短的時間段內(nèi)收集數(shù)據(jù)，需要操作者和人員，并且通常收集與水面狀況有關(guān)的數(shù)據(jù)(例如，水面的水溫、水面的風(fēng)速、水面的化學(xué)物質(zhì)的存在等)。而且，由于艦船本身可能改變所測量的參數(shù)，所以通過艦船測量特定水面狀況可能不準(zhǔn)確。例如，艦船的存在可能稍微改變直接在其周圍的水的溫度。收集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的另一種傳統(tǒng)手段是通過氣象浮標(biāo)。這樣的浮標(biāo)通常被系攔在停泊處(即，通過柔性鏈或繩索連接到海床)或者漂航(即，被允許通過風(fēng)和水面流沿著海洋表面移動)。然而，氣象浮標(biāo)通常僅收集與水面狀況有關(guān)的數(shù)據(jù)，并且從而基本不能提供表面下狀況、海洋動物、以及在水面下面形成的地質(zhì)的監(jiān)測。另外，由于氣象浮標(biāo)連續(xù)地移動，所以漂浮氣象浮標(biāo)不能在相對長時間段內(nèi)在給定位置處收集數(shù)據(jù)。
[0006]從而，在本領(lǐng)域中仍然需要用于在近海位置獲取并且傳送環(huán)境和地質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。如果可以在相對長時間段內(nèi)在特定近海位置處獲取并且傳送環(huán)境和地質(zhì)數(shù)據(jù)，這樣的系統(tǒng)、設(shè)備和方法特別受歡迎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本領(lǐng)域中的這些和其他需求通過用于在近海環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)在一個實施例中解決。在實施例中，該系統(tǒng)包括具有縱軸、上端和下端的伸長的復(fù)合材料受拉構(gòu)件。另夕卜，該系統(tǒng)包括:浮力模塊，其被耦合至復(fù)合材料受拉構(gòu)件的上端并且被配置成施加拉伸載荷至受拉構(gòu)件。而且，該系統(tǒng)包括底座，其被耦合至復(fù)合材料受拉構(gòu)件的下端。該底座被配置成將受拉構(gòu)件固定至海床。又進(jìn)一步地，該系統(tǒng)包括多個復(fù)合材料桁條，其被耦合至浮力模塊并且被設(shè)置在受拉構(gòu)件周圍。而且，該系統(tǒng)包括多個儀表系統(tǒng)，其被配置成測量環(huán)境或地質(zhì)數(shù)據(jù)。儀表系統(tǒng)耦合至桁條。
[0008]本領(lǐng)域中的這些和其他需求通過用于在近海環(huán)境中獲取環(huán)境和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)在另一個實施例中解決。在實施例中，該系統(tǒng)包括具有縱軸、上端和下端的伸長的受拉構(gòu)件。該受拉構(gòu)件包括多個平行柔性復(fù)合材料管狀構(gòu)件。另外，該系統(tǒng)包括浮力可調(diào)模塊，其被耦合至受拉構(gòu)件的上端并且被配置成施加拉伸載荷至受拉構(gòu)件。而且，該系統(tǒng)包括底座，其被耦合至復(fù)合材料受拉構(gòu)件的下端，該底座被配置成將受拉構(gòu)件固定至海床。又進(jìn)一步地，該系統(tǒng)包括多個桁條，其被耦合至浮力可調(diào)模塊并且被配置成在海底延伸。而且，該系統(tǒng)包括多個儀表系統(tǒng)，其用于測量環(huán)境和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中，該儀表系統(tǒng)被耦合至桁條。
[0009]本領(lǐng)域中的這些和其他需求通過在近海環(huán)境中獲取環(huán)境和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)的方法在另一個實施例中解決。在實施例中，該方法包括(a)將底座耦合至伸長的受拉構(gòu)件的第一端。另外，該方法包括(b)通過受拉構(gòu)件將底座降低至海床。而且，該方法包括(C)將浮力模塊耦合至受拉構(gòu)件的第二端。又進(jìn)一步地，該方法包括(d)將多個儀表系統(tǒng)耦合至多個桁條，其中，該儀表系統(tǒng)被配置成獲取海底環(huán)境數(shù)據(jù)和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)。而且，該方法包括Ce)調(diào)節(jié)浮力模塊的浮力。該方法還包括(f)將多個桁條耦合至浮力模塊，其中，每個桁條具有被耦合至浮力模塊的上端和被設(shè)置在海底的下端。
[0010]在此描述的實施例包括用于解決與特定現(xiàn)有設(shè)備、系統(tǒng)和方法相關(guān)的多個缺點(diǎn)的特征和優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合。當(dāng)閱讀以下詳細(xì)說明并且通過參考附圖時，上述多種特征、以及其他特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明，將參照附圖，其中:
[0012]圖1是根據(jù)在此描述的原理的用于收集并且傳送環(huán)境和海底地質(zhì)數(shù)據(jù)的近海儀表系統(tǒng)的實施例的不意圖；
[0013]圖2是圖1的近海儀表系統(tǒng)的透視圖；
[0014]圖3是圖1的柔性受拉構(gòu)件的截面圖；
[0015]圖4是圖1的儀表系統(tǒng)的底座的示意性截面圖；
[0016]圖5是可用于通過圖1的儀表系統(tǒng)的底座的實施例的不意性截面圖；
[0017]圖6是圖1的儀表系統(tǒng)的浮力模塊的示意性截面圖；
[0018]圖7A-圖7G是示出從水面艦船的圖1的底座安裝和儀表系統(tǒng)的部署的順序圖；
[0019]圖8A和圖8B是不出圖5的底座的安裝的順序不意性截面圖；以及
[0020]圖9是用于便于從圖7A的水面艦船安裝圖1的受拉構(gòu)件的設(shè)備的實施例的側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0021]以下論述針對多個示例性實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在此論述的實例具有廣泛應(yīng)用，并且任何實施例的論述都僅意味著對該實施例是典型的，并且不建議包括權(quán)利要求的本公開的范圍限于該實施例。
[0022]在整個以下說明書和權(quán)利要求使用特定術(shù)語，以指代特定特征或組件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的，不同人可以通過不同名稱指代相同特征或組件。本文檔不區(qū)分在名稱不同而不是功能不同的組件或特征。附圖不必按比例繪制。在此的一些特征和組件可以被擴(kuò)大尺寸或以某些示意性形式被示出，并且為了清楚和簡明起見，傳統(tǒng)元件的一些詳情可能不被示出。
[0023]在以下論述和權(quán)利要求中，以開放方式使用術(shù)語“包含”和“包括”，并且從而應(yīng)該被解釋為“包括但不限于…”。而且，術(shù)語“耦合”用于指間接或直接連接。從而，如果第一設(shè)備耦合至第二設(shè)備，該連接可以是直接連接，或者是經(jīng)由其他設(shè)備、組件和連接的間接連接。另外，如在此使用的，術(shù)語“軸向”和“軸向地”通常是指沿著或者平行于中心軸(例如，主體或孔口的中心軸)，同時術(shù)語“徑向”和“徑向地”通常是指垂直于中心軸。例如，軸向距離是指代沿著或平行于中心軸測量的距離，并且徑向距離是指垂直于中心軸測量的距離。 [0024]為了論述的目的，合成物或復(fù)合材料是由多于一種組分材料構(gòu)成的材料。一些復(fù)合材料由至少兩種組分材料構(gòu)成，即，基體，其可以是連續(xù)的并且可以圍繞被稱為基質(zhì)(substrate)的第二相(例如,分散相、增強(qiáng)相)?；|(zhì)被嵌入基體中。基質(zhì)(例如，分散相、增強(qiáng)相)可以包括任何合適材料，包括但不限于金屬或金屬合金(例如，鋁、鈦、不銹鋼等)、非金屬(例如，玻璃纖維、碳纖維、凱夫拉爾、石英、聚合物、陶瓷等)、或其結(jié)合。另外，基質(zhì)可以包括多于一種組分材料(例如，基質(zhì)可以包括碳纖維和玻璃纖維)。同樣地，復(fù)合材料的基體可以包括任何合適材料，包括但不限于金屬或金屬合金(例如，鋁、鈦、不銹鋼、銅等)、非金屬(例如，樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯、聚合物、陶瓷、聚氨酯、合成橡膠等)、或其結(jié)合。
[0025]現(xiàn)在參考圖1和圖2，示出用于收集并且傳送環(huán)境和海底地質(zhì)數(shù)據(jù)的近海系統(tǒng)100的實施例。系統(tǒng)100被錨定至海床10，并且垂直地延伸至海面11。在本實施例中，系統(tǒng)100包括被設(shè)置在海床10處的底座110、從底座110向上延伸的伸長的受拉構(gòu)件120、耦合至受拉構(gòu)件120的上端的浮力模塊130、以及在海面11之上從模塊130向上延伸的通信天線140。多個儀表桁條150環(huán)形地設(shè)置在受拉構(gòu)件120周圍，每個桁條150具有耦合至浮力模塊130的上端和設(shè)置在海床10處的下端。如以下將更詳細(xì)地描述的，每個桁條150支持一個或多個儀表套件或系統(tǒng)151，其測量并且探測環(huán)境和海底地質(zhì)數(shù)據(jù)，并且將所測量的數(shù)據(jù)傳送到天線140，該天線然后經(jīng)由衛(wèi)星或其他裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送至任何期望位置，以用于進(jìn)一步處理、檢查、分析或其組合。
[0026]浮力模塊130是浮力可調(diào)的，使受拉構(gòu)件120拉伸，并且支撐天線140、受拉構(gòu)件120、桁條150、以及耦合至桁條150的系統(tǒng)151的重量。當(dāng)通過模塊130把拉伸載荷施加至受拉構(gòu)件120時，底座110把受拉構(gòu)件120固定至海床10。
[0027]現(xiàn)在參考圖1和圖3，受拉構(gòu)件120是具有縱軸125、長度L12tl、以及寬度或直徑W12tl的伸長的結(jié)構(gòu)。長度L12tl顯著大于寬度W12(l。特別是，寬度W12tl優(yōu)選小于12英寸，并且更優(yōu)選地，小于6英寸，并且長度L12tl優(yōu)選等于或略小于系統(tǒng)100被設(shè)置在其中的水的深度。通常，系統(tǒng)100能夠被設(shè)置在任何水深處，并且從而，受拉構(gòu)件120的長度的范圍可以從幾百英尺到30000英尺以上。從而，對于大多數(shù)近海應(yīng)用，受拉構(gòu)件120具有大于約500且小于500000的長寬比。
[0028]在本實施例中，受拉構(gòu)件120由多個柔性復(fù)合材料管狀構(gòu)件120形成，其每個延伸受拉構(gòu)件120的整個長度L12(i。管狀構(gòu)件121被布置為由多個軸向間隔的環(huán)形帶結(jié)合在一起的束。柔性流體通道123被設(shè)置在構(gòu)件121之間的間隙124中。如以下將更詳細(xì)地描述的，在安裝系統(tǒng)100期間通道123允許水面11和底座110之間的流體連通。還應(yīng)該想到，構(gòu)件121也是管狀的，因此也可以用于提供水面11和底座110之間的流體連通。
[0029]通常，每個復(fù)合材料管狀構(gòu)件121可以由能夠抵擋被施加的預(yù)期載荷(諸如，由浮力模塊130施加的拉伸載荷)和波浪/海流載荷的任何類型的復(fù)合材料制成，但是優(yōu)選地由拉擠玻璃纖維(即，使用拉擠制造工藝形成的玻璃纖維)制成。另外，每個復(fù)合材料管狀構(gòu)件121優(yōu)選具有小于2.0英寸，并且更優(yōu)選地約1.0英寸的寬度或直徑W121、至少951b/ft3的密度、以及至少lOOOOOpsi的拉伸強(qiáng)度。從而，復(fù)合材料管狀構(gòu)件121具有相對高的強(qiáng)度重量比(即，高于鋼)。
[0030]復(fù)合材料管狀構(gòu)件121的相對高強(qiáng)度重量比允許管狀構(gòu)件121具有相對小的寬度W121,并且因此允許受拉構(gòu)件10具有相對小的寬度W12tl,同時提供足夠強(qiáng)度以抵擋由浮力模塊130施加的拉伸載荷。這依次減小管狀構(gòu)件121和受拉構(gòu)件120的重量，并且因此減小位于模塊130上的浮力要求。另外，由于復(fù)合材料管狀構(gòu)件121相對薄、重量輕、并且柔軟，受拉構(gòu)件120和/或管狀構(gòu)件121可以被承載在單個艦船的一個或多個卷軸上，由此簡化了構(gòu)件121和受拉構(gòu)件120在淺水和深水應(yīng)用中的存儲和部署。
[0031]如在圖3中先前描述和示出的，受拉構(gòu)件120包括復(fù)合材料管狀構(gòu)件束121。然而，在其他實施例中，受拉構(gòu)件(例如，受拉構(gòu)件120)是由單個復(fù)合材料管狀構(gòu)件(例如，構(gòu)件121)制成的。
[0032]現(xiàn)在參考圖1和圖4，底座110被耦合至受拉構(gòu)件120的下端，并且將系統(tǒng)100固定至海床10。在本實施例中，受拉構(gòu)件120的下端被直接附接到底座110，然而，在其他實施例中，底座(例如，底座110)通過一個或多個中間連接被耦合至受拉構(gòu)件(例如，受拉構(gòu)件120)的下端。通常，底座110可以包括用于將受拉構(gòu)件120錨定至海床10的任何合適設(shè)備，包括樁、吸力樁、壓載錨、樁靴基礎(chǔ)等。然而，如圖4中最佳示出的，在本實施例中，底座110是重力式錨固件，其依靠重量嵌入并且將其自身錨定至海床10。特別是，底座110包括具有與縱軸125同軸對準(zhǔn)的中心軸115的封閉式容器或殼體111、被附接至受拉構(gòu)件120的上端11 la、被配置成與海床10接合的下端111b、以及內(nèi)室或腔112。另外，殼體111包括軸向地穿過上端Illa的第一貫通孔口 113和在上端Illa附近的第二貫通孔口 114。特別是，殼體111具有在端部111a、Illb之間軸向延伸的側(cè)壁116，并且第二孔口 114徑向地穿過在軸向上鄰近上端Illa的側(cè)壁116。第一孔口 113使內(nèi)室112與管道123流體連通，并且第二孔口 114使室112與周圍環(huán)境流體連通。如以下將更詳細(xì)地描述的，在部署系統(tǒng)100期間，底座110被設(shè)置在海底，并且因此，水通過孔口 114自由地流入和流出室112。而且，通過將沉重的泥漿(即，具有大于水的密度的泥漿)泵送入管道123并且經(jīng)孔口 113到室112中，由此通過孔口 114從室112排出水，底座110被嵌入并且錨定至海床10。
[0033]如在圖4中先前描述和示出的，底座110是重力式錨固件，其依靠重量嵌進(jìn)并且將其固定至海床。然而，除了底座110之外，其他類型的底座可以由系統(tǒng)100使用。現(xiàn)在參考圖5，可以代替底座110由系統(tǒng)100使用的底座110’的另一個實施例被示出。在本實施例中，底座110’是吸力樁，其包括環(huán)形圓柱裙部111’，該裙部具有與軸125同軸對準(zhǔn)的中心軸線115’、被附接到受拉構(gòu)件120下端的上端Illa'下端Illb'以及在端部111a’和111b’之間軸向延伸的圓柱內(nèi)室或腔112’。腔112’在上端111a’處被封閉，然而，腔112’在下端111b’處完全開放至周圍環(huán)境。軸向穿過上端111a’的孔口 113’允許在內(nèi)室112’和管道123之間的流體連通。
[0034]在安裝底座110’期間，裙部111’被軸向向下推到海床10中。優(yōu)選地使用抽吸/注入控制系統(tǒng)170，以便于底座110’到海床10的插入和從海床10的移除。系統(tǒng)170可以被裝配到浮力模塊130或者設(shè)置在水面艦船上，并且包括被耦合至管道123的上端的主流送管或管道171、與主管道171選擇性流體連通的流體供應(yīng)/抽吸管線172、以及被連接至管線172的注入/抽吸泵173。管道171具有上通氣端171a和經(jīng)由管道123和孔口 113’與腔112’流體連通的下端171b。沿著管道171設(shè)置的閥174控制通過端部171a、b之間的管道171的流體(例如，泥、水等)的流動-當(dāng)閥174被打開時，流體從腔112’自由地流過管道171到通氣端171a，并且當(dāng)閥174被關(guān)閉時，限制和/或防止流體從腔112’流過管道171到通氣端171a。
[0035]泵173被配置成經(jīng)由管線172和管道171，將流體(例如，水)泵送入腔112’并且從腔112’抽出流體(例如，水、泥、泥沙等)。沿著管線172設(shè)置的閥175控制流過管線172的流體的流動-當(dāng)閥175被打開時，泵173可以經(jīng)由管線172和管道171將流體泵送入腔112’中，或者經(jīng)由管道171和管線172從腔112’抽出流體；并且當(dāng)閥175被關(guān)閉時，限制和/或防止泵173和腔112’之間的流體連通。在本實施例中，泵173、管線172、以及閥174和175被定位在水面11處(例如，設(shè)置在部署艦船上或者裝配到浮力模塊130上)，并且管道171從水面11延伸到管道123的上端。例如，抽吸/注入控制系統(tǒng)170可以被設(shè)置在水面艦船上，并且在安裝或移除系統(tǒng)100期間被部署(B卩，連接至管道123的管道171)。
[0036]再次參考圖1，浮力模塊130被耦合至受拉構(gòu)件120的上端，并且被設(shè)置在海面11處或附近。雖然模塊130可以被直接附接到受拉構(gòu)件120的上端，但是在本實施例中，模塊130被通過柔性聚酯電纜131耦合至受拉模塊120的上端。浮力模塊130是凈漂浮的。如先前所述，模塊130提供足夠浮力以既支撐耦合到它的構(gòu)件的重量并且也給受拉構(gòu)件120施加拉力。天線140被附接至模塊130并且從其向上延伸到海面11之上。
[0037]現(xiàn)在參考圖6，在本實施例中，浮力模塊130包括具有上端132a、下端132b、以及內(nèi)室或腔133的殼體132。殼體132包括在下端132b附近的孔口 134，使得隨著系統(tǒng)100的部署和安裝，孔口 134位于海面11之下。特別是，孔口 134設(shè)置在殼體132的側(cè)壁中，在軸向上鄰近下端132b。孔口 134使內(nèi)室133與周圍環(huán)境流體連通，并且從而，當(dāng)孔口 134設(shè)置在海面11之下時，允許水經(jīng)由孔口 134進(jìn)入內(nèi)室133以及從內(nèi)室133出去。應(yīng)該想到，通過孔口 134的流動不受閥或其他流動控制設(shè)備控制。從而，孔口 134允許水到室133的自由流入和流出。
[0038]模塊130的浮力可以通過壓載和卸壓模塊130調(diào)節(jié)，以改變施加在受拉構(gòu)件120上的拉伸載荷。在本實施例中，壓載控制系統(tǒng)135和孔口 134被用于調(diào)節(jié)和控制模塊130的浮力。壓載控制系統(tǒng)135包括空氣管道136、供氣管線137、被連接至供氣管線137的空氣壓縮機(jī)或泵138、沿著管線137的第一閥139a和沿著管線136的第二閥139b。管道136具有在室133外面的在海面11之上的第一端136a、以及被連接至殼體132的上端132a并且與室133流體連通的第二端136b。閥139b控制空氣通過端部136a、b之間的管道136的流動，并且閥139a控制空氣從壓縮機(jī)138到室133的流動。控制系統(tǒng)135允許室133中的空氣和水的相對體積被控制和改變，由此使得室133的浮力并且因此施加至受拉構(gòu)件120的拉力能夠得以控制和改變。特別是，通過閥139b打開和閥139a關(guān)閉，空氣被從室133排出，并且通過閥139a打開和閥139b關(guān)閉，空氣被從壓縮機(jī)138泵送入到室133中。從而，端部136a用作排氣口，反之端部136b用作進(jìn)氣口和排氣口。在閥139a關(guān)閉時，空氣不能被泵送到室133，并且閥139a、139b關(guān)閉時，空氣不能從室133排出。
[0039]在本實施例中，端部139b被設(shè)置在室133的上端處，并且孔口 134被設(shè)置在室133的下端附近。開放端13%的這種定位使得當(dāng)殼體132處于通常垂直向上的位置(例如，隨著安裝)時，空氣能夠被從室133排出。特別是，由于空氣的密度小于水的密度，當(dāng)殼體132直立時，室133中的所有空氣自然上升至室133的上部，在室133中的所有水的上面。從而，將端139b定位在室133的上端處或附近，使得直接獲得其中的任何空氣。而且，由于室133中的水將被設(shè)置在其中的任何空氣之下，將孔口 134定位在室133的下端附近，允許水進(jìn)入和出去，同時限制和/或防止通過孔口 134的任何空氣的損耗。通常，當(dāng)從室133的上端至孔口 134用空氣填充室133時，空氣僅通過孔口 134從室133出去。將孔口 134定位在室133的下端附近，還使得足夠體積的空氣能夠被泵送到室133中。特別是，當(dāng)室133中的空氣的體積增加時，隨著室133中的增加體積的空氣代替室133中的水，水和空氣之間的界面在室133內(nèi)將向下移動，其中允許水通過孔口 134從室出去。然而，一旦水和空氣的界面到達(dá)孔口 134，由于任何額外空氣通過孔口 134從室133完全出去，室133中的空氣的體積就不能進(jìn)一步增加。從而，孔口 134越接近室133的下端，可以泵送到室133中的空氣的體積就越大，并且孔口 134與室133的下端越遠(yuǎn)，可以泵送到室133中的空氣的體積就越小。從而，孔口 134沿著室133的垂直/軸向位置優(yōu)選地被選擇為使能用于模塊130的最大期望浮力。
[0040]在本實施例中，泵138、管線137、以及閥139a和139b位于水面11處。例如，系統(tǒng)135可以被裝配到模塊130或者設(shè)置在水面艦船上并且在安裝系統(tǒng)100期間被部署(即，管道136連接至模塊130)。
[0041]再次參考圖1和圖2，桁條150圍繞受拉構(gòu)件120環(huán)形地間隔開，并且從浮力模塊130延伸到海床10。特別是，每個桁條150具有被耦合至模塊130的上端和在徑向上與底座110和受拉構(gòu)件120間隔開的被固定至海床10的下端。通常，桁條150可以通過本領(lǐng)域中已知的任何手段耦合至模塊130和海床10。例如，桁條150的下端可以通過重力式錨固件、打入樁等被耦合至海床10。在本實施例中，每個桁條150是先前所述的單個柔性復(fù)合材料管狀構(gòu)件121。
[0042]多個儀表套件或系統(tǒng)151被耦合至并且由桁條150支撐。通常，系統(tǒng)151可以包括用于探測、測量、以及收集與周圍環(huán)境和/或海底地質(zhì)形成的數(shù)據(jù)有關(guān)的任何儀器(可多個)或系統(tǒng)(可多個)，諸如，地震系統(tǒng)(例如，一個或多個海洋地震源和相關(guān)接收器)和海洋儀器套件。通常，相同或不同類型的儀表系統(tǒng)151可以被裝配到相同桁條151上。從而，桁條150和相關(guān)系統(tǒng)151可以被描述為形成儀器陣列。由系統(tǒng)151測量和探測的數(shù)據(jù)被傳送到天線140，然后經(jīng)由衛(wèi)星或任何其他手段將數(shù)據(jù)重新發(fā)送至任何期望位置(例如，艦船、飛機(jī)、陸上位置等)，以用于進(jìn)一步處理、檢查、分析或其組合。通常，可以通過包括但不限于電線、光纖線路、無線技術(shù)(例如，聲學(xué)遙測)或其結(jié)合的任何合適手段，將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)151傳送至天線140。在本實施例中，系統(tǒng)151經(jīng)由穿過相應(yīng)桁條150到模塊130和天線140的光纜，與天線140通信。選擇系統(tǒng)151可以通過一個或多個其他系統(tǒng)151，與天線140間接地通信。例如，選擇系統(tǒng)151可以與其他系統(tǒng)151無線地通信，其依次與天線140通信，由此減少對每個系統(tǒng)151與天線140獨(dú)立且直接的通信需求。為了最小化桁條150的重量，優(yōu)選地采用光纖或無線技術(shù)。對于有線或光纖通信，有線或光纖線路優(yōu)選地穿過相應(yīng)桁條150的中心貫通孔到達(dá)浮力模塊130和天線140。
[0043]應(yīng)該想到，系統(tǒng)151可以位于沿著桁條150的任何期望位置，并且從而，系統(tǒng)151可以用于在海面11下面的任一個或多個期望深度處收集數(shù)據(jù)。另外，由于在本實施例中，桁條150延伸至海床10，被設(shè)計用于地震勘測的系統(tǒng)151可以根據(jù)期望被定位在海床10處或附近。
[0044]雖然在本實施例中，每個桁條150從浮力模塊130延伸至海床10，但是在其他實施例中，一個或多個桁條(例如，桁條150)可以不完全延伸至海床，可以從沿著受拉構(gòu)件(例如，受拉構(gòu)件120)的位置延伸到浮力模塊(例如，浮力模塊130)下面，或者這樣的組合。而且，雖然在本實施例中，系統(tǒng)151被裝配到桁條150上，但是在其他實施例中，一個或多個儀表系統(tǒng)(例如，系統(tǒng)151)被裝配到受拉構(gòu)件(例如，受拉構(gòu)件120)。在一些實施例中，一個或多個桁條(例如，桁條150)的一部分可以被沿著海床設(shè)置和/或被直接固定至受拉構(gòu)件(例如，受拉構(gòu)件120)。
[0045]通常，用于操作系統(tǒng)100的各系統(tǒng)和組件(例如，系統(tǒng)151、天線140等)的能量可以通過任何合適手段提供，包括但不限于電池、發(fā)電機(jī)(例如，波能發(fā)電機(jī)、風(fēng)能發(fā)電機(jī)等)或太陽能板。由于系統(tǒng)135、170通常僅在部署期間被使用，所以在安裝系統(tǒng)100期間，它們可以被設(shè)置在艦船200上并且分別耦合至模塊130和管道123。
[0046]現(xiàn)在參考圖7A至圖7F，示出系統(tǒng)100的部署。在圖7A和圖7B中，示出底座110通過受拉構(gòu)件120被降到海底；在圖7C至圖7E中，示出底座110被嵌入海床，以將受拉構(gòu)件120錨定到海床；在圖7F中，示出包括天線140的浮力模塊130被裝配到受拉構(gòu)件120的上端；以及在圖7G中，示出桁條150耦合至浮力模塊130，以形成系統(tǒng)100。在本實施例中，從水面艦船200，以多階段部署系統(tǒng)100。特別是，艦船200包括受拉構(gòu)件120的多個卷軸210和桁條150的多個卷軸211。通常，桁條150可以被預(yù)先配置成包括系統(tǒng)151 (BP,系統(tǒng)151被裝配到被卷繞的桁條150上)，當(dāng)從卷軸211部署桁條150時，系統(tǒng)151可以被安裝在桁條150上，或者系統(tǒng)151可以在部署之后(例如，經(jīng)由海底ROV和/或驅(qū)動器)被安裝在桁條150上。
[0047]首先參考圖7A，在艦船200上，底座110被固定至裝配在卷軸210上的受拉構(gòu)件120的端部。接下來，底座110從受拉構(gòu)件120懸垂并且被放在水中?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7B，當(dāng)從卷軸210釋放出受拉構(gòu)件120時，底座110被降至海底。當(dāng)?shù)鬃?10浸在水中時，水經(jīng)由孔口 114注入殼體111中。底座110降低到海底，直到其與海床10接合為止，如圖7C中所示。接下來，如圖7D中所示，沉重的泥漿250 (例如，鐵礦-水混合物或沉重的鉆探泥漿)被從艦船200經(jīng)由管道123泵送入室112中。泥漿250具有大于水的密度，從而沉降到殼體111的底部。當(dāng)泥漿250填充殼體111時，殼體111中的水由泥漿250代替，并且經(jīng)由孔口 114從室112出去。由于泥漿250的附加重量，底座110開始沉降并且將其本身嵌入海床10，如圖7D和圖7E中所示。一旦底座110充分安置在海床10上，泥漿250的泵送就被停止。
[0048]現(xiàn)在參考圖7F，通過固定至海床10的底座110，裝配有天線140的浮力模塊130被耦合至受拉構(gòu)件120的上端。系統(tǒng)135被用于調(diào)節(jié)模塊130的浮力，以把期望的拉力施加至受拉構(gòu)件120。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7G，然后從卷軸211釋放出桁條150，每個桁條150的一端被耦合至浮力模塊130，并且每個桁條150的另一端被固定至海床10。當(dāng)從模塊130懸垂下桁條150時，模塊130的浮力可以通過系統(tǒng)135調(diào)節(jié)，以支撐附加重量。如果桁條150沒有被預(yù)先配置成包括系統(tǒng)151，則在桁條150的部署期間或桁條150的部署之后，安裝系統(tǒng)151。
[0049]現(xiàn)在參考圖8A和圖8B，在系統(tǒng)100中采用底座110’的實施例中，抽吸/注入控制系統(tǒng)170用于在部署系統(tǒng)100期間促進(jìn)裙部111’到海床10的插入。特別是，當(dāng)裙部111’被推入海床10時，閥174可以被打開并且閥175被關(guān)閉，以允許海床10和上端11 la’之間的腔112’內(nèi)的水101通過管道171排放并且排出端部171a。為了加速裙部111’穿入到海床10和/或增強(qiáng)吸式裙部111’和海床10之間的“吸引”，吸力可以經(jīng)由泵173、管道171和管線172被施加至腔112’。特別是，閥175可以被打開并且閥174被關(guān)閉，以允許泵173通過管道171和管線172從腔112’抽出流體(例如，水、泥、泥沙等)。一旦裙部111’穿入海床10到期望深度，閥174、175優(yōu)選地被關(guān)閉，以保持錨固件140和海床10之間的牢固接合和吸力。
[0050]為了從海床10拉動和移除錨固件140 (例如，要移除系統(tǒng)100)，閥174可以被打開并且閥175被關(guān)閉，以排放腔112’，并且減小裙部111’和海床10之間的液壓鎖。為了加速裙部111’從海床10的移除，可以經(jīng)由泵173、管道171、以及管線172，將流體泵送到腔112’中。特別是，閥175可以被打開并且閥174被關(guān)閉，以允許泵173通過管道171和管線172將流體(例如，水)注入到腔112’中。
[0051]如圖7A至圖7C中所示，在從艦船200安裝系統(tǒng)100期間，允許當(dāng)?shù)鬃?10降到海底時，柔性受拉構(gòu)件120跨過沿著艦船200的船首的光滑彎曲凸面滑動。在從卷軸210部署期間，受拉構(gòu)件120承受拉力，并且卷軸210上的制動機(jī)構(gòu)被用于可控制地釋放出受拉構(gòu)件120。同樣地，在從卷軸220部署期間，桁條150承受拉力，并且卷軸211上的制動機(jī)構(gòu)被用于可控制地釋放出桁條150。然而，在其他實施例中，可以采用替換設(shè)備來控制受拉構(gòu)件120和/或桁條150的釋放。例如，在圖9中，示出了用于操縱受拉構(gòu)件120的部署的設(shè)備或滑軌300。在本實施例中，部署設(shè)備300包括底座310、從底座301的上端延伸的曲率控制構(gòu)件310、以及裝配到底座301上的張緊器320。底座301鄰近卷軸210被固定地安裝到艦船200上。受拉構(gòu)件120通過張緊器320在曲率控制構(gòu)件310周圍從卷軸210延伸并且在艦船200側(cè)之上。曲率控制構(gòu)件310是剛性弓形盤，其引導(dǎo)受拉構(gòu)件120到張緊器320并且使受拉構(gòu)件120與張緊器320對準(zhǔn)。另外，曲率控制構(gòu)件310保持用于受拉構(gòu)件120的最小曲率半徑，以避免在部署期間扭結(jié)或?qū)κ芾瓨?gòu)件120的損壞。張緊器320夾緊受拉構(gòu)件120，并且控制受拉構(gòu)件120從卷軸210的釋放，由此減少和/或消除對卷軸210上的制動機(jī)構(gòu)的需求。在本實施例中，張緊器320支撐受拉構(gòu)件120的負(fù)載和耦合至它的底座，并且包括接合并且夾緊受拉構(gòu)件120的多個環(huán)形間隔的柔性軌道321。每個軌道321被裝配到滑輪322和驅(qū)動相應(yīng)軌道321運(yùn)動的驅(qū)動輪323。軌道321被偏向和/或沿徑向向內(nèi)推動，以與受拉構(gòu)件120牢固接合，并且優(yōu)選地包括可以夾緊受拉構(gòu)件120而不損壞受拉構(gòu)件120的柔軟彈性材料，諸如，人造橡膠或天然橡膠材料。
[0052]仍然參考圖9，受拉構(gòu)件120在曲率控制構(gòu)件310周圍從卷軸210開始并且在接合且夾緊受拉構(gòu)件120的軌道321之間運(yùn)送。為了從卷軸210釋放出受拉構(gòu)件120，驅(qū)動輪323被旋轉(zhuǎn)以可控制地移動軌道321。軌道321和受拉構(gòu)件120的摩擦接合足以支撐受拉構(gòu)件120和底座110的負(fù)載，而不允許受拉構(gòu)件120滑動和滑行通過張緊器320。雖然示出設(shè)備300與卷軸210和裝配到其的受拉構(gòu)件120連接，但是其還可以以與上述相同的方式被使用以從卷軸211可控制地釋放出桁條150 (可多個)。
[0053]雖然在圖1和圖2中僅示出一個系統(tǒng)100，但是應(yīng)該想到，可以在多個不同近海位置處部署多個系統(tǒng)100，以從這樣的不同位置收集環(huán)境和地質(zhì)數(shù)據(jù)。這樣的系統(tǒng)100可以相互通信(例如，直接地或者通過諸如衛(wèi)星的一個或多個中間通信連接)。
[0054]雖然已經(jīng)示出和描述了優(yōu)選實施例，但是在不脫離在此的范圍或教導(dǎo)的情況下，可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員做出修改。在此描述的實施例僅是示例性的并且不用于限制。可以存在在此描述的系統(tǒng)、裝置和處理的多種改變和修改，并且其在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，可以改變多種部件的相對尺寸、制造多種部件的材料、以及其他參數(shù)。從而，保護(hù)范圍不限于在此描述的實施例，而是僅由以下權(quán)利要求限制，其范圍將包括權(quán)利要求的主題的所有等價物。除非另外指出，方法權(quán)利要求中的步驟可以以任何順序執(zhí)行。在方法權(quán)利要求中的步驟之前的諸如(a)、(b)、(c)或(I)、(2)、(3)的標(biāo)識符的表述無意而且也不指定步驟的特定順序，而是用于簡化這樣的步驟的隨后引用。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在近海環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 伸長的復(fù)合材料受拉構(gòu)件，該復(fù)合材料受拉構(gòu)件具有縱軸、上端和下端； 浮力模塊，所述浮力模塊被耦合至所述復(fù)合材料受拉構(gòu)件的所述上端并且被配置成施加拉伸載荷至所述受拉構(gòu)件； 底座，所述底座被耦合至所述復(fù)合材料受拉構(gòu)件的所述下端，所述底座被配置成把所述受拉構(gòu)件固定至海床； 多個復(fù)合材料桁條，所述多個復(fù)合材料桁條被耦合至所述浮力模塊并且被設(shè)置在所述受拉構(gòu)件周圍；以及 多個儀表系統(tǒng)，所述多個儀表系統(tǒng)被配置成測量環(huán)境或地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中，所述儀表系統(tǒng)被耦合至所述桁條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括通信天線，所述通信天線被耦合至所述浮力模塊，其中，所述天線被配置成無線地傳送所述儀表系統(tǒng)所測量的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述儀表系統(tǒng)被設(shè)置在沿著所述桁條的多個不同的軸向位置處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述儀表系統(tǒng)被配置成在低于海面的不同深度處測量環(huán)境數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合材料受拉構(gòu)件包括柔性拉擠玻璃纖維復(fù)合材料管狀構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合材料受拉構(gòu)件包括平行的管狀構(gòu)件束。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述管狀構(gòu)件束包括:多個柔性拉擠玻璃纖維復(fù)合材料管狀構(gòu)件，和被設(shè)置在所述復(fù)合材料管狀構(gòu)件之間的間隙內(nèi)的柔性流體管道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述底座是包括殼體的重力式錨固件，所述殼體具有與所述受拉構(gòu)件的所述流體管道流體連通的內(nèi)室。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述殼體包括孔口，所述孔口被配置成允許所述內(nèi)室和所述周圍環(huán)境之間的流體連通，其中，所述孔口被定位于所述殼體的上端附近。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述底座是吸力樁，所述吸力樁包括裙部，該裙部具有封閉上端、開放下端以及內(nèi)室，該內(nèi)室與所述受拉構(gòu)件的所述流體管道流體連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述浮力模塊是浮力可調(diào)的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，至少兩個所述儀表系統(tǒng)被配置成相互無線地通?目。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述受拉構(gòu)件具有大于500的長寬比。
14.一種用于在近海環(huán)境中獲取環(huán)境和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 伸長的受拉構(gòu)件，該受拉構(gòu)件具有縱軸、上端和下端，其中，所述受拉構(gòu)件包括多個平行柔性復(fù)合材料管狀構(gòu)件； 浮力可調(diào)模塊，所述浮力可調(diào)模塊被耦合至所述受拉構(gòu)件的所述上端并且被配置成施加拉伸載荷至所述受拉構(gòu)件； 底座，所述底座被耦合至所述復(fù)合材料受拉構(gòu)件的所述下端，所述底座被配置成把所述受拉構(gòu)件固定至海床； 多個桁條，所述多個桁條被耦合至所述浮力可調(diào)模塊并且被配置成在海底延伸；以及多個儀表系統(tǒng)，所述多個儀表系統(tǒng)用于測量所述環(huán)境和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中，所述儀表系統(tǒng)被耦合至所述桁條。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括通信天線，所述通信天線被耦合至所述浮力模塊，其中，所述天線被配成傳送所述儀表系統(tǒng)所測量的數(shù)據(jù)給衛(wèi)星。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述儀表系統(tǒng)被設(shè)置在沿著所述桁條的多個不同的軸向位置處。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，每個復(fù)合材料管狀構(gòu)件包括拉擠玻璃纖維復(fù)合材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，至少一個所述桁條被配置成延伸至所述海床。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述受拉構(gòu)件包括被設(shè)置在所述復(fù)合材料管狀構(gòu)件之間的柔性流體管道。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述底座是重力式錨固件或吸力樁。
21.一種用于在近海環(huán)境中獲取環(huán)境和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括: Ca)把底座耦合至伸長的受拉構(gòu)件的第一端； (b)通過所述受拉構(gòu)件把所述底座降低至海床； (c)把浮力模塊耦合至所述受拉構(gòu)件的第二端； (d)把多個儀表系統(tǒng)耦合至多個桁條，其中，所述儀表系統(tǒng)被配置成獲取海底環(huán)境數(shù)據(jù)和/或地質(zhì)數(shù)據(jù)； (e)調(diào)節(jié)所述浮力模塊的浮力；` (f)把所述多個桁條耦合至所述浮力模塊，其中，每個桁條具有被耦合至所述浮力模塊的上端和被設(shè)置在海底的下端。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，步驟(b)進(jìn)一步包括:從設(shè)置在水面艦船上的卷軸釋放出所述受拉構(gòu)件。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述受拉構(gòu)件和所述桁條包括復(fù)合材料管狀構(gòu)件。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述底座包括重力式錨固件或吸力樁。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述受拉構(gòu)件包括從所述第一端延伸到所述第二端的流體管道，其中，所述流體管道與所述底座的內(nèi)室流體連通。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述底座是重力式錨固件，并且其中，其中步驟(b)還包括:從所述水面泵送密度大于水的泥漿并且經(jīng)所述受拉構(gòu)件至所述底座的所述內(nèi)室。
【文檔編號】G08C19/00GK103650011SQ201280032140
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月26日
【發(fā)明者】愛德華·E·霍頓三世 申請人:霍頓-維森深水公司