Малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат из композиционных материалов

Полезная модель относится к области подводной робототехники, а именно к малогабаритным телеуправляемым подводным аппаратам (МТПА), осуществляющим горизонтальное и вертикальное движение за счет поворотных движителей и предназначенным для осуществления мониторинговых, исследовательских и других работ с применением разнообразного бортового оборудования.
Известен «Подводный аппарат» (патент RU 2703558 C1, опубл. 21.10.2019, МПК B63G 8/00, B63G 8/00), содержащий корпус в форме прямоугольного параллелепипеда, блок плавучести, технологическое оборудование и движители, установленные на вертикальных поворотных колоннах, вертикальные поворотные колонны размещены во внутренних углах корпуса подводного аппарата и снабжены поворотными горизонтальными приводами, к которым присоединены движители, при этом корпус подводного аппарата имеет внутри ниши, соответствующие контурам движителей при их парковке, кроме того, вертикальные поворотные колонны снабжены приводами с возможностью поворота их на угол по крайней мере 180°, а горизонтальные приводы, к которым присоединены движители, имеют возможность поворота по крайней мере на угол ±90° от исходного положения, соответствующего парковке движителей в нишах внутри корпуса подводного аппарата.
Недостатком данного устройства является большие габариты конструкции с большим числом приводов. Это усложняет и утяжеляет конструкцию, при этом снижая маневренность и, как следствие, управляемость и надежность аппарата, что приводит к чрезмерному энергопотреблению и снижению эффективности в целом.
Также известен «Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат с изменяемым вектором упора винта» (патент RU 205521 U1, опубл. 19.07.2021, МПК B63C 7/00), отличающийся тем, что в конструкцию введены сервоприводы в передней и задней частях рамы и установлены на поперечной и продольной балке рамы, при этом пара валов, которые расположены в сервоприводах на поперечной балке, установлены перпендикулярно диаметральной плоскости, а вал, который расположен в сервоприводе, на продольной балке и установлен в диаметральной плоскости, причем рама выполнена Т-образной формы, при этом пара передних движителей установлены на концах Т-образной рамы с возможностью вращения движителей вокруг оси вала на угол ±360° для увеличения маневренности и мобильности, причем сервоприводы соединены с движителями через валы, кроме того, пара передних движителей выполнены с возможностью синхронного вращения в плоскости, параллельной диаметральной плоскости, а задний движитель выполнен с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной диаметральной плоскости аппарата.
Недостатками данного подводного аппарата являются: большая масса конструкции, что снижает эффективность аппарата, повышает энергопотребление.
Наиболее близким по технической сущности, взятым в качестве прототипа, является «Малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с раздельным управлением движителей» (патент RU 203080 U1, опубл. 19.07.2021, МПК B63C 11/48, B63G 8/00), отличающийся тем, что рама выполнена Т-образной формы, в носовой части аппарата на поперечной балке рамы установлена пара герметичных сервоприводов, каждый из которых валами, которые расположены перпендикулярно диаметральной плоскости аппарата, соединен со своим движителем, правым носовым и левым носовым, с возможностью асинхронного вращения по отношению друг к другу относительно оси валов на угол ±360° для повышения маневренности и управляемости, в кормовой части аппарата на продольной балке рамы установлен неподвижный движитель, причем для повышения прочности и эксплуатационной надежности кабель связи соединен с аппаратом через герметичную втулку.
Недостатками выбранного прототипа являются: большая масса конструкции, что снижает эффективность аппарата, повышает энергопотребление; движители поворачиваются на угол ±360°, что говорит о том, что они выполнены без возможности реверса тяги, что увеличивает время реагирования на смену управляющих команд оператора.
Решаемой технической проблемой является создание эффективного малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата из композиционных материалов для проведения мониторинговых, исследовательских и других работ в акваториях.
Техническим результатом является повышение эффективности малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата из композиционных материалов при проведении мониторинговых, исследовательских и других работ.
Технический результат достигается тем, что в малогабаритном телеуправляемом необитаемом подводном аппарате рама, блок плавучести, движители, валы выполнены из композиционных материалов, что позволяет снизить массу конструкции аппарата, и, как следствие, повысить эффективность в целом при осуществлении мониторинговых, исследовательских и других работ.
Терминология
Эффективность - способность подводного аппарата нести большую полезную нагрузку при той же мощности движителей, а также способность точного применения полезной нагрузки. При этом отношение массы полезной нагрузки к общей массе подводного аппарата достигает 50-60%.
Для пояснения технической сущности малогабаритного необитаемого подводного аппарата из композиционных материалов рассмотрим чертежи
на фиг.1 – вид сбоку;
на фиг.2 – вид спереди;
на фиг.3 – вид сверху;
на фиг.4 – вид в изометрии;
на фиг.5 – вид изнутри;
на фиг.6 – вид снизу в изометрии;
на фиг.7 – схема связи подводного аппарата с бортовой частью,
на фиг.8 - носовой движитель при движении «вперед-назад»;
на фиг.9 - вид сзади при осуществлении поворота подводного аппарата,
где 1 – Т-образная рама; 2 – носовые движители; 3 – кормовой движитель; 4 – блок плавучести; 5 – валы; 6 – сервоприводы; 7 – герметичная крышка; 8 – видеокамера; 9 – осветительный прибор;
МТПА соединен с бортовой частью, включающей 10 – кабель связи; 11 – блок питания; монитор – 12, блок управления – 13.
На Т-образной раме 1 малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата из композиционных материалов установлены движители 2 и 3, блок плавучести 4, являющийся герметичным боксом для электрооборудования. Движители 2 и 3 имеют возможность поворота вокруг своих осей на углы  соответственно. При этом они обладают возможностью реверса тяги, что сокращает время реагирования узлов на смену управляющих команд, поступающих от оператора через блок управления 13.
Т-образная рама 1 выполнена обтекаемой, при этом поперечная часть рамы Т-образной рамы 1 выполнена в виде гидродинамического крыла, что совместно с установленными поворотными движителями 2 (носовыми) и 3 (кормовым) обеспечивает компенсацию положительной плавучести при движении аппарата. Валы 5, при помощи которых движители 2 и 3 соединены с сервоприводами 6, а также сами сервоприводы 6 установлены внутри рамы 1 под герметичной крышкой 7. Видеокамера 8 и осветительный прибор 9 внедрены в блок плавучести 4. В совокупности это позволяет снизить сопротивление воды при движении аппарата, и, как следствие, уменьшить энергозатраты для осуществления работы.
Кабель связи 10 нейтральной плавучести соединен с электрооборудованием аппарата, расположенным в блоке плавучести 4, и с бортовой частью, расположенной на судне-носителе и состоящей из блока питания 11, монитора 12 и блока управления 13.
Рама 1, блок плавучести 4, движители 2 и 3, валы 5 изготовлены из композиционных материалов, что приводит к снижению массы подводного аппарата до 30-50% по сравнению с подводными роботами аналогичной конструкции, но выполненными из металлических сплавов. При этом, при использовании движителей 2 и 3 той же мощности подводный аппарат может нести больше полезной нагрузки, что повышает его эффективность в целом. При этом, за счёт возможности поворота движителей 2 и 3 на угол ±α° подводный аппарат способен занимать различные пространственные положения, чем обеспечивается наиболее точное использование и применение полезной нагрузки с целью выполнения подводных задач, что приводит к повышению эффективности подводного аппарата. Кроме того, за счет легкой конструкции аппарат удобнее доставлять к месту проведения работ, что повышает его эксплуатационные качества. Совокупность легкой конструкции и поворотных движителей 2 и 3 также способствует повышению маневренных характеристик подводного аппарата.
2
3
2
3
Малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат из композиционных материалов работает следующим образом. Бортовая часть, находящаяся на судне-носителе, подключается к блоку питания 11. Управляющие сигналы подаются на аппарат блоком управления 13 через кабель связи 10. При погружении и всплытии носовые движители 2 и кормовой движитель 3 находятся в горизонтальном положении. Для движения «вперед-назад» с удержанием аппарата на заданной глубине носовые движители 2 синхронно поворачиваются на угол α с помощью сервоприводов 6, компенсируя выталкивающую силу, возникающую из-за положительной плавучести, создаваемой блоком плавучести 4, при этом движитель 3 регулирует угол дифферента аппарата изменением силы тяги. Поворот вокруг вертикальной оси аппарата осуществляется за счет поворота движителя 3 на угол α с помощью сервопривода 6, компенсируя выталкивающую силу, при этом носовые движители 2 удерживают аппарат на заданной глубине. Углы поворота движителей α и α зависят от скорости движения и массы аппарата, а  также характеристик винта. Поворот вокруг горизонтальной оси осуществляется повышением оборотов на одном из носовых движителей 2 в зависимости от того, на какую сторону необходимо совершить поворот: поворот на правую сторону – повышение оборотов на правом носовом движителе, поворот на левую сторону – повышение оборотов на левом носовом движителе. При этом занятое аппаратом положение относительно горизонтальной оси поддерживается соответствующими поворотами и оборотами кормового движителя 3.
Нейтральная остойчивость достигается тем, что центр масс и центр величины аппарата находятся в одной точке. Это позволяет аппарату сохранять занятое пространственное положение.
По своим технико-экономическим возможностям, по сравнению с известными аналогами, заявляемое техническое решение позволяет получить эффективный малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат за счет облегчения конструкции, а именно изготовления рамы, блока плавучести, движителей, валов из композиционного материала, что повышает эффективность аппарата. При этом рациональное размещение элементов конструкции и оборудования в раме аппарата позволяет снизить сопротивление воды при движении аппарата, что уменьшает энергопотребление, снижая стоимость эксплуатации. Все это позволяет применять предлагаемый аппарат для решения разнообразных задач с меньшими затратами, делая его эффективным.
Было установлено, что при использовании композиционного материала из углеродного волокна масса конструкции подводного аппарата может быть снижена на 50% по сравнению с аналогичной конструкцией из алюминия за счет меньшей плотности композиционного материала (в 2 раза, чем у алюминия, и в 5 раз меньше, чем у стали). Так, масса конструкции без установленного оборудования подводных аппаратов, представленных в патентах RU 203080 U1 и RU 205521 U1, составляет около 11 кг. Использование композиционного материала позволяет снизить массу до 5-5,5 кг, что при той же мощности движительного комплекса способствует повышению эффективности подводного аппарата, а также его маневренных характеристик.