Малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с раздельным управлением движителей

Полезная модель относится к области подводного судостроения, а именно к малогабаритным телеуправляемым подводным аппаратам (МТПА), в частности к управляемым по кабелю связи самоходным МТПА, осуществляющим горизонтальное и вертикальное движение за счет раздельного поворота движителей и предназначенным для осуществления мониторинговых, исследовательских и других работ на дне рек с применением разнообразного бортового оборудования.
Известен автономный необитаемый подводный аппарат типа «Конвертоплан» с динамически изменяемой плавучестью (патент RU 110064 U1, опубл. 27.10.2010, МПК B63C 11/48, B63G 8/08, B63G 8/14), отличающийся тем, что представляет собой подводный аппарат тяжелее воды, осуществляющий горизонтальное движение в воде за счет гидродинамической подъемной силы крыла и горизонтальной тяги, по меньшей мере, одного двигателя, а подъем и погружение за счет отклонения вектора тяги, по меньшей мере, одного двигателя или движителя в вертикальной плоскости.
Недостатком этого устройства является отрицательная плавучесть, что усложняет поиск и обнаружение аппарата в случае возникновения аварийной ситуации, повышает расход энергии на всплытие.
o
o
Известен подводный аппарат повышенной маневренности (патент RU 2101210 C1, опубл. 10.01.1998, МПК B63G 8/00, B63G 8/08), содержащий обтекаемый корпус и движительный комплекс, включающий группу носовых поперечных движителей и группу из трех или четырех кормовых маршевых реверсивных движителей, согласно которому, в качестве маршевых движителей установлены реверсивные водометные движители, которые размещены в корпусе аппарата в его кормовой части, водометные трубы, входные и выходные патрубки движителей жестко закреплены в корпусе аппарата, при этом входные патрубки отогнуты от продольной оси аппарата на угол 20-50, а выходные патрубки установлены под углом 0-25 к продольной оси аппарата.
Недостатком данного подводного аппарата является сложность конструкции из-за применения большого количества разных типов движителей, что в свою очередь делает аппарат менее надежным.
Также известен малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (патент RU 2387570 C1, опубл. 27.04.2010, МПК B63G 8/00, B63G 8/38, B63C 11/00), содержащий раму модульной конструкции, движители горизонтального и вертикального хода, прочные герметичные контейнеры для размещения электронной части подводного аппарата , светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести , установленный в верхней части подводного аппарата , манипуляционный модуль, включающий снабженный охватом манипулятор и герметичный привод, причем манипулятор установлен на выходном валу этого привода, надводный модуль управления, включающий пульт управления, источник электропитания, блок отображения видеоинформации, и кабель связи, соединяющий подводный аппарат с надводным модулем, отличающийся тем, что на другом конце выходного вала привода манипулятора дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр схвата манипулятора, подводный аппарат снабжен съемным перфорированным контейнером для сбора образцов, установленным в верхней части подводного аппарата соосно с его вертикальной осью, а обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части.
Недостатками предложенного аппарата являются большие габариты, усложняющие работу в узких пространствах, а также снижающие маневренность аппарата, высокое энергопотребление за счет установки большого количества бортового оборудования, в том числе использование большого числа движителей, что также усложняет конструкцию аппарата и снижает его надежность, а также ведет к дороговизне его производства, а в целом, к снижению эффективности аппарата.
Наиболее близким по технической сущности, взятым в качестве прототипа, является «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 выбранного прототипа 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.
Решаемая задача полезной модели направлена на создание эффективного малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с раздельным управлением движителей с повышенной энергоэффективностью, простой конструкцией, улучшенными маневренными, и как следствие, управляемыми качествами, повышающими надежность.
Техническим результатом полезной модели является создание эффективного малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с раздельным управлением движителей путем повышения маневренности и надежности за счет упрощения конструкции и повышения управляемости.
Технический результат достигается тем, что в малогабаритном телеуправляемом необитаемом подводном аппарате с раздельным управлением движителей, содержащем раму, движители, сервоприводы с валами, видеокамеру, осветительный прибор, блок плавучести, являющийся герметичным боксом для электрооборудования,  обеспечивающий как положительную плавучесть, так и нейтральную остойчивость, соединенный кабелем связи с расположенной на судне-носителе бортовой частью, включающей блок питания, монитор, блок управления, согласно которому, 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, соединены 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.
Новизна:
Предполагаемая полезная модель позволяет получить эффективный малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат, за счет упрощения конструкции и достижения  высоких маневренных качеств, которые обеспечиваются  введением двух асинхронно вращающихся по отношению друг к другу движителей в носовой части аппарата и одного неподвижно закрепленного движителя в кормовой части, и, как следствие, повышения управляемости и достижения надежности, повышая прочностные и эксплуатационных характеристики аппарата, а также уменьшение количества движителей приводит к уменьшению массы конструкции и, следовательно, снижению  энергопотребления при использовании аппарата.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи, на которых изображено:
на фиг.1 - вид сбоку;
на фиг.2 - вид спереди;
на фиг.3 - вид сверху;
на фиг.4 - вид сбоку при движении «вперед-назад»;
на фиг.5 - вид сверху при выполнении поворота «налево»;
на фиг.6 - вид сверху при выполнении поворота «направо»;
на фиг.7 - вид сзади при крене на левый бок;
на фиг.8 - вид сзади при крене на правый бок;
на фиг.9 - схема связи подводного аппарата с бортовой частью,
где: 1 - герметичные сервоприводы в носовой части аппарата; 2 - валы, перпендикулярные диаметральной плоскости; 3 - левый носовой движитель; 4 - правый носовой движитель; 5 - блок плавучести, являющийся герметичным боксом для электрооборудования и обеспечивающий положительную плавучесть; 6 - кормовой движитель; 7 - Т-образная рама; 8 - продольная балка рамы, 9 - поперечная балка рамы; 10 - видеокамера; 11 - осветительный прибор; 12 - герметичная втулка;
МТПА соединен с бортовой частью, включающей 13 - кабель связи; 14 - блок питания; 15 - монитор, 16 - блок управления.
Малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с раздельным управлением движителей состоит из Т-образной рамы 7, на продольной балке 8 которой закреплен блок плавучести 5, являющийся герметичным боксом для электрооборудования. Блок плавучести 5 создает положительную плавучесть, что снижает энергозатраты на всплытие аппарата, позволяет обнаружить его при возникновении аварийной ситуации за счет большей по сравнению с весом самого аппарата выталкивающей силы.
Кабель связи 13 нейтральной плавучести соединен с электрооборудованием аппарата, расположенным в блоке плавучести 5, и с бортовой частью, расположенной на судне-носителе и состоящей из блока питания 14, монитора 15 и блока управления 16. Кабель связи 13 состоит из управляющих проводов, служащих для управления подводным аппаратом при помощи бортовой части, а также для передачи получаемой с аппарата информации на бортовую часть. Кабель 13 является гибким. Для предотвращения запутывания и перегибания кабеля 13 при маневрировании аппарата в месте его подключения к блоку плавучести 5 установлена герметичная втулка 12, которая обеспечивает герметичность соединения, уменьшает изгибания кабеля 13, предотвращает его отсоединение от аппарата, а в целом повышает надежность. Так как МТПА обладает нейтральной плавучестью, кабель связи 13 не создает дополнительных нагрузок на аппарат, и, соответственно, физически не ухудшает маневренность аппарата.
В носовой части аппарата на поперечной балке 9 рамы 7, установлена пара герметичных сервоприводов 1, каждый из которых валами 2, которые расположены перпендикулярно диаметральной плоскости аппарата, соединен со своим движителем 3 левым носовым и 4 правым носовым, с возможностью асинхронного вращения по отношению друг к другу относительно оси валов на угол ±360°, для повышения маневренности и, как следствие, управляемости и надежности. В кормовой части аппарата на продольной балке 8 рамы 7 установлен неподвижный движитель 6. Асинхронное вращение движителей 3 и 4 относительно оси валов 2 и регулировка оборотов движителя 6 повышают маневренные качества подводного аппарата, позволяя ускорить погружение и всплытие аппарата за счет увеличения вертикальной скорости, двигаться вперед и назад, совершать поворот относительно вертикальной и горизонтальной осей аппарата. Применение меньшего числа движителей по сравнению с аналогами способствует снижению энергопотребления при применении аппарата, тем самым повышая эффективность аппарата в целом.
Видеокамера 10 и осветительный прибор 11 установлены на противоположных концах поперечной балки в носовой части аппарата. С их помощью осуществляется отслеживание расположения аппарата, исследования, поиск подводных объектов. Отображение получаемой от аппарата информации осуществляется с помощью монитора 15, являющегося элементом бортовой части.
Малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с раздельным поворотом движителей работает следующим образом:
Бортовая часть подключается к блоку питания 14.  Управляющие сигналы подаются на аппарат блоком управления 16 через кабель связи 13.
При погружении и всплытии носовые движители 3 -левый и 4 - правый и кормовой движитель 6 находятся в исходном положении, как показано на фиг.1. При этом, при погружении обороты винтов движителей подбираются таким образом, чтобы преодолеть выталкивающую силу, которая создается блоком плавучести 5.
Для движения «вперед-назад» с удержанием аппарата на заданной глубине носовые движители 3 (левый) и 4 (правый) асинхронно поворачиваются на угол  с помощью сервоприводов 1, компенсируя выталкивающую силу, возникающую из-за положительной плавучести, создаваемой блоком плавучести 5, как показано на фиг. 4.
Поворот относительно вертикальной оси аппарата осуществляется за счет асинхронного поворота движителей 3 (левого) и 4 (правого) на угол  с помощью сервоприводов 1, компенсируя выталкивающую силу. При повороте аппарата «налево» вектор упора движителя 4 правого направлен по направлению движения, а вектор упора движителя 3 левого - против направления движения, как показано на фиг. 5. При этом создается вращающий момент относительно вертикальной оси аппарата, направленный против часовой стрелки, за счет чего и осуществляется поворот «налево». При повороте аппарата «направо» вектор упора движителя 3 (левого) направлен по направлению движения, а вектор упора движителя 4 (правого) - против направления движения, как показано на фиг. 6. Здесь же наоборот - создается вращающий момент относительно вертикальной оси аппарата, направленный по часовой стрелке, за счет чего осуществляется поворот «направо».
Поворот относительно горизонтальной оси осуществляется путем асинхронного поворота движителей 3 (левого) и 4 (правого) с помощью сервоприводов 1, при этом обороты движителей подобраны с возможностью компенсирования выталкивающей силы. Для создания крена на левый бок вектор упора движителя 4 (правого) направлен перпендикулярно вверх относительно основной плоскости аппарата, а вектор упора движителя 3 (левого) - перпендикулярно вниз относительно основной плоскости аппарата, как показано на фиг.7. Это создает вращающий момент относительно горизонтальной оси аппарата, направленный против часовой, за счет чего осуществляется крен на левую сторону. Для создания крена на правый бок вектор упора движителя 3 (левого) направлен перпендикулярно вверх относительно основной плоскости аппарата, а вектор упора движителя 4 (правого) - перпендикулярно вниз относительно основной плоскости аппарата, как показано на фиг.8. Это создает вращающий момент относительно горизонтальной оси аппарата, направленный по часовой стрелке, за счет чего осуществляется крен на левую сторону.
Изменением оборотов движителя 6 осуществляется изменение угла дифферента аппарата на нос или корму и поддержание любого занятого аппаратом пространственного положения.
При этом аппарат обладает нейтральной остойчивостью, которая достигается тем, что центр масс и центр величины аппарата находятся в одной точке, как показано на фиг.4. Это позволяет аппарату сохранять любое занятое пространственное положение.
По своим технико-экономическим возможностям, по сравнению с известными аналогами, заявляемое техническое решение позволяет получить эффективный малогабаритный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с раздельным управлением движителей за счет упрощения конструкции, а именно установки на раме меньшего числа движителей, способных вращаться асинхронно по отношению друг к другу, что повышает маневренность и, как следствие, управляемость и надежность, обеспечивая повышение прочностных и эксплуатационных характеристик аппарата. При этом упрощение конструкции также снижает и стоимость, а применение меньшего числа приводов облегчает конструкцию, снижая энергопотребление. Все это позволяет применять предлагаемый аппарат для решения разнообразных задач с меньшими затратами, делая его эффективным.