ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОГО СТАЦИОНАРНОГО ОБЪЕКТА
UNDERWATER APPARATUS FOR DESTRUCTION OF POTENTIALLY DANGEROUS STATIONARY OBJECT

Изобретение относится к области подводной робототехники - в частности к телеуправляемым (по кабелю) необитаемым подводным аппаратам (ТНПА) разового применения, предназначенных для уничтожения подводных, стационарных, потенциально опасных объектов, включая морские донные и якорные мины.
Известны конструкции зарубежных ТНПА разового применения, которые предназначены для уничтожения донных и якорных мин.
Известен ТНПА «Archerfish» ВМС Великобритании (Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Бочаров Л.Ю., Угроза из глубины: XXI век: - Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 2011 г., с 62-63, рис. 2.18 и 2.19), разработанный фирмой «СЕС - Marconi» в сотрудничестве с фирмой SNPE Explosives & Propellants Group. ТНПА массой около 25 кг имеет скорость 3-5 узлов (далее уз.), дальность хода не менее 2000 м и оснащается кумулятивной боевой частью. Аппарат имеет два реверсивных движителя и оборудован гидроакустической системой (ГАС) переднего обзора, видеокамерой и светильником. ТНПА системы «Archerfish» имеет режим перехода в район нахождения цели (подобно торпеде), а также режимы поиска, обнаружения и уничтожения мины посредством заряда взрывчатого вещества. Идентификация обнаруженной цели осуществляется оператором на основе анализа данных, полученных от ГАС и видеокамеры.
Известен ТНПА «K-Ster» ВМС Франции (Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Бочаров Л.Ю., Угроза из глубины: XXI век: - Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 2011 г., с 65-67, рис. 2.22), который предназначен для уничтожения всех типов мин, в том числе и заглубленных в грунт, при состоянии моря до 5 баллов, на глубинах от 0 до 300 м и на расстоянии до 1000 м от корабля-носителя. Масса аппарата составляет 40 кг, длина 1,4 м, скорость хода 5 уз. Два горизонтальных и один вертикальный движитель обеспечивают аппарату хорошую маневренность даже на сильном течении. Время выполнения операции занимает около 15 мин. Аппарат снабжен видеокамерой и ГАС с меняющейся рабочей частотой от 600 кГц до 1,2 мГц, обеспечивающей точный выход на мину при очень плохой видимости. Разворачивающаяся в сторону мины боеголовка ТНПА содержит заряд мощного взрывчатого вещества массой 6 кг и не требует непосредственного контакта с миной.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа ТНПА «Minesniper», разработанный норвежской фирмой «Kongsberg Defense & Aerospace» и предназначенный для использования против донных и якорных мин (Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Бочаров Л.Ю., Угроза из глубины: XXI век: - Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 2011 г., с 67, рис. 2.23). Длина ТНПА составляет около 1500 мм, диаметр 200 мм, масса 30 кг, глубина 500 м, максимальная дальность - 4000 м. Аппарат может развивать скорость до 6 уз (рабочее значение скорости от 2 до 4 уз). ТНПА оснащается двумя реверсивными движителями, аппаратурой гидроакустической навигационной системой, гидролокатором секторного обзора (ГСО), а также видеокамерой и прожектором. Наведение аппарата на цель осуществляется в автоматическом режиме по данным корабельного гидроакустического и навигационного комплексов. С прибытием в район цели, производится включение ГАС и видеокамеры. Оператор управляет аппаратом с корабля вручную, чтобы идентифицировать обнаруженную цель на основе анализа ее акустической сигнатуры и видеоизображения. Существующий вариант системы «Minesniper» может быть оснащен кумулятивным зарядом ВВ массой 3 кг.
Конструктивными особенностями ТНПА - прототипа являются:
корпус, в носовой оконечности которого размещены видеокамера и светильник, боевая часть, источник электрической энергии, движительно-рулевой комплекс, состоящий из двух горизонтальных движителей и кормового вертикального подруливающего устройства тоннельного типа, гидролокатор секторного обзора, гидроакустическая навигационная система, система управления движителями, катушка с оптоволоконным кабелем.
Недостатками ТНПА-прототипа, в том числе и указанных выше известных ТНПА-аналогов, являются:
1. Кумулятивная боевая часть находится в глубине корпуса аппарата (впереди ее находятся телекамеры и светильники), что исключает прямой контакт боевой части с уничтожаемым объектом. Это приводит к необходимости увеличения мощности (массы) боевой части и увеличению массы и размеров самого ТНПА.
2. Человек-оператор, управляющий ТНПА в супервизорном режиме по волоконно-оптическому кабелю, не может обеспечить точное наведение аппарата в заданную точку уничтожаемого объекта (цели) по нормали с его поверхностью (особенно если это малоразмерный объект) так как он не видит куда именно прикоснулся нос ТНПА. Зачастую вода вблизи дна моря бывает мутной, что еще более затрудняет наведение. Парирование этих недостатков на уровне конструкции, приводит также к необходимости увеличения мощности (массы) боевой части и увеличению массы и размеров самого ТНПА.
3. Носовая часть ТНПА должна точно (без проскальзывания) упереться в корпус уничтожаемого объекта в заданном месте по нормали к его поверхности (это требование обеспечивается оператором ТНПА). Носовая часть прототипа имеет гладкую поверхность, что способствует ее скольжению о корпус уничтожаемого объекта, что сильно затрудняет работу оператора, которому приходится делать несколько заходов на уничтожаемый объект. Энергия аккумуляторной батареи ТНПА ограничена, поэтому любые сложности с контактом носовой части аппарата с целью не желательны.
4. Уничтожаемый объект (цель) может находиться на дне моря в любом положении. Часто этот объект может быть частично или полно заилен. В связи с этим, для того, чтобы подойти к цели по нормали к ее корпусу часто необходимо создавать большие углы дифферента от 45 до 80°. Так, ТНПА «K-Ster» (см. рис. 2.22) имеет разворачивающуюся боевую часть, что усложняет конструкцию, и увеличивает размеры и массу аппарата. Прототип лишен возможность создавать большие дифференты, так как имеет всего одно вертикальное тоннельное подруливающее устройство.
5. Управляемый по кабелю ТНПА для уничтожения потенциально опасных объектов размещается на судне-носителе, на борту которого находится электронная карта с координатами целей. Судно-носитель должно занять место на безопасном расстоянии от уничтожаемого объекта (цели), так как, например, морская мина может сдетонировать и повредить судно. Это безопасное расстояние составляет порядка 1000 м. После спуска ТНПА в воду он должен пройти это расстояние и своими бортовыми средствами (гидролокатором и телекамерой) обнаружить цель, что весьма затруднительно, без системы ГЛОНАСС.
6. При обнаружении аппаратом малоразмерной (часто заиленной) цели под водой на дальних дистанциях порядка 90-120 м главную роль играет гидролокатор секторного обзора (ГСО). Прототип имеет только один тип антенны, что недостаточно при обнаружении малоразмерных объектов.
Перечисленные недостатки ограничивают функциональные возможности известного ТНПА и не позволяют оператору эффективно проводить поиск и уничтожение потенциально опасных стационарных объектов.
В основу предполагаемого изобретения поставлена задача, устранить указанные недостатки и обеспечить повышение эффективности поиска и уничтожения потенциально опасных стационарных объектов.
Поставленная задача решается тем, что в подводном аппарате для уничтожения потенциально опасного объекта, содержащем корпус, в носовой оконечности которого размещены видеокамера и светильник, боевую часть, источник электрической энергии, движительно-рулевой комплекс, состоящий из двух горизонтальных движителей и кормового вертикального подруливающего устройства тоннельного типа, гидролокатор секторного обзора, гидроакустическую навигационную систему, систему управления движителями, катушку с оптоволоконным кабелем, боевая часть размещена непосредственно в носовой оконечности корпуса соосно его оси и в его диаметральной плоскости так, что продольная ось боевой части размещена под продольной осью корпуса, причем боевая часть со стороны ее передней кромки снабжена противоскользящей насадкой, которая размещена за внешними обводами носовой оконечности корпуса аппарата, а видеокамера и светильник размещены в носовой оконечности корпуса в одной горизонтальной плоскости над боевой частью со смещением за ее переднюю кромку, причем видеокамера и светильник установлены под углом от 10° до 14° к продольной оси боевой части.
Поставленная задача достигается также тем, что в подводном аппарате для уничтожения потенциально опасного объекта:
- противоскользящая насадка боевой части снабжена острыми шипами;
- в носовой оконечности корпуса в его диаметральной плоскости между видеокамерой и светильником установлен лазерный источник (прицел);
- движительно-рулевой комплекс дополнительно снабжен носовым вертикальным подруливающим устройством тоннельного типа;
- гидролокатор секторного обзора оснащен двумя антеннами, а именно, низкочастотной и высокочастотной;
- на аппарате размещена система ГЛОНАСС с антенной, установленной над корпусом на пилоне.
В заявленном подводном аппарате общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- подводный аппарат для уничтожения потенциально опасного стационарного объекта,
- корпус, в носовой оконечности которого размещены видеокамера и светильник;
- боевая часть;
- источник электрической энергии;
- движительно-рулевой комплекс, состоящий из двух горизонтальных движителей и кормового вертикального подруливающего устройства тоннельного типа;
- гидролокатор секторного обзора;
- гидроакустическая навигационная система;
- система управления движителями;
- катушка с оптоволоконным кабелем.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного подводного аппарата и его прототипа показывает, что первый в отличии от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:
- боевая часть размещена непосредственно в носовой оконечности корпуса соосно его оси и в его диаметральной плоскости так, что продольная ось боевой части размещена под продольной осью корпуса;
боевая часть со стороны ее передней кромки снабжена противоскользящей насадкой, которая размещена за внешними обводами носовой оконечности корпуса аппарата;
- видеокамера и светильник размещены в носовой оконечности корпуса в одной горизонтальной плоскости над боевой частью со смещением за ее переднюю кромку;
- видеокамера и светильник установлены под углом от 10° до 14° к продольной оси боевой части;
- противоскользящая насадка боевой части снабжена острыми шипами;
- в носовой оконечности корпуса в его диаметральной плоскости между видеокамерой и светильником установлен лазерный источник (прицел);
- движительно-рулевой комплекс дополнительно снабжен носовым вертикальным подруливающим устройством тоннельного типа;
- гидролокатор секторного обзора оснащен двумя антеннами, а именно, низкочастотной и высокочастотной;
- на аппарате размещена система ГЛОНАСС с антенной, установленной над корпусом на пилоне.
Отличительные признаки предлагаемого технического решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата:
- признаки «…боевая часть размещена непосредственно в носовой оконечности корпуса соосно его оси и в его диаметральной плоскости так, что продольная ось боевой части размещена под продольной осью корпуса, причем боевая часть со стороны ее передней кромки снабжена противоскользящей насадкой, которая размещена за внешними обводами носовой оконечности корпуса аппарата…» обеспечивают непосредственный (прямой) механический контакт боевой части подводного аппарата с уничтожаемым объектом посредством ее противоскользящей насадки;
- признаки «… видеокамера и светильник размещены в носовой оконечности корпуса в одной горизонтальной плоскости над боевой частью со смещением за ее переднюю кромку, причем видеокамера и светильник установлены под углом от 10° до 14° к продольной оси боевой части…» облегчают оператору задачу наведения подводного аппарата на уничтожаемый объект, так как в телевизионный кадр монитора оператора, управляющего аппаратом, одновременно попадают и цель и передняя часть боевой части, а именно, противоскользящая насадка;
- признак «…противоскользящая насадка боевой части снабжена острыми шипами…» увеличивает трение противоскользящей насадки боевой части подводного аппарата о корпус уничтожаемого объекта при их взаимном контакте;
- признак «…в носовой оконечности корпуса в его диаметральной плоскости между видеокамерой и светильником установлен лазерный источник (прицел)…» облегчает оператору наводку аппарата на цель;
- признак «…движительно-рулевой комплекс дополнительно снабжен носовым вертикальным подруливающим устройством тоннельного типа…» улучшает маневренность и управляемость аппарата за счет того, что движительно-рулевой комплекс аппарата состоит из двух горизонтальных движителей и двух подруливающих устройств тоннельного типа: носового и кормового, что в совокупности с системой управления движением позволяет аппарату создавать большие углы дифферента, т.е. подходить по нормали к цели под любым углом от 0 до 80°;
- признак «…гидролокатор секторного обзора оснащен двумя антеннами, а именно, низкочастотной и высокочастотной…» позволяет обнаружить малоразмерный (часто заиленный) донный опасный объект (цель) на дальних дистанциях порядка 90-120 метров;
- признак «…на подводном аппарате размещена система ГЛОНАСС с антенной, установленной над корпусом на пилоне…» обеспечивает получение точных навигационных данных подводным аппаратом, способствующих поиску опасного объекта (цели) в воде с меньшими затратами времени.
Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявленного ТНПА позволила получить технический результат, который выражается в следующем:
- повышение эффективности поиска и уничтожения потенциально опасных стационарных объектов за счет:
- облегчения задачи оператору наведения ТНПА на цель;
- обеспечения непосредственного механического контакта с потенциально опасным объектом (целью), что приводит к уменьшению массы заряда взрывчатого вещества и уменьшению массы всего ТНПА;
- улучшения маневренности и управляемости ТНПА, что в совокупности с системой управления движением позволяет подходить ТНПА по нормали к цели под любым углом от 0 до 80°;
- получения навигационных данных ТНПА, способствующих ускоренному поиску цели в воде.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показан подводный аппарат для уничтожения потенциально опасного стационарного объекта: а - вид сверху, б - продольный разрез, в - вид спереди, вид I - противоскользящая насадка боевой части; на фиг. 2 показан подход подводного аппарата по нормали к цели под углом от 0° до 80°: а - подход к цели с выпуклой контактной поверхностью, б - подход к цели с плоской контактной поверхностью; на фиг. 3 показан баланс сил ДРК, действующих на аппарат до коррекции: а - в положении аппарата без дифферента, б - в положении аппарата с дифферентом; на фиг. 4 показан баланс сил ДРК, действующих на аппарат после коррекции; на фиг. 5 показана модель использования подводного аппарата.
Подводный аппарат для уничтожения потенциально опасного стационарного объекта содержит корпус 1, в носовой оконечности которого размещены видеокамера 2 и светильник 3, боевую часть 4, источник 5 электрической энергии, движительно-рулевой комплекс, состоящий из двух горизонтальных движителей 6 и кормового вертикального подруливающего устройства 7 тоннельного типа, гидролокатор секторного обзора, гидроакустическую навигационную систему, систему управления движителями, катушку 8 с оптоволоконным кабелем 9. Боевая часть 4 размещена непосредственно в носовой оконечности корпуса 1 соосно его оси и в его диаметральной плоскости так, что продольная ось боевой части 4 размещена под продольной осью корпуса 1, причем боевая часть 4 со стороны ее передней кромки снабжена противоскользящей насадкой 10, которая размещена за внешними обводами носовой оконечности корпуса 1 аппарата. Видеокамера 2 и светильник 3 размещены в носовой оконечности корпуса 1 в одной горизонтальной плоскости над боевой частью 4 со смещением за ее переднюю кромку, причем видеокамера 2 и светильник 3 установлены под углом от 10° до 14° к продольной оси боевой части 4. Противоскользящая насадка 10 боевой части 4 снабжена острыми шипами 11. В носовой оконечности корпуса 1 в его диаметральной плоскости между видеокамерой 2 и светильником 3 установлен лазерный источник 12 (прицел). Движительно-рулевой комплекс дополнительно снабжен носовым вертикальным подруливающим устройством 13 тоннельного типа. Гидролокатор секторного обзора оснащен двумя антеннами, а именно, низкочастотной 14 и высокочастотной 15. На аппарате размещена система ГЛОНАСС с антенной 16, размещенной над корпусом 1 на пилоне.
Дополнительно на чертежах обозначены:
17 - носовой обтекатель
18 - блок плавучести
19 - блок плавучести
20 - компенсатор давления
21 - эхолот
22 - датчик глубины
23 - прочный контейнер
24 - блок электроники
25 - кормовой обтекатель
Таким образом, в подводном аппарате боевая часть (далее БЧ) 4 выдвинута из корпуса 1 максимально вперед для прямого механического контакта с потенциально опасным объектом (целью), а видеокамера 2 со светильником 3 расположена позади передней кромки БЧ 4 и имеет наклон от 10° до 14° по отношению к оси БЧ 4, так, что в телевизионный кадр монитора оператора, управляющего аппаратом, одновременно попадает и цель и передняя часть БЧ. В носовой части корпуса 1 находится лазерный источник света 12 (т.е. прицел), облегчающий оператору наводку аппарата на цель.
Передняя часть БЧ 4 снабжена противоскользящей насадкой 10 (фиг. 1) с несколькими рядами острых шипов И, увеличивающих трение БЧ о корпус цели при их взаимном контакте.
Движительно-рулевой комплекс (ДРК) ТНПА состоит из двух горизонтальных движителей 6 и двух подруливающих устройств тоннельного типа: носового 13 и кормового 7, что в совокупности с системой управления движением позволяет ТНПА создавать большие углы дифферента, т.е. подходить по нормали к цели под любым углом от 0 до 80° (см. фиг. 2). Рассмотрим определение управляющих воздействий ДРК, обеспечивающих зависание ТНПА с заданным углом дифферента при наличии остаточной плавучести (фиг. 3 и фиг. 4).
Отклонение ТНПА от нулевого угла дифферента ψ приводит к горизонтальному сносу аппарата под действием появившейся проекции вертикальной тяги ДРК, обеспечивающей стабилизацию глубины при ненулевой остаточной плавучести Q
ΣX
ХПД
ПД
F=Е=F⋅sinψ=-Q⋅sinψ
Кроме этого, произойдет уменьшение тяги вертикальных подруливающих устройств и нарушение баланса вертикальных сил с последующим увеличением ошибки стабилизации глубины (см. фиг. 3)
ΣY
ПД
F=Q-F⋅cosψ=Q⋅(1-cosψ)
ХПД
Для реализации зависания аппарата с дифферентом требуется создание тяги горизонтальных движителей, компенсирующей проекцию F, и коррекция вертикальной тяги. Определение корректирующих воздействий ДРК по известному углу дифферента ψ и остаточной плавучести Q имеет следующее расчетное обоснование (см. фиг. 4):
Проверка
С целью обнаружения аппаратом малоразмерного (часто заиленного) донного объекта (цели) под водой на дальних дистанциях порядка 90-120 м, в его состав входит ГСО с двумя антеннами: верхняя низкочастотная антенна 14 и нижняя высокочастотная 15.
Для улучшения практической ценности навигационной системы ТНПА, способствующей поиску цели в воде он оснащен системой ГЛОНАСС антенна 16 которой, которая выдвинута вверх на пилоне, что дает возможность аппарату двигаться к цели по поверхности воды с высокой точностью, чтобы при погружении оказаться точно у цели.
Модель использования ТНПА показана на фиг. 5 и предусматривает следующие действия:
a. Выход носителя ТНПА в точку предполагаемого потенциально опасного объекта (НПО) на безопасное расстояние порядка 1000 м (фиг. 5а).
b. Спуск аппарата на воду и автоматическое движение по поверхности в точку с координатами цели. Движение аппарата координируется по данным бортового приемника ГЛОНАСС. Информационная связь обеспечивается через волоконно-оптический кабель 9, сбрасываемый с безынерционной катушки 8 аппарата (фиг. 5б).
c. Погружение ТНПА в точке с координатами цели при помощи вертикальных подруливающих устройств 7 и 13, до отстояния от грунта 5 м.
d. Обследование донной поверхности низкочастотным ГСО 14 в режиме кругового сканирования. При отсутствии гидроакустического контакта с целью необходимо уменьшить высоту над грунтом и повторить круговое сканирование донной поверхности.
e. При обнаружении цели низкочастотным ГСО 14 (фиг. 5в) необходимо перейти в режим наведения по целеуказанию от высокочастотного ГСО 15, задав угол курса, соответствующий направлению на цель.
f. После появления визуального контакта с целью при помощи видеокамеры 2 со светильником 3, ТНПА по командам оператора переходит в режим идентификации цели, маневрируя аппаратом по глубине, курсу и ходу. Одновременно ведется видеозапись от телекамер аппарата на регистратор пульта управления.
g. В случае подтверждения обнаружения НПО аппарат переходит к его уничтожению. Для увеличения эффективности действия БЧ аппарат подводится к цели на расстояние порядка 1 м, включает лазерный целеуказатель 12 и ориентируется по нормали к поверхности цели изменением своего углового положения по дифференту. Процесс наведения ТНПА контролируется видеокамерами аппарата и лазерным целеуказателем 12.
h. После достижения требуемой координации аппарата относительно цели (фиг. 5г) оператор подает команду на подрыв БЧ.
В итоге ТНПА обеспечивает уничтожение цели путем подрыва БЧ при непосредственном механическом контакте носовой части аппарата с целью.