Автономный необитаемый подводный аппарат с изменяемой геометрией корпуса

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА), и может быть использована для создания аппаратов, занимающихся патрулированием акваторий, мониторингом подводной флоры и фауны, оценкой качества воды, проведением подводной фото- и видеосъемки а также проведением других видов исследовательских и изыскательных работ, производящихся в акваториях различного типа.
Проблема модернизации автономных необитаемых подводных аппаратов актуальна в связи с развитием отраслей, связанных с освоением ресурсов Мирового океана и его исследованием. При возрастающем с каждым годом объемом его исследований, современные средства проведения мониторинга посредством АНПА в полной мере не обеспечивают их полноту, достоверность данных, обладают низкими энергетическими и функциональными свойствами. Таким образом, необходимо создание новых АНПА, обладающих:
1. Высокой автономностью работы (более 30 часов).
2. Высокой скоростью хода (более 0,5 м/с).
3. Высокой маневренностью (изменение углов тангажа, рыскания и крена в широком диапазоне в течение малого промежутка времени).
4. Расширенной сферой применения (инспектирование дна, труб, сложных инфраструктурных объектов, мониторинг окружающей среды, совершение операций на "малой воде").
5. Низким уровнем шума.
6. Корпусом с высоким гидродинамическим качеством, сохраняющимся в широком диапазоне условий работы.
Известен высокоманевренный автономный необитаемый подводный аппарат, предназначенный для освоения и исследования морских глубин (RU 2112694 С1 от 10.06.1998, B63G 8/00). АНПА содержит корпус аппарата и движительную установку, включающую группу из трех или четырех кормовых маршевых реверсивных движителей, расположенных под углом к продольной оси аппарата, и группу носовых подруливающих водометных движителей.
Недостатком данной конструкции являются движители, находящиеся вне корпуса аппарата, которые могут быть повреждены во время движения в шельфовых водах.
Известен АНПА планирующего типа (RU 164034 U1 от 20.08.2016, бюл. №23, B63G 8/00) с системой изменения плавучести, дифферента и крена, а также содержащий на борту информационно-измерительную систему, системы навигации, управления и передачи данных. Конструктивной особенностью данного АНПА является наличие на борту электромеханической системы изменения плавучести, значительно снижающей уровень акустического шума при движении под водой.
Недостатком данной конструкции является низкая скорость аппарата и большой радиус разворотов при изменении угла крена, а также невозможность изменения угла рысканья. Следствием этого является малая маневренность аппарата, оснащенного рассматриваемой системой.
Известен малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат модульной конструкции (RU 161175 U1, от 10.04.2016, бюл. №10, B63G 8/00, В63С 11/48). Малогабаритный АНПА модульной конструкции, имеет торпедообразную форму, носовой модуль, кормовой движительно-рулевой модуль и функциональные модули средней части корпуса, включая модуль энергообеспечения с блоком управления питанием, модуль гидроакустической связи и позиционирования, сменный модуль полезной нагрузки, средства для обеспечения балластировки и статической балансировки аппарата, а также систему управления, навигации и связи.
Недостатком данной конструкции является наличие маршевого движителя водометного типа и гидродинамических рулей, которые, во-первых, могут быть повреждены во время движения на малых глубинах или в районах с большим количеством подводных препятствий, во-вторых, в совокупности снижают коэффициент гидродинамического качества корпуса аппарата, что приводит к увеличению его лобового сопротивления.
Известно устройство оперативного освещения подводной обстановки в акваториях мирового океана (RU 2522168 С2, от 10.07.2014, бюл. 19, G01S 15/02). Устройство, представляющее собой синтез транспортировочного модуля, укомплектованного электрической энергосиловой установкой (ЭСУ) и бортовой электронной аппаратурой (БЭА), осуществляющей управление системами АНПА, включая ЭСУ и систему БЭА. В БЭА встроено устройство излучения зондирующих низкочастотных посылок и приема поступающей из моря информации, конструктивно оформленное на консолях носовых и кормовых рулевых устройств автономного, необитаемого, подводного аппарата (АНПА). Такая конструкция заявляемого устройства должна осуществлять обнаружение и выделение в эхо-сигнале (на фоне естественных (реверберации и шумы моря) и искусственных помех на дистанциях до 5000 м) характерных признаков подводных объектов за счет взаимодействия падающей первичной волны и вторичных волн, образующихся внутри и вокруг этих объектов, и наличия результатов этого взаимодействия в спектре и фазе эхо-сигнала.
Недостатком данной конструкции является также наличие внешних винтовых движителей и рулевых поверхностей, которые могут быть повреждены при эксплуатации на малых глубинах, а также повышают общее сопротивления трения и формы, что в конечном счете снижает энергетическую эффективность аппарата и его автономность.
В основу полезной модели заложена цель повышения технико-экономических и эксплуатационных характеристик АНПА, обеспечивающая энергетическую эффективность его работы с помощью изменения геометрии тела в процессе выполнения аппарата его миссии и ее адаптации к внешним условиям работы, что приводит к повышению маневренности аппарата.
Поставленная цель достигается тем, что автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) с изменяемой геометрией корпуса, содержащий герметичный корпус, состоящий из двух сухих и одного затопляемого отсеков, систему изменения дифферента и крена, установленную с возможностью обеспечения продольного и поворотного перемещения центра масс вдоль корпуса аппарата, систему изменения плавучести, расположенную в кормовой части аппарата с возможностью закачивания забортной воды, при этом корпус аппарата является упругим, и в аппарат установлен механизм изменения геометрии формы корпуса, состоящий из двух упругих пневматических элементов (пневмомускулов), установленных с возможностью приведения их в движение с помощью исполнительных элементов внешней пневматической системы.
Работа устройства поясняется следующими чертежами:
- на фиг.1 представлена конструкция АНПА с изменяемой геометрией формы и комплектующими для бортовых систем;
- на фиг. 2 представлена пневматическая система привода изменения геометрической формы тела аппарата.
Корпус АНПА с изменяемой геометрией формы состоит из носовой сухой части 1 полусферической формы, центральной сухой упругой части 2 и кормовой затапливаемой части 3. В носовой части корпуса 1 расположен ложемент 4, в котором располагается блок электроники для осуществления задач навигации и управления. В центральной упругой части корпуса 2 расположены механизм изменения геометрии формы 5 и механизм изменения дифферента и крена аппарата 6. В кормовой затапливаемой части 3 расположен ложемент механизма изменения плавучести 7, на который крепится линейный актуатор 8, соединенный подвижным штоком с балластной емкостью 9.
За счет смещения центра масс робота, изначально не совпадающего с центром плавучести, механизмом изменения дифферента и крена 6 задаются требуемые углы крена и дифферента, что определяет ориентацию робота в пространстве. Изменение положения центра масс, как в продольном, так и в поперечном направлениях производится с помощью двух электрических приводов механизма изменения дифферента и крена 6. Электрический привод обеспечивает смещение положения подвижной массы на определенное расстояние и тем самым положения центра тяжести, что приводит к изменению угла дифферента аппарата. Электропривод обеспечивает поворот подвижной массы в обе стороны относительно продольной оси аппарата, что обеспечивает изменение угла крена аппарата и совершение им боковых маневров. Управление электроприводом может совершаться с помощью программируемого логического контроллера.
Принцип работы системы изменения плавучести заключается в том, что окружающая аппарат жидкость попадает в затапливаемую кормовую часть 3 и закачивается в балластную полость 9 посредством движения поршня. Поршень, в свою очередь, жестко связан с электрическим приводом, обеспечивающим линейное перемещение штока цилиндра посредством подвижного штока линейного актуатора 8.
Механизм изменения геометрии формы 5 состоит из трубчатых пневматических полых эластичных элементов (пневмомускулов), концы которых закреплены с ребрами жесткости центральной сухой упругой части корпуса 2. При подаче давления в упругие пневматические элементы, производится их сокращение (наподобие человеческих мускулов), что влечет за собой геометрическое изменение их параметров (линейное уменьшение длины). В свою очередь, это приводит к стягиванию ребер жесткости центральной части корпуса, тем самым производя его деформацию в двух плоскостях. При стравливании давления пневматические упругие элементы и геометрия корпуса возвращаются в исходное состояние.
Рабочее давление и управление пневматического механизма изменения геометрии формы 5 производится от внешней пневматической системы, принципиальная схема которой представлена на фигуре 2. На этой фигуре от компрессора 10 по линии с сжатый воздух проходит в блок подготовки, включающий в себя фильтр с отводом конденсата 11, регулятор давления 12 и манометр 13. Регулятор давления 12 настраивается в диапазоне от 0 до 6 бар. Значение давления подаваемого воздуха фиксируется с помощью манометра 73. На выходе из блока подготовки по линии d воздух подается в нормально закрытый 3/2 пневматический распределитель 14. Затем распределитель 14 переключался из положения а в положение b, сжатый воздух проходит по линиям ƒ и g, после чего попадает в рабочие полости пневмомускулов 15 и 16. Далее снимаются значения горизонтальной и вертикальной составляющих деформации корпуса АНПА. После чего, посредством пружинного возврата, распределитель 14 переключается из положения b в положение а, и осуществляется сброс воздуха из рабочей полости пневмомускулов 15 и 16 по линии е.