Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат с изменяемым вектором упора винта

Полезная модель относится к области подводной морской техники, в частности к конструкциям  автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА), и может быть применима в разного рода операциях и исследованиях,   под водой, на аппаратах с увеличенной маневренностью и энергоэффективностью за счет изменения направления вектора упора винта.
Известен аналог автономный необитаемый подводный аппарат типа «Конвертоплан» с динамически изменяемой плавучестью (патент RU 110064 U1 от 27.10.2010, МПК B63C 11/48, B63G 8/08, B63G 8/14). Автономный необитаемый подводный аппарат с динамически изменяемой плавучестью, 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 данного технического решения следует признать отрицательную плавучесть, что приводит к повышенному энергопотреблению и потере аппарата при внештатных ситуациях, что в целом снижает эффективность его.
Также известен подводный аппарат (патент RU 2 703 558 C1 от 26.012016 B63G 8/00, B63G 8/00). Подводный аппарат, 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 технического решения следует признать большие лобовые сопротивления вследствие больших габаритов аппарата, что приводит к повышенному энергопотреблению и низкой эффективности.
Наиболее близким по технической сущности взятым в качестве прототипа является малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (патент RU 2387570 C1 от 29.12.2008 B63G 8/00, B63G 8/38, B63C 11/00). Малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат, 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, при этом, 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.
Недостатком данной конструкции является использование отдельных движителей для перемещения в вертикальной плоскости и отдельных для перемещения в горизонтальной плоскости, что приводит к сложной с большими габаритами конструкции  и повышенным энергопотреблением, а как следствие, большие габариты аппарата приводят к снижению маневренности и мобильности аппарата, а в целом к снижению эффективности аппарата.
Решаемая задача полезной модели направлена на создание простого малогабаритного автономного необитаемого подводного аппарата с изменяемым вектором упора винтов, положительной плавучестью, повышенной маневренности, сниженным энергопотреблением и простой мобильной конструкцией, ведущих на создание аппарата повышенной эффективности.
Техническим результатом полезной модели является повышение маневренности малогабаритного автономного необитаемого подводного аппарата с изменяемым вектором упора винтов.
Технический результат достигается тем, что в малогабаритном автономном необитаемом подводном аппарате с изменяемым вектором упора винта, содержащем раму, движители, герметичный корпус, обеспечивающий нейтральную остойчивость и положительную плавучесть, являющийся как блоком плавучести, так и герметичным боксом для электронного оборудования, видеокамеру, осветительный прибор, согласно которому, 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,  установлен в диаметральной плоскости,  причем  рама выполнена «Т»-образной формы, при этом пара передних движителей установлены на концах «Т»-образной рамы с возможностью вращения  их 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 возможность вращения в плоскости перпендикулярной диаметральной плоскости аппарата.
Новизна:
Предлагаемая полезная модель позволит получить эффективный малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат, а именно введения меньшего количества движителей, вращающихся синхронно по отношению друг к другу, что повышает маневренные качества и мобильность.
Для пояснения технической сущности рассмотри чертежи, на которых изображено:
на фиг. 1 – вид с боку;
на фиг. 2 – вид спереди;
на фиг. 3 – вид сверху;
на фиг. 4 – вид с боку при движении вперед - назад;
на фиг. 5 – вид сзади при повороте;
на фиг. 6 – схема сил на переднем движителе при виде сбоку;
на фиг. 7 – схема сил на заднем движителе при виде сзади,
где 1 – сервоприводы передней части рамы; 2 – валы перпендикулярные диаметральной  плоскости, в поперечной плоскости; 3 – пара передних движителей; 4 – герметичный корпус, являющийся и боксом для электронного оборудования; 5 – задний движитель; 6 –сервопривод задней части; 7 – вал в диаметральной плоскости; 8 – Т-образная рама; 9–поперечная балка рамы; 10– продольная балка рамы,  11 – видеокамера, 12 – осветительный прибор.
Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат с изменяемым вектором упора винта, содержащий раму 8, движители 3 и 5, герметичный корпус 4, видеокамеру 11, осветительный прибор 12. Сервоприводы 1, 6 передней и задней частей рамы установлены на поперечной 9 и продольной балке 10 рамы 8, при этом пара валов 2, которые расположены в сервоприводах 1 на поперечной балки 9, установлены перпендикулярно диаметральной плоскости, а вал 7, который расположен в сервоприводе 6 на продольной балке 10 установлен в диаметральной плоскости.
Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат с изменяемым вектором упора винта работает следующим образом:
Выполнение рамы аппарата «Т»-образной формы 8, при этом  движители 3 и 5  установлены на концах «Т»-образной рамы с возможностью вращения  движителей вокруг оси вала на угол ±360° и герметичным корпусом 4, обеспечивающим нейтральную остойчивость, достигается путем приложения центра масс и центра величины аппарата в одну точку, это позволяет аппарату сохранять любое принятое пространственное положение и повышает маневренность и  мобильность. А также герметичный корпус 4, обеспечивает положительную плавучесть за счет того, что аппарат становится легче воды, это позволяет уменьшить затраты на всплытие аппарата, а также сохранить аппарат в случае аварийной ситуации.
Введенные передние сервоприводы 1 установлены на поперечной балке 9 рамы 8, вращение от которых передаются на пару передних движителей 3 с помощью перпендикулярных валов 2 с возможностью синхронного вращения на угол ±360° в плоскости параллельной диаметральной плоскости, что позволяет увеличить энергоэффективность и маневренность аппарата. Сервопривод 6  задней части установлен на конце продольной балки 10 рамы 8, вращение от которого передается на задний движитель 5 через вал в продольной плоскости 7 с возможностью вращения на угол ±360° в плоскости перпендикулярной диаметральной плоскости, это позволяет повысить мобильность со сниженным энергопотреблением.  Вращение движителей 3 и 5 вокруг осей валов 2 и 7 на угол ±360° позволяет аппарату совершать погружение и всплытие, двигаться вперед и назад, совершать поворот относительно вертикальной оси аппарата. Использование меньшего числа движителей по сравнению с прототипом позволяет повысить энергоэффективность, надежность, тем самым повысить эффективность аппарата в целом. Выполнение рамы 8 «Т»-образной формы, с парой передних движителей на  поперечной балке рамы и задним движителем на продольной балке, с возможностью вращения, что  позволит получить простую мобильную конструкцию, повышенной маневренности и  уменьшить габариты и массу аппарата, и как следствие, уменьшить энергопотребление.
α
α
3
5
При спуске и подъеме аппарата передние движители 3 и задний движитель 5 через валы 2 и 7 с помощью сервоприводов 1 и 6 находятся в исходном положении, как показано на фиг. 1. Для движения «вперед-назад» с поддержанием заданной глубины передние движители 3 синхронно через валы 2 с помощью сервоприводов 1 поворачиваются на угол  в плоскости, параллельной диаметральной плоскости аппарата, как показано на фиг. 6 для компенсации положительной плавучести, угол поворота движителя 3 зависит от массы аппарата, скорости движения и характеристик винта. При этом задний движитель 5  регулирует угол дифферента при помощи сервопривода 6 через вал 7, как показано на фиг. 4. Изменение направления движения с поддержанием заданной глубины задний движитель 5 поворачивается с помощью заднего сервопривода 6 на угол  в плоскости, перпендикулярной диаметральной плоскости аппарата, как показано на фиг. 7 для компенсации положительной плавучести, угол поворота движителя зависит от массы аппарата, скорости поворота и характеристик винта. При этом передние движители 3 регулируют угол дифферента как показано на фиг. 5. Наклон аппарат вокруг горизонтальной оси осуществляется за счет увеличения числа оборотов передних движителей 3: для наклона аппарата влево, увеличивается число оборото левого движителя 3, а для наклона аппарата вправо соответственно увеличивается число оборотов правого движителя 3. При этом задний движитель 5 поддерживает аппарат в заданном пространственном положении, за счет угла наклона и числа оборотов заднего движителя 5.
По своим технико-экономическим возможностям по сравнению с известными аналогами, заявляемое техническое решение позволяет повысить маневренные качества и мобильность.