ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ С Y-КОМПОНОВКОЙ ДВИЖИТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области подводных аппаратов, предназначенных для проведения широкого спектра осмотровых, технических, научно-исследовательских и прочих работ, осуществляемых в толще воды.
Подводные аппараты достаточно распространены на сегодняшний день и представлены большим количеством технических решений. В настоящее время большое распространение нашла компоновка подводного аппарата осмотрового класса в виде корпуса в форме прямоугольного параллелепипеда, с расположенными на нем движителями, бортовой электроникой и полезной нагрузкой.
Известны телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА), имеющие корпус с рамой прямоугольной формы (Необитаемые подводные аппараты. Под общей ред. Сытина А.В. - М.: Воениздат, 1975, с. 21). Такая конструкция ТНПА имеет ряд недостатков, ограничивающих его технологические возможности, а именно низкие ходовые и маневренные качества, низкая устойчивость на курсе, невозможность полноценного движения лагом.
Известен подводный аппарат (патент RU 2703558 С1 №2016102438, 26.01.2016 г. с корпусом в форме прямоугольного параллелепипеда. Движители аппарата установлены на вертикальных поворотных колоннах, размещенных во внутренних углах корпуса подводного аппарата и снабженных поворотными горизонтальными приводами, к которым присоединены движители. Корпус подводного аппарата имеет внутри ниши, соответствующие контурам движителей при их парковке. 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. Недостатками данного аппарата является сложность его управления при выполнении сложных маневров, что приводит к его недостаточной маневренности.
Также известен телеуправляемый подводный аппарат «Нерей-350» по патенту №108747 от 07.02.2011 г., корпус которого состоит из металлической рамы, на которую установлено несколько прочных корпусов с электроникой и датчиками навигации и ориентации. Недостатком данного аппарата является полувекторная схема расположения движителей, состоящая в оснащении аппарата двумя горизонтальными движителями и двумя вертикальными движителями под наклоном относительно вертикальной оси симметрии. При такой схеме движение аппарата лагом происходит с низкой скоростью, что значительно снижает управляемость ТНПА даже при небольших течениях и, как следствие, снижает эффективность выполнения осмотровых, поисковых и других подводно-технических работ.
Еще одним недостатком данного подводного аппарата является отсутствие возможности одновременного управления в горизонтальной и вертикальной плоскости, а лишь наличие переключения между режимами в силу разделения управления на 2 независимых режима: управление в горизонтальной плоскости по маршу, по лагу, разворот и управление по вертикали. Это делает крайне неудобным управление маневрированием ТПА и сильно усложняет проведение подводных работ и осуществления поиска под водой.
Известен необитаемый подводный аппарат патент RU 97103353/28, кл. B63G 8/00, 1997, содержащий 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 движителей, расположенных в поперечной плоскости аппарата. В поперечной плоскости корпуса аппарата в качестве подруливающих движителей носовой группы установлены вертикальный и лаговый реверсивные движители со сквозными в корпусе аппарата водоводами. К недостаткам данной установки можно отнести наличие только управляющих сил и отсутствие управляющих моментов от движителей в каналах, а также малую энергетическую эффективность вследствие большого числа движителей малого диаметра.
В работе (Yue, С., Guo, S. and Shi, L. (2013) 'Hydrodynamic Analysis of the Spherical Underwater Robot SUR-II', International Journal of Advanced Robotic Systems, 10(5), p. 247. doi: 10.5772/56524) предложен подводный аппарат сферического типа с тремя водометными движителями, расположенными по векторной схеме. Каждое векторное водометное подруливающее устройство имеет две степени свободы вращения. С помощью векторных водометных движителей контролируется направление движения аппарата. Недостатком решения является то, что деформация будет влиять на направление потока из сопла, что в свою очередь не позволяет точно контролировать направление движущей силы. Кроме того, для поворота каждого движителя требуется два сервопривода. В результате это приводит к сложной кинематике аппарата, а, следовательно, к сложной системе управления.
Также известен малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (патент RU №2387570), выбранный в качестве прототипа, содержащий конструкцию в виде рамы с установленными движителями горизонтального и вертикального хода. Для перемещения этот аппарат использует движители, которые во избежание повреждений при спуске и подъеме аппарата размещают внутри защитного каркаса. Для обеспечения пространственных маневров: вперед-назад, вправо-влево, вверх-вниз, количество движителей составляет 8 штук. К недостаткам данной установки можно отнести избыточное количество движителей для обеспечения указанных перемещений.
Недостатки, присущие выбранным известным аналогам и прототипу, устранены в заявляемой полезной модели «Подводный аппарат с Y-компоновкой движителей». Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, является достижение управляемости по шести степеням свободы и, как следствие, повышение маневренности ПА при количестве движителей равном шести, а также повышение массы груза, с которым аппарат способен взаимодействовать без потери остойчивости.
Технический результат достигается тем, что используется так называемая Y-компоновка движителей подводного аппарата, согласно которой на корпусе ПА располагаются три движителя с тягой в горизонтальной плоскости и три движителя с тягой в вертикальной плоскости. Движители с горизонтальной тягой расположены в одной плоскости на удалении от центра вращения ПА по кругу с шагом 120 градусов относительно вертикальной оси. При этом вектора горизонтальной тяги движителей расположены по касательной к указанному кругу. Таким образом эта группа движителей обеспечивает управляемое линейное движение в горизонтальной плоскости по двум степеням свободы и вращательное движение относительно вертикальной оси ПА.
Движители с тягой в вертикальной плоскости располагаются аналогично группе движителей с горизонтальной тягой на удалении от центра вращения ПА по кругу с шагом 120 градусов относительно вертикальной оси. Таким образом эта группа движителей обеспечивает управляемое линейное движение ПА в вертикальной плоскости и вращательное движение относительно продольной и поперечной осей ПА.
Комплексно все движители позволяют достичь полной управляемости ПА по 6 степеням свободы при использовании 6 движителей, что обычно достигается при 8 движителях в классических компоновках.
Вариант реализации предложенной компоновки подводного аппарата в различных проекциях приведен на Фиг. 1, где 1 - группа движителей с горизонтальной тягой, 2 - группа движителей с вертикальной тягой.
Указанное решение позволяет реализовать маневренный способ перемещения ПА в воде, в том числе для выполнения осмотровых работ и подъема объектов с грунта, для чего применяется режим комбинированного использования горизонтальных и вертикальных движителей, расположенных по принципу Y - компоновки.