Обзор источников электрической энергии безэкипажных надводных аппаратов

СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-86-92 УДК 621.3

А. М. Филипов

ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БЕЗЭКИПАЖНЫХ НАДВОДНЫХ АППАРАТОВ

Основное назначение малых безэкипажных надводных аппаратов (БНА) - исследование морей и океанов, а также применение их в военных целях. Предметом исследования являются источники электрической энергии, обеспечивающие питание всех потребителей БНА. Предложен обзор существующих БНА российского и зарубежного производства, время автономной работы которых может составлять до 3-х месяцев. Проведен анализ основных характеристик БНА, особое внимание уделено источникам электрической энергии и потребляемой мощности аппаратов. Ориентировочная суммарная мощность источников электрической энергии БНА составляет 300-1000 Вт. Отмечается, что источниками электрической энергии на рассматриваемых БНА являются не только аккумуляторные батареи и генераторы. Активно применяются солнечные батареи и ветрогенераторы. Для экономии электрической энергии на борту используется парусное вооружение, а также технология волнового глайдера, которая использует энергию морской волны для придания движения надводному аппарату. Отличительной особенностью конструкции некоторых безэкипажных аппаратов является размещение солнечных батарей как на палубе, так и на парусе. Существенным преимуществом данной конструкции является снижение потребления электрической энергии при достаточной силе ветра и усиление мощности электрической системы аппарата. Рассматриваются не только однокорпусные БНА, но и имеющие (в целях увеличения полезной площади для размещения дополнительных солнечных батарей) катамаранную конструкцию. На основе анализа конструктивных особенностей БНА сделан вывод о факторах, влияющих на проектирование их электроэнергетической системы, и перспективах разработки новых аппаратов.

Ключевые слова: безэкипажный надводный аппарат, автономность, источники электрической энергии, солнечные батареи, глайдер, крыло-парус.

Введение

Идея создать управляемый на расстоянии боевой корабль родилась у инженеров-кораблестроителей еще в начале XX в. А в последние годы морская робототехника стала развиваться настолько стремительно, что уже через 15-20 лет мы вполне можем стать свидетелями настоящих войн роботов. Однако безэкипажные надводные аппараты (БНА) можно использовать не только в военных, но и в мирных целях. Экологический мониторинг рек и озер, исследование морей и океанов, работа в сложных и опасных условиях без риска для здоровья человека - возможности для применения БНА [1, 2].

В конце 1924 г. в киевском цирке был продемонстрирован «чудо-пароход», созданный командиром 6-го отдельного радиотелеграфного батальона Леонидом Викторовичем Барато-вым. Радиоуправляемый пароход не только двигался вперед и назад посредством радиокоманд, но и вращал артиллерийскими башнями [3].

В 1944 г. канадской фирмой была разработана торпеда «СОМОХ», предназначенная для задымления местности при высадке войск в Нормандии. Несмотря на успешно проведенные испытания, торпеду не применяли в боевой обстановке [4].

В XXI в. спроектированы и построены БНА с широкой номенклатурой выполняемых задач. Такой прогресс был обусловлен быстрым развитием электронной техники. Безэкипажные

надводные аппараты, так же как и надводные корабли, имеют различные водоизмещения. Компания «Carderock Laboratory» (США) применяет следующее деление БНА [4]:

- малые (водоизмещением менее 1 т);

- средние (водоизмещением менее 100 т);

- большие (водоизмещением менее 1000 т);

- сверхбольшие (водоизмещением более 1000 т).

В статье проведен анализ малых БНА (длиной 2-7 м) производства различных стран мира. Водоизмещение таких аппаратов составляет от 60 до 200 кг. Основной целью анализа малых БНА является обзор источников электрической энергии и определение примерной потребляемой мощности аппаратов. Необходимо обратить внимание и на конструктивные решения по размещению источников электрической энергии, на архитектуру общего вида БНА. Итогом обзора является выработка рекомендаций по выбору типов источников электрической энергии, их размещению и определению конструкции корпуса аппарата.

Анализ зарубежных безэкипажных надводных аппаратов

Фирма «NOAA Pacific Marine Environment Laboratory» (США) представляет волновой глайдер для исследований океана (рис. 1).

Рис. 1. Волновой глайдер фирмы «NOAA Pacific Marine Environment Laboratory»

Используя энергию морской волны, глайдер обеспечивает большую автономность аппарату. Солнечные батареи постоянно производят подзаряд аккумуляторных батарей (АКБ) для питания системы контроля волнового глайдера. Также АКБ питают остальные системы аппарата. По заявлению представителей фирмы, волновой глайдер успешно обследовал западное побережье Северной Америки от Канады до Мексики и пересек Тихий океан от Гавайев до Сан-Диего. Длина аппарата около 2 м, ширина около 1 м [5].

Английская компания «AutoNaut Ltd» представляет линейку безэкипажных надводных аппаратов. Существует четыре размера «AutoNaut», от 2 до 7 м в длину (рис. 2).

Рис. 2. Безэкипажные надводные аппараты компании «AutoNaut Ltd» С увеличением длины аппарата увеличивается скорость движения и грузоподъемность. «AutoNaut» длиной 7 м развивает скорость до 5 узлов.

На борту установлена интеллектуальная система подзаряда свинцово-гелевых АКБ от солнечных батарей. Суммарная мощность солнечных элементов - 610 Вт. По заявлению фирмы-изготовителя, возможно применение дополнительного топливного элемента, генератора или гибридного двигателя, хотя для большинства выполняемых заданий вполне достаточно солнечных батарей, конструктивно расположенных на палубе [6].

Основные характеристики БНА длиной 7 м: ширина - 0,9 м; водоизмещение - 400 кг; масса полезной нагрузки - 200 кг.

В США компания «Ocean Aero» (США) представляет одноименный надводно-подводный необитаемый аппарат «The Ocean Aero». Безэкипажник предназначен для коммерческих целей, гидрографии и применения в интересах военно-морских сил (рис. 3). Основные характеристики БНА: длина - 2,4 м; высота (с крылом-парусом) - 2,1 м; полезная мощность - 300 Вт (пиковая); общий вес - 72,57 кг.

Рис. 3. Надводно-подводный необитаемый аппарат «The Ocean Aero»

Особенностью этого малого БНА является его крыло-парус, которое выполнено из композитного материала, применяемого в авиации. Такое крыло не только работает как парус, но и является местом для крепления солнечных батарей. Общая площадь для размещения солнечных батарей - 1 м2. Благодаря размещению на крыле-парусе солнечных батарей солнечный свет практически постоянно освещает их, что положительно сказывается на автономности работы БНА. В течение пяти часов инсоляции высококачественные GalnP солнечные элементы могут выдавать 440 Вт энергии для заряда аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы могут обеспечить 5 кВт/ч электрической мощности при плотности энергии аккумулятора 700 Вт • ч. Также возможно применение батареи повышенной емкости, с размещением в балласте [7].

Компания «SeaRobotics Corporation» (США) предлагает несколько видов БНА катамаран-ного типа (рис. 4).

Рис. 4. Безэкипажный катамаран компании «SeaRobotics Corporation»

Применение катамаранной архитектуры корпуса позволяет увеличить полезную площадь палубы. Длительное время работы на аккумуляторной батарее, альтернативные источники элек-

трической энергии и высокая маневренность делают данный БНА эффективной платформой для применения различной полезной нагрузки (как военного, так и коммерческого назначения) [8].

Компания «ASV Unmanned Marine Systems» (Великобритания, США) предлагает БНА «C-enduro» с большой автономностью (три месяца работы), предназначенный для безопасного и экономически эффективного сбора данных в открытом море (рис. 5).

Применение катамаранной схемы позволило увеличить полезную площадь палубы, на которой размещены 12 высокоэффективных солнечных батарей мощностью 1,2 кВт и мачта с трехлопастным ветрогенератором мощностью 720 Вт. На борту БНА дополнительно установлен дизельгенератор с пиковой мощностью 2,5 кВт [9]. Основные характеристики: длина - 4,2 м, ширина - 2,4 м, масса - 350 кг, максимальная скорость хода - 7 узлов.

Компания «ОСТШ» (Австралия) предлагает 3 различных БНА длиной 2,8; 3,5 и 4,9 м (рис. 6).

Источники электрической энергии - солнечные батареи, расположенные не только на палубе, но и на парусе. Дополнительно на борту аппарата установлен волновой генератор. Преимуществом БНА является его возможность ходить под парусом, что значительно повышает его автономность. Описываемый надводный аппарат может применяться как для сбора различной информации, так и в качестве коммуникационной платформы, которая может оставаться в море в течение нескольких недель или месяцев [10]. Основные характеристики БНА длиной 4,9 м: ширина - 3 м, масса - 500 кг, скорость хода на электродвижении - 4 узла, скорость хода под парусом - 6 узлов.

Анализ российских безэкипажных надводных аппаратов

Консорциум «Научно-производственная группа «МАКО» (Самарский государственный технический университет) разработал безэкипажный надводно-подводный аппарат «Пингвин» (рис. 7).

Рис. 5. Безэкипажный надводный аппарат «C-enduro»

Рис. 6. Безэкипажный надводный аппарат компании «OCIUS»

Рис. 7. Безэкипажный надводно-подводный аппарат «Пингвин»

Размеры аппарата позволяют ему быть невидимым для гидроакустических станций. Назначение - поиск взрывных устройств и водолазов. Аппарат перемещается на водной поверхности при помощи гребных винтов, а в подводном положении - вследствие изменения своей плавучести. Бортовым источником электрической энергии являются аккумуляторные батареи. Основные характеристики: длина - 1,7 м, ширина - 0,65 м, масса - 70 кг, скорость экономичного хода - 3 узла, скорость полного хода - 12 узлов, глубина погружения - 500 м.

Особенности безэкипажных надводных аппаратов

Анализ малых БНА в части источников электрической энергии позволяет выделить следующие особенности:

1. Размещение оборудования на палубе. Палуба малых БНА большей частью предназначена для размещения солнечных батарей. Мачты конструкционно представляют собой вертикально установленную трубу малого диаметра для размещения антенны связи, габаритных огней и оптических систем. На мачте возможно размещение ветрогенератора.

2. Применение паруса - как по прямому назначению, так и в качестве базы для монтажа солнечных батарей. При достаточной силе ветра применение паруса снижает потребление электрической энергии, что положительно влияет на автономность БНА. Размещение на парусе солнечных элементов питания позволяет увеличить мощность электрической системы аппарата.

3. Вариация различных источников электрической энергии. Синтез нескольких типов источников электрической энергии на борту БНА позволяет увеличить время работы аппарата и возможность выполнения миссий в различное время суток (днем или ночью) и в различных погодных условиях (штиль, сильный ветер).

4. Применение волнового глайдера. Данная технология позволяет экономить запасы электроэнергии на борту БНА.

Исходя из конструктивных особенностей, на проектирование электроэнергетической системы БНА будут влиять следующие факторы:

1. Схема построения корпуса. Это может быть однокорпусный аппарат, но для повышения полезной площади палубы возможно и применение катамаранной и тримаранной схемы.

2. Применение парусного вооружения, волнового глайдера. Данные устройства сократят затраты электроэнергии на гребные электродвигатели, что, в свою очередь, приведет к увеличению времени работы БНА.

3. Район применения БНА. Необходимо учитывать освещенность, волнение, направление и скорость ветра, температуру воды и воздуха.

Заключение

Проведенный анализ малых безэкипажных надводных аппаратов позволяет отметить в качестве особенностей активное использование солнечных элементов питания, применение паруса - как по прямому назначению, так и для размещения солнечных батарей. На некоторых БНА используются не только генераторы малой мощности, но и волновые генераторы. Применение волнового глайдера позволяет экономить электрическую энергию аппарата, что повышает время автономной работы. Перспективным является применение ветрогенератора на мачте БНА. Од-

нако более целесообразно устанавливать его на широких платформах катамаранной или трима-ранной конструкции.

Примерная электрическая мощность для малых БНА длиной 2-7 м составляет 300-1000 Вт. Средняя скорость движения - около 4-б узлов. Полученные данные возможно использовать для проектирования малых БНА.

Рассматриваемые источники электрической энергии обеспечивают питание всех потребителей БНА. Основными потребителями электрической энергии на борту являются силовой электропривод (электродвигатель привода гребного винта), система управления, радионавигационное оборудование, лаг, эхолот, сигнально-отличительные огни и оптико-электронная система наблюдения.

Рассмотренные источники электрической энергии возможно применить и для БНА большего водоизмещения. Основными источниками электрической энергии на более крупных БНА являются дизельгенераторы и генераторы от привода гребного вала. Можно предположить, что рассмотренные в статье источники электрической энергии, установленные на более крупных БНА, не смогут обеспечить электропитание всех потребителей, однако они могут быть использованы для заряда аккумуляторных батарей, дублирования питания ответственных потребителей или их питания в аварийных ситуациях.

В дальнейшем автором планируется работа по разработке методики расчета гребного электрического двигателя малого БНА с учетом длины корпуса катера и заданной скорости движения. Дополнительно будет рассмотрено применение и выбор источников электрической энергии, применяемых на БНА, описанных в настоящей статье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гайкович А. И. Теория проектирования водоизмещающих кораблей и судов. СПб.: НИЦ МО-РИНТЕХ, 2014. Т. 1. 819 с.

2. Илларионов Г. Ю., Сиденко К. С., Бочаров Л. Ю. Угроза из глубины: XXI век. Хабаровск: Хабаров. краев. типогр., 2011. 304 с.

3. Лобанов М. М. Мы - военные инженеры. М.: Воениздат, 1977. 223 с.

4. Volker B. Unmanned Surface Vehicles - A Survey, ENSIETA, 2 rue François Verny, F-29806 Brest, France. URL: http://intpowertechcorp.com/USVsurvey_DTU.pdf (дата обращения: 24.10.2016).

5. Carbon Wave Glider. PMEL carbon group. URL: http://www.pmel.noaa.gov/co2/story /Carbon+Wave+Glider (дата обращения: 19.09.2016).

6. Specifications. Auto Naut. URL: http://www.autonautusv.com/specifications (дата обращения: 20.09.2016).

7. Submaran™ S10: Wind and solar-powered freedom to go further and faster. URL: http://oceanaero.us/Ocean-Aero-Submaran (дата обращения: 16.09.2016).

8. Catamaran 4.0 Meter General Purpose USV. URL: http://www.searobotics.com/index.php/ prod-ucts/smart-usvs/catamaran-4-0-meter-general-purpose-usv (дата обращения: 22.10.2016).

9. C-Enduro. ASV Unmanned Marine Systems. URL: http://asvglobal.com/product/c-enduro (дата обращения: 29.09.2016).

10. Bluebottle USVs. OCIUS. URL: http://ocius.com.au/usvs (дата обращения: 03.10.2016).

Статья поступила в редакцию 23.01.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Филипов Алексей Михайлович - Россия, 420111, Казань; Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ; аспирант кафедры электрооборудования; a-filipov@mail.ru.

A. M. Filipov

REVIEW OF POWER SOURCES OF UNMANNED SURFACE VEHICLES

Abstract. The article deals with small unmanned surface vehicles (USV), which main objective is exploration of seas and oceans as well as use for military purposes. The subject matter of this study is to analyze power sources providing power supply for all USVs power consuming units. There has been offered a review of actual-to-date USVs both of Russian and foreign manufacturing, which autonomous operation can last up to 3 months. The author has analyzed general characteristics of USVs, and paid special attention to the power sources and to consuming energy by the vehicles. Approximate total power obtained from USV electric sources makes 300-1000 W. It should be noted that USV electric power sources are not only accumulators and generators, but solar batteries and wind power generators. To save power USVs use sailing rigging, or apply wave glider's technology where wave power is harvested to increase mobility of the vehicle. A distinctive feature of some USVs structure is placing solar batteries both on deck and on sales. A significant advantage of this structure is less power consumption at sufficient wind velocity and strengthening USV power system. There are considered not only single-hulled USVs, but also catamaran types (for gaining effective area to place additional solar batteries). Using data of USV structural features analysis, the author has inferred the factors influencing USV's electric power system design, as well as perspectives of development of new types of unmanned crafts.

Key words: unmanned surface vehicle, autonomy, power supply sources, solar batteries, glider, wing-sail.

REFERENCES

1. Gaikovich A. I. Teoriia proektirovaniia vodoizmeshchaiushchikh korablei i sudov [The theory of design of displacement ships and vessels]. Saint-Petersburg, NITs MORINTEKh, 2014. Vol.1. 819 p.

2. Illarionov G. Iu., Sidenko K. S., Bocharov L. Iu. Ugroza iz glubiny: XXI vek [Threat from the depth: XXI century]. Khabarovsk, Khabarovskaia kraevaia tipografiia, 2011. 304 p.

3. Lobanov M. M. My - voennye inzhenery [We are military engineers]. Moscow, Voenizdat, 1977. 223 p.

4. Volker B. Unmanned Surface Vehicles - A Survey, ENSIETA, 2 rue François Verny, F-29806 Brest, France. Available at: http://intpowertechcorp.com/USVsurvey_DTU.pdf (accessed: 24.10.2016).

5. Carbon Wave Glider. PMEL carbon group. Available at: http://www.pmel.noaa.gov /co2/story/Carbon+Wave+Glider (accessed: 19.09.2016).

6. Specifications. Auto Naut. Available at: http://www.autonautusv.com/specifications (accessed: 20.09.2016).

7. Submaran™ S10: Wind and solar-powered freedom to go further and faster. Available at: http://oceanaero.us/Ocean-Aero-Submaran (accessed: 16.09.2016).

8. Catamaran 4.0 Meter General Purpose USV. Available at: http://www.searobotics.com /index.php/products/smart-usvs/catamaran-4-0-meter-general-purpose-usv (accessed: 22.10.2016).

9. C-Enduro. ASV Unmanned Marine Systems. Available at: http://asvglobal.com/product/c-enduro (accessed: 29.09.2016).

10. Bluebottle USVs. OCIUS. Available at: http://ocius.com.au/usvs (accessed: 03.10.2016).

The article submitted to the editors 23.01.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Filipov Alexey Michailovich - Russia, 420111, Kazan; Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev-KAI; Postgraduate Student of the Department of Electric Equipment; a-filipov@mail.ru.