МАЛОГАБАРИТНЫЙ АВТОНОМНЫЙ НЕОБИТАЕМЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к судостроению, в частности к малогабаритным автономным необитаемым подводным аппаратам, предназначенным для проведения гидрологических исследований, поиска и обследования объектов под водой, патрулирования акваторий, а также для использования в качестве носителя широкого спектра исследовательского оборудования на больших глубинах.
Известен малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) (RU 56325 U1, МПК В63С 11/48, 2006) модульной конструкции, имеющий носовой модуль для размещения датчика эхолокационной системы, средний модуль для размещений блоков исследовательской радиоэлектронной аппаратуры и кормовой движительный модуль для размещения автономного источника электроэнергии в виде литий-ионных батарей, электродвигателя, горизонтальных и вертикальных рулей, а также гребного винта. Корпус АНПА выполнен из стеклопластика, что накладывает ограничения на его использование при проведении исследовательских, поисковых и подводно-технических работ на больших глубинах.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является АНПА «Gavia» (WO 03/059734 A1, МПК В63С 11/48, 2003) модульной конструкции, имеющий корпус торпедообразной формы. АНПА «Gavia» в базовой комплектации состоит из носового модуля, модуля доплеровского гидроакустического лага (ДГЛ), модуля управления, навигации и связи, модуля энергообеспечения и движительно-рулевого модуля, соединяемых между собой с помощью быстроразъемных байонетных соединений. В носовом модуле могут быть установлены различные датчики, гидролокационные системы, а также фото- и видео- камеры. ДГЛ размещен в отдельном модуле. Модуль управления, навигации и связи включает в себя бортовой компьютер, мачту с антеннами радиосвязи, спутниковой связи и спутниковой навигационной системы, блоки коммуникационного оборудования беспроводной (Wi-Fi) и проводной (Ethernet) локальных вычислительных сетей, приемник спутниковой навигационной системы, блок инерциальной навигационной системы на базе микро-электромеханических систем (МЭМС), опционально могут устанавливаться блок гидролокатора бокового обзора (ГБО), блок системы спутниковой связи, аварийный световой маяк, электронный магнитный компас, а также датчики информационно-измерительной системы (CTD-датчики) для измерения характеристик водной среды. Модуль энергообеспечения включает аккумуляторы литий-ионного типа, блок зарядных устройств и блок управления питанием. Движительно-рулевой модуль включает блок управления, маршевый движитель типа гребной винт в насадке с приводом от бесколлекторного двигателя постоянного тока и гидродинамические рули. АНПА может оснащаться дополнительными модулями, включающими модуль высокоточной бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) на базе лазерных гироскопов, модуль гидролокатора кругового обзора, модуль гидроакустической связи и модуль полезной нагрузки. Модули аппарата имеют единую линию электропитания и объединены в локальную сеть по Ethernet шине. Балластировка аппарата и устранение статического дифферента обеспечиваются межотсечными дисками, а также с помощью добавления грузов в расположенные снаружи пеналы.
Недостатками АНПА «Gavia» являются:
- невысокая скорость хода для плавания в условиях быстрых течений;
- гребной винт в насадке, в особенности на малых глубинах, создает значительный шум вследствие кавитации на кромках лопастей, что негативно влияет на работу гидроакустического оборудования;
- балластировочная система АНПА «Gavia» позволяет корректировать плавучесть исключительно в сторону уменьшения, что вынуждает использовать только специально адаптированные для данного аппарата модули, имеющие положительную плавучесть;
- используемый для информационной связи между отсеками интерфейс Ethernet не является интерфейсом реального времени и не обеспечивает гарантированную доставку переданных сообщений потребителям, что для некоторых типов модулей может быть критичным;
- задачу управления и навигации решают три отдельных модуля, модуль управления, навигации и связи, модуль высокоточной БИНС и модуль ДГЛ, что усложняет сборку и обслуживание аппарата.
- наличие в модуле управления, навигации и связи выступающей конструкции, представляющей собой антенную мачту, что ухудшает гидродинамические характеристики аппарата.
Задачей полезной модели является устранение недостатков, присущих выбранному аналогу и прототипу, повышение эффективности работы бортового оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что 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, включающую высокоточную БИНС, ДГЛ, центральный вычислитель, датчик глубины, приемник спутниковой навигационной системы и блок радиосвязи, при этом в носовом модуле размещен гидролокатор переднего обзора (ГПО) на базе линейной активной фазированной антенной решетки (АФАР), в состав кормового движительно-рулевого модуля входит форсированный бесколлекторный электродвигатель, размещенный в маслонаполненном корпусе, маршевый движитель водометного типа и гидродинамические рули, модуль энергообеспечения включает аккумуляторные батареи на основе литий-полимерных элементов, система управления, навигации и связи исполнена в одном модуле, при этом приемник спутниковой навигационной системы и блок радиосвязи размещены в выдвижной мачте, средства для обеспечения балластировки и статической балансировки выполнены в виде набора грузов, размещенных в балластировочном модуле.
Указанная совокупность признаков полезной модели позволит улучшить эксплуатационные характеристики аппарата, в том числе увеличить скорость, дальность и автономность хода АНПА, снизить его шумность, а также расширить номенклатуру применяемого исследовательского оборудования.
При необходимости на АНПА, в соответствии с решаемыми исследовательскими задачами, могут быть дополнительно установлены сменный модуль полезной нагрузки и балластировочный модуль.
На фиг. 1 изображен малогабаритный АНПА модульной конструкции.
На фиг. 2 изображен малогабаритный АНПА с дополнительно установленными сменным модулем полезной нагрузки и балластировочным модулем.
На фиг. 3 изображена схема балластировочного модуля с набором грузов.
На фиг. 4 изображена схема маршевого движителя водометного типа.
Малогабаритный АНПА модульной конструкции (фиг. 1) имеет корпус торпедообразной формы и состоит из носового модуля 1 с ГПО 2 на базе линейной АФАР, сменного модуля полезной нагрузки 3, модуля энергообеспечения 4, включающего аккумуляторные батареи 5 на основе литий-полимерных элементов и блока управления питанием 6, модуля управления, навигации и связи 7, включающего высокоточную БИНС 8, ДГЛ 9, центральный вычислитель 10, датчик глубины 11, выдвижную мачту 12 с размещенными в ней приемником спутниковой навигационной системы (позиция на чертеже не представлена) и блоком радиосвязи (позиция на чертеже не представлена), модуля гидроакустической системы связи и позиционирования 13, балластировочного модуля 14 (фиг. 3) с набором грузов 15, кормового движительно-рулевого модуля 16, состоящего из прочного корпуса с блоком управления движителя 17, форсированного бесколлекторного электродвигателя 18, размещенного в разгруженном по давлению маслонаполненном корпусе (позиция на чертеже не представлена), и маршевого движителя водометного типа 19 (фиг. 4), включающего водозабор (водозаборник) 20, пилоны 21, рабочее колесо 22 с лопастями 23, спрямляющий аппарат 24 с лопатками 25, гидродинамические рули 26, стабилизаторы 27 и сопла 28. Модули соединяются между собой с помощью быстроразъемных байонетных соединений. Последовательность расположения модулей, их количество и состав, за исключением носового модуля 1 и кормового движительно-рулевого модуля 16, определяются решаемыми задачами, и могут изменяться в процессе эксплуатации.
Размещение форсированного бесколлекторного электродвигателя 18 в маслонаполненном корпусе позволяет уменьшить толщину стенки кормового движительно-рулевого модуля 16 и соответственно уменьшить массу АНПА, а также позволяет улучшить теплоотвод от обмоток электродвигателя 18 и избежать использования избыточных уплотнителей на валу (позиция на чертеже не представлена).
За счет использования в составе АНПА форсированного бесколлекторного электродвигателя 18 постоянного тока с потребляемой суммарной мощностью до 5 кВт обеспечивается его движение с максимальной скоростью до 6 м/с.
Применение в АНПА маршевого движителя водометного типа 19 существенно уменьшает кавитацию за счет повышения давления в области рабочего колеса 22 по отношению к невозмущенному объему жидкости, что соответственно уменьшает износ лопастей 23 рабочего колеса 22, а также шумность по сравнению с винтом в насадке. Для уменьшения потерь на сопротивление водозабор (водозаборник) 20 выполнен с кольцевой щелью. Для устранения кренящего момента и повышения КПД маршевого движителя водометного типа 19 (за счет устранения потерь на закручивание потока) за рабочим колесом 22 установлен спрямляющий аппарат 24. Для предотвращения вибраций число лопаток 25 спрямляющего аппарата 24 и число пилонов 21 на один больше, чем число лопастей 23 рабочего колеса 22. С целью повышения устойчивости АНПА при движении на обтекателе маршевого движителя водометного типа 19 устанавливаются стабилизаторы 27.
Построение ГПО 2 на базе гидроакустической АФАР линейной структуры позволяет осуществлять сканирование пространства гидроакустическим лучом в диапазоне от -40 до +40 градусов в горизонтальной плоскости с разрешением 2,8 градуса. Практическая дальность обнаружения препятствий - до 500 м. При этом определяется наличие препятствий в указанном секторе, а также их размеры и расположение в пространстве относительно аппарата, что позволяет построить оптимальный маршрут их обхода или идентифицировать объект.
Применение в составе АНПА балластировочного модуля 14 (фиг. 3), обеспечивает его балластировку и статическую балансировку, позволяя вывесить аппарат при любой начальной величине остаточной плавучести и произвольном распределении масс вдоль корпуса АНПА. Балластировка осуществляется при помощи установки внутрь балластировочного модуля 14 набора грузов 15. Статическая балансировка аппарата осуществляется за счет применения нескольких балластировочных модулей 14, распределенных вдоль корпуса АНПА (фиг. 2). Путем перемещения набора грузов 15 внутри балластировочных модулей 14, производится регулировка величины метацентрической высоты в широком диапазоне, а также устраняется статический крен. В результате становится возможным использование в сменном модуле полезной нагрузки 3 оборудования, изначально не предназначенного для установки на АНПА, и таким образом расширить номенклатуру типов применяемого исследовательского оборудования без изменения корпусных конструкций.
Кроме того, для работы с оборудованием критичным к надежности обмена данными и соблюдению режима реального времени на борту АНПА помимо линии Ethernet, предназначенной для передачи больших объемов данных, реализована шина CAN. CAN интерфейс на аппаратном уровне позволяет контролировать доставку пакетов и при необходимости повторить передачу и, таким образом, гарантирует их доставку.
Кроме того, высокоточная БИНС 8, ДГЛ 9, центральный вычислитель 10, датчик глубины 11, а также выдвижная мачта 12 с приемником спутниковой навигационной системы и блоком радиосвязи, интегрированы в единую систему и представляют собой модуль управления навигации и связи 7, что существенно улучшает эксплуатационные характеристики аппарата.
Конструкция АНПА обеспечивает установку в прочный корпус различных модулей, в том числе ГБО, эхолота, интерферометрического гидролокатора бокового обзора, многолучевых гидролокаторов, профилографов, различных датчиков скорости, температуры, плотности воды, а также фото- и видео- камер и другого требуемого исследовательского оборудования.
По сравнению с прототипом за счет использования в АНПА выдвижной мачты 12, с размещенными в ней приемником спутниковой навигационной системы и блоком радиосвязи, обеспечивается отсутствие выступающих частей, что улучшает гидродинамические характеристики аппарата.
Устройство работает следующим образом.
Аппарат в транспортных контейнерах доставляется любым транспортным средством к месту проведения подводных работ. В соответствии с предстоящими работами по проведению исследований морских глубин оператор производит извлечение требуемых модулей из контейнеров. С использованием стапеля и специальной технологической оснастки осуществляется сборка и оснащение АНПА, при этом производится процедура предварительной балластировки аппарата посредством размещения набора грузов 15 в балластировочном модуле 14. Оператор производит тестирование работоспособности всех систем АНПА путем запуска тестовых программ. АНПА доставляется к урезу воды и спускается на воду непосредственно с берега либо с судна-носителя. Производится погружение АНПА в воду с целью окончательной его вывески, балластировки и балансировки. По радиоканалу в аппарат загружается маршрутное задание в соответствии с видами проводимых подводных работ.
Малогабаритный АНПА осуществляет движение по заданной траектории за счет работы форсированного бесколлекторного электродвигателя 18, передающего крутящий момент на рабочее колесо 22 маршевого движителя водометного типа 19. При вращении рабочего колеса 22 возникает разряжение и выполняющая функцию рабочего тела вода засасывается в водозабор (водозаборник) 20. Водяной поток, получив ускорение, пройдя через лопасти рабочего колеса 22 и спрямляющий аппарат 24, с высокой скоростью выбрасывается через сопло 28. Создаваемая таким образом, реактивная тяга, приводит АНПА в движение. Изменение режимов и скорости движения АНПА осуществляется по управляющему сигналу центрального вычислителя 10, расположенному в модуле управления, навигации и связи 7, поступающему в блок управления движителя 17 и осуществляющего регулировку частоты вращения форсированного бесколлекторного электродвигателя 18 путем изменения подводимого к нему напряжения. Маневрирование АНПА по курсу, глубине и дифференту осуществляется путем изменения положения гидродинамических рулей 26 по командам центрального вычислителя 10, вырабатываемым на основании маршрутного задания и анализа объективных данных, получаемых от оборудования, установленного на АНПА (появление препятствий, отклонение от траектории движения). Точность движения АНПА по заданной траектории и возможность его ориентирования под водой достигается за счет использования данных, вырабатываемых высокоточной БИНС 8 (географические координаты, курс, скорость, углы крена и дифферента, угловые скорости), комплексируемых с данными ДГЛ 9 и датчика глубины 11, размещаемых в модуле управления, навигации и связи 7. ГПО 2 на базе линейной АФАР излучает зондирующие импульсы и по разнице времени отраженного и излученного сигналов определяет расстояние до препятствий. Полученные данные поступают в центральный вычислитель 10 и на основании их производится корректировка траектории движения АНПА для обхода или идентификации объекта.