АВТОНОМНЫЙ ПОДВОДНЫЙ НЕОБИТАЕМЫЙ АППАРАТ ПЛАНИРУЮЩЕГО ТИПА

Полезная модель относится к морской технике, а именно к техническим средствам для освоения и исследования водной среды -подводным аппаратам, преимущественно к автономным необитаемым подводным аппаратам планирующего типа (АНПА) - подводным глайдерам (ПГ).
Движение таких аппаратов обеспечивает механизм изменения плавучести (МИП). Назначение МИП состоит в управлении весом аппарата или полного объема, что позволяет управлять остаточной плавучестью ПГ и, в зависимости от знака плавучести (отрицательная или положительная), обеспечивать его погружение или всплытие.
Известен АНПА "Spray" (Scripps Institution of Oceanography, USA), движительной установкой которого так же является гидравлический МИП (http://www.whoi.edu/instruments/viewInstrument.do?id=1498), главной функцией которого является изменение объема аппарата. Особенностью этой системы является наличие двух податливых емкостей: одной внутри аппарата и одной снаружи корпуса АНПА. Перекачивание рабочей жидкости (воды или масла) из одной емкости в другую реализует изменение полного объема АНПА, вследствие чего и обеспечивается его так называемое "пилообразное" движение.
Основными недостатками АНПА "Spray" являются его дороговизна (поскольку аппарат рассчитан на глубину до 1000 метров, то на глубины до 50 метров его погружать нерентабельно, т.к. не реализуется полный потенциал насосной системы); высокие энергозатраты (большая часть энергии потребляется насосной системой, а значит уменьшается количество энергии, затрачиваемой на научное оборудование); наличие шума в работе системы (неприемлемо для глайдеров-разведчиков, у которых важнейший критерий работы - это невозможность обнаружения АНПА эхолокатором) и необходимость постоянно иметь на борту запас масла для работы, что делает данный АНПА не экологичным.
Также известен АНПА "Slocum" (Teledyne Webb Research, USA) (http://www.webbresearch.com/slocumglider.aspx). Его гидравлическая МИП также работает по принципу изменения полного объема аппарата. В кормовой части расположена упругая полость. Насос перекачивает рабочую жидкость (РЖ) из внешней полости во внутреннюю, приводя к изменению плавучести, обеспечивая тем самым его погружение. И наоборот, при перекачивании РЖ обратно из внутренней полости во внешнюю, плавучесть увеличивается и аппарат всплывает. По своей технической сущности, составу существенных признаков и достигаемому техническому результату данный АНПА является наиболее близким к заявленному.
Основные недостатки данного АНПА такие же, как и у ПГ "Spray": дороговизна; высокие энергозатраты; шумная работа и необходимость наличия дополнительной полости для масла.
В основу полезной модели заложена цель повысить экономические и эксплуатационные характеристики ПГ, обеспечивая энергетическую эффективность его работы, а также малошумность общей работы аппарата.
Поставленная цель достигается тем, что в автономном подводном необитаемом аппарате планирующего типа гидравлическая МИП полностью заменена МИП с электрическим приводом. При этом в системе изменения плавучести, которая расположена в кормовой части аппарата, установлен линейный актуатор с цилиндром, а система изменения угла дифферента размещена с возможностью корректировки углов планирования, а сборка батарей расположена параллельно оси аппарата и закреплена с возможностью перемещения вдоль этой оси. Изменение веса осуществляется за счет всасывания/вытеснения забортной воды.
Таким образом, полностью исключается необходимость наличия на борту специальной жидкости. Всасывание обеспечивается линейным актуатором и корпусом цилиндра, сообщающегося с внешней средой. При этом вал шагового двигателя играет роль штока цилиндра. Линейный актуатор приводится в движение по команде от микроконтроллера в действие шаговым электродвигателем.
Установка линейного актуатора в качестве механизма изменения плавучести сделала АНПА экологически чистым. Так же она позволила снизить уровень шума в работе МИП и обеспечить более плавное погружение кормовой части во время работы.
Установка системы изменения угла дифферента позволила более четко корректировать углы планирования АНПА, что увеличивает быстродействие и эффективность; стала возможна реализация аварийного всплытия АНПА, поскольку теперь дополнительно придавать положительную плавучесть сможет не только МИП, но и смещение ЦМ в сторону кормы.
Реализация системы изменения крена также существенно улучшила конструкцию, что позволило АНПА перемещаться во всех плоскостях, совершать изменение маршрута непосредственно во время выполнения миссии и способность маневрировать для преодоления препятствий.
Сборка батарей, расположенных не радиально, а параллельно оси АНПА, позволила уменьшить диаметр аппарата, что повысило его транспортировочные возможности; лучше стабилизировать ЦМ и добиться более четкой системы перемещения каретки вдоль оси ПГ.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом, где представлен вид спереди трехмерной твердотельной модели АНПА.
Автономный необитаемый подводный аппарат планирующего типа содержит корпус 1 с носовым 2 и кормовым 3 обтекателями, а так же крыло 4, преобразующее вертикальное движение в наклонное. Аппарат спроектирован по схеме "низкоплан". Силовыми агрегатами на борту являются шаговые электродвигатели системы изменения угла дифферента 5, системы изменения угла крена 6 и механизма изменения плавучести 7 (вал шагового электродвигателя является штоком цилиндра, регулирующего массу аппарата). Управляющая система состоит из блока электроники и микроконтроллера, располагающихся на плате 8. Источником энергии на борту являются аккумуляторные батареи и солнечные панели, расположенные внутри оптически прозрачного прочного корпуса аппарата.
В начальном положении на поверхности воды аппарат имеет нейтральную остаточную плавучесть (все системы приведены в нулевое положение) и свободно держится на поверхности воды. Чтобы начать погружение, необходимо переместить блок батарей 9, расположенных в носовой части аппарата на подвижной каретке 10, в направлении носовой части, тем самым сдвигая центр масс (ЦМ) (и отдаляя его от центра плавучести аппарата) для создания нужного положительного угла дифферента. Таким образом аппарат получает дифферент на нос. После этого необходимо создать отрицательную остаточную плавучесть аппарата. Этот эффект достигается за счет работы МИП, приводимый в движение шаговым ЭД. В цилиндр линейным актуатором 11 всасывается забортная вода, увеличивая вес аппарата и позволяя ему погружаться.
Достижение требуемой глубины погружения определяется датчиком давления, имеющегося на борту аппарата. После того, как датчики давления зафиксировали достижение нужной глубины, включается программа всплытия. Шаговый ЭД перемещает блок батарей в сторону кормовой части, создавая отрицательный угол дифферента. Для того, чтобы создать положительную плавучесть аппарата необходимо опорожнить цилиндр линейным толкателем, приводимым в движение шаговым ЭД.
После того, как АНПА достиг поверхности воды или нужной глубины, цикл начинается заново. Оператор может задать произвольно время передачи накопленных данных, либо через NN циклов всплытия-погружения, либо после прохождения определенного количества миль, либо после того, как ПГ достигнет нужного квадрата карты.
Маневрирование производится автоматически системой изменения крена аппарата. Ее работа заключается в том, чтобы переместить ЦМ вокруг оси глайдера, повернув каретку со сборкой батарей на нужный угол в диапазоне ±90°. Шаговый ЭД через зубчатую передачу 12 передает вращающий момент на вал, закрепленный с кареткой. Аппарат ложится на крыло и начинает плавно разворачиваться в зависимости от того, на какой из бортов был перемещен ЦМ.