Автономный подводный аппарат класса "микро" для мониторинга экологического состояния малых водоемов

Настоящая полезная модель относится к судостроению, а именно к миниатюрным автономным подводным аппаратам, и может использоваться для осуществления экологического мониторинга водоёмов с ограниченным пространством для манёвра (малых водоёмов).
Известен автономный необитаемый надводно-подводный аппарат планирующего типа, содержащий корпус, систему изменения плавучести, систему изменения дифферента, двигательно-движительную систему, систему энергопитания, а также системы управления, передачи данных, навигации, связи и контрольно-измерительную систему, отличающийся тем, что корпус аппарата выполнен в виде вытянутого в продольном направлении обтекаемого тела, днище которого снабжено скуловыми реданами, содержащими лыжу с горизонтальной полкой, а система изменения плавучести является двухзвенной и включает в себя модуль изменения плавучести, осушительную помпу и электроуправляемый клапан (патент на ПМ №183537 публ. 25.09.2018 Бюл. № 27).
Существенным недостатком данного аппарата, а также других подводных аппаратов планирующего типа, ограничивающих их применение для решения задач экологического мониторинга малых водоёмов, является необходимость иметь большое водное пространство для совершения манёвров в горизонтальной плоскости. Кроме того, аппараты планирующего типа не могут развивать большую горизонтальную скорость передвижения, что не позволяет применять их в водоёмах с сильными течениями.
Известен модульный автономный необитаемый подводный аппарат «Океаника», содержащий пластиковый корпус с размещенными в нем герметичными модулями, корпуса которых выполнены из радиопрозрачного материала, при этом упомянутые модули снабжены собственными источниками электроэнергии и электронной аппаратурой с радиомодулями, объединяющими электронную аппаратуру всех модулей в единую беспроводную информационно-управляющую сеть, с возможностью взаимосвязи аппарата с пультом управления, расположенным на транспортном средстве сопровождения или непосредственно у оператора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены надводный модуль, содержащий источник электроэнергии, блок проводной связи, радиомодуль, блок спутниковой системы навигации, электромеханическую аппаратуру для перемещения модуля по водной поверхности, причем надводный модуль связан с подводной частью аппарата проводной линией связи, а с упомянутым пультом управления связан радиомодуль надводной части аппарата (патент на ПМ № 193287 публ. 22.10.2019 Бюл. № 30).
Основным недостатком данного подводного аппарата является конструкция, состоящая из многочисленных блоков, содержащих автономное питание, а также средство радиосвязи с соседними блоками аппарата. Подобное решение хоть и позволяет повысить универсальность модулей, составляющих аппарат, но в тоже время ведёт к увеличению веса аппарата, уменьшению внутреннего полезного объёма, повышает сложность конструкции и ведёт к увеличению количества точек отказа системы.
Известен высокоманевренный автономный необитаемый подводный аппарат, 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 водометных движителей. Конструктивной особенностью АНПА является установка на нем в качестве подруливающих движителей носовой группы вертикального и лагового реверсивных водометных движителей со сквозными в корпусе аппарата водоводами. Водовод каждого такого движителя выполнен в виде Y-образного канала, состоящего из одного цилиндрического и двух раздельных каналов. В цилиндрической части Y-образного канала установлен гребной винт, а электродвигатель для привода последнего размещен в корпусе аппарата непосредственно между двумя раздельными каналами и кинематически связан с гребным винтом (патент № 2112694 публ. 10.06.1998).
Основным недостатком данного аппарата является наличия большого количества независимых реверсивных движителей, которые обеспечивают высокую маневренность аппарата, но в тоже время уменьшают время автономной работы.
Наиболее близким аналогом является малогабаритный многофункциональный автономный необитаемый подводный аппарат - носитель сменной полезной нагрузки, содержащий корпусную несущую конструкцию, которая выполнена из отсеков, в том числе из кормового отсека и прилегающего к нему герметичного отсека, последовательно и жестко соединенных между собой с возможностью их разъема в направлении продольной оси подводного аппарата, причем один из отсеков выделен под размещение в нем сменной полезной нагрузки и выполнен проницаемым для забортной воды, а на кормовом отсеке установлены два вертикальных и два горизонтальных стабилизатора, движительно-рулевой комплекс из четырех маршевых движителей и вертикального подруливающего движителя, причем маршевые движители установлены в хвостовой части кормового отсека на стабилизаторах, а вертикальный подруливающий движитель размещен в одном из отсеков (патент № 2681415 06.03.2019 Бюл. № 7).
Недостатком данного подводного аппарата является большое количество двигательно-движительных установок, которые обеспечивают высокую маневренность аппарата, но уменьшают время автономной работы. Высокая маневренность является отличительной чертой аппаратов, выполняющих поисковые или осмотровые работы, но для решения задач сбора данных о состоянии водоёма, целесообразно обратить большее внимание на время автономной работы аппарата.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решения, заключается в повышении эксплуатационных характеристик подводного аппарата, а именно уменьшение количества точек отказа системы, обеспечивающей активное перемещение подводного аппарата в толще воды (двигательно-движительных установок), с сохранением способности аппарата к активному перемещению и сохранением возможности производить маневрирование в условиях ограниченного пространства.
Данная задача достигается тем, что автономный подводный аппарат класса «микро» для мониторинга экологического состояния малых водоёмов содержащий корпусную несущую конструкцию, систему энергообеспечения на основе аккумуляторной батареи, двигательно-движительную установку, расположенную в кормовой части аппарата, блок навигации и управления, введены две горизонтальные рулевые плоскости, расположенные по бортам аппарата, устройства для управления ими, содержащие радиальные магнитные муфты для передачи поворачивающего момента от устройств управления к рулевым плоскостям, в кормовой части аппарата расположены хвостовые вертикальные и горизонтальные стабилизаторы, а также двигательно-движительная установка, в которой передача крутящего момента от двигателя к движителю осуществляется за счет радиальной магнитной муфты, причем ось вращения гребного винта совпадает с продольной осью аппарата, носовая часть аппарата состоит из носового обтекателя, имеющего отверстия для свободного заполнения забортной водой, в котором располагаются датчики экологического мониторинга, причем носовой обтекатель соединен с носовой водонепроницаемой переборкой.
Технически результатом, обеспечиваемым приведённой совокупностью признаков является повышение эксплуатационных характеристик автономного подводного аппарата предназначенного для экологического мониторинга малых водоёмов.
Автономный подводный аппарат класса «микро» для экологического мониторинга малых водоёмов показан на фиг. 1 и фиг. 2 включает носовой обтекатель 1, имеющий отверстия для свободного заполнения забортной водой, в нём располагаются чувствительные элементы датчиков экологического мониторинга 2, носовой обтекатель соединяется с носовой водонепроницаемой переборкой 3, обеспечивающей герметичность внутреннего пространств аппарата, герметичный несущий корпус 4, электронный блок управления для датчиков экологического мониторинга 5, блок навигации и управления подводным аппаратом 6, механизмы поворота рулевых плоскостей, состоящие из рулевых приводов 7, рулевых плоскостей 8 и радиальных магнитных муфт 9, в состав которых входят водонепроницаемые переборки 10, обеспечивающие герметичность внутреннего пространства аппарата, аккумуляторную батарею 11, электронный регулятор скорости (драйвер) 12, обеспечивающий работу главной двигательно-движительной установки, состоящей из электромотора главного привода 13, радиальной магнитной муфты главного привода 14, включающую водонепроницаемую переборку 15, обеспечивающую герметичность внутреннего пространства аппарата, в задней части корпуса аппарата имеются водозаборные отверстия 16, обеспечивающие подвод потока жидкости к гребному винту, расположенному на валу 17, вертикальные и горизонтальные хвостовые стабилизаторы 18.
Отличительной особенностью данной полезной модели является наличие в конструкции подводного аппарата трёх радиальных магнитных муфт. Кормовая радиальная магнитная муфта входит в состав главной двигательно-движительной установки. Бортовая радиальная магнитная муфта (на левом и правом борту) входит в состав механизма поворота горизонтальных рулевых плоскостей и обеспечивает передачу крутящего момента от рулевого привода на вал, к которому крепится рулевая плоскость. При повороте вала происходит изменение угла атаки рулевой плоскости, таким образом, аппарат способен маневрировать в вертикальной и горизонтальной плоскости.
Благодаря наличию всего одной двигательно-движительной установки, в которой передача крутящего момента от двигателя к движителю (гребному винту) осуществляется через радиальную магнитную муфту, уменьшается количество точек отказа системы обеспечивающей способность аппарата к активному перемещению в толще воды.
Представленный автономный подводный аппарат не имеет систему изменения плавучести или дополнительных подруливающих двигательно-движительных установок для погружения и всплытия. Плавучесть аппарата всегда близка к нейтральной, но положительна. Погружение и всплытие осуществляется за счёт совместной работы главной двигательно-движительной установки и рулевых плоскостей. При этом происходит непрерывная работа двигательной установки, а изменение дифферента аппарата за счёт действия горизонтальных рулевых плоскостей. Таким образом, обеспечивается способность аппарата совершать маневры в условиях ограниченного пространства, даже на малых глубинах.
Главная двигательно-движительная установка работает следующим образом (фиг. 5 и фиг. 6). Вал электродвигателя жёстко связан прямым приводом с ведущей магнитной полумуфтой (19) посредством фланца (20), которая расположена внутри корпуса аппарата. Ведущая полумуфта вращается на керамическом шариковом подшипнике (21), ступица которого закреплена на кормовой водонепроницаемой переборке (15). Кормовая водонепроницаемая переборка устанавливается в корпус аппарата, герметичность соединения переборка – корпус обеспечивается за счёт двух уплотнительных колец круглого сечения, устанавливаемые в специальные канавки (23) на внешней поверхности водонепроницаемой переборки. Ведомая магнитная полумуфта (24) устанавливается с внешней стороны водонепроницаемой переборки. Ведомая магнитная полумуфта вращается на керамическом шариковом подшипнике (25), который в процессе эксплуатации постоянно погружён в забортную воду. Данный подшипник запрессовывается в посадочное место, расположенное на внешней части водонепроницаемой переборки. Поток жидкости поступает к гребному винту через водозаборные отверстия в кормовой части несущего корпуса аппарата. Ведущая и ведомая полумуфты находятся в постоянном магнитном зацеплении за счёт постоянных магнитов (26). Ведомая полумуфта жёстко связана с гребным винтом посредство вала (27).
Для маневрирования используются две горизонтальные рулевые плоскости, которые приводятся в движение рулевыми механизмами, состоящими из рулевого привода и радиальных магнитных муфт, расположенными по бортам аппарата, таким образом, что рулевые плоскости при нулевом угле атаки принимают горизонтальное положение, а ось вокруг которой осуществляется поворот рулевых плоскостей, перпендикулярна продольной оси аппарата. Рулевые приводы представляют собой сервомоторы, выходной вал которых поворачиваться на заданный угол в диапазоне от -90° до +90° от центрального положения Угол задаётся электронным блоком управления и навигации. Угол поворота передаётся от рулевых приводов к рулевым плоскостям посредством магнитных муфт. Конструкция радиальных магнитных муфт аналогична вышеописанной, за исключением того, что ведущая полумуфта закреплена на выходной оси рулевого привода фланцевым соединением и механически не связана с бортовой водонепроницаемой переборкой. Бортовые водонепроницаемые переборки аналогичны по конструкции кормовой. Ведомая магнитная полумуфта размещается на внешней стороне бортовой водонепроницаемой переборки и вращается на керамическом подшипнике, ступица которого закреплена на переборке. Рулевая плоскость жёстко связана с ведомой полумуфтой, таким образом, что при установке рулевого привода в нейтральное положение, рулевая плоскость приобретает нулевой угол атаки.
Автономный подводный аппарат работает следующим образом. Перед запуском подводного аппарата производится установка маршрута движения аппарата в пределах акватории изучаемого водоёма (фиг. 3). Установка маршрута производится по координатам, полученным при помощи системы глобального спутникового позиционирования. Также устанавливаются глубины, на которых будет осуществляться перемещение аппарата.
В процессе подготовки аппарата к запуску герметичные переборки (носовая, бортовые и кормовая) удаляются из корпуса, чем обеспечивается доступ к внутренним частям аппарата для загрузки маршрута в блок навигации и управления и проведения мероприятий по техническому обслуживанию подводного аппарата. После завершения работ по техническому обслуживанию герметичные переборки устанавливаются на свои места.
После запуска подводного аппарата он переходит в автоматический режим работы, следуя по заданному маршруту (фиг. 4). При этом аппарат совершает циклы погружения и всплытия между двумя соседними точками маршрута. Такая схема движения необходима для корректной работы системы глобального позиционирования, которая включается в работу, только когда аппарат поднимается на поверхность.
Сразу после запуска аппарата он находится в горизонтальном положении на поверхности водоёма.
Для погружения на заданную глубину включается главная двигательно-движительная установка, при этом аппарат двигается горизонтально. Затем рулевые плоскости (левая и правая синхронно) принимают отрицательный угол атаки и аппарат, продолжая двигаться вперёд, начинает погружаться с дифферентом на нос. Глубина погружения контролируется датчиком гидростатического давления воды, входящий в систему навигации и управления. Пройденное в подводном положении расстояние определяется инерциальной системой навигации, входящей в блок навигации и управления. Для всплытия угол атаки рулевых плоскостей (левая и правая синхронно) изменяется на положительный и аппарат, продолжая движение вперёд, начинает всплытие с дифферентом на корму. После всплытия происходит корректировка положения аппарата за счёт спутниковой системы глобального позиционирования и прокладывается траектория движения к следующей точке маршрута.
Для осуществления маневрирования в горизонтальной плоскости аппарат погружается на глубину равную размаху рулевых плоскостей, после чего приобретает горизонтальное положение. Глубина погружения контролируется датчиком гидростатического давления. Для осуществления поворота влево, аппарат приобретает крен на левый борт в 90 градусов. Крен достигается за счёт того, что левая рулевая плоскость приобретает отрицательный угол атаки, а правая - положительный. Угол крена контролируется инерциальной системой навигации. После установки угла грена, происходит синхронное задание рулевым плоскостям положительного угла атаки, в результате аппарат поворачивает налево. Угол отклонения курса контролируется инерциальной системой навигации, входящей в блок навигации и управления. После установки необходимого курса аппарат возвращает крен в исходное состояние и продолжает движение.
В случае если в подводном положении аппарат потеряет способность к активному перемещению, благодаря положительной плавучести он поднимется на поверхность.
В случае если вращение вала главного привода будет невозможно (заклинивание в результате попадания водорослей или других посторонних предметов), радиальная магнитная муфта не позволит электромотору мгновенно остановиться, таким образом, удастся избежать ударных нагрузок на элементы главной двигательно-движительной установки, что позволяет ускорить устранение неисправности аппарата и подготовки его к последующему запуску.
После прохождения всех точек маршрута аппарат возвращается в исходную точку (точку запуска), где поднимается из воды оператором. Собранные данные экологического мониторинга изымаются на электронном носителе.