АВТОНОМНЫЙ НЕОБИТАЕМЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ МОРСКИХ РАЙОНОВ ОТ ПЛАВАЮЩИХ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
AUTONOMOUS UNINHABITED UNDERWATER VEHICLE FOR CLEANING MARINE AREAS FROM FLOATING UNDERWATER OBJECTS

Изобретение относится к морским техническим устройствам и предназначено для поиска и локализации плавающих подводных объектов, в том числе представляющих экологическую угрозу, с целью очистки от них морских районов.
Загрязнение водоемов в начале XXI века приняло критический характер. Даже в океане появляются уже целые мусорные острова, гибнет морская флора и фауна. Робототехника пока что не дала эффективного решения для борьбы с загрязнением, но определенные разработки в этой области известны.
Известно малое беспилотное судно школьного исследовательского проекта «Экобот» - работа группы школьников 10 класса школы №79 им. Н.А. Зайцева из Нижнего Новгорода. Судно представляет собой ленточный элеватор, позволяющий поднимать плавающий мусор с поверхности водоема для его очистки. Элеватор можно заменить на подводную косилку для очищения от подводной растительности, а косилку - на земснаряд для очистки дна от ила. Небольшие размеры аппарата позволяют ему работать на мелководье [1].
Известен проект FRED компании ClearBlueSea (США). Проект предназначен для сбора пластикового мусора с поверхности воды и для его предварительной сортировки. Длина платформы FRED 30 м, ширина 27 м, источник энергии - 4 парусных крыла, а также аккумулятор большой емкости, подзаряжаемый от фотоэлектрической батареи, максимальная скорость 2 уз. Для отпугивания морских животных используется звуковой сигнал [1].
Известен проект Seaswarm MIT (США) - «Морской рой», который представляет собой рой из нескольких тысяч плавающих автономных роботов, каждый из которых является плавающим ленточным конвейером, созданным из тонкого гидрофобного наноматериала, способного собирать нефть, разлившуюся по поверхности моря. Энергию такому роботу дают солнечные батареи. Длина опытного образца составляет 49 м, ширина 21 см и вес 16 кг [1].
Известен автономный аппарат WasteShark RanMarine (Дания), который, работая пять дней в неделю, способен сдвигать по поверхности до 15,6 т отходов в год. Его устройство выглядит примитивным, так как он не перерабатывает мусор, не собирает его в какие-либо ловушки или сети, а всего лишь толкает захваченные под корпус твердые и крупные объекты к берегу. Тем не менее, даже такой вклад в предотвращение экологического загрязнения сокращает нагрузку на акваторию. Одной зарядки автономной версии морского робота хватает на 8 часов работы, после чего аппарат самостоятельно отправляется на подзарядку. Есть также поддержка режима телеуправления. Дешевая и экологичная "мусорная акула" способна самостоятельно определять места скопления мусора. Кроме того, робота можно оснастить сенсорами, позволяющими собирать данные о характеристиках воды [1].
Наибольшую известность получил проект The Clean Ocean компании Ocean Cleanup (Нидерланды). Суть проекта - запуск в существующие в океанах течения надводной системы подковообразной формы, движение которой замедляется плавучим якорем, действующим на глубине порядка 600 м. Еще одна часть конструкции - прочный экран под плавучей трубой, предназначенный для удержания и накопления плавающего в океане мусора, прежде всего, пластика. Такая система не требует внешнего источника энергии, чтобы двигаться и собирать мусор, поскольку она использует течения и дрейфует в океане. Система U-образной формы может свободно двигаться, например, в Северном Тихоокеанском течении, собирая пластик и другие отходы. Время от времени, вспомогательные суда могут забирать скопившийся в ловушке мусор и доставлять его на побережье. В 2017 году в компании был разработан новый проект ловушки для сбора мусора. Вместо одной гигантской системы, жестко стоящей на якоре, была предложена система, состоящая из множества сравнительно небольших свободно плавающих конструкций, которые притормаживаются плавучим якорем, погруженным на глубину около 600 м, так как вода на поверхности движется быстрее, нежели чем в толще течения. Разница в скорости такой системы и собираемого ею мусора позволит накапливать пластик возле плавучего барьера. Конструкция одного элемента системы представляет плавучую подкову с закрепленным снизу «экраном», который достигает глубины 3 м по центру и постепенно сужается по мере удаления от центра. В конечных своих точках он достигает глубины 2 м, а у краев U-образной плавучей части и вовсе отсутствует. Ожидается, что такой подход позволит системе сохранять свою форму [1].
Известен проект Seabin (Австралия), представляющий собой плавучий мусорный коллектор, который собирает пластиковые отходы в океане. Это мусорная корзина, плавающая в заливах, внутренних водных путях, озерах и гаванях, улавливает плавающий мусор и жидкости. Она имеет устройство, через которое засасывают воду с поверхности, пропускают ее через дно структуры, а отходы собирают в мешок. В настоящее время дизайнеры планируется переход к массовому коммерческому производству данного проекта. Мусоросборник Seabin может работать 24 часа в сутки в течение всего года. Он предназначен для работы по сбору пластмассы и плавающих жидкостей внутри заливов в относительно контролируемых условиях. Seabin располагают на поверхности и подключают к береговой водяной помпе. Воду и плавающий мусор засасывают в мусоросборник, после чего вода вытекает через нижнюю часть резервуара и попадает в насос на причале. Мешок мусорного коллектора изготавливают из натурального волокна, возможен вариант установки сепаратора для масла и воды. Мусорный коллектор Seabin управляется одним человеком и, благодаря небольшим размерам, может устанавливаться на яхтах [2].
Общим существенным недостатком выше указанных устройств и систем является их малая мобильность и способность собирать объекты лишь с поверхности моря, либо на глубинах, не превышающих 3 м.
Эти недостатки могут быть устранены, если в качестве носителя системы использовать автономный необитаемый подводный аппарат.
Известно устройство защиты корабля от торпеды, принятое за прототип изобретения, включающее подводный транспортировщик противоторпедной сети, имеющий контейнер, демпфирующее и контактное устройства, приборы управления, энергетическую установку и/или источник тока, двигатель, движитель, рули, газогенератор, надувную камеру и сигнальные устройства, глубиномер и курсоуказатель, устройства ввода глубины и курса в приборы управления транспортировщика с электрическим и/или ручным приводом, плавучий якорь. Транспортировщик выполняется в малых габаритах, что позволяет упростить его установку и эксплуатацию на корабле или судне, загрузить в необходимом количестве и разместить, на командирском или сигнальном мостике и на верхней палубе [3].
Недостатком данного устройства является одноразовость его применения и малое время работы.
Целью изобретения является разработка автономного необитаемого подводного аппарата для очистки морских районов от плавающих подводных объектов, сбора их в сети и обозначения места нахождения для дальнейшего подъема на борт судна, занимающегося очисткой района, или буксировки сетей в район утилизации.
Указанная задача решается благодаря тому, что в автономном необитаемом подводном аппарате для очистки морских районов от плавающих подводных объектов, представляющий собой подводный транспортировщик сети, имеющий контейнер с уложенной в него сетью, демпфирующее и контактное устройства, приборы управления, энергетическую установку и/или источник тока, двигатель, движитель, рули, глубиномер и курсоуказатель, устройства ввода маршрутного задания в приборы управления имеются следующие отличия: в приборы управления подводного аппарата входит бортовая навигационная система, в кормовой части дополнительно размещены обтекатель и два и более контейнера с сетью, установленных с помощью втулок на стержни, поворачивающиеся относительно своей оси механизмом разворота, контейнеры расположены последовательно друг за другом таким образом, что могут перемещаться вдоль стержней под действием встречного потока воды, за счет которого осуществляется их сход со стержней, а управление постановкой сети производится за счет разворота стопорных наделок на концах стержней, совпадающих по форме и размеру с фигурными прорезями во втулках контейнеров, расположенных на их крышке и днище и с помощью которых контейнеры крепятся к стержням, при этом фигурные прорези в отверстиях втулок крышки контейнера и его днища развернуты относительно друг друга так, чтобы исключить одновременный сход со стержней и крышки и самого контейнера с сетью во время одного разворота стержня, сеть, уложенная в каждый контейнер, вытягивается после схода крышки контейнера под напором встречного потока воды с помощью крышки и прикрепленного к ней вытяжного парашюта, растягивается в рабочее положение с помощью стропов сети, в контейнере имеется надувной буй с сигнальным устройством и стягивающим шнуром, прикрепленным одним концом к надувному бую, а другим через кольцо к стропам сети для стягивания ее и попавших в сеть плавающих подводных объектов в мешок, газогенератор, приводимый в действие шнуром для надува буя с сигнальным устройством, прикрепленным одним концом к пусковому устройству газогенератора, а другим к крышке следующего контейнера, а в последнем контейнере к обтекателю.
А также вместо газогенератора в контейнер может быть установлен баллон со сжатым газом, редуктором и вентилем.
А также автономный необитаемый подводный аппарат дополнительно имеет гидролокатор и видеокамеру для обнаружения плавающих подводных объектов, их распознавания и расчета маневра по захвату их в сеть.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), на фиг. 2 приведены контейнеры с сетью, закрепленные в кормовой части АНПА, на фиг. 3 показано устройство контейнера с сетью, на фиг. 4 изображено отделение крышки 1-го контейнера и вытягивание из него сети вытяжным парашютом, на фиг. 5 показана сеть в рабочем положении, на фиг. 6 показан захват сетью плавающих подводных объектов и ее отделение от АНПА, на фиг. 7 проиллюстрировано всплытие сети с захваченными ею объектами на поверхность воды.
Здесь цифрами обозначены:
1 - корпус АНПА,
2 - энергетическая установка,
3 - двигатель,
4 - привод механизма разворота стержней,
5 - контактное устройство,
6 - демпфирующее устройство (пружина),
7 - руль,
8 - движитель,
9 - обтекатель,
10 - контейнер,
11 - надувной буй с сигнальным устройством,
12 - газогенератор (баллон со сжатым газом),
13 - сеть,
14 - стержень,
15 - стопорная наделка,
16 - крышка контейнера,
17 - втулка (проушина) крышки контейнера,
18 - втулка (проушина) днища контейнера,
19 - механизм разворота направляющих стержней,
20 - аппаратура связи,
21 - бортовая навигационная система,
22 - бортовая система управления,
23 - гидролокатор,
24 - видеокамера,
25 - устройство ввода данных (маршрутного задания) в бортовую систему управления,
26 - приемо-передающая антенна аппаратуры связи,
27 - днище контейнера,
28 - отверстие с фигурным вырезом во втулке (проушине) днища контейнера,
29 - кайма сети,
30 - отверстие с фигурным вырезом во втулке (проушине) крышки контейнера,
31 - кольцо для прохода стропов сети и стягивающего шнура,
32 - стягивающий шнур,
33 - ниппель,
34 - газопроводный шланг,
35 - редуктор,
36 - пускатель газогенератора (газовый вентиль),
37 - отверстие в днище контейнера,
38 - шнур для включения пускателя газогенератора или открытия газового вентиля,
39 - карабин для крепления шнура к крышке другого контейнера,
40 - шнур вытяжного парашюта,
41 - вытяжной парашют,
42 - вектор движения (курс) АНПА,
43 - стропы сети,
44 - плавающие подводные объекты,
45 - всплытие надувного буя с сигнальным устройством под действием силы Архимеда после надува газом,
46 - поверхность воды,
47 - излучение сигнального устройства.
Автономный необитаемый подводный аппарат для очистки морских районов от плавающих подводных объектов (фиг. 1) имеет корпус (1), в котором установлена энергетическая установка (2), двигатель (3), привод механизма разворота (4) стержней (14), служащих для буксировки контейнеров (10) и управления постановкой сети (13), включающим отделение крышки (16) контейнера, вытягивание сети (13) в рабочее положение, затраливание плавающих подводных объектов, срабатывание контактного устройства (5) и выработку сигнала о попадании в сеть заданной массы плавающих подводных объектов, отделение контейнера от АНПА, для предотвращения резких рывков при попадании в сеть плавающих подводных объектов служит демпфирующее устройство (6), для управления движением АНПА служат руль (7) и движитель (8), для уменьшения силы лобового сопротивления буксируемых контейнеров имеется обтекатель (9), для управления стержнями имеется механизм их разворота (19) с приводом (4). Кроме того, АНПА имеет аппаратуру связи (20) с пунктом управления и приемопередающую антенну (26), бортовую навигационную систему (21) для обеспечения АНПА географическими координатами при движении по заданному маршруту, бортовую систему управления (22) для выработки команд управления рулями, движителем, стержнями и аппаратурой связи, устройство ввода в нее данных (маршрутного задания) (25). Дополнительно АНПА имеет гидролокатор (23) и видеокамеру (24) для обнаружения и распознавания в воде плавающих подводных объектов.
В кормовой части АНПА на стержни (14) устанавливаются контейнеры (10) с помощью втулок (проушин) на крышке (17) и втулок (проушин) на днище (18), стержни имеют стопорные наделки (15) (фиг. 1, 2 и 3), служащие для управления постановкой сети (13). Контейнеры располагаются последовательно друг за другом и могут перемещаться вдоль стержней (14) под действием встречного потока воды. Управление работой постановкой сети (13) производится за счет разворота фигурных стопорных наделок (15) на концах стержней (14), совпадающих по форме и размеру с фигурными прорезями (28) и (30) во втулках (проушинах) (17) на крышке и (18) днище контейнеров, при этом отверстия с фигурными прорезями (28) днища и (30) и крышки развернуты относительно друг друга таким образом, чтобы предотвратить одновременное отделение крышки (16) контейнера и самого контейнера (10) с днищем (27). В контейнер (10) уложена сеть (13), предназначенная для ловли плавающих подводных объектов, надувной буй с сигнальным устройством (И) для обозначения своего места, который имеет ниппель (33), газопроводный шланг (34), связывающий его с редуктором (35) газогенератора (12) или баллона со сжатым газом. Для пуска газа и надува буя служит газовый вентиль (36) и шнур для включения пускателя газогенератора (открытия газового вентиля) (38), проходящий через отверстие (37) в днище контейнера и закрепленный с помощью карабина (39) на крышке (16) соседнего контейнера. Отверстие в днище контейнера (37) служит для вывода шнура для включения пускателя газогенератора (открытия газового вентиля) (38) и соединения внутренней полости контейнера (10) с окружающей средой для выравнивания давления внутри контейнера с наружным и легкого открывания крышки (16).
Отверстия во втулках (проушинах) днища контейнера (28) и крышки контейнера (30) обеспечивают скольжение контейнера (10) вдоль стержня (14) и его стопорения в зависимости от угла разворота стопорных наделок (15). Под напором встречного потока воды незастопоренная надежами (15) крышка (16) отделяется от контейнера (10), вытягивает за собой вытяжной парашют (41) и следом с помощью стропов (43) растягивает в рабочее положение уложенную в контейнер сеть (13) (фиг. 4, фиг. 5). Как это происходит видно на примере, показанном на фиг. 3 и 4: при развороте наделок (15) стержней (14) в вертикальную плоскость контейнер (10) продвигается назад до упора проушинами (18) днища в стопорные наделки (15), так как их фигурный вырез (28) ориентирован в горизонтальной плоскости. Отделение контейнера (10) с сетью (13) и попавшими в нее объектами производится после срабатывания контактного устройства (5), при этом стержни (14) поворачивают стопорные наделки (15) в горизонтальную плоскость, и контейнер отделяется. Прикрепленный к крышке (16) следующего контейнера (10) шнур (38) натягивается и разворачивает вентиль (36), в результате запускается газ от газогенератора или баллона со сжатым газом (12) по газопроводному шлангу (34) в надувной буй с сигнальным устройством (11), который всплывает на поверхность воды (46) (фиг. 6 и фиг. 7) и обозначает свое местонахождение (47) с помощью яркой окраски и сигнального устройства, в качестве которого может использоваться уголковый отражатель, растягиваемый внутри оболочки буя (он же надувной уголковый отражатель), маяк-отметчик и/или светосигнальный прибор, служащие для обнаружения буя (11) с помощью радиолокатора или визуально оптическими средствами в ночное время. Сеть (13) с попавшими в нее плавающими подводными объектами (44) с помощью прочной каймы (29), кольца (31), строп (43) и стягивающего шнура (32), прикрепленным к надувному бую (11), стягивается при всплытии надувного буя (11) в мешок, предотвращая потерю пойманных в нее объектов, а сигнальное устройство обозначает местонахождение буя (11) или передает информацию (47) о своем местонахождении на пункт управления.
Автономный необитаемый подводный аппарат для очистки морских районов от плавающих подводных объектов работает следующим образом. В заданной точке, соответствующей введенному маршрутному заданию, АНПА начинает постановку сети (13), для чего механизмом разворота (19) с приводом (4) поворачивает вокруг оси стержни (14), на которых установлены контейнеры (10) на угол, пока их стопорные наделки (15) не совпадут с расположением фигурных вырезов (30) во втулках крышки (17) первого контейнера (10). Под напором встречного потока воды контейнеры (10) перемещаются вдоль стержней (14) назад до упора втулок днища (18) первого контейнера (10) в стопорные наделки стержней (15), крышка первого контейнера (16) по инерции и под напором воды отсоединяется от контейнера (10) и с помощью вытягивающего парашюта (41) вытягивает из контейнера (10) сеть (13), которая растягивается в рабочее положение. АНПА в соответствии с заданием приступает к ловле в сеть плавающих подводных объектов (44). После попадания в сеть объектов заданной массы, срабатывает контактное устройство (5), стержни разворачиваются механизмом разворота (19) на угол, пока стопорные наделки (15) не совпадут с фигурными вырезами (28) втулок днища (18) первого контейнера и контейнер (10) под напором воды отделяется от АНПА, а следующий за ним контейнер (10) занимает его место с упором своей крышки (16) в стопорные наделки (15). Шнур (38) отделившегося контейнера, скрепленный карабином (39) с крышкой (16) следующего контейнера натягивается и приводит в действие вентиль (36) редуктора (35) газогенератора или баллона со сжатым газом (12), после чего газ поступает в надувной буй с сигнальным устройством (11), и он всплывает на поверхность воды (46), стягивает в мешок сеть (13) с попавшими в нее объектами (44) и сигнальное устройство обозначает свое местонахождение или передает информацию об этом (47) на пункт управления (на фигуре не показано).
Для лучшего обнаружения плавающих подводных объектов и их распознавания АНПА дополнительно оснащается гидролокатором (23) и видеокамерой (24).
Пример применения автономного необитаемого подводного аппарата для очистки морских районов от плавающих подводных объектов показан на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.
Для постановки сети (13) стержни (14), на которых установлены контейнеры (10), разворачиваются механизмом разворота стержней (19) АНПА на угол, при котором отверстия с фигурными вырезами втулок крышки (30) первого контейнера (10) совпадут с расположением стопорных наделок (15) стержней (14), крышка контейнера (16) отделяется и вместе с вытяжным парашютом (41) вытягивает из контейнера (10) сеть (13). АНПА движется по маршруту и ловит в сеть плавающие подводные объекты (44), находящиеся на маршруте. Контактное устройство (5) служит для сигнализации о захвате сетью (11) подводных объектов заданной массы (44), соответствующей требуемой силе натяжения стропов сети (43).
На фиг. 6 изображен момент затраливания нескольких плавающих подводных объектов (44) в сеть (13), отделение контейнера (10) с сетью от АНПА (1), наполнение газом надувного буя с сигнальным устройством (11) и его подъем на поверхность воды. На фиг. 7 показано, как сеть (13) с попавшими в нее подводными объектами (44) стягивается шнуром (32) и кольцом (32) в мешок и дрейфует вместе с всплывшим на поверхность (46) воды надувным буем с сигнальным устройством (11), который обозначает свое местоположение или передает информацию об этом (47) на пункт управления. Оставшиеся контейнеры сдвигаются по направляющим стержням (14) назад до упора в стопорные наделки (15) (фиг. 1 и 2), и все начинается сначала.
С помощью гидролокатора и видеокамеры АНПА обнаруживает и опознает плавающие подводные объекты (44), которые располагаются в стороне от маршрута, и если они соответствуют заданию, то направляется к ним и также захватывает в сеть (13), при этом гидролокатор и видеокамера помогают правильно рассчитать маневр подхода к объекту для его затраливания.
Техническим результатом изобретения является автономный необитаемый подводный аппарат, служащий для очистки морских районов от плавающих подводных объектов, в том числе миноподобных, представляющих экологическую опасность и угрозу для судоходства, способный производить их локализацию в заданном морском районе.
Источники информации
1. Алексей Бойко (ABloud), Роботы для очистки океана от мусора, Robotrends, http://robotrends.ru/robopedia/roboty-dlya-ochistki-okeana-ot-musora
2. Natali. Плавучий мусорный коллектор собирает пластиковые отходы в океане. Экотехнологический журнал FacePla.net 28.12.2015. http://www.facepla.net/the-news/5331%D0%BC%D1%83%D1%81%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80.html
3. Новиков А.В., Жаровов А.К., Устройство защиты корабля от торпеды, Патент №2703832. М.: ФИПС, 2019. Бюл. от 22.10.2019 №30.