Семейство подводных глайдеров – новые перспективы

 

ЗАО «НПП ПТ «Океанос» с 2011 года в инициативном порядке, в содружестве с Санкт-Петербургским государственным морским техническим университетом (СПбГМТУ) и другими высшими научными учреждениями страны, ведет работу над созданием семейства подводных аппаратов с преимущественно гидродинамическими принципами движения. В ряде статей, опубликованных ранее в журнале «Новый Оборонный Заказ. Стратегии», показана актуальность таких аппаратов для России, излагалась история их появления на Западе (в первую очередь в США), описаны принципы функционирования аппарата и различных его подсистем, а также сформулированы задачи, стоящие перед группой разработчиков.

В мае 2015 года специалисты ЗАО «НПП ПТ «Океанос» были специально приглашены для чтения лекций в Московский государственный институт международных отношений (МГИМО), на кафедру экологии; в ходе этих лекций рассмотрены концепции применения робототехнических средств, в частности глайдеров, для экологического мониторинга. В июле 2015 года экспериментальный образец аппарата был представлен на Международном Военно-морском Салоне в Санкт-Петербурге, где вызвал большой интерес со стороны представителей Министерства обороны и коммерческих компаний, специализирующихся на морской нефтегазодобыче и морской экологии.

В настоящее время аппарат продолжает проходить натурные испытания, по предварительным результатам которых в конструкцию глайдера уже были внесены (и продолжают вноситься) существенные изменения:

1. Увеличен объем носового механизма изменения плавучести (МИП) и его быстродействие.

2. Изменена начальная балластировка аппарата для увеличения запаса подводной остойчивости, особенно поперечной. Это позволяет «сгладить» кривые опрокидывающих и восстанавливающих моментов, значительно облегчая работу алгоритмов системы управления.

3. Полностью обновлено ПО системы автоматического управления. Введена концепция единого системного времени, согласно которому выстраивается шкала синхронизации системных процессов и событий.

4. В САУ введен режим «ассист-автопилота», работающий на основе предикторных алгоритмов. Фактически САУ постоянно рассчитывает и обновляет математическую модель движения аппарата по его траектории и в случае выхода актуальных параметров из коридора допусков автоматически корректирует положение аппарата. Это позволяет упредить возможные критические ситуации (сваливание, штопор, «зависание» без скорости) на ранних стадиях, опираясь на относительно небольшие отклонения в параметрах. Эти алгоритмы функционируют в режиме «ассистентов» основного навигационного алгоритма и увеличивают эффективность работы САУ.

Последнее улучшение крайне важно, так как из опыта работы с эксплуатантами зарубежных, коммерчески поставляемых глайдеров (например, компания DOF Subsea имеет три глайдера типа Slocum) стало известно, что проблема потери управления и сваливания на малой скорости до сих пор удовлетворительно не решена. В случае работы на участках со сложной гидрологией (наличие линз воды другой плотности/солености, вертикальных течений, резких температурных скачков) это неприемлемо.

Анализируя накопленный в ходе испытаний опыт, учитывая изменяющуюся экономическую и политическую обстановку, разработчики считают, что только в создании семейства новых высокотехнологичных аппаратов можно найти средства по поддержанию конкурентной борьбы за экономическое пространство арктических морей. Очевидно, что при имеющихся темпах судостроения и стоимости постройки судов и кораблей традиционные меры разведки и наблюдения не в состоянии надежно обеспечивать районы столь большой площади и удаления, к тому же зачастую ограниченно или вовсе несудоходные.

Как видно из опубликованного программного документа Arctic Roadmap 2020, основным приоритетом ВМС США является развертывание в арктических морях мультиагентной системы сбора разведывательной и обеспечивающей (метеорологической, гидрологической, океанографической, геологической) информации. Система состоит из донных станций, дрейфующих буев, волновых и подводных глайдеров, ледовых обсерваторий и т.д. Данная система уже активно создается, схема системы приведена на рис. 3.

11.04.2015 года на сайте Vessel Finder (международная справочная база судоходства) была опубликована статья «US NAVY deploys Under-ice Drones in Competition with Russia for Arctic», в которой со ссылкой на источники в ВМС США указано, что в свете ожидаемой борьбы с РФ за арктические ресурсы американский флот уже разместил ряд долговременных подводных робототехнических средств, которые ведут сбор информации о температурных колебаниях и состоянии моря, для уточненных оперативных прогнозов погоды и построения компьютерных моделей таяния арктических льдов.

Европейцы разместили на подводных глайдерах сеть гидрофонов в рамках проекта PERSEUS, создав мобильный рубеж наблюдения за морским трафиком, по заявлению авторов программы, «в целях противодействия противоправной деятельности». Очевидно, что этим функции развернутого гидроакустического рубежа слежения вряд ли исчерпываются.

Таким образом, необходимо в кратчайшие сроки принимать решения и начинать практическую разработку нового поколения робототехнических средств. В ходе разработки аппарата нового поколения необходимо будет ответить на технологические и научные вызовы широкого спектра, сосредоточив усилия на следующих направлениях:

1. источники питания

Среди перспективных источников питания, потенциально рассматриваемых к установке на следующее поколение подводных аппаратов типа «Глайдер», можно выделить:

– Солнечные батареи;

– Термальные моторы. Глайдеры ведут свою историю от первых прототипов, разработанных в Институте океанографии Вудс-Холл, которые имели именно термальный привод (Slocum Thermal Glider). Ограничением использования служат в основном климато-метеорологические особенности районов применения;

– Радиоизотопные источники питания также представляют интерес, особенно учитывая богатый опыт отечественной промышленности в данной сфере. Возможными аргументами «против» являются, очевидно, повышенные требования к безопасности, неясный юридический статус и ответственность производителя и пользователя в случае утраты (потери или разрушения) аппарата, а также необходимость обслуживания аппарата в специально уполномоченных учреждениях;

– Генераторы на фазовом переходе. Недавно Океанографический институт Скриппса (США) сообщил об успешном окончании испытаний аппарата SOLO TREC, который питается от генератора на фазовом переходе. В процессе смены фазы рабочего тела изменяется ее объем, и посредством второго контура, в котором находится масло, приводится в движение крыльчатка генератора. Аппарат совершает погружение на глубину 500 м и обратно, за время одного погружения генератор вырабатывает приблизительно 1,7 Вт•ч. К сожалению, об отечественных версиях подобных генераторов никакой практической информации пока получить не удалось.

2. средства связи

В ходе работы над проектом стало очевидно, что необходимо предусматривать все возможные виды связи. В дополнение к уже имеющейся на аппарате станции цифровой радиосвязи, узлу Wi-Fi ближнего радиуса действия, 3G станции связи (используемой в отладочном режиме), в настоящее время добавляются модули гидроакустической связи (гидроакустический модем, с возможностью подводной навигации), спутниковой связи. Большой интерес вызывают ведущиеся в США работы по созданию лазерных и оптических подводных каналов связи. Системы основываются на сине-зеленых лазерах (470–570 нм), которые имеют минимальное энергорассеивание в морской воде (около

0,2 dB/м). Лазерная связь имеет высокую скорость (до 10 Кбс) и в ходе экспериментов устойчиво передавала даже потоковое видео. Малая продолжительность посылки, высокая скрытность и большой объем передаваемой информации делают оптические виды связи наиболее перспективными на относительно небольших расстояниях.

3. переход к гибридной модели движения

Для преодоления участков со сложной гидрологией, а также для проведения площадных гидроакустических обследований необходимо увеличение скорости движения аппарата до 2–3 узлов и соблюдение высотного коридора с достаточно большой точностью (горизонтальный полет). В силу физической природы механизма движения глайдер традиционной конструкции не в состоянии решить эти проблемы. Единственный выход – пожертвовать частично энергетической эффективностью и установить на аппарат традиционный двигатель с гребным винтом (хотя рассматриваются и альтернативные движители, например бионические). Данное направление открывает большой простор для исследований и разработок, в котором смогут быть применены передовые знания, накопленные в СССР и РФ в области гидродинамики, эффективности и скрытности гребных винтов.

выводы

При текущем состоянии дел для поддержания конкурентоспособности РФ в арктическом регионе выход можно найти только в создании современной, высокотехнологичной единой системы наблюдения за морем с высоким уровнем использования робототехнических средств, причем развертывание такой системы необходимо начинать в ближайшее время, или мы окажемся «за бортом».

Подводные глайдеры являются ключевыми элементами такой системы. ЗАО «НПП ПТ «Океанос» продолжит дальнейшую разработку и усовершенствование семейства автономных подводных аппаратов с целью повышения эффективности их работы.

Историческая справка о проекте

С 2011 г. совместной инициативной рабочей группой ФГБОУ СПбГМТУ с привлечением специалистов СамГТУ, ЗАО «НПП ПТ «Океанос», ФТУ им. Иоффе и другими научными

и производственными организациями ведется создание семейства морских робототехнических средств.

2012 г. – создан лабораторный практический образец подводного глайдера (рабочая глубина до 100 м), проведены испытания (СамГТУ)

2013 г. – сформулирована концепция создания и развития робототехнических средств

2013 г. – проведена серия гидродинамических расчетов для различной архитектуры глайдеров (СПбГМТУ)

2013 г. – создана математическая модель подводного глайдера (СПбГМТУ и ЗАО «НПП ПТ «ОКЕАНОС»)

2014 г. – создана и испытана в аэродинамической трубе твердотельная продувочная модель подводного глайдера (СПбГМТУ)

2014 г. – создан полноразмерный образец подводного глайдера (ЗАО «НПП ПТ «ОКЕАНОС»)

2014 г. – создан макет волнового глайдера (СамГТУ)

2014 г. –  создано ПО глайдера в режиме самостоятельной стабилизации движения по препрограммируемым заданиям и отработан интерфейс системы управления исполнительными механизмами (ЗАО «НПП ПТ «ОКЕАНОС»)

2014 г. – первые лабораторные испытания в испытательном бассейне (СПбГМТУ)

2015 г. – создано ПО глайдера в режимах теле- и автономного управления движением по препрограммируемым заданиям (ЗАО «НПП ПТ «ОКЕАНОС»)

2015 г. – интерфейс пользователя ПО унифицирован с ПО управления БПЛА

2015 г. – сотрудничество с компанией «Криотерм» по использованию радиоизотопных и термогенераторных энергетических модулей

2015–2016 гг. – запланированы широкомасштабные, в том числе длительные морские испытания

Б.А. Гайкович, к.т.н., заместитель генерального директора, ЗАО «НПП ПТ «Океанос»

ЗАО «НПП ПТ «ОКЕАНОС»
194295, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Есенина, 19/2
тел. +7 812 292 37 16
www.oceanos.ru

 

Партнеры