Планирующий и дрейфующий подводный аппарат

Планирующий и дрейфующий подводный аппарат (ПДПА) - автономный подводный аппарат (АПА) большой автономности (десятки месяцев) для проведения океанографических измерений в толще воды на глубинах до 2000 м, главным образом, при изучении глобальных и локальных подводных течений.
Известно, что перенос больших водных масс существенно влияет на изменение климата и погоды на Земле. Изучение подводных течений проводится с 1985 г. в океанах и морях в рамках международной программы WOCE (экспериментальное исследование циркуляции в Мировом океане).
Основными техническими средствами программы являются:
■ Поплавки нейтральной плавучести (ПНП) типа "SWALLOW", "SOFAR" и др.
■ Буи нейтральной плавучести (БНП) типа "RAFOS", "DYOGENE", "GCD", "ALACE", "ALFOS" и др., в основном, с начала 90-х гг. XX в.
■ Планирующие в толще воды АПА типа "SLOCUM" c 2000 г.
Основные характеристики технических средств:
■ Аппараты имеют бортовые измерительно-информационные комплексы, которые периодически передают собранные и частично обработанные данные измерений по одному или двум каналам управления и связи:
а) гидроакустическому - на систему якорных донных станций (ЯГАС);
б) воздушно-космическому - на искусственный спутник Земли (ИСЗ) при периодических всплытиях на поверхность воды.
■ Перемещения аппаратов в водном пространстве по глубине или в горизонтальной плоскости (в т.н. "наклонных траекториях") осуществляются только за счёт изменения остаточной плавучести аппарата.
■ Достаточно развитыми системами автоматического управления плавучестью (САУП) обладают только БНП и планирующие АПА, что позволяет им проводить измерения на заданных траекториях движения. Что касается ПНП, то отсутствие у них развитых САУП приводит часто к большим отклонениям от расчётной глубины дрейфа в изопикническом плавании.
■ САУП формирует управляющее воздействие в виде изменения величины и знака остаточной плавучести у аппарата. Исполнительный тракт (ИТ) САУП состоит из балластной цистерны в прочном корпусе аппарата, блока распределительных электромагнитных клапанов, мягкой емкости в проточном отсеке аппарата и гидронасоса рабочей жидкости. Аппарат всегда имеет постоянную массу, но его объём может изменяться при подаче (или откачке) гидрожидкости в мягкую ёмкость из балластной цистерны прочного корпуса.
■ При прочих равных условиях основным потребителем энергии от бортового источника является исполнительный тракт САУП. Иными словами автономность АПА всегда существенно зависит как от типа ИТ, так и от принятого алгоритма работы САУП.
■ Основным недостатком АПА типа ПНП и БНП является большой расход АПА из-за безвозвратных потерь при случайных попаданиях аппаратов в боковые или тупиковые ветви магистральных подводных течений. Основная причина - отсутствие способности активного перемещения в горизонтальной плоскости.
■ Основным недостатком планирующих АПА, при использовании их для целей изучения подводных течений в длительных режимах, является отсутствие у них таких САУП, которые обеспечивали бы режимы дрейфа в заданном диапазоне глубин. Используемая в САУП АПА типа ,,SLOCUM" термальная машина не эффективна в режимах дрейфа с достаточно узким диапазоном глубин.
Новое качество САУП может быть достигнуто за счёт применения:
■ ИТ на основе аккумуляторов давления в cочетании с микронасосами, что позволит повысить быстродействие и экономичность работы системы.
■ Cовершенных алгоритмов управления в САУП и САУ пространственным движением ПДПА при использовании таких принципов, как:
■ координатное программное управление;
■ терминальное управление;
■ поисковое адаптивное управление.
В результате управляющее воздействие САУП при управлении ПДПА в заданном диапазоне глубин во всех режимах: планирования, стабилизации и изопикнического плавания, сведется к формированию определенных последовательностей трапецеидальных по форме импульсов плавучести. Работоспособность алгоритмов управления была проверена компьтерным моделированием.
Предварительные исследования ГМТУ показывают принципиальную возможность создания такого универсального АПА, обладающего всеми достоинствами существующих БНП и планирующих АПА, но при этом был бы лишен их недостатков.
В последнее время в США созданы и испытаны в морских условиях экспериментальные образцы бесшумных автономных планирующих подводных аппаратов (АППА) типа "Сиглайдер" (Seaglider) и "Слокум" (Slocum).
Перемещение указанных АППА в водном пространстве осуществляется путём планирования за счёт изменения их плавучести. Эти аппараты имеют различные пропульсивные установки: "Сиглайдер" - электрическую (на основе перекачки постоянного балласта масла из емкости в прочном корпусе в емкость, расположенную в проточном отсеке; поэтому этот аппарат, для краткости, часто называют "электрическим"), а "Слокум" - термальную (на основе т.н. "термальной машины", которая, по сути, заменяет собой масляную помпу, но работает не от бортового источника энергии, а берёт энергию из окружающей водной среды; поэтому и сам аппарат, для краткости, часто называют "термальным"). Оба аппарата предназначены для сбора океанографической информации в условиях большой автономности (от нескольких месяцев до 5 лет) и больших дальностей хода (тысячи миль), а также при крайне низких затратах на их эксплуатацию по сравнению с традиционными средствами океанографии. Следует особо отметить, что в США решены две важные проблемы эксплуатации планирующих подводных аппаратов, а именно:
■ использование больших групп аппаратов (флотилий), образующих большие подвижные пространственно- временные структуры, в любых районах Мирового океана и имеющих надёжную двухстороннюю связь по каналу спутниковой связи с единым Центром Управления на берегу во время всплытия одного из аппаратов на поверхность воды;
■ обмен информацией между планирующими аппаратами, например, работающими в одной и той же подвижной сети.
Во всех исследованиях и разработках в области АППА активно участвует ВМФ США. Более подробная информация содержится на следующих сайтах в интернете:
(marine.rutgers.edu/cool/coolresults/papers/LizCreed_slocumglider.pdf)
(onr.navy.mil/sci_tech/ocean/reports/docs/om/02/omfra256.pdf)
(home.earthlink.net/~djyaz/toasters/gliders.html)
(robots.net/article/older.html?start=1457)
(webbresearch.com/slocum/htm)
(you.com.au/news/1314.htm)
Литература:
1. E.J.Lindstrom,W.D.Nowlin Jr. WOCE: Impetus for New Instrument Developments. Sea Technology, November 1989, p. 31-37.
2. В.М.Журомский, В.М.Плужников. Автоматическое управление движением роботов-носителей гидрофизической аппаратуры. Москва: МИФИ,1988, 23 с.
3. И.Б. Иконников, В.М. Гаврилов, Г.В .Пузырёв. Подводные буксируемые системы и буи нейтральной плавучести. СПб.: Судостроение, 1993, 224 с.
4. V.M. Gavrilov. Hydrodynamics of AUTV drifting on pre-set depths. Transactions of CRF-94, St. Petersburg, 1994, v.1., p. 166-170
5. V.M.Gavrilov. Control algorithms of research AUVs drifting on pre-set depths. Transactions of CRF-96, St.Petersburg, 1996, v.1., p. 398-409
Proposal for the 4th RDT Programme MAST-3, Marine Science and Technology 1994-1998.
5. GLIDE (Autonomous Underwater Gliding Vehicle for Oceanographic Applications. Reference Number MAST-3 PL96-1134 ), October 1996.
6. V.M. Gavrilov. New Possibilities of Autonomous Gliding and Drifting Vehicles in Oceanography. Report on the Seminar in the Department of Ocean Engineering, Florida Atlantic University, USA, February, 2002.