Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов

Приведены тактико-технические характеристики, особенности конструктивного и технического исполнения существующих автономных необитаемых подводных аппаратов и рассмотрены концептуальные подходы к разработке перспективных....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автори:	Голод, О.С., Гончар, А.И., Шлычек, Л.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України 2007
Назва видання:	Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану)
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19199
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов / О.С. Голод, А.И. Гончар, Л.И. Шлычек // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2007. — № 4. — С. 85-102. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-19199
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-191992011-04-23T12:03:53Z Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов Голод, О.С. Гончар, А.И. Шлычек, Л.И. Приведены тактико-технические характеристики, особенности конструктивного и технического исполнения существующих автономных необитаемых подводных аппаратов и рассмотрены концептуальные подходы к разработке перспективных. Наведено тактико-технічні характеристики, особливості конструктивного та технічного виконання існуючих автономних ненаселених підводних апаратів та розглянуті концептуальні підходи до розробки перспективних. Performance characteristics, design and technical performance features of existing unmanned AUVs have been specified and conceptual approaches for the development of perspective ones have been considered. 2007 Article Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов / О.С. Голод, А.И. Гончар, Л.И. Шлычек // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2007. — № 4. — С. 85-102. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1815-8277 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19199 629.127.4.001.2; 551.46.077 ru Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Приведены тактико-технические характеристики, особенности конструктивного и технического исполнения существующих автономных необитаемых подводных аппаратов и рассмотрены концептуальные подходы к разработке перспективных.
format	Article
author	Голод, О.С. Гончар, А.И. Шлычек, Л.И.
spellingShingle	Голод, О.С. Гончар, А.И. Шлычек, Л.И. Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану)
author_facet	Голод, О.С. Гончар, А.И. Шлычек, Л.И.
author_sort	Голод, О.С.
title	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов
title_short	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов
title_full	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов
title_fullStr	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов
title_full_unstemmed	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов
title_sort	перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов
publisher	Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
publishDate	2007
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19199
citation_txt	Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов / О.С. Голод, А.И. Гончар, Л.И. Шлычек // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2007. — № 4. — С. 85-102. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану)
work_keys_str_mv	AT golodos perspektivyikoncepciirazrabotkiavtonomnyhneobitaemyhpodvodnyhapparatov AT gončarai perspektivyikoncepciirazrabotkiavtonomnyhneobitaemyhpodvodnyhapparatov AT šlyčekli perspektivyikoncepciirazrabotkiavtonomnyhneobitaemyhpodvodnyhapparatov
first_indexed	2025-07-02T20:06:04Z
last_indexed	2025-07-02T20:06:04Z
_version_	1836566985821913088
fulltext	Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 85 УДК 629.127.4.001.2; 551.46.077 ПЕРСПЕКТИВЫ И КОНЦЕПЦИИ РАЗРАБОТКИ АВТОНОМНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ © О.С. Голод, А.И. Гончар, Л.И. Шлычек, 2007 Государственный Северо-Западный технический университет, г. Санкт-Петербург Научно-технический центр панорамных акустических систем НАН Украины, г. Запорожье Наведено тактико-технічні характеристики, особливості конструктивного та технічного виконання існуючих автономних ненаселених підводних апаратів та розглянуті концептуальні підходи до розробки перспективних. Приведены тактико-технические характеристики, особенности конструктивного и технического исполнения существующих автономных необитаемых подводных аппаратов и рассмотрены концептуальные подходы к разработке перспективных. Performance characteristics, design and technical performance features of existing unmanned AUVs have been specified and conceptual approaches for the development of perspective ones have been considered. НЕОБИТАЕМЫЕ ПОДВОДНЫЕ АППАРАТЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АНПА, АВТОНОМНОСТЬ, ПРИМЕНЕНИЕ, СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ Начиная с 60-х годов за рубежом ведутся интенсивные фундаментальные и прикладные работы по созданию необитаемых подводных аппаратов, способных решать поставленные задачи автономно. Вслед за США, Канадой, Великобританией и Францией в конце 80-х годов активизировали исследования в области аппаратостроения Норвегия, Япония и Италия. Автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) с различной степенью автоматизации, предназначены для поиска и обследования подводных объектов, проведения гидрологических и океанологических исследований, использования в военных целях [1]. Основная часть работ производится на глубинах до 1000 м. Только около 30 % АНПА имеют рабочую глубину погружения свыше 1000 м, остальные - рабочую глубину менее 1000 м; глубоководных АНПА (с рабочей глубиной 6000 м и более) - единицы. По мнению зарубежных специалистов, основными преимуществами АНПА перед аппаратами других типов являются: - отсутствие кабель-тросовой связи с судном-носителем и соответственно определяемых ею недостатков; - способность функционировать в местах, недоступных для других типов ПА; - скрытность функционирования; - высокая мобильность. С точки зрения стоимости эксплуатации использование АНПА экономичнее по сравнению с обитаемыми подводными аппаратами (ОПА) и буксируемыми НПА, ибо не требует судов-носителей, оборудованных специализированными спуско-подъемными устройствами. Последнее в свою очередь предопределяет снижение общей стоимости выполнения задачи за счет высокой степени готовности и мобильности АНПА к доставке в район выполнения работ. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 86 По своим функциональным возможностям АНПА предназначены для выполнения следующих подводно-технических работ: - длительное маневрирование по заданной программе в водном пространстве с одновременным проведением разнообразных океанологических, гидрофизических, гидрографических и биологических исследований; - проведение поиска и обследования затонувших объектов; оборудование районов донными маяками-ответчиками; обследование нижней кромки ледяных полей, оценки толщины и характера ледяного покрова, подледная гидрология; - поиск полезных ископаемых на больших глубинах и предварительное определение химического состава геологических образований; - обследование и обслуживание подводных кабельных линий, трубопроводов и других сооружений; - поиск и идентификация объектов с заранее заданными свойствами; работа в агрессивных средах; - выполнение специальных задач в интересах ВМС, таких как разведка, противолодочная и противоминная борьба, диверсионные акции, слежение. Динамику развития АНПА в различных странах, а также основные характеристики нельзя оценивать однозначно (табл. 1). Уровень современной техники и технологии, применяемых при разработке и создании АНПА, не позволяет реализовать все потенциальные возможности аппаратов этого класса. Мала их автономность из-за низкой энергоемкости источников энергии, слабо развита система манипуляторов, низок уровень использования искусственного интеллекта (ИИ) в системах управления [2]. В начале 80-х годов ведущими фирмами в области подводного аппаратостроения были предприняты попытки обоснования концепции развития АНПА будущего на основе использования нетрадиционных методов. Так, на 4-м международном симпозиуме по проблемам развития АНПА, состоявшемся в июне 1985 г., впервые были сформулированы основные технические требования к АНПА 21 века. Наметилась тенденция образования международных консорциумов в обеспечение развития перспективных АНПА с соблюдением общей концепции их создания. АНПА 21 века [1—10] представляются зарубежным специалистам как аппараты, обладающие: большой автономностью (до 200 ч); развитой системой манипуляторов; высокоорганизованной «интеллектуальной» системой управления (СУ), реализующей такие функции, как распознавание образов, принятие решений в условиях частичной и полной неопределенности, адаптация к внешним воздействиям. В области создания АНПА взаимодействует большое количество различных фирм, только в США их задействовано более 36, объединенных под эгидой МО через ВМС и управление DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), а в Японии - более 250 фирм. К числу достижений по отработке технологий создания перспективных АНПА можно отнести ПА UUV, ХР-21 (рис. 1) Sea Squirt (США), DOLPHIN, DOGGIE (Великобритания), RTV-KAM (Япония), ARUS (Европейский консорциум). Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 87 Таблица 1. Автономные необитаемые подводные аппараты. Год создания Название Рабочая глубина, м Назначение Разработчик 1963 SPURV 1 6000 (Гидрологические измерения (ГЛИ) Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета (UW / APL) 1972 UARS 457 Подледное картографирование То же 1973 SPURV 2 6000 ГЛИ То же 1975 OSR-V 250 Океанологические исследования (ОЛИ) Ассоциация передовой морской технологии (Токио) 1977 100 Испытательная «платформа» (ИП) Научный центр морской технологии (Йокосука) 1979 EAVE 3 914 То же Лаборатория морских систем Нью- Гэмпширского университета EAWE West 610 - Центр морских систем ВМС (NOSC) RUMIC - Противоминный Центр прибрежных систем ВМС (NCSC) UFSS 357 Поиск и обследование (ПО) Исследовательск. лаборатория ВМС (NRL) 1980 Pinguin A1 200 То же MBB GmbH (Бремен) CSTV Обеспечение испытаний ПЛ (ОИПЛ) NCSC 1982 Rover 100 Инспектирование подводных объектов (ИПО) Университет Herriot-Watt (Эдинбург) Robot 2 91 Инспектирование дна МТИ B-1 90 Исследование гидродинамики (ИГД) NUSK 1983 AUSS 6000 ПО NOSK Telemine 150 Уничтожение кораблей Teksea (Лугано, Швейцария) TM 308 400 ИПО Tecnomare SpA (Венеция) Epaulard 6000 Фотографирование дна IFREMER (Париж) 1984 ARCS 400 Подледное картографирование International Submarine Engineering LTd (США) AUV - ИГД Rockwell International 1985 Submarine Robot 500 ИП JAMSTEC (Йокосука) 1986 PLA 2 5000 Сбор ЖМК C.E.A. / IFREMER 1987 ELIT 1000 ИПО IFREMER/Comex 1988 LSV - ОИПЛ NCSC XP-21 610 ИП Applied Remote Technology ( Сан-Диего) MUST 610 То же Martin Marietta Corp. (США) Sea Squirt 61 ИП MIT Sea Grand RUV 250 Биологические исследования UW/APL ACTV 250 ГЛИ То же 1989 UUV (1) 1000 ИП Лаборатория Дрепера (Массачусетс) FSMNV - Противоминный NOSC PTEROA 6000 Исследование дна (ИД) Institute of Industrial Science (Токио) То же Sasebo High Tech Co. (Япония) Waterbird 100 ИП Лаборатория Дрепера 1990 UUV (2) 1000 ИД JAMSTEC UROV – 200J 2000 Картографирование SUTEC (Швеция) 1991 AROV 2000 То же То же 1992 Doggie - Противоминный Lockheed Missiles & Space Co. 6000 ОЛИ Yard Ltd. (Ijnkfylbz) Dolphin 6000 - То же 1993 ARUS - ИД EUREKA 1995 LR 6000 250 - Kockums (Швеция) Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 88 В 1988 г. управление по перспективным оборонным исследованиям США DARPA заключило контракт с лабораторией Дрепера на проведение программы, в рамках которой предусматривалась разработка двух экспериментальных образцов АНПА UUV (на сумму 23 млн. дол.), предназначенных для ведения противолодочной и противоминной борьбы в Арктическом бассейне на глубинах до 1000 м. Предполагалось, что носителями АНПА UUV будут (к 2000 г.) АПЛ SSN21 и (к 2005 г.) «Los Angeles» SSN688 [3]. Рис.1 - АНПА ХР-21 Одновременно с этим были заключены контракты еще с рядом фирм. Отделение Aero and Naval Systems Div. фирмы Martin Marietta (США) получило 14,8 млн. дол. на разработку общей концепции, а также системы управления верхнего уровня с элементами ИИ, обеспечивающими обзор и кадрирование минных полей, размещение на дне маяков- ответчиков, буксировку гидроакустической антенны, распознавание образов, принятие решения на маневрирование и применение оружия дальнего действия. АНПА UUV, тело вращения длиной 11 м, диаметром 1,12 м, массой 6,8 т, оснащено фото- и видеоаппаратурой, набором тактильных датчиков, гидролокаторами, устройством лазерной подсветки телевизионной камеры. В качестве источника энергии предполагалось использование на этапе испытаний серебряно-цинковой аккумуляторной батареи общей массой 2,3 т, которая может обеспечить дальность хода АНПА до 360 миль со скоростью 4,5 уз., максимальную скорость хода АНПА предполагается довести до 10 уз. (рис. 2). Рис. 2 - Общий вид проекта АНПА UUV (DARPA): 1 — блок аппаратуры обнаружения; 2 — носовая дифферентная система; 3 — источники энергии; 4 — система управления; 5 — блок полезной нагрузки; 6 — движительный комплекс; 7 — кормовая дифферентная система. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 89 Система управления АНПА должна обладать функциями самообучения, принятия решения по маневрированию, распознавания гидроакустических образов. Фирме Lockheed Missiles and Space Co (США) выделено 15,8 млн. дол. на разработку и изготовление прототипов аппаратуры, обеспечивающей обнаружение и распознавание миноподобных объектов [1, 3, 4]. Массачусетский технологический институт совместно с лабораторией Дрепера по заказу фирмы NOAA Sea Grant разрабатывал малогабаритный АНПА Sea Squirt, предназначенный для использования в качестве испытательной платформы системы искусственного интеллекта АНПА. Этот аппарат имеет форму цилиндра с наружным диаметром 22,1 см, оборудован двумя гребными двигателями для продольных и одним для вертикальных перемещений. В качестве источника электроэнергии используется серебряно- цинковая аккумуляторная батарея. Рабочая глубина аппарата составляет 60 м, масса без груза 28,6 кг. Ориентировочная стоимость не превышает 30 тыс. дол. [5]. Достаточно большой интерес, по мнению зарубежных специалистов, представляет использование АНПА в качестве платформ для испытания различного оборудования и систем. Так, с помощью разработанного в 1988 г. фирмой Applied Remote Technology, Inc. (США) АНПА ХР-21 предполагается отрабатывать и испытывать навигационную и связную аппаратуру, а также системы управления движением больших АНПА (рис. 3). Рис. 3 - АНПА ХР-21 (вид сбоку) АНПА ХР-21 может использоваться как в автономном, так и в привязном варианте. Управление АНПА ХР-21 в надводном положении производится по радиолокатору, в подводном - по программе или другими способами, например, с помощью проходящего на нем испытания модуля системы автоматического управления НПА. Объем финансирования программ Darpa в 1990 и 1991 гг. доведен до 100 млн. дол., а к 2000 г. - до 500 млн. дол. в год. Помимо США существенные ассигнования выделяют, например, Япония - более 43 млн. дол., консорциум европейских государств EUREKA - более 60 млн. дол. Консорциумом Европейских стран и США разработан АНПА ARUS, предназначенный для научных исследований. АНПА с рабочей глубиной 6000 м и водоизмещением 0,5 т имеет дальность хода до 2000 км при скорости 5 уз. АНПА оснащен впередсмотрящим гидролокатором, гидролокатором бокового обзора (ГБО), профилографом и эхолотом (рис. 4). Корпус аппарата изготовлен из композитных материалов и металла. В качестве источника энергии на АНПА ARUS выбран дизель, работающий по замкнутому циклу, Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 90 обеспечивающий мощность 5-10 кВт, вполне достаточную для обеспечения хода и работы электронного оборудования. Рис. 4 - Проект АНПА ARUS: 1-электромагнитный лаг; 2,6-балластные цистерны; 3 – люк для сброса балласта/загрузки (drop weight /shot hopper); 4- рабочий объем; 5 – преобразователь ГБО; 6, 7 – ТВК и навигационная ГАС Система управления АНПА будет совершенствоваться поэтапно: от работающей по «жесткой программе» до полностью автономной (интеллектуальной). В 1987 г. в Великобритании океанографической лабораторией Proudman при сотрудничестве ученых Совета по изучению окружающей среды NERC (Natural Environment Research Council) начаты работы по программе Autosub (Autonomous Unmanned Submersible). В рамках программы предполагалось создание двух АНПА, которые откроют большие возможности для проведения исследований в области навигации, рыболовства, эксплуатации подводных месторождений, прогнозирования погоды. Один из них, АНПА DOLPHIN (Deep Ocean Long Path Hydrographic Instrument) (рис. 5), предназначен для измерений в толще воды. Рис. 5 - АНПА DOLPHIN: 1- антенны системы Argos и GPS; 2- блок управления рулями; 3 – балластная цистерна; 4 - источники энергии, система управления и полезная нагрузка. Аппарат может быть использован для сбора информации на маршруте в режиме программного управления. Он будет погружаться и двигаться вблизи дна, всплывая через каждые несколько десятков километров, чтобы передать на ИСЗ системы GPS информацию для последующей ретрансляции ее на наземные станции и приема новой программы действий. Основной проблемой при создании АНПА DOLPHIN является оснащение его компактным источником электроэнергии с высокими удельными характеристиками, как предполагается, литиевыми источниками тока. К другим проблемам, которые предстояло решить при создании АНПА DOLPHIN, относятся: выбор материала конструкции и формы корпуса, обеспечивающей низкое гидродинамическое сопротивление, обеспечение спутниковой телеметрией и навигацией, а также внедрение в систему управления элементов искусственного интеллекта. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 91 AHПА DOGGIE (Deep Ocean Geological and Geophysical Instrumented Explorer), в котором используется ряд систем АНПА DOLPHIN, предназначен для решения совершенно других задач (рис. 6). Аппарат будет опускаться к морскому дну и, двигаясь по заданному маршруту с высокой точностью при отстоянии от грунта от 50 до 500 м, производить картографирование дна с помощью комплексной акустической аппаратуры (ГБО, профилографа, доплеровского лага). Собранные данные будут передаваться на судно обеспечения при возвращении аппарата на борт. Форма корпуса АНПА DOGGIE определяется в большей степени необходимостью размещения научной аппаратуры, чем требованием снизить (как в АНПА DOLPHIN) гидродинамическое сопротивление, поскольку дальность и продолжительность его плавания меньше. Оба аппарата должны быть приспособлены для решения возлагаемых на них задач в сложной, всегда изменяющейся окружающей среде, а также должны удовлетворять научным требованиям выборки данных, когда возникает потребность в них [6]. Рис. 6 - АНПА DOGGIE: 1- антенны системы Argos; 2 - балластная цистерна; 3 — аппаратура управления и полезная нагрузка; 4 — блок управления рулями; 5 — доплеровская навигационная аппаратура; 6 — источник питания; 7 — профилограф, 8 — гидролокатор обхода препятствий. Фирмы Kansai Electric Power и Mitsui Engineering & Shipbuilding (Япония) совместно разработали необитаемый ПА RТV - КАМ. При осмотре морского дна он способен перемещаться как самостоятельно, так и на буксире. Главные размерения аппарата 1,84х0,63х0,54 м, максимальная скорость при самостоятельном движении 3 уз. АНПА оснащен поворотной видеокамерой, обеспечивающей сектор обзора 350° (рис. 7). Максимальная глубина использования 90 м [7]. Рис. 7 - АНПА RTV-KAM Фирма Challenger Oceanics приступила к проектированию АНПА LR – 6000 с двигателем Стерлинга фирмы Kockums (Швеция), который будет способен проходить до Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 92 6000 км со скоростью до 8 уз. и при этом нести полезную нагрузку массой до 1500 кг (табл. 2). Таблица 2. Параметры и оборудование АНПА Наименование (страна) TTX Оборудование Рабочая глубина, м Масса, кг Автоном- ность,час Скорость, уз. Тип СУ ГАС ВК НГС ФК 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 XP-21 (США) 60 . 28 3-4 П, ИИ + - + - Sea Sqirt (США) 60 30 10-12 3 ИИ + - + - UUV (США) 1000 68000 . До 10 ИИ + . + . ARUS (США) 6000 . 240 5 П, ЭИ + + + + LR-6000 (США) >250 12600 380 8 П, ЭИ + . + . DOLPHIN (Великобритания) 6000 . 100 3-4 П + - + + DOGGIE (Великобритания) 6000 . 100 3-4 П + - + + RTV-KAM (Япония) 30 . 6-8 3 П, ЭИ + + + + Обозначения: ВК – видеокамера; ФК – фотокамера; НГС – навигационная гидроакустическая система; П – программа; ЭИ – элементы искусственного интеллекта. Центр океанических систем NOSC (Naval Ocean Systems Center) провел в 1989- 1990 гг. морские испытания аппарата поисково-обследовательского назначения AUSS, на базе которого прорабатывается возможность создания противоминного АНПА FSMNV (Free- Swimming Mine Neutralization Vehicle). Вудсхолский океанографический институт WHOI (Woods Hole Oceanographic Institute) занят проблемой увеличения автономности плавания малогабаритного АНПА научно- исследовательского назначения до нескольких месяцев, а также создания АНПА - испытательной платформы (продолжение программы Jason) [1]. Помимо научно-исследовательских институтов и организаций, проблемами разработки перспективного АНПА заняты промышленные концерны. Так, например, фирма Boeing Aerospace (США) разрабатывает энергетическую установку АНПА, которая может вырабатывать 1000 кВт⋅ч электроэнергии в течение 10 дней, фирма Eltech Research Corp. (США) — электрохимические источники энергии (ИЭ) на основе кислорода и алюминия с энергоемкостью до 200—300 кВт⋅ч. В США начаты исследования по созданию энергетических установок для АНПА, использующих для сжигания топлива кислород, полученный из морской воды с помощью специального устройства «искусственные жабры». Средние затраты энергии составляют порядка 1,33 Вт⋅ч на литр получаемого кислорода, предполагается добиться производительности получения кислорода до 150 л/мин, что позволит применять в АНПА двигатели внутреннего сгорания. Продолжаются интенсивные исследования, направленные на создание литиевых источников энергии с высокими удельными характеристиками. В частности, в США успешно проведены испытания источников энергии с литиевым анодом, применение которых позволит повысить удельную энергоемкость в 2 - 6 раз по сравнению с Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 93 традиционными. Литиевые ИЭ, по мнению зарубежных специалистов, обладают рядом преимуществ, таких как: - широкий диапазон рабочих температур; - высокая вибростойкость; - длительный срок хранения; - высокие удельные характеристики; - малые масса и габариты [1]. В качестве перспективной рассматривается возможность применения малогабаритных ядерных источников энергии. Фирмой Westinghouse Electric Corp. (США) ведутся исследования по увеличению дальности хода АНПА за счет ламинаризации пограничного слоя воды у корпуса АНПА, что позволит значительно снизить гидродинамическое сопротивление движению аппаратов. В частности, исследуется возможность введения в пристенную область турбулентного потока жидкости добавок высокомолекулярных соединений. Сопротивление трения даже при введении незначительных концентраций полимерных растворов, например, полиокса, уменьшается по некоторым оценкам на 80 %: для достижения максимального эффекта снижения турбулентного трения достаточно 0,01-0,02 % полимера в растворе (рис. 8). Рис. 8 - Система ввода полимерных добавок в пограничный слой АНПА: 1— отсек с электронной аппаратурой; 2 — кольцевая щель; 3 — поток раствора полимера, 4 — емкость с полимером; 5 — смесительная емкость; 6 — подогреватель воды; 7 — клапан, 8 — насос; 9 — водозаборник. Еще один способ уменьшения сопротивления движению путем ламинаризации - отсос пограничного слоя. При этом: уменьшается толщина пограничного слоя и соответственно снижается тенденция его перехода в турбулентное состояние; происходит смещение точек ламинарно-турбулентного перехода в направлении потока жидкости. Отсос пограничного слоя происходит через проницаемую обшивку - тонкую металлическую оболочку, перфорированную отверстиями небольшого диаметра. Лазерным лучом «просверливаются» мельчайшие отверстия по всей поверхности, из расчета 250 отверстий на квадратный сантиметр. Национальным научно-исследовательским институтом в Нью-Гемпшире проводятся исследования по созданию экспертной системы для управления и обработки информации АНПА. В частности, изучаются проблемы: - разработки методов одновременной обработки цифровой информации и информации в виде символов; - самоанализа состояния системы управления; Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 94 - функционирования системы управления АНПА в реальном масштабе времени. Проблемами формирования базы знаний системы ИИ для АНПА занимаются университеты Карнеги - Меллона, Атлантический (во Флориде). Центром Systems and Research Center (США) фирмы Honeywell и группой Ground Systems Group (США) фирмы Hughes Aircraft разрабатывается действующий макет «интеллектуальной» СУ, обеспечивающей функционирование АНПА в недетерминированной среде в условиях неопределенности и управление в супервизорном режиме по гидроакустическому каналу связи путем передачи речевых команд. СУ АНПА позволит использовать АНПА в программном режиме, причем непосредственно оператор программы сможет вводить в виде формализованных задач на естественном языке. Поскольку проницаемость поверхности связана с градиентом давления, для обеспечения равномерности отсоса она должна быть переменной по длине корпуса. Это достигается подбором диаметра и расположением отверстий при изготовлении обшивки (рис. 9). Рис. 9 - Система отсоса пограничного слоя АНПА: 1 – корпус АНПА; 2 – перфорированная обшивка; 3 – водосборный канал; 4 – осевой насос. Особое место в исследованиях по созданию АНПА занимает проблема автоматизации систем управления. Лабораторией морских исследований (США) разрабатываются системы дальней подводной навигации, позволяющей обеспечить контроль за местоположением АНПА на удалении более 100 миль, а также малогабаритный топливный источник энергии для обследовательских АНПА. Центр военно-морских систем Naval System Warfare Center (NSWC) совместно с Техасским университетом отвечает за системы наблюдения и слежения за АНПА. Динамика совершенствования СУ АНПА позволяет определить концептуальный подход к их развитию. Наиболее перспективным направлением автоматизации АНПА, по мнению зарубежных специалистов, является проведение фундаментальных и прикладных исследований в области внедрения средств и методов ИИ в СУ АНПА. Интеллектуальный АНПА должен эффективно действовать в условиях частичной и полной неопределенности в недетерминированной среде. При этом СУ АНПА, независимо от его функционального назначения, должна обеспечивать движение по маршруту, выбор оптимальных режимов движения в зависимости от поставленной задачи и внешних условий, принятие решения на выполнение задачи, распознавание образов, донесение о выполняемой работе, возвращение в заданную точку. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 95 Основные направления исследований в области применения ИИ (в том числе и для СУ АНПА): - разработка экспертных систем; - создание робототехнических средств; - создание систем распознавания образов. Совокупность интеллектуальных функций СУ АНПА: распознавание образов, обучаемость, самообучаемость; устранение неточности, неопределенности, противоречивости и избыточности информации; адаптация к внешним условиям; автоматический синтез алгоритмов принятия решения. Реализовать интеллектуальные функции в СУ АНПА, по мнению зарубежных специалистов, можно, если строить ее по иерархическому принципу в виде, как минимум, двухуровневой структуры. Так, например, в лаборатории проблем ИИ университета Heriott Watt разработана интеллектуальная СУ АНПА (рис. 10). Рис. 10 - Адаптивная система управления АНПА 1 – супервизорная связь; 2 – уровень микрокоманд, 3 - система распознавания образов, 4 - система принятия решений, 5 - система координации режимов работы, 6 - система адаптации, обучения и самообучения, 7 - уровень микрокоманд, 8 - система планирования и программирования действий, 9 – система управления движением, 10 – информационно-измерительная система (система сенсорных и тактильных датчиков), 11 – внешняя среда, 12 – исполнительные механизмы 1 3 4 5 6 8 10 9 11 12 Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 96 В рамках программы Autonomous Land Vehicle Program разрабатывается и технология адаптивных СУ АНПА, позволяющих производить выбор режима работы, движение по программе и обход препятствий. Двухуровневая СУ АНПА представляет собой аппарат управления, основанный на взаимосвязи уровней макрокоманд (стратегический уровень) и микрокоманд (тактический). На уровне макрокоманд СУ решает задачи принятия решения и выработки стратегии поведения, задачи распознавания образов и адаптации. На уровне микрокоманд — планирование действий АНПА на основе модели внешней среды и получаемых команд управления. Доминирующее положение в общей структуре СУ АНПА занимает система управления функционированием АНПА. Вместе с тем без наличия высокоразвитой измерительно-информационной системы ее функционирование невозможно. Концепцией создания АНПА с ИИ предусматривается его оснащение комплексом сенсорных и тактильных датчиков (рис. 11). Рис. 11 - Система сенсорных и тактильних датчиков перспективных АНПА 1 – датчик глубины; 2 – гидролокатор, 3 – магнитный компас, 4 – ВК с видеомагнитофоном, 5 – измеритель отстояния от грунта, 6 - магнитометр, 7 – маяк-ответчик. Модель функционирования такой СУ АНПА представляется как реализация отдельных подфункций, структуированных определенным образом (рис. 12) Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 97 Рис. 12 – Модель функционирования АНПА. СУ АНПА представляет собой многоуровневую систему замкнутого типа с информационным обменом между функциональными уровнями (рис. 13) Перемещение Погружение Всплытие Движение в толще воды Зависание Наблюдение (ТВ) Обследователь- ские функции Классификация Маневр обхода Классификация Отклик Обследование Обход препятствия Энергия Смещение Поворот Вращение Зависание Смещение Разворот Вращение Свободное погружение Всплытие Стоп Движение по вплытию и погружению Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 98 Рис. 13 - Многоуровневая система управления замкнутого типа СУ АНПА с ИИ предполагает определенный порядок функционирования. На основании первоначального плана действий, заложенного в бортовую ЭВМ, включающего информацию о районе, гидрологических характеристиках и характере грунта, блоком выбора стратегии определяется наиболее эффективный способ решения поставленной задачи без учета внешних воздействий, маршрут следования (характер маневрирования), скорость и глубина хода. Подготовленный к работе АНПА выполняет маневрирование посредством движительно-рулевого комплекса, осуществляет наблюдение посредством сенсорной системы. При этом непрерывно происходит учет аномалий, вносимых внешней средой, и корректировка стратегии поведения АНПА. На основании исходных данных и данных, получаемых от сенсорной системы, производится распознавание образов и принятие решений на выполнение поставленной задачи. Основой системы управления с элементами ИИ является база знаний, сформированная на основе базы данных по соответствующим правилам управления. Пожалуй, наиболее сложной проблемой, как в формировании базы знаний, так и в извлечении информации, является проблема распознавания образов, обусловленная недостаточностью исходной априорной информации об объектах распознавания. Так, например, АНПА поисково-обследовательского назначения должны распознавать объекты, Первоначальный план действий Выбор стратегии Первоначальный план действий Маневрирование Выбор маршрута Навигационное ориентирование Управление движением Обработка сигналов Управление исполнительными механизмами Сенсорные и тактильные датчики Движители НПА Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 99 находящиеся на грунте, в том числе частично заиленные, частично или полностью разрушенные. Поскольку статистическая информация такого рода практически отсутствует, то формирование базы данных становится проблематичным. Вместе с тем, в перспективе такого рода проблемы должны решаться за счет совершенствования системы правил управления, обеспечивающих принятие решения в условиях частичной или полной неопределенности. Разработка АНПА рассматривается за рубежом как одно из наиболее перспективных направлений освоения океана в гражданских и военных целях. Отмечается тенденция к образованию международных консорциумов в обеспечение проведения фундаментальных и прикладных исследований по созданию перспективных АНПА, что характеризует сложность решения проблемы. Наряду с традиционными тенденциями совершенствования подводно-технических средств, таких как улучшение массогабаритных характеристик, расширение диапазона рабочих глубин, оснащение высокопроизводительным оборудованием, наметилась тенденция перехода на качественно новый уровень АНПА за счет: применения нетрадиционных высокоэнергоемких источников, обеспечивающих автономность до нескольких месяцев; внедрения средств и методов ИИ, позволяющих наделить перспективные АНПА элементами разумной деятельности, в частности, при раскрытии и анализе обстановки, адаптации к изменениям, принятии решения. Основные модели современных автономных подводных аппаратов приведены в приложении А. Литература 1. Sea Technology, 1985, V.26, № I, P. 60-62; 1990, V. 31, № 5, P. 65, 67, 69, 71, 73. 2. Илларионов Г.Ю., Карпачев А.А. Исследовательское проектирование автономных необитаемых подводных аппаратов. Владивосток: Дальнаука, 1998. 3. USN1P, 1988,114. V1I1. № 8(1027), 123, 124. 4. Defense News, 1990.5,9/IV, № 15, 61. 5. Bulletin of the Society of Naval Architects of Japan, 1988, №11,7. 6. Underwater Technology, 1990, V. 15, № 4, P. 19—25. 7. Marine Log, 1987, 92, № 13, 54. 8. AUV’90, 1990, 5--6/V1, Вашингтон, Problems of Autonomous ROVs. 9. “Intervention ‘1990”, 25—27/VI, Ванкувер. 10. ROV-90 Transactions 11. Судостроение за рубежом, 1991, № 7/8. - С. 21-35. 12. Hydro international : Global Navigation Satellite Systems / publishing company “Reed Business Information”. - 2006, september - . - Lemmer , - ISSN 1385-4569. vol. 10 № 7, P. 34-37. Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 100 Приложение А Таблица А.1. Современные АНПА [12] Компания ATLAS MARIDAN ApS ATLAS ELEKTRONIK GmbH +C Technologies C Название продукции ATLAS MARIDAN C-Surveyor-I C-Surveyor-II C-Surveyor-IIІ SeaOtter MkI SeaOtter MkII Вид аппарата Автономный подводный аппарат Kongsburg Simrad Hugin 3000 Hugin 3000 Hugin 4500 c увеличенным корпусом, с модернизацией C&C и программным обеспечением Общее количество созданных АПА 5 На стадии разработки 3 - - Назначение Отображение морского дна, гидрографическая съемка Геофизическая съемка, обследование трассы трубопровода, кабельной трассы и окружающей среды Масса (в воздухе) (кг) 1500 кг 1100 кг 1400 кг Макс.полезная нагрузка, кг 300 кг - Масса груза (кг) - - Габариты (Длина х Ширина х Высота) (м) 4,5 х 1,2 х 0,6 3,45 х 0,98 х 0,48 5.,5 x 1,0 х 1,0 6,53 x 1,05 х 1,05 6,53 x 1,05 х 1,05 Макс. допустим. глубина, м 600 600 3000 3000 (при модер- низации до 4500) 4500 Кол-во движителей: управление по курсу/ поперечное управление 2/0 2/3 1 гребной винт – направленный киль Возможности зависания АПА нет да Минимальный радиус поворота, м 10 м (регулируемый) < 10 м 15 м Вид системы спуска и извлечения, способ извлечения АПА Специально предназначенная швартов- ная лебедка, которая может применяться с кран-балкой/ шлюпбалкой вместе со шпилем (система ATLAS LARS). Носовой обтекатель АПА, присоединенный к канату, применяется, когда АПА на поверхности. Гарпун используется для извлечения каната. АПА тянут на специальных салазках, и перемещают в цех для тех. обслуживания. Навигационные датчики - стандартные Инерциальная навигационная система MARPOS, соединенная с доплеровским лагом, DGPS, CTD и датчиками давления, INS резервирование аппаратных средств, ПО и алгоритмов Навигационные датчики – дополнительные, USBL, LBL, синтетический LBL USBL, LBL, SLAM, синтетический LBL применяемые с целью модернизации позиционирования, если установлены INS во время погружения DVL, волоконно-оптический гирокомпас, система USBL HiPaP Датчики полезной нагрузки –стандартные Klein 2000, Многолучевой Многолучевой эхолот EM2000 Konsburg Simrad Многолучевой эхолот Reson 8125, профилограф твердого дна Geochirp многоракурсный гидролокатор SAS ATLAS ГБО Edgetech 120/410 кГц., ГБО Edgetech с фокусировкой DW 106 220/410 кГц, ЛЧМ - профилограф твердого дна Edgetech 2-8кГц 1- 6 кГц 1-6кГц Датчики полезной нагрузки – дополнит. По выбору заказчика Солемер и термометр – Seabird SBE 19. Датчик метана Запас энергии батареи (кВтч) - - 45 45 60+ мощность батареи (Вт) - - 900 900 900 Выносливость при номинальной мощности (часы) 7 (свинцово-кис- лотная), 15 (NiMH) 24@ 4kn 50+ 75+ 75+ Средн/макс. скорость, уз 3/5 4/8 4 4 4 акустическая телеметрия/ скорость передачи в бодах Акустический модем Канал передачи акустических данных – Link Quest 12.75-21.25 кГц. Канал акустических команд – преобразователь 24-28 кГц Kongsberg Simrad. радиотелеметрия/ скорость передачи данных в бодах Data Radio, WLAN Радиомаяк – Novatech 102-212444/160.785 МГц Данные, передаваемые на поверхность - - По выбору – обработанный MBE, ГБО и профилографа твердого дна Контр. параметры, посылаемые на АПА - - - - - порядок действий в аварийной обстановке в случае неисправности системы Размыкающий механизм dropweight, излучатель ARGOS, стробоскопический маяк ОВЧ, аварийный излучатель АПА имеет сбрасываемый груз, который сбрасывается в аварийной ситуации Применение в АПА в настоящее время Отображение морского дна, гидрографические съемки, поиск месторождений, экспресс оценка окружающей среды Поиск месторожде- ний, экспресс оценка окружающей среды, разведка, контроль и рекогносцировочная съемка, силовая защита, отображение морского дна, гидрограф. съемки - - - Область применения АПА через 5 лет - - Минный тральщик,/ съемка берега - - Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 101 Продолжение таблицы А.1 Компания Furgo Название продукции Echo Surveyor Echo Mapper Hugin 3000 Bluefin 21 Bluefin Общее количество созданных АПА 1 2 2 Масса (в воздухе), кг 1450 500 500 Макс.полезная загрузка, кг Масса груза, кг 13000 2000 Габариты (Длина х Ширина х Высота), м 5.35 х 1.0 х 1.0 3.9 х 0.5 х 0.5 Мак. допустимая глубина, м 3000 Кол-во движителей: управление по курсу/ поперечное управление Возможности зависания АПА нет Миним. радиус поворота, м 15 Вид применяемой системы спуска и извлечения, способ извлечения АПА Стандартная система Hugin L&R с гидравлическим. стрингером и съемным носовым обтекателем Стандартная шарнирная кран-балка судна Разные, включая. шарнирную А- образную раму или стандартную шарнирную кран-балку с механизмом захвата Навигационные датчики - стандартные датчик давления глубины – паранаучный цифровой кварцевый, доплеровский лаг для измерения скорости (DVL) – RDI измеритель основополагающего компонента WHN-300, 307кГц Полуавтомат. инерциал. навигац. система, Simrad HiPAP 500 USBL, инерциал. измерит. Устройство (IMU) – iXSEA IMU 90, Sonardyne USBL, инерциальн.навигацион. устройство – Litton LN 250 INS, Навигационные датчики – дополнительные применяемые с целью модернизации позиционирования, если установлены INS во время погружения DGPS, USBL, IMU, DVL, компас и датчик давления Датчики полезной нагрузки – стандартные ГБО Edgetech Fullspectrum и профилограф твердого дна, Датчики полезной нагрузки – дополнит. Метаноанализатор Запас энергии батареи (кВтч) 45 11 мощность батареи (Вт) 900 320 Выносливость при номинальной мощности (часы) 60-70 20 20 Средн/макс. скорость, уз 3,5/6,0 3,5/6,0 3,0/6,0 акустическая телеметрия/ скорость передачи в бодах Link Quest 13.5 – 22.5 кГц, 4250 бит в секунду Benthos 16-20 кГц, 800 бит в секунду радиотелеметрия/ скорость передачи данных в бодах Wood и Douglas UHF SX450 Freewave spreadspectrum 115 кб Данные, передаваемые на поверхность Набор данных mbes, sss, sbp Данные о состоянии аппарата Контрольн. параметры, посылаемые на АПА Планирование задачи Контроль выполнения задачи порядок действий в аварийной обстановке в случае неисправности системы Плоскость для извлечения: падающий груз, надувная пневматическая диафрагма, система балластных цистерн, радиомаяк, акусти- ческий излучатель, импульсное освещение сверху судна и на носу Применение в АПА в настоящее время Съемка морского дна для разработки газовых и нефтяных месторождений, особенно на глубоководье (>500м WD) Общее кол-во в перспективе через 5 лет 15 15 Область применения АПА через 5 Дистанционный контроль Разработка месторождений нефти и газа, мониторинг окружающей среды Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4) 102 Окончание таблицы А.1 Компания Kongsberg Maritime Prizm Adv. Comm. Electr., Inc. Название продукции HUGIN 1000 HUGIN 3000 HUGIN 4500 Fetch 3.5 Class AUV Вид аппарата АПА (включая контролируемые или автономные режимы функционирования) Полностью автономный ПА Общее количество созданных АПА 10 вкл. HUGIN 3000 10 вкл. HUGIN 1000 10 вкл. HUGIN 1000 7 Назначение Морская нефтяная и газовая съемка, военное исследование Масса (в воздухе) (кг) 500-750 (Зависит от конфи- гурации батареи и полезной нагрузки) 1400 1900 73 Макс. полезная нагрузка, кг 150 250 350 единая Масса груза (кг) Так же, как и выше 85 Габариты (длина х ширина х высота) (м) 4,5 х∅ 0,75 2,3 конический 6,0 х∅ 1,00 2,3 конический Макс. допустим. глубина, м Варианты 1000 и 3000 200 200 Кол-во движителей: управление по курсу/ поперечное управление Не применяется Один Возможности зависания АПА Не применяется Минимальный радиус поворота, м 12 15 18 9 Вид системы спуска и извлечения, способ извлечения АПА Навигационные датчики - стандартные INS, DVL, датчик давления, альтиметр (вперед и вниз), GPS программа планирования задачи Fugawi Echart, WAAS активизирует GPS, RDI измеритель основополагающего компонента, доплеровский лаг cкорости, компас TCM2 Навигационные датчики – дополнительные USBL, NavUTP (диапазон транспондера), навигация по рельефу местности, SAS микронавигация IXSEAA Phins (инерциальная. навигационная система) применяемые с целью модернизации позиционирования, если установлены INS USBL, NavUTP (диапазон транспондера), навигация по рельефу местности, SAS микронавигация WAAS активизирует GPS Датчики полезной нагрузки – стандартные CTD, SSS, SAS (KM HISAS), MBE (EM 3000/3002) CTD, SSS, SBP, MBE CTD, SSS с динами- ческой фокусировкой , SBP (сфокусирован), MBE ГБО, проводимость, датчик глубины и температуры (STD), альтиметр Датчики полезной нагрузки – дополнительные эхолот рыбопоисковый (ЕК 60), датчик мутности, метаноанализатор, Cистемы профилирования, гидролокатор для предупреждения столкновений с подводными препятствиями, гидрофон, датчик растворенного кислорода, датчик РН, различные видеосистемы, волокнистый привязной блок, прямой видеообзор SSS, лазерный оптический измери- тель планктона (LOPC), метаноанализатор SАS Запас энергии батареи (кВтч) Литиевая полимер- ная батарея с допус- тимым давлением 3х6 кВтч –всего 18 кВтч Полутопливный элемент: 45 кВтч Полутопливный элемент: 60 кВтч До 5 мощность батареи (Вт) Зависит от скорости и полезной нагрузки 24 номинальная: Выносливость при номинальной мощности (часы) Аппарат: ≅25@4kn, с полезн. нагрузкой ≅ 16-20@4kn 10+@5kn С полезной нагрузкой (SSS;SBP;MBE): 70@4kn 10+@5kn Средн/макс. скорость, уз 4/6 4 4 Максимальная 10 акустическая телеметрия/ скорость передачи Канал акустических команд: 50 бит в с., канал передачи акустических данных: 4-8 кбод, аварийный канал: 10 бод Не требуется радиотелеметрия/ скорость передачи данных в бодах Канал RF: 9,6 кб, спутниковый канал: 2,6-9,6 кб Данные, передаваемые на поверхность Контр. параметры, посылаемые на АПА - порядок действий в аварийной обстановке в случае неисправности системы Применение в АПА в наст. время Морская нефтяная и газовая съемка, военное исследование -

Перспективы и концепции разработки автономных необитаемых подводных аппаратов

Репозитарії

Схожі ресурси