CC BY
0Kuzmichev M. V., Fokin S. G.
ТЕХНИКА / ТЕХНОЛОГИИ | TECHNOLOGY / TECHNOLOGIES Оригинальная статья | Original paper
DOI:_УДК 626.021
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЗРАЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КОНСТРУКЦИИ ПРОЧНОГО КОРПУСА ОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
М. В. Кузьмичев , С. Г. Фокин Ж
АНО «Центр подводных исследований Русского географического общества», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация Ж office@urc-rgs.ru
Аннотация Статья посвящена анализу эксплуатационных особенностей обитаемых
подводных аппаратов с прозрачным акриловым корпусом, достоинствам и недостаткам полимерного материала, обеспечивающего широкий угол кругового обзора, особенностям управления при маневрировании вблизи естественных препятствий и затонувших объектов, а также при переходах по глубине. Рассмотрены физико-механические свойства полимерного материала прозрачного прочного корпуса, формирующие требования не только к подготовке экипажа, но и к системам обитаемого подводного аппарата, а также техническому обслуживанию и комплексу дополнительных мер, предотвращающих локальные повреждения полиметилметакрилата. Проведена качественная оценка особенностей длительной работы внутри прозрачного прочного корпуса на глубине и их влияния на изменение психофизиологического состояния экипажа. Рассмотрены вопросы эргономики и компоновки оборудования внутри прозрачного обитаемого прочного корпуса, характерные особенности последнего, проявляющиеся как в ходе погружения, так и при размещении на палубе судна носителя или на твердом основании.
Ключевые слова Прозрачный акриловый прочный корпус, угол кругового обзора, переход по глубине, движительно-рулевой комплекс, система управления.
Для цитирования Кузьмичев М. В., Фокин Г. С. Эксплуатационные особенности прозрачных полимерных материалов, применяемых в конструкции прочного корпуса обитаемых подводных аппаратов // Гидрокосмос. 2023. Т. 1, 1. № 1-2. С. 117-125. Р01: https://doi.org/
OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF TRANSPARENT POLYMER MATERIALS USED IN THE CONSTRUCTION OF THE STURDY HULL OF MANNED UNDERWATER VEHICLES
M. V. Kuzmichev , S. G. Fokin ^
ANO "Underwater Research Center of the Russian Geographical Society," St. Petersburg, Russian Federation ^ office@urc-rgs.ru
-2' 2023 ГИДРОКОСМОС | HYDROCOSMOS -V-
Кузьмичев М. В., Фокин С. Г.
Abstract
Keywords For citation
The article examines the operational characteristics of manned underwater vehicles with transparent acrylic hulls, the advantages and disadvantages of a polymer material that provides a wide all-around viewing angle, and control features when maneuvering near natural obstacles and sunken objects and crossing at depth. The physical and mechanical properties of a transparent durable hull's polymer material are considered, establishing the requirements not only for crew training but also for manned underwater vehicle systems, maintenance, and a set of additional measures to prevent local damage to polymethyl methacrylate. The effects of long-term work inside a sturdy, transparent hull at depth on the crew's psychophysiological state were assessed qualitatively. The issues of ergonomics and equipment layout inside the transparent, sturdy manned hull, its characteristic features manifested during diving, as well as placement on the deck of the carrier vessel or on solid ground, were examined.
Sturdy transparent acrylic hull, all-round viewing angle, crossing at depth, propulsion and steering system, control system.
Kuzmichev, M. V., and S. G. Fokin. "Operational Characteristics of Transparent Polymer Materials Used in the Construction of the Sturdy Hull of Manned Underwater Vehicles." Hydrocosmos, vol. 1, 1, no. 1-2, 2023, pp. 117-125. DOI: https://doi.org/ (In Russ.)
В ходе развития подводной обитаемой техники и технологий ее постройки из неметаллических конструкционных материалов появились обитаемые подводные аппараты с прочными корпусами из прозрачного акрилового (органического) стекла1. В настоящее время в разных странах эксплуатируется большое число таких аппаратов, используемых для подводных экскурсий, решения исследовательских и археологических задач. Кроме того, имеются разработки, осваиваемые в производстве под конкретного заказчика.
Основным преимуществом аппаратов с прозрачным акриловым корпусом является значительное увеличение зоны обзора и в 4-8 раз телесного угла, доступного для наблюдения всеми членами экипажа в сравнении с иллюминаторами металлического прочного корпуса. Кроме того, визуальное наблюдение через иллюминатор требует максимального приближения к нему и порой принятия неестественных поз в стесненных условиях ограниченного пространства. В то время как прозрачный корпус позволяет размещать внутри себя дополнительные источники света, крупногабаритную фото-и видеоаппаратуру, направляя ее в конкретное место съемки под различными углами. Также
1 Stachiw Jerry D. Handbook of Acrylics for Submersibles, Hyperbaric Chambers, and Aquaria. North Palm Beach: Best Publishing Company, 2003. 1080 p.
имеется положительный опыт трехмерного сканирования сложного подводного рельефа с использованием специализированной системы фотофиксации.
Преимущества прозрачного прочного корпуса наиболее ярко проявляются в акваториях с хорошими показателями видимости под водой, что делает весьма привлекательным использование ОПА для проведения туристических экскурсий в местах с богатой флорой и фауной, затопленными объектами техногенного характера, природными образованиями и крупногабаритными предметами исторического наследия, покоящимися сравнительно неглубоко. Тем не менее доступные глубины погружения для ОПА с прозрачным акриловым корпусом уже достигли 1000 м, что заметно расширяет возможности их применения для выполнения подводно-технических работ, геологоразведки, поиска затонувших объектов, решения исследовательских задач и др. В таблице 1 приведены основные технические характеристики ОПА с акриловым прозрачным прочным корпусом.
Несмотря на объективную привлекательность оптических свойств прочного акрилового корпуса, его физико-механические характеристики в сравнительном отношении существенно уступают традиционно используемым металлическим конструкционным материалам, приведенным в таблице 2.
2023;1,1(1—2):117—125 ГИДРОКОСМОС HYDROCOSMOS 1-2' 2023
Kuzmichev M. V., Fokin S. G. Чч//
Табл. 1. Внешний вид и основные технические характеристики современных ОПА с прозрачным акриловым прочным корпусом
№
п/п
Производитель и модель ОПА
Внешний вид
Экипаж, чел
Предельная глубина, м
Скорость, уз
Масса, т
U-Boat Worx C Explorer 3
300
6,01
Triton 1000/2
305
3,10
Triton 1000/7
305
3,00
Triton 1650/3
500
Triton 3300/1 MD
1000
2,10
Triton 3300/3 MKII
1000
8,00
Nuytco Research Deep Worker 2000
600-1000
1,82
Nuytco Research Dual Deep Worker
600-1000
2,95
Aquatica Stingray 1000
304
7,46
1
3
3
2
2
3
3
7
3
4
3
3
5
1
3
6
3
3
7
1
3
8
2
3
9
3
3
^ Кузьмичев М. В., Фокин С. Г.
Табл. 2. Основные физико-механические свойства конструкционных материалов, используемыхдля изготовления прочных корпусов ОПА
Характеристика Титановый сплав ПТ-3В Сталь конструкционная HY 130 Полиметилакрилат (акриловое стекло)
Плотность, кг/м3 4453 7748 1190
Предел прочности (растяжение/сжатие), МПа 635/885 900 (предел текучести) 62/103
Модуль упругости, МПа 1,18 207000 2760
Предел текучести (сжатие) 590 900 103
Твердость по Брюнелю, МПа 103 250 180
Ударная вязкость, Дж/см2 103 88 7,8-12
Теплопроводность удельная, Вт/(м^К) 19,7 20 0,2-0,3
Низкий показатель ударной вязкости обуславливает хрупкость акриловых корпусов при сопоставимой прочности статически нагруженных конструкций, они менее стойки к ударным нагрузкам, имеют обоснованные предпосылки к образованию и развитию трещин, а также высокий риск возникновения катастрофических последствий при столкновении с подводным препятствием. Перечисленное выше накладывает особые требования к маневрированию ОПА в надводном и подводном положении, а также к его системам позиционирования и удержания в заданной точке, при этом безопасность плавания будет достигаться:
— высоким качеством подготовки пилотов-операторов ОПА;
— осторожным маневрированием вблизи навигационных препятствий;
— использованием пассивной защиты (естественным образом выступающих конструкций ОПА);
— использованием на ОПА приемистого движительно-рулевого комплекса2, а также системы управления с элементами резервирования3;
— тщательным контролем состояния корпуса и его остаточного ресурса путем использования специальных средств и методик;
— соблюдением мер исключающих внутренние повреждения прочного акрилового корпуса (ограничение в использовании обуви, предметов, способных при неосторожности нанести внутренние повреждения, использование
2 Бушуев А. В., Горда В. В., Кичко С. А., Куштан М. И., Лобынцев В. В., Фокин С. Г., Махинов В. Н. и др. Движитель подводного аппарата, Патент на промышленный образец № 136558, приоритет от 11.07.2022, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, 04.05.2023, Бюл. № 5; Бушуев А. В., Горда В. В., Кичко С. А., Куштан М. И., Лобынцев В. В., Фокин С. Г., Махинов В. Н. и др. Подруливающее устройство подводного аппарата, Патент на промышленный образец № 136557, приоритет от 11.07.2022, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, 04.05.2023, Бюл. № 5.
3 Petrushin A. D., Lobyntsev V. V., Smachny V. Y., Fokin S. G. Inhabited Submarine's Electric Drive Control Automation. World of Transport and Transportation. 2021. Vol.19, Issue 6. P. 148-153.
Kuzmichev M. V., Fokin S. G.
ГИДРОКОСМОС | HYDROCOSMOS 1-2' 2023 -V-
Рис. 1а, б. Вид из ОПА с оптическими искажениями. Из архива ЦПИ РГО
ножных упоров или других способов защиты от случайных ударов).
Следует учитывать, что твердость акрила существенно ниже, чем у других корпусных конструкционных материалов, поэтому критически возможная глубина царапин составляет 0,25 мм, а допустимое их число меньшей глубины нормируется на единицу площади боковой поверхности корпуса4.
В ходе визуального наблюдении изнутри прозрачного корпуса, представляющего собой погруженною в воду толстостенную сферическую линзу, возникают оптические искажения. Наиболее существенно они проявляются в направлениях, отличных от нормалей к поверхности сферы, при обзоре пространства в боковых и кормовых зонах. Оптические искажения наиболее выражены для наблюдателей, удаленных от фокуса сферы, вместе с тем совокупное восприятие видимого окружающего пространства является искаженным (см. рис. 1а, б). На фоне угловых искажений фиксируемые человеческим глазом дистанции и расстояния, как правило, существенно меньше реальных, что, в свою очередь, усложняет ориентацию в пространстве и повышает требования к уровню профессиональной подготовки экипажа. Также у прочного акрилового корпуса большой толщины возможно возникновение хроматической дисторсии, проявляющейся в виде радужных участков на границах наблюдаемых предметов, поэтому
4 Safety Standard for Pressure Vessels for Human Occupancy [Эл. ресурс]. URL: https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/pvho-1-safety-standard-pressure-vessels-human-occupancy (посл. посещение: 02.02.2023).
длительное плавание в таких условиях может вызывать у человека перенапряжение зрительного аппарата с развитием усталости, возникновением головной боли и пр., что, в свою очередь, накладывает дополнительные ограничения на физиологическую пригодность экипажа аппарата. Вместе с тем наличие возможности визуального ориентирования при помощи периферийного зрения, пусть даже с искаженным изображением, позволяет качественно повысить точность позиционирования и маневрирования аппарата под водой, особенно в условиях непосредственной близости (на расстоянии менее 3 м) от подводных объектов.
Перечисленные особенности прочного акрилового корпуса формируют высокие требования к процессу подготовки пилотов, адаптации их центральной нервной системы к эксплуатации ОПА в условиях оптических искажений, а также комбинированному использованию визуального наблюдения и аппаратных средств для оценки дистанции до объектов, например, с использованием гидролокатора, звуковизора, эхолота и пр.
Оборудование, размещаемое внутри прочного корпуса ОПА при проектировании и постройке, должно быть максимально исключено из зоны обзора, что, в свою очередь, может приводить к не самым удачным решениям с точки зрения типовых требований эргономики. Так, например, многие органы управления системами и устройствами находятся сбоку или сзади от оператора (см. рис. 2а, слева), часто применяются носимые малогабаритные пульты управления (см. рис. 2б, справа). Дисплеи и панельные станции также выносятся максимально вверх или
-2' 2023 ГИДРОКОСМОС | НУОРОСОБМОБ -V-
Кузьмичев М. В., Фокин С. Г.
Рис. 2а, б. Элементы управления ОПА, размещенные в кормовой части. Из архива ЦПИ РГО
в стороны от направления основного обзора для обеспечения возможности использовать органы управления не глядя, «на ощупь», без переключения внимания от наблюдения за окружающим пространством и/или работой манипуляторного комплекса. В этой связи при создании перспективных обитаемых подводных аппаратов с более развитым набором автоматизированных средств управления и навесного оборудования следует учитывать факторы компоновки.
Вооруженность ОПА техническими средствами, предельно стесненные условия размещения оборудования и приборов внутри обитаемого объема, обеспечение доступности панелей управления забортным оборудованием и системами предъявляют высокие функциональные требования к органам управления, использованию развитых систем голосовых и звуковых сообщений, применению автоматических режимов движения и алгоритмов управления техническими средствами. Так, например, набор органов управления, интегрированных в универсальную рукоять (см. рис. 3), позволяет в разных режимах полноценно управлять движительно-рулевым комплексом и плавучестью ОПА, включая настройку автоматических режимов, а также использовать средства связи, манипуляторный комплекс, телеуправляемый аппарат и пр.
Немаловажное значение имеет размещение кресла оператора, положение которого не меняется в течение всего времени плавания (кампании) и не требует изменения рабочей позы. С одной стороны, это способствует удобству управления, с другой стороны, в некоторых ОПА наиболее удобные места обзора отведены пассажирам в ущерб
пилоту-оператору, что, безусловно, усложняет удобство и эффективность управления аппаратом, однако в полной мере реализует его экскурсионно-туристическое целевое назначение.
Из таблицы 1 следует, что теплопроводность полиметилметакрилата значительно ниже теплопроводности металлических корпусных материалов. Он обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, поэтому прямой отвод тепловыделений техногенного и антропогенного характера в окружающую морскую среду затруднен. В зависимости от глубины погружения и длительности кампании градиент температуры может приводить к образованию конденсата на внутренней поверхности прочного акрилового корпуса и способен привести к снижению видимости вплоть до полной ее потери. Последнее негативно может сказаться на обеспечении безопасности мореплавания и требует применения технических решений в составе системы жизнеобеспечения, направленных на поддержание микроклимата внутри обитаемого объема с использованием регулируемого принудительного обдува внутренней поверхности сферы.
Сферические акриловые корпуса имеют ограничения в скорости изменения перепада температур, действующих на корпус с внутренней и наружной поверхности, что связано с возможностью возникновения дополнительных термомеханических напряжений, влияющих на снижение общей их механической прочности. Таким образом, интенсивность перехода по глубине не должна выходить за допустимые пределы. В ряде случаев перед погружением требуется заблаговременное принудительное охлаждение корпуса
Ки2тю1пеу М. V., Fokin S. G.
Рис. 3. Вид универсальной рукояти управления для перспективного ОПА (проект). Из архива ЦПИ РГО
вспомогательными средствами, что, в свою очередь, может приводить к образованию конденсата с ухудшением видимости на ранних стадиях погружения ОПА и только лишь подтверждает потребности в использовании средств регулируемого принудительного обдува в составе системы жизнеобеспечения.
Помимо необходимости принятия мер по защите акрилового корпуса от прямого воздействия солнечного излучения во время хранения и транспортировки, существует необходимость его защиты при плавании ОПА. Так, например, при длительном нахождении аппарата в надводном положении в районах с жарким климатом и интенсивным солнечным излучением возможен сильный нагрев внутреннего объема обитаемого корпуса за счет фокусировки светового потока и ухудшение физического состояния экипажа. Последнее следует учитывать при планировании и обеспечении погружений с пресечением задержек подъема ОПА после всплытия на борт судна обеспечения и выхода экипажа.
Сравнительно невысокая химическая стойкость полиметилметакрилата к воздействию ряда химических веществ (отдельные виды кислот, некоторые спирты и хлорированные углеводороды) требует тщательного подбора расходных материалов для чистки сферического корпуса, разработки и применения мер предосторожности при техническом обслуживании систем и устройств ОПА.
Выводы
Основными преимуществами ОПА с прозрачным акриловым прочным корпусом, исходя из особенностей управления, являются:
— хороший визуальный обзор окружающего пространства;
— возможность использования зрительных ориентиров для наведения на объект выполнения подводно-технических, поисковых или иных работ.
-Ч/-
Основными усложняющими факторами являются:
— необходимость осторожного и внимательного маневрирования в подводном и надводном положении;
— необходимость соблюдения допустимых скоростей перехода по глубине.
Учет рассмотренных особенностей управления в процессе создания и эксплуатации перспективных ОПА с прочными акриловыми корпусами позволит сформировать необходимый комплекс технических и организационных мер, включая:
Кузьмичев М. В., Фокин С. Г.
— разработку и внедрение высокоэффективных и хорошо резервированных средств движения и управления;
— размещение рабочих мест операторов с учетом минимизации оптических искажений;
— разработку эффективных методик подготовки к погружению и оптимизации режимов погружения ОПА;
— использование комплексной высокоэффективной системы подготовки экипажей, в том числе тренажерной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. БушуевА. В., Горда В. В., Кичко С. А., КуштанМ. И., Лобынцев В. В., Фокин С. Г., Махинов В. Н. и др. Движитель подводного аппарата, Патент на промышленный образец № 136558, приоритет от 11.07.2022. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, 04.05.2023, Бюл. № 5.
2. БушуевА. В., Горда В. В., Кичко С. А., Куштан М. И., Лобынцев В. В., Фокин С. Г., Махинов В. Н. и др. Подруливающее устройство подводного аппарата, Патент на промышленный образец № 136557, приоритет от 11.07.2022. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, 04.05.2023, Бюл. № 5.
3. PetrushinA. D., LobyntsevV. V., SmachnyV. Y., FokinS. G. Inhabited Submarine's Electric Drive Control Automation. World of Transport and Transportation. 2021. Vol. 19, Issue 6. P. 148-153.
4. Safety Standard for Pressure Vessels for Human Occupancy [Эл. ресурс]. URL: https://www.asme.org/ codes-standards/find-codes-standards/pvho-1-safety-standard-pressure-vessels-human-occupancy (посл. посещение: 02.02.2023).
5. Stachiw JerryD. Handbook of Acrylics for Submersibles, Hyperbaric Chambers, and Aquaria. North Palm Beach: Best Publishing Company, 2003. 1080 p.
REFERENCES
1. Bushuev, A. V., V. V. Gorda, S. A. Kichko, M. I. Kushtan, V. V. Lobyncev, S. G. Fokin, V. N. Maxinov et al. "Dvizhitel' podvodnogo apparata, Patent na promyshlennyj obrazec № 136558, prioritet ot 11.07.2022"
["Submersible propulsion unit, Industrial Design Patent no. 136558, priority dated 07/11/2022"]. Federal'naya sluzhba po intellektual'noj sobstvennosti [Federal Service for Intellectual Property]. Moscow, 04.05.2023, bulletin no. 5. (In Russ.)
2. Bushuev, A. V., V. V. Gorda, S. A. Kichko, M. I. Kushtan, V. V. Lobyncev, S. G. Fokin, V. N. Maxinov et al. "Podrulivayushhee ustrojstvo podvodnogo apparata, Patent na promyshlennyj obrazec № 136557, prioritet ot 11.07.2022" ["Submersible thruster, Patent for industrial design No. 136557, priority dated 07/11/2022"]. Federal'naya sluzhba po intellektual'noj sobstvennosti [Federal Service for Intellectual Property]. Moscow, 04.05.2023, bulletin no. 5. (In Russ.)
3. Petrushin, A. D., V. V. Lobyntsev, V. Y. Smachny, and S. G. Fokin. "Inhabited Submarine's Electric Drive Control Automation." World of Transport and Transportation, vol. 19, issue 6, 2021, pp. 148-153. (In English)
4. Safety Standard for Pressure Vessels for Human Occupancy [Digital resourse]. URL: https://www.asme. org/codes-standards/find-codes-standards/pvho-1-safety-standard-pressure-vessels-human-occupancy (last visit: 02.02.2023). (In English)
5. Stachiw, Jerry D. Handbook of Acrylics for Submersibles, Hyperbaric Chambers, and Aquaria. North Palm Beach, Best Publishing Company, 2003. 1080 p. (In English)
Kuzmichev M. V., Fokin S. G. ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Михаил Вадимович Кузьмичев, руководитель направления ОПА АНО «ЦПИ РГО», Капитан 1 ранга запаса, Герой России (Россия, 191123, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А). e-mail: office@urc-rgs.ru
Сергей Георгиевич Фокин, исполнительный директор АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А). e-mail: office@urc-rgs.ru
N/
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Mixail Vladimirovich Kuzmichev, Head of MUV Department, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia). Captain 1st rank (reserve), Hero of the Russian Federation. e-mail: office@urc-rgs.ru
Sergej Georgievich Fokin, Executive Director, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia).
e-mail: office@urc-rgs.ru
Поступила в редакцию 18.02.2023 Received 18.02.2023
Поступила после рецензирования 01.05.2023 Revised 01.05.2023
Принята к публикации 03.05.2023 Accepted 03.05.2023
