CC BY
180
УДК 629.58:681.5
Е.С. Лазарев ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ*
Рассматриваются роботизированные океанографические необитаемые подводные аппараты двойного назначения. Автором представлены основные задачи по проектированию и созданию океанографических необитаемых подводных аппаратов, также проанализированы проблемы разработки и создания необитаемых подводных аппаратов. В работе предложены требования к основным характеристикам и аппаратуре необитаемых подводных аппаратов и основные направления их развития.
Океанографические необитаемые подводные аппараты; автономные необитаемые под; ; подводные аппараты; океанография; системы автоматизированного проектирования; гидро-.
E.S. Lazarev WAYS OF THE IMPROVEMENT OKEANOGRAFICHESKIH UNINHABITED
UNDERSEA DEVICE
In article are considered robotized okeanograficheskie uninhabited undersea devices double-purpose. The Author are considered primary tasks on designing and creation okeanografi-cheskih uninhabited undersea device, is in the same way analysed problems of the development and creation uninhabited undersea device. Requirements are presented In work to the main feature and equipment autonomous uninhabited undersea device and main trends of the development okeanograficheskih uninhabited undersea device.
Okeanograficheskie uninhabited undersea devices; autonomous uninhabited undersea devices; towed uninhabited undersea devices, fastened uninhabited undersea devices; systems computer aided design; element of the load; gidrodinamicheskoe resistance.
.
одним из перспективных направлений развития робототехники. Как системная область оно неразрывно связано с развитием микроэлектронных технологий. Отставание по данному направлению развития может привести к катастрофическим последствиям - как экономического, так и оборонного плана.
Океанотехника, связанная с созданием океанографических необитаемых подводных аппаратов (ОНПА), - интенсивно развивающаяся перспективная область ,
традиции и наработки, общие тенденции и нерешенные проблемы.
( ),
вид морской техники, в последние два-три десятилетия получили широкое распространение не только в гражданских областях (исследования океана, обслуживание
), . -нение в качестве противоминных средств надводных кораблей и средств спасения экипажей аварийных подводных лодок, в перспективе их предполагается использовать в качестве разведывательных и боевых средств.
В создании и использовании НПА, несмотря на сложившиеся общие подходы , , -тики решения различных задач.
* Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ № МК-15.2010.10.
Мировой опыт в этом отношении довольно разнообразен, и в настоящее время в распоряжении специалистов имеется немало возможностей для обмена информацией по различным вопросам проектирования, разработки и эксплуатации аппаратов всех типов.
Проектирование ОНПА является сложнейшей многоплановой задачей, так как:
♦ ОНПА функционируют в специфической малоизученной среде;
♦ используемые в ОНПА датчики в с илу особенностей водной среды обладают меньшей точностью, быстродействием, разрешающей способностью, чем датчики для наземных, воздушных и космических роботизированных
;
♦ для водной среды характерна трудно предсказуемая изменчивость и неоднородность (температура, соленость, слой скачка скорости звука, звукорассеивающие слои, рефракция, реверберация, течения, волнение моря и т.д.), что создает значительные трудности в управлении, связи, измерениях;
♦ существенная продолжительность рабочего цикла ОНПА порождает мно-
, , -ры управления и связи.
Все это требует серьезного подхода к проектированию ОНПА, широкого использования достижений науки и техники в различных областях.
В любом ОНПА можно выделить три основные функциональные подсистемы:
♦ ходовую, реализующую функцию движения;
♦ информационно-управляющую, реализующую функции восприятия и хранения целевой задачи, а также информационного обмена, стабилизации
, -налов, формирующих поведение аппарата, и, наконец, принятие решений в системах с элементами искусственного интеллекта;
♦ полезную (навигационную и научно-исследовательскую) нагрузку.
Также для проектирования ОНПА могут использоваться системы автомати-
( ).
В соответствии с методологией системного подхода, принятой в САПР, НПА рассматривается как сложная система, состоящая из подсистем более . , -повые функциональные модули, по отношению к которым компонентами более низкого уровня являются антенны, приборы, датчики и так далее. Все функ, -грузки и делятся на ряд функциональных комплексов.
Элемент нагрузки (ЭН) - это ключевой элемент в структуре САПР НПА. Множество всех ЭН отразит конечный базис САПР, из которого формируется проект НПА заданного функционального назначения.
Проведение исследования всей номенклатуры ЭН как законченных изделий позволяет выделить общие проектные параметры, полностью описывающие сами ЭН, их место и расположение (вертикальное, горизонтальное и продольное) внут-. -мом и формой, входящих в него ЭН.
Главная задача при этом - выбор ограниченного ряда типоразмеров ОНПА модульной конструкции с легко реконфигурируемым под конкретную работу составом полезной нагрузки.
Одной из главных задач при проектировании ОНПА является выбор материала конструкции и формы корпуса, обеспечивающий низкое гидродинамическое сопротивление. Однако в некоторых случаях форма корпуса определяется в большей степени необходимостью размещения исследовательской аппаратуры, чем требованием снизить гидродинамическое сопротивление. Также при проектировании ОНПА следует учитывать, что их основные характеристики тесно связаны меж.
-
, -
мо дульный принцип конструкции и широко используются технологии, приме няе-
[1]. -разно использовать следующие достижения и наработки торпедостроения:
♦ наработки по вопросам прочности корпуса конструкции торпед;
♦ наработки по методикам их испытаний;
♦ конструкции отдельных эле ментов корпусных узлов таких, как клинцан-говые соединения отсеков, методы крепления и герметизации гидроаку-
, ;
♦ существующий задел по созданию электрических энергосиловых уст-
;
♦ наработки по созданию надежн ых исполнительных механизмов;
♦ наработки по расчетам динамики и управляемости торпед;
♦ существующий задел по созданию рулевых устройств (электрических,
, ),
( ) ;
♦ наработки по повышению коррозионной стойкости корпусов и деталей, соприкасающихся с морской водой;
♦ технологии создания гидроакустических преобразователей и антенн под-
;
♦
пограничным слоем (отсос, полимерные добавки и движения в условиях );
♦ наработки по расчету и техноло гии изготовления гребных винтов;
♦
;
♦ наработки по созданию боевых информационно-управляющих систем;
♦ наработки ввода данных в торпеды;
♦ методы испытаний торпед в лабораториях и на полигонах.
Многие из этих наработок могут быть использованы и при создании привязных необитаемых подводных аппаратов (ПНПА) и буксируемых необитаемых ( ).
Основными достоинствами БНПА являются: длительный срок работы под , , . видно из приведенного в табл. 1 возможного прогноза ввода в эксплуатацию ОНПА ГС ВМФ на период до 2025 г., предполагается два вида БНПА [1]:
♦ привязной (телеуправляемый) аппарат, который может передвигаться как в режиме буксировки, так и за счет своих двигателей;
♦ пассивно букс ируемый аппарат.
Таблица 1
Прогноз возможного ввода в эксплуатацию ОНПА гидрографической службы ВМФ на период прогнозирования до 2025 г.
Наименование ОНПА Сроки ввода в эксплуатацию Примечание
2011 2012 СП о 2 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
ПНПА малого класса Эксплуатация
БНПА Эксплуа- тация
Малый АНПА Эксплуатация
Средний АНПА Эксплуатация
Большой АНПА Эксплуа- тация
АНПА на солнечных батареях Эксплуа- тация Эксплуатация эксперимен- тального образца
ПНПА малого класса типа «Ташег» X Эксплуатация Стоимость образца $15000 (США)
Условные обозначения:
X - закупка иностранного образца.
ПНПА малого класса должен эксплуатироваться с большим гидрографическим катером и гидрографическим судном (ГИСУ) всех проектов и иметь следующие характеристики и аппаратуру:
♦ глубина погружения - до 500 м;
♦ скоро сть хода:
■ по горизонтали - 4 узла, по вертикали - 1,5 узла, лаговая - 1,5 узла;
■ перемещаться относительно СН - в радиусе - 500 м;
■ масса - не более 100 кг;
■ время непрерывной работы - не менее 48 ч.
Навигационная и научно-исследовательская аппаратура:
♦ ;
♦ ;
♦ ;
♦ цветная телевизионная камера;
♦ эхолот (двухчастотный, для определения глубины под аппаратом и типа
);
♦ высокочастотный ГБО - частота более 600 кГ ц;
♦ - ;
♦ маяк-запросчик;
♦ грав иметр.
Примечание: грав иметр, гидролокатор бокового обзора (ГБО) и гидролокатор секторного обзора (ГСО) выполнены в сменных блоках и являются элементами сменной аппаратуры.
- -
нального компьютера и включает в себя: блок управления движением ПНПА, цветной телевизионный монитор и видеомагнитофон, блок уплотнения и докумен-.
, -
онная система с ультракороткой базой (ГАНС УКБ) и вьюшки грузонесущих кабеля связи с аппаратом и кабеля связи с погружным модулем ГАНС. Кабель-трос
- .
БНПА должен эксплуатироваться со всех проектов океанографических исследовательских кораблей и ГИСУ водоизмещением более 2000 тон и иметь следующие основные характеристики:
♦ - 2000 ;
♦ скорость буксировки - 2-10 узлов;
♦ время непрерывной работы - 120 ч;
♦ масса - до 500 кг.
Навигационная и научно-исследовательская аппаратура:
♦ эхолот;
♦ глубиномер;
♦
(ГАНС ДБ);
♦ гидрологический комплекс (температура, соленость, скорость звука, про-
);
♦ многолуч евой эхолот;
♦ акустически й профилограф;
♦ магнитометр.
Судовой управляюще-вычислительный комплекс (СУВК) строится на базе персонального компьютера и включает в себя цветной телевизионный монитор, блок обработки и документирования информации.
В состав комплекса БНПА также входят оптоволоконный кабель-трос, авто, , . Основной задачей при разработке БНПА является выбор материалов несущей , -
-
управления их работой, обработки и документирования материалов исследований.
В последние годы основное внимание уделяется разработке АНПА как наиболее перспективным и обладающим наибольшей по сравнению с БНПА возможностью в исследовании Мирового океана.
Малый АНПА предназначен для гидрографических и поисковых работ в . ,
районах интенсивного судоходства, не ограничивая движение судов и кораблей в районе выполнения работ, а также используется при прокладке протяженных объектов на дне. Должен эксплуатироваться со всех проектов гидрографических судов и иметь следующие основные характеристики:
♦ глубина погружения - до 500 м;
♦ скорость хода - 6 узлов;
♦ автономность - до 12 ч;
♦ масса - до 100 кг.
Навигационная и научно-исследовательская аппаратура:
♦ ко мпас;
♦ лаг;
♦ глубиномер;
♦ ( );
♦ ( , 600 );
♦ ( );
♦ ( );
♦ м аяк-запросчик Г АНС УКБ;
♦ светорадиомаяк.
- -
нального компьютера и включает в себя: гидроакустическую систему связи
( ), , .
,
кабеля связи с погружным модулем ГАНС. Также должна быть предусмотрена возможность определения места ГАНС ДБ.
Средний АНПА предназначен для всех видов гидрографических исследований
2000 , -
. -
1200
иметь следующие основные характеристики [1]:
♦ - 2000 ;
♦ скорость хода - до 6 узлов;
♦ автономность - 72 ч;
♦ масса - до 1000 кг.
Навигационная и научно-исследовательская аппаратура:
♦ инерциальная навигационная система (ИНС);
♦ доплеро вский лаг;
♦ ко мпас;
♦ приемн ик СРНС;
♦ датчик крена и дифферента;
♦ глубиномер;
♦ ( );
♦ интерферометрический ГБО;
♦ ( );
♦ ГСО (ориентирован по курсу);
♦ цифровая в идеосистема;
♦ магнитометр;
♦ ( );
♦ ( );
♦ приемник ГАНС ДБ (возможна установка маяка-запросчика ГАНС УКБ
).
- -
нального компьютера и включает в себя ГАСС, цветной телевизионный монитор, блок обработки информации.
, ,
УКБ и вьюшка кабеля связи с погружным модулем ГАН УКБ, а также специально разработанное спускоподъемное устройство.
Большой АПНА предназначен для выполнения гидрографической разведки и доразведки, а также выполнения всех видов океанографических исследований во всех районах Мирового океана с глубиной до 6000 м, в том числе и в Арктическом бассейне [1]. Должен эксплуатироваться со всех океанографических исследовательских судов и гидрографических судов водоизмещением более 2000 т и иметь следующие основные характеристики:
♦ глубина погружения - до 6000 м;
♦ скорость хода - 6 узлов;
♦ автономность - 10 суток;
♦ масса - от 1000 до 3500 кг.
Навигационная и научно-исследовательская аппаратура:
♦ ;
♦ ;
♦ ;
♦ ;
♦ приемник ГАНС ДБ;
♦ датчик крена и дифферента;
♦ ;
♦ ( );
♦ ;
♦ ГСО (ориентирован по курсу);
♦ ;
♦ ;
♦ ;
♦ .
- -
нального компьютера и включает в себя ГАСС, цветной телевизионный монитор, блок обработки информации.
Кроме того, в состав комплекса большой АНПА входит Г АНС ДБ (унифицированная с ГАНС ДБ для среднего АНПА), а также специально разработанная СПУ (унифицированная с СПУ среднего АНПА).
Автономный необитаемый подводный аппарат на солнечных батареях (САНПА) предназначен для всех видов гидрографических исследований во всех районах Мирового океана. Учитывая возможность нахождения в море САНПА в течение нескольких месяцев, может выполнять значительные по объему работы. Однако из-за низкого КПД (примерно 10 %) фотопреобразователей и ограниченной солнечной радиации в средних широтах, особенно в зимнее время, задача эффективного преобразования и использования энергии солнечных панелей является для САНПА важнейшей [1].
Должен эксплуатироваться со всех типов гидрографических судов и иметь :
♦ - 6000 ;
♦ скорость хода - 5 узлов;
♦ автономность - неограниченная;
♦ масса - до 500 кг.
Навигационная и научно-исследовательская аппаратура:
♦ ИНС;
♦ доплеро вский лаг;
♦ ко мпас;
♦ приемн ик СРНС;
♦ приемник ГАНС ДБ;
♦ глубиномер;
♦ эхолот ГБО;
♦ ;
♦ ;
♦ гравиметр (вместо гидрологического комплекса)
Судовой управляюще-вычислительный комплекс строится на базе персонального компьютера и включает в себя ГАСС, цветной телевизионный монитор, блок обработки информации. Кроме того, в состав комплекса САНПА входят ( ), -но разработанное СПУ.
Разработке опытного образца САНПА должна предшествовать научно, -.
Совершенствование и развитие ОНПА облегчается тем, что уже существует большое их количество, из которых при проектировании можно выбрать прототипы, используя их положительные элементы и устраняя недостатки. Так, при разработке перспективных ПНПА в качестве прототипа может быть использован ПНПА «Taiger» (Англия), а при разработке перспективных АНПА - «Клавесин» (Россия), «Higen» (Норвегия), «Remus» (США) [2].
,
ОНПА будут являться:
1. Развитие технических средств ОНПА, т.е. миниатюризация и повышение разрешающей способности средств, и направленность их создания под
.
набора под конкретную задачу, с целью сокращения массогабаритных ха, . поколения высокочувствительных малогабаритных гироскопов, акселерометров, инерциальных навигационных систем, систем курсоуказания, гравиметров, измерителей скорости, глубины погружения и других техниче-. -габаритных высокоточных ИНС для АНПА. В перспективе необходимо
, .
ОНПА будут оснащаться многолучевыми гидроакустическими средства, .
2. -ростных вычислителей и накопителей информации с объемом памяти порядка десятков и сотен гигабайт.
3. Снижение массогабаритных характеристик за счет использования при изготовлении ОНПА пласт-полимеров, например карбона, а также конструирование их из взаимозаменяемых модулей и сменной аппаратуры.
4. Повышение автономности АНПА за счет новейших источников энергии, совершенствования систем автономной навигации, в том числе навигации по геофизическим полям.
5. Совершенствование каналов связи АНПА с целью получения информации в реальном времени и повышения степени управляемости аппарата.
Реализация вышеперечисленных направлений развития должна обеспечить разработку сбалансированного проекта государственного заказа в части создания ОНПА и их совершенствования на период до 2025 г. и позволит удовлетворить потребности гражданского и оборонного характера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. НТО ОАО «ГНИНГИ МО РФ» по НИР «Исследование по обоснованию развития технологии устройств робототехники ВМФ, используемой в интересах навигационногидрографического обеспечения». Этап 3, 2010.
2. Бочаров Л.Д. Необитаемые подводные аппараты: состояние и общие тенденции развития // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2009. - № 8. - С. 88-93.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. В.Х. Пшихопов.
Лазарев Евгений Сергеевич
46 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации в г. Москве.
E-mail: Lazareves@mail.ru.
129327, г. Москва, Чукотский проезд, 8.
.: 84954713480.
Старший научный сотрудник.
Lazarev Evgeniy Sergeevich
46 Central Research Institutes Ministry of Defense to Russian Federation in Moscow.
E-mail: Lazareves@mail.ru.
8, Chukchi Journey, Moscow, 129327, Russia.
Phone: +74954713480.
Senior Scientist.
УДК 004.94
P.B. Федоренко, Б.В. Гуренко
КОМПЛЕКС МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЙ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫХ И ПОДВОДНЫХ
АППАРАТОВ
Представлена структура комплекса моделирования движений подвижных объектов на базе воздухоплавательных и подводных аппаратов и рассмотрены ее элементы. Комплекс моделирования движений позволяет провести эксперименты без реального объекта .
и способы их использования. Подробно рассмотрены варианты реализации процедур чис-
,
m- , -ния и специализированных программ моделирования динамики на основе описания парамет-. -ний подвижного объекта.
Моделирование; система управления; дирижабль; подводный аппарат.
R.V. Fedorenko, B.V. Gurenko
AIRSHIP AND UNDERWATER VEHICLES BASED MOBILE OBJECTS MOTION MODELLING COMPLEX
The paper presents structure of airship and submarine motion simulator, designed to experiment without real control object. Software implementation issues are considered. The paper presents a framework for motions simulation of airship and submarine based vehicles, elements of this structure are considered. Motion simulator is intended for experimentation without real control object. Software tools for implementing of simulator are considered. Variants of implementing
