CC BY-NC
36
СЕКЦИЯ 1
Военное кораблестроение
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-11-16 УДК 629.5.083.8
В.В. Асминин, A.B. Краморенко
НИИ спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», Ломоносов, Санкт-Петербург, Россия
ТЕЛЕМЕХАНИКА ПОИСКОВЫХ И СУДОПОДЪЕМНЫХ РАБОТ
Поиск и подъем затонувших объектов относятся к наиболее сложным и наукоемким видам поисково-спасательного обеспечения морской деятельности. Поиск лежащего на грунте затонувшего объекта - всегда вероятный, негарантированный процесс, поскольку всего 3 % площади морского дна хорошо исследованы. Совершенствование методов и технических средств приема и передачи информации под водой с целью контроля и управления роботизированными комплексами и мехатронными системами составляют область исследований телемеханики.
Ключевые слова: затонувший объект, поиск, судоподъем, телемеханика, роботизированный комплекс, ме-хатронная система, дистанционное управление, связь, контроль. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION 1 Naval shipbuilding
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-11-16 UDC 629.5.083.8
V. Asminin, A. Kramorenko
Research Institute of Rescue and Underwater Technologies, N.G. Kuznetsov Naval Academy, Lomonosov, St. Petersburg, Russia
TELEMECHANICS OF SHIP SEARCH AND SALVAGING ACTIVITIES
Search and salvaging of sunken objects is one of the most sophisticated and science-intensive fields in search & rescue support of marine activities. Searching a sunken ship on seabed never guarantees success because only 3% of seabed area is well-studied. Research field of telemechanics is exactly refinement of methods and tools for underwater data communication with robotic and mechatronic systems.
Keywords: sunken object, search, salvaging, telemechanics, robotics, mechatronic system, remote control, communications, control.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Телемеханика поисковых и судоподъемных работ -это совокупность методов и средств сигнализации, измерения и управления под водой роботизированными поисковыми комплексами и мехатронными судоподъемными системами, обеспечивающих управление и контроль по линиям связи (проводным, радийным, гидроакустическим, оптическим и др.).
Свое развитие телемеханика поисковых работ получила в 1960-е гг., когда доктор технических наук, профессор Г.Л. Полисар теоретически обосновал комбинированную линию телемеханики для выполнения подводных поисково-обследовательских работ [1]. Он предложил использовать радиосвязь для передачи сигнала над поверхностью воды и гидро-
Для цитирования: Асминин В.В., Краморенко А.В. Телемеханика поисковых и судоподъемных работ. Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 11-16.
For citations'. Asminin V.V., Kramorenko A.V. Telemechanics of ship search and salvaging activities. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 11-16 {in Russian).
акустическую связь под водой через пункт ретрансляции на промежуточном плавсредстве. Одновременно с этим в сфере подводных технологий было положено начало создания и использования необитаемых надводных и подводных аппаратов [2], получивших широкое распространение только в конце 1990-х гг. с появлением компактных и надежных средств радиоэлектроники, автоматики и емких источников электроэнергии.
В настоящий момент надводные и подводные аппараты представляют собой роботизированные комплексы (РТК), включающие в себя гидроакустические и радиосистемы, навигационные комплексы, фото- и видеотехнику, источники энергии, двигатели, программное обеспечение. РТК получили широкое распространение в областях нефтегазодобычи, научных изысканий, в военном и спасательном деле.
Триумф поисково-обследовательских РТК состоялся 5 ноября 2018 г., когда частная американская компания Ocean Infinity после безуспешных поисковых работ, в которых были задействованы самые современные силы и средства 14 государств, обнаружила пропавшую аргентинскую подводную лодку «Сан-Хуан» на глубине 914 м в юго-западной части Атлантического океана [3].
Для поиска аргентинской лодки Ocean Infinity использовала зафрахтованное у Норвегии многоцелевое строительное судно Seabed Constructor (рис. 1). Судно оборудовано системой динамического позиционирования Kongsberg класса DP 2 и высокоточной акустической системой подводного позиционирования и навигации HiPAP 502 [4]. За счет системы динамической компенсации веса судно может поднимать груз массой 250 т с глубин до 3000 м без опасения разрушения грузонесущих связей. Дополнительно на судне имеются вспомогательный кран
Рис. 1. Многоцелевое строительное судно Seabed Constructor
Fig. 1. Seabed Constructor multi-role construction vessel
грузоподъемностью 20 тс и буксирная лебедка с тяговым усилием 5 тс. Для выполнения грузоподъемных работ в неблагоприятных гидрометеоусловиях в районе миделя имеется шахта 7,2x7,2 м. Свободная поверхность палубы составляет 1300 м2. Seabed Соп-structor несет на борту:
рабочий телеуправляемый подводный аппарат (РТПА) Kystdesigh с предельной глубиной погружения 6000 м;
РТПА Schilling с предельный глубиной погружения 5000 м;
шесть автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) Hugin с предельный глубиной погружения 6000 м; шесть безэкипажных катеров (БЭК). Совокупность указанных выше технических средств с высокими характеристиками по праву позволяют считать Seabed Constructor лучшим поисковым судном в мире. Так спустя 58 лет за границей нашел реализацию способ поиска затонувших объектов, предложенный советским ученым.
Как известно, поиск лежащего на грунте затонувшего объекта - процесс всегда вероятный и негарантированный, поскольку хорошо исследовано всего 3 % поверхности морского дна, а более 50 % неизвестны вовсе [3]. Применение телемеханической системы «судно - катер - подводный аппарат» (рис. 2) с комбинированной системой навигации и управления существенно повышает ширину и качество поискового сигнала. Высокая эффективность достигается за счет интеграции двух навигационных систем - спутниковой для надводного позиционирования и звуко-подводной (гидроакустической) для ориентации по батиметрии дна. Такая схема телеметрии практически полностью нивелирует ограничения по глубине использования поисковых средств. Эффективность можно представить эмпирически, сравнив способ навигации по печатной карте и по навигатору, загруженному в смартфон.
После обнаружения лодки естественным образом встал вопрос о ее подъеме с глубины 900 м, однако для этого нужны очень большие материальные и научные ресурсы, которыми ВМС Аргентины не располагают. Необходимы совершенные подводные технологии, которыми в настоящее время обладают лишь крупные международные корпорации, принимавшие участие в подъеме дизель-электрической подводной лодки К-129 в 1974 г., российского атомного подводного ракетного крейсера «Курск» в 2000 г., итальянского круизного судна «Коста Конкордия» в 2014 г., южнокорейского парома «Севоль» в 2017 г. и норвежского фрега-
Рис. 2. Способ телемеханики поисковых работ, реализованный на судне Seabed Constructor
Fig. 2. Search telemechanics implemented aboard Seabed Constructor
Характеристики наиболее сложных судоподъемных работ Details of the most sophisticated salvaging operations
Наименование поднимаемого объекта Водоизмещение, т Глубина, м Год подъема Стоимость, млн долл. США
ДПЛ К-129 3600 5000 1974 800
АПЛ «Курск» 14 700 108 2001 154
Круизное судно «Коста Конкордия» 45 000 19 2014 561
Паром «Севоль» 6825 44 2017 149
Фрегат «Хельге Ингстад» 5290 20 2019 58
та «Хельге Ингстад» в 2019 г. Для наглядного понимания необходимых материальных затрат в таблице приведены стоимости и глубины вышеперечисленных судоподъемных работ.
Телемеханика имеет перспективу применения и в судоподъемных работах. Под этим термином понимают обеспечение дистанционно управляемого подъема затонувших объектов с глубин, на которых невозможно проведение водолазных работ. Подъем затонувших объектов с больших глубин принципиально возможен двумя известными способами [5]:
а) управляемый с помощью механических усилий (лебедки, домкраты и т.п.);
б) неуправляемый с использованием под водой сил плавучести, газовых средств, легковесных материалов.
До настоящего времени выполнено несколько успешных глубоководных подъемов крупных затонувших объектов с помощью механических усилий (ДПЛ К-129, АПЛ «Курск», ДПЛ С-80). Вместе с тем способ подъема с помощью механических усилий
имеет ряд недостатков. С ростом глубины возрастают массогабаритные характеристики грузонесущих связей, т.е. вес канатов и захватных устройств становится сравним с весом поднимаемого объекта. Под действием волнения возникают динамические силы в подъемных стропах, прочностные характеристики которых не способны обеспечить кратное увеличение разрывного усилия. Требуется применение системы амортизации динамических нагрузок в грузонесущих связях. Опыт использования подобных мехатронных комплексов свидетельствует о том, что при высоких строительной стоимости и эксплуатационных расходах они могут применяться единожды, а зачастую так и не реализуют заложенные в них возможности. С учетом роста функциональности необитаемой подводной техники и возможной замены обитаемых подводных аппаратов на АНПА [2], а следовательно, возросшей актуальности подъема сравнительно небольших затонувших объектов перспективным является разработка управляемого способа подъема за счет создания модульной ме-
Спутниковый сигнал
Судно управления
Ретранслятор БЭК
Радиосвязь^
Радпосвя
О 5 10 15 20 м
РТПА с УГП
Рис. 3. Мехатронная система глубоководного подъема: РТПА с УГП - рабочий телеуправляемый аппарат с устройством глубоководного погружения; МГПЗО - модуль глубоководного подъема затонувших объектов
Fig. 3. Mechatronic system for deep-water salvaging: РТПА с УГП - operating tele-controlled vehicle with deep-dive tool; МГПЗО - module for deep-water salvaging of sunken objects
Грузовая рама
Грузовой канат
Компенсатор
Лебедка
Рис. 4. Модуль глубоководного подъема затонувших объектов
Fig. 4. Module for deep-water salvaging of sunken objects
хатроннои системы на суднс-носитслс. предназначенном для проведения оффшорных работ (рис. 3).
Второй способ, использующий силы плавучести на больших глубинах, до сих пор практически не отработан, но его применение имеет широкие перспективы. При сравнительно невысокой стоимости возможно набирать практически любое количество подъемных усилий (понтоны, емкости и т.п.). Однако существует физическое ограничение во время всплытия затонувшего объекта за счет продувки прикрепленных к нему емкостей. Во избежание появления аварийного дифферента при всплытии подъем производят ступенями или зигзагом. Динамический характер всплытия при использовании плавучих емкостей даже при условии искусственного ограничения дифферента являлся серьезным недостатком. Природа динамического всплытия поднимаемого объекта при использовании емкостей заложена в самой физике процесса, когда подъемная сила создается сжатым газом (воздухом), вытесняющим воду из отсеков. Он расширяется при всплытии, сопровождающемся падением внешнего гидростатического давления. При этом происходит наращивание подъемных усилий, т.к. на практике всплытие начинается всегда раньше, чем будут полностью продуты отсеки. Быстрое нарастание дифферента происходит по причине большой подвижности воздушных объемов, которые немед-
ленно устремляются в сторону опережающей при всплытии оконечности, усугубляя ситуацию.
Главный недостаток неуправляемого способа подъема затонувших объектов заключается в отсутствии достаточно надежных, испытанных на практике технических решений по обеспечению управляемого подъема, под которым понимается возможность регулирования параметров движения, а именно дифферента.
Основными принципами при реализации неуправляемого подъема являются размещение условного центра приложения результирующих подъемных усилий как можно выше центра тяжести поднимаемого объекта, а проекций центра тяжести и центра приложения подъемных усилий - как можно ближе друг к другу на основной плоскости. Совпадения проекций центра тяжести и центра приложения подъемных усилий на основной плоскости добиться не получается ввиду невозможности точного учета подъемного и отрывного весов, а также сложности размещения подъемных усилий в строгом соответствии с проектом.
Специалистами аварийно-спасательной службы ВМФ J1.A. Дроздецким, В.А. Молчановым, Ю.Н. Еловего в 70-90 гг. прошлого века было предложено несколько технологических решений, направленных на реализацию способа неуправляемого подъема. Такой способ получил название «неуправляемый способ с обратной связью». Его принцип заключается в регулировании угла дифферента в режиме пассивного саморс г\ лирования при стравливании газов из дифферентных емкостей, установленных в оконечностях поднимаемого объекта. Емкости должны иметь открытое днище со скосом в нижней части, угол которого равен углу предельно допустимого дифферента. Способ был экспериментально апробирован в бассейне с глубиной 5 м на модели масштабом 1:50, что подтвердило описанную выше картину характера изменения дифферента и позволило сделать вывод о перспективности применения способа для подъема затонувших объектов даже с океанских глубин. Теоретическое обоснование способа разработано A. B. Краморенко [6].
При рассмотрении вариантов подъема затонувшего в ноябре 2018 г. плавучего дока ПД-50 авторами настоящей статьи было предложено дальнейшее развитие неуправляемого способа подъема с обратной связью, заключающееся в подъеме крупногабаритных объектов методом восстановления плавучести с использованием ко нет ру кт и в н о обеспеченной обратной связи между кренящим и восстанавливающим моментами (рис. 5,6).
Принципы телемеханики судоподъемных работ в настоящий момент напрямую связаны с цифровыми технологиями. Если ранее проектирование сложных судоподъемных систем невозможно было представить без создания макетных образцов, то с появлением методов трехмерного параметрического моделирования им на замену пришли цифровые модели (рис. 7). Трехмерные параметрические модели обеспечивают возможность предварительного создания прототипов сложных наукоемких образцов мехатронных судоподъемных систем для проведения их оценочных испытаний в гораздо больших объемах, поскольку снимаются ограничения по технике безопасности, материальным и финансовым затратам [7]. Возможности трехмерной параметрической модели в разы улучшают информативность моделирования судоподъемных работ, т.к. снижают потребность в дополнительной интеллектуальной интерпретации моделируемых процессов и явлений благодаря их близкому к реальной действительности восприятию. Аддитивные технологии способствуют повышению качества патентуемых технических решений, а цифровые модели позволяют создать базу данных прототипов и моделей судоподъемной техники, что, безусловно, важно, как в проектной, так и в образовательной деятельности. На рис. 8 в качестве примера пред-ставлена модель захвата штокового устройства для подводных лодок, кинематическая схема которого отрабатывалась с помощью модели, распечатанной на 3D-принтере.
Выводы
findings
1. Областью исследований телемеханики при выполнении поисковых и судоподъемных работ является совершенствование методов и технических
Рис. 7. Трехмерная параметрическая модель плавучего дока ПД-50
Fig. 7. Three-dimensional parametric model of PD-50 floating dock
Рис. 5. Реализация способа неуправляемого подъема: 1 - вырез в борту балластной цистерны;
2 - продуваемый балластный отсек; 3 - продутый объем
Fig. 5. A variant of uncontrolled salvaging: 1 - cut-out in ballast tank side; 2 - blowable ballast compartment;
3 - blown volume
Рис. 6. Принцип обратной связи: 1 - вырез в борту балластной цистерны; 2 - продуваемый балластный отсек; 3 - наращенный клиновидный объем; 4 - продутый объем; 5 - потерянный клиновидный объем; А/спр - спрямляющий момент
Fig. 6. Feedback principle: 1 - cut-out in ballast tank side; 2 - blowable ballast compartment; 3 - incremented conical volume; 4 - blown volume; 5 - lost conical volume; Mcnp -rectifying moment
Рис. 8. Цифровая и печатная модели захвата штокового устройства для подводных лодок
Fig. 8. Digital and printed models of stocked clamp for submarines
средств приема и передачи информации под водой с целью контроля и управления роботизированными комплексами и мехатронными системами.
2. Функциональность подводной техники в вопросах поисковых и судоподъемных работ напрямую зависит от развития телемеханики, а ме-хатроника и робототехника постепенно исключают пребывание человека под водой.
3. Возможности поиска затонувших объектов на недоступных ранее для человека глубинах значительно возросли, однако корреляция между возможностями поиска и подъема затонувших объектов свидетельствует о явном отставании судоподъемных технологий.
4. Глубоководный подъем требует проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию мехатронных систем для подъема затонувших объектов с учетом экономической эффективности, добиться которой возможно на основе применения существующих технических средств общего назначения или создания отдельных специализированных технических средств, пригодных для подъема широкой номенклатуры типовых объектов.
Библиографический список
1. Полисар Г.Л. Телемеханика и возможности ее применения для подводных работ // Бюллетень АСС ВМС. 1960. №41. 210 с.
2. Вильнит И. Подводные инновации. Морские роботизированные комплексы - настоящее и будущее // Военно-промышленный курьер. 2016. № 21.
3. Мозговой А. Раздавленная бездной. Как нашли аргентинскую подводную лодку San Juan // Национальная оборона. 2019. №2.
4. Seabed Constructor. Multi-Purpose offshore construction vessel // Swire Seabed. URL: https://swireseabed.com/ assets/vessels/seabed-conctructor (дата обращения: 07.08.2019).
5. Руководство по судоподъемным работам ВМФ. М: Красная звезда, 2015. 191 с.
6. Подъем затонувших объектов методом автостабилизации пространственного перемещения. Дис. ... канд. техн. наук. СПб. - Ломоносов: НИИ С'нПТ. 1998. 121 с.
7. Стандартизация в трехмерном моделировании // Морская политика России. 2018. № 25.
References
1. G. Polisar. Telemechanics and its possible underwater applications // Bulletin of Navy Search and Rescue Service. 1960, No. 41,210 pp. (in Russian).
2. I. Vilnit. Underwater innovations: state of the art and prospects of marine robotics // Voeimo-promyshleiiny kutier (VPK News). 2016, No. 21 (in Russian).
3. A. Mozgcn'oy. Smashed by the abyss: how Argentinian submarine San Juan was found. // Natsionalnaya Obo-rona (National Defence), 2019, No. 2 (in Russian).
4. Seabed Constructor. Multi-Purpose offshore construction vessel // Swire Seabed. URL: https://swireseabed.com/ assets/vessels/seabed-constructor (accessed on 07.08.2019).
5. Navy Salvage Guide. Moscow, Krasnaya Zvezda, 2015, 191 pp. (in Russian).
6. Salvage of sunken object by auto-stabiization of spatial displacements. Cand. Sc. Theses. St, Petersburg - Lo-monosov, Research Institute of Rescue and Underwater Technologies, 1998, 121 pp. (in Russian).
7. Morskaya Politika Rossii (Russian Maritime Policy), 2018, No. 25 (in Russian).
Сведения об авторах
Асминин Виталий Викторович, к.т.Н., заместитель начальника научно-исследовательского отдела, председатель совета молодых ученых и специалистов НИИ спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Адрес: 189412, Россия, Санкт-Петербург, Ломоносов, ул. Морская, 4. Тел.: +7 921 596-65-22. E-mail: as-mininuvmbovru.
Краморенко Андрей Вячеславович, д.т.н., начальник научно-исследовательского управления НИИ спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Адрес: 189412, Россия, Санкт-Петербург, Ломоносов, ул. Морская, 4. Тел.: +7 911 275-91-80. E-mail: kramorenko09(a!mail.ru.
About the authors
Asminin, Vitaly V., Cand. Sci. (Eng), Deputy Head of Research Department, President .of the Council of Young Scientists and Engineers, Research Institute of Rescue and Underwater Technologies, N.G. Kuznetsov Naval Academy, address: 4, Morskaya st., Lomonosov, St. Petersburg, Russia, post code 188512, tel.: +7 92 1 596-65-22. E-mail: [email protected].
Kramorenko, Andrey V,, Dr. Sci. (Eng), Head of Research Administration, Research Institute of Rescue and Underwater Technologies, N.G. Kuznetsov Naval Academy, address: 4, Morskaya st., Lomonosov, St. Petersburg, Russia, post code 188512, tel.: +7 911 275-91-80. E-mail: kramorenko09(a!mail.ru.
Поступила / Received: 15.05.19 Принята в печать / Accepted: 28.08.19 © Асминин В.В., Краморенко А.В., 2019
