ES2326694T3 - Vehiculo sumergible. - Google Patents

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ES2326694T3 ES06794840T ES06794840T ES2326694T3 ES 2326694 T3 ES2326694 T3 ES 2326694T3 ES 06794840 T ES06794840 T ES 06794840T ES 06794840 T ES06794840 T ES 06794840T ES 2326694 T3 ES2326694 T3 ES 2326694T3
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Abstract

Un vehículo sumergible que tiene un casco exterior que define un eje de casco y parece sustancialmente anular cuando se lo observa a lo largo del eje del casco, el interior del anillo define un conducto que está abierto en ambos extremos para que cuando el vehículo esté sumergido en un líquido, el líquido inunde el conducto, dicho vehículo consta adicionalmente de medios para girar el vehículo alrededor del conducto.

Description

Vehículo sumergible.
La presente invención hace referencia a un vehículo sumergible y a métodos de operación, amarrado y utilización de dicho vehículo como se revela en las características técnicas de la reivindicación independiente 1 del producto y la reivindicación 11 del método. Debe tenerse en cuenta que en esta especificación el término "sumergible" intenta abarcar los vehículos de superficie que son sumergidos sólo parcialmente cuando están en uso, así como también los vehículos que son sumergidos completamente en el agua (o en cualquier otro líquido) cuando están en uso. La invención también puede relacionarse con un deslizador sumergible de uso recreativo o juego.
En la patente US5438947 se describe un vehículo submarino con un paso interno. El vehículo tiene hélices montadas en el paso, y un timón para controlar la dirección de marcha del vehículo. El vehículo está diseñado con un relación baja entre sus dimensiones para permitir que el vehículo pueda viajar alta velocidad.
La presente invención proporciona un vehículo sumergible con un casco exterior que define un eje de casco y que parece sustancialmente anular al verse a lo largo del eje del casco, donde el interior del anillo define un conducto que se encuentra abierto en ambos extremos para que, cuando el vehículo se encuentre sumergido en un líquido, el líquido inunde el conducto, y donde el vehículo consta adicionalmente de medios para hacer girar el vehículo sobre sí mismo alrededor de su conducto.
Cuando está en uso, el vehículo puede girar alrededor de su conducto por menos de una revolución, o por una pluralidad de revoluciones. El vehículo puede girar simétricamente en el eje del casco, o puede girar alrededor del conducto de manera excéntrica, particularmente si el centro de gravedad se encuentra desplazado con respecto al eje del casco.
De manera convencional, una forma básicamente anular ha sido considerada como no deseable, dado que puede dar lugar a un vehículo inestable al girar (es decir, en la rotación alrededor de su conducto). Sin embargo, el inventor ha reconocido que esta propiedad no es necesariamente perjudicial en muchas aplicaciones (particularmente en aquellas que involucran vehículos no tripulados o autónomos) y puede ser aprovechada ya que el giro genera momento angular y ofrece una mayor estabilidad como consecuencia de ello. Además, el giro del vehículo puede combinarse con las corrientes oceánicas predominantes para generar fuerzas de Magnus que sirvan para reducir el desplazamiento lateral del eje del vehículo, a cambio de incrementos en los impulsos hidrodinámicos de elevación o descenso, como correspondería a los vectores de la corriente oceánica y el giro del vehículo. Tales reducciones de desplazamiento lateral pueden resultar valiosas donde se requiera una precisa navegación del vehículo entre dos o más puntos con control de derrota. Además, el movimiento del vehículo puede ser utilizado para lograr dos escaneos dimensionales de un sensor, donde un giro continuo en combinación con un movimiento lineal a lo largo del eje del vehículo es utilizado por un dispositivo sensor para capturar información desde una proyección de un campo de visión rectangular. El ancho del campo de visión rectangular es determinado por la magnitud del sector en el cual el sensor captura información; y la longitud del campo de visión rectangular es determinada por la longitud del recorrido axial del vehículo. Típicamente, el sector tendría una sub-tendencia a un ángulo inferior a los 180º, pero en una extensión de este método el dispositivo sensor podría capturar información por encima de los 180º y hasta los 360º. En este caso, el campo proyectado de visión será continuo alrededor de los dos planos dimensionales subtendidos por el movimiento de giro del vehículo. En un ejemplo tal, el dispositivo sensor captura datos de manera sincrónica en relación con su posición angular, de modo tal que podrían formarse líneas sucesivas con un registro preciso entre ellas. En una realización preferente, la extensión sintética de la apertura del sensor en dos dimensiones es lograda procesando adecuadamente los datos del sensor. En este ejemplo en particular, uno de los factores restrictivos del funcionamiento en el procesamiento de apertura sintética es la pérdida de resolución debido a imprecisiones entre la posición estimada y la posición real del vehículo durante todo el período de captura de datos. Como consecuencia, dichos sistemas han incorporado un equipamiento de navegación inercial para aumentar la precisión con la que puede estimarse la posición angular y posición del vehículo. Las realizaciones preferentes de la invención, sin embargo, adoptan en su lugar un diseño menos costoso y más elegante que mejora la estabilidad básica del vehículo aumentando su momento angular y por lo tanto reduciendo el grado de deriva o bien en la posición o en la posición angular del vehículo sin tener que recurrir a complejos algoritmos de corrección o estimación. Por lo tanto, en las realizaciones preferentes descritas a continuación, se suministran diversos medios para controlar el giro del vehículo alrededor de su conducto, y otros elementos para el control de la posición angular.
Los medios utilizados para girar el vehículo alrededor del conducto pueden ser, por ejemplo, un sistema de propulsión (como por ejemplo un sistema de propulsión de vector de empuje doble); una o más superficies de control, como por ejemplo aletas; un sistema de control inercial; o un sistema de control de flotabilidad que sea movido a babor o estribor alrededor del casco bajo el control del motor.
Típicamente, el vehículo consta adicionalmente de un sistema de control de flotabilidad, y preferentemente el sistema de control de flotabilidad tiene simetría rotacional alrededor del eje del casco.
Típicamente, al menos parte del casco exterior está extendido con respecto al eje del casco.
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Típicamente, el casco tiene un área proyectada S, y un diámetro máximo exterior B normal con respecto al eje del casco, y en donde la relación B^{2}/S es mayor que 0,5. El casco de diámetro relativamente amplio posibilita que una serie de dos o más sensores estén ampliamente separados en el casco, lo cual proporciona una buena línea de base para sensores. De esta manera, la sensibilidad efectiva de la serie de sensores se incrementa en proporción a la longitud de la línea de base del sensor. Además, la relación relativamente alta B^{2}/S proporciona un alto rendimiento aerodinámico, permitiendo que el vehículo pueda ser utilizado eficientemente como un deslizador.
Típicamente, el interior del anillo está moldeado de forma tal que parece al menos parcialmente curvado al observarlo en un corte transversal tomado a lo largo del eje del casco.
Típicamente, el interior y el exterior del anillo están moldeado de forma tal que proporciona un perfil de hidroala al observarlo en un corte transversal tomado a lo largo del eje del casco. Preferentemente, el perfil en hidroala tiene una sección relativamente ancha en una posición intermedia a lo largo del eje del casco, y secciones relativamente angostas de proa a popa de la posición intermedia.
Típicamente, el vehículo consta adicionalmente de uno o más tanques de presión alojados dentro del casco exterior. Al menos uno de los tanques de presión podría parecer sustancialmente anular al observarlo a lo largo del eje del casco. Dos o más de los tanques de presión podrían estar distribuidos a lo largo del eje del casco. Típicamente, un espacio interior entre el o los tanques de presión y el casco exterior se encuentra inundado cuando está en uso.
Típicamente, el vehículo consta adicionalmente de una fuente de energía alojada al menos parcialmente dentro del casco exterior.
Típicamente, el vehículo consta adicionalmente de uno o más sensores. Al menos uno de los sensores puede incluir un sensor de proximidad. En este caso, el vehículo podría constar adicionalmente de un sistema de propulsión; y de un mecanismo de retroalimentación para ajustar el sistema de propulsión en respuesta a una señal del sensor de proximidad.
Típicamente, el vehículo tiene un centro de gravedad ubicado en el conducto y un centro de flotabilidad ubicado en el conducto.
Típicamente, el vehículo tiene un centro de gravedad ubicado aproximadamente en el eje del casco y un centro de flotabilidad ubicado aproximadamente en el eje del casco.
Los medios para girar el vehículo alrededor de su conducto podrían incluir un sistema de propulsión de vector de empuje doble que consta de uno o más pares de dispositivos de propulsión, donde cada par consta de un primer dispositivo de propulsión montado sobre un eje en un primer lado del eje del casco, y de un segundo dispositivo de propulsión montado sobre un eje en un segundo lado del eje del casco opuesto al primer dispositivo de propulsión.
Típicamente, cada dispositivo de propulsión genera un vector de empuje que puede ser variado independientemente del otro dispositivo de propulsión montando el dispositivo sobre un pivote. Típicamente, cada dispositivo está montado de modo tal que pueda girar alrededor de un eje a un ángulo (preferiblemente de 90º) con respecto al eje del casco. Los dispositivos de propulsión pueden ser, por ejemplo, hélices giratorias o aletas oscilantes. Los dispositivos de propulsión pueden estar dentro del conducto, o fuera del conducto pero conforme con el casco exterior.
En realizaciones preferentes de la invención, el conducto proporciona un área baja de corte transversal de proa para reducir la resistencia al avance, mientras que se asegura una reducción al arrastre adicional reduciendo los vórtices de estela inducidos que de otra manera serían más significativos al ser inducidos por una ala plana convencional, o un arreglo de estabilizador de plano horizontal de cola. Las paredes del conducto son moldeadas preferentemente para generar una elevación hidrodinámica de manera eficiente, la cual puede ser utilizada para ayudar en el movimiento del vehículo a través del líquido.
Una ventaja adicional del conducto es que las superestructuras (como los dispositivos de propulsión) pueden ser alojadas de manera más segura dentro del conducto, permitiendo que el casco exterior presente una superficie conforme externa relativamente alisada, lo cual sirve para reducir el riesgo de daño o pérdida debido a impactos o enredos contra con otros objetos submarinos.
Las realizaciones de la invención brindan un perfil sustancialmente anular con una rigidez estructural del vehículo incrementada en comparación con otras basadas en alas planas convencionales. Esta ventaja puede demostrarse en el costo o en la masa reducida de un vehículo con parámetros hidrodinámicos similares, o en la capacidad de inmersión más profunda donde o el casco anular o los tanques de presión toroidales contenidos dentro del casco proporcionarán una mejor flotabilidad frente a las presiones de hundimiento.
El conducto puede estar completamente cerrado a lo largo de toda o parte de su longitud externa, o parcialmente abierto con una ranura que recorra toda su longitud. El conducto también podría incluir ranuras o puertos para asistir o modificar su desempeño hidrodinámico bajo ciertas condiciones de funcionamiento.
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A continuación se describirán varias realizaciones de la invención por medio del ejemplo haciendo referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
La Figura 1a es una vista frontal del primer vehículo propulsado con sus hélices en una primera configuración;
La Figura 1b es un corte transversal del vehículo tomado a lo largo del eje del casco y a lo largo de la línea A-A de la Figura 1;
La Figura 2a es una vista frontal del vehículo con sus hélices en una segunda configuración;
La Figura 2b es un corte transversal del vehículo tomado a lo largo de una línea A-A en la Figura 2a;
La Figura 3a es una vista trasera de un segundo vehículo propulsado;
La Figura 3b es un corte transversal del vehículo tomado a lo largo de una línea A-A en la Figura 3a;
La Figura 4a es una vista trasera de un tercer vehículo propulsado;
La Figura 4b es un corte transversal del tercer vehículo propulsado tomado a lo largo de una línea A-A en la Figura 4a;
La Figura 4c es un corte transversal del vehículo tomado a lo largo de una línea B-B en la Figura 4a;
La Figura 5a es una vista frontal de un primer vehículo deslizador;
La Figura 5b es una vista lateral del primer vehículo deslizador;
La Figura 5c es una vista plana del primer vehículo deslizador;
La Figura 5d es una vista lateral de otro deslizador donde las paletas volteadas están incluidas dentro de las ranuras cerca de las elevaciones del anillo;
La Figura 6a es una vista en perspectiva de un casco de presión alternativa;
La Figura 6b es una vista lateral de un casco de presión alternativa;
La Figura 7a es una vista en perspectiva de un sistema de control de posición angular alternativo;
La Figura 8 es una vista frontal de un cuarto vehículo propulsado en uso;
La Figura 9a es un corte transversal del primer vehículo propulsado tomado a lo largo de una línea A-A en la Figura 1, en el proceso de atracado;
La Figura 9b muestra el vehículo luego de atracar;
La Figura 9c es una vista ampliada que muestra un sistema de recarga eléctrica inductiva;
La Figura 10 es un corte transversal que muestra una estructura de atracado alternativa;
La Figura 11 es una vista esquemática de un vehículo amarrado remolcado con una estructura de atracado alternativa adicional;
La Figura 12a es una vista frontal de un vehículo deslizador;
La Figura 12b es una vista lateral del vehículo;
La Figura 12c es una vista plana del vehículo;
La Figura 13a es una vista frontal de un cuarto vehículo propulsado;
La Figura 13b es una vista lateral del vehículo;
La Figura 14a es una vista frontal de un segundo vehículo amarrado remolcado;
La Figura 14b es una vista lateral del vehículo.
La Figura 15a es una vista axial de un sistema toroidal de control de flotabilidad;
La Figura 15b es una vista axial de un sistema helicoidal de control de flotabilidad;
La Figura 15c es una vista lateral del sistema de la Figura 15b; y
La Figura 15d es una vista lateral seccional de un sistema de control de flotabilidad adicional.
En referencia a las Figuras 1a y 1b, un vehículo sumergible 1 tiene un casco exterior 2 el cual es desarrollado partiendo de un perfil de hidroala de flujo laminar (mostrado en la Figura 1b) como un cuerpo de revolución alrededor del eje del casco 3. Por lo tanto, el casco exterior 2 parece anular cuando se lo observa al ras del eje del casco como se muestra en la Figura 1a. Una pared interna número 4 del anillo define un conducto 5 el cual está abierto de proa a popa para que cuando el vehículo esté sumergido en el agua o en cualquier otro líquido, el agua inunde el conducto y fluya a través del conducto a medida que el vehículo se mueve a través del agua, generando una elevación hidrodinámica.
Como se muestra en la Figura 1b, el perfil de hidroala se estrecha exteriormente gradualmente desde un extremo angosto de proa 6 a un punto más ancho 7, y luego se estrecha interiormente más rápidamente hacia un extremo de roda 8. En esta realización en particular, el punto más ancho 7 está posicionado aproximadamente a dos tercios de la distancia que existe entre la proa y el extremo de roda. La sección de la hidroala podría ser modificada en variantes de este y otros vehículos con el fin de modificar los coeficientes de elevación, arrastre y momento de cabeceo de acuerdo con una variedad particular de regímenes de flujo según lo determine el rango apropiado de números Reynolds que podrían ser válidos dentro de una variedad de aplicaciones.
Un par de propulsores 9,10 son montados simétricamente en lados opuestos del eje del casco. Los propulsores incluyen hélices 11, 12 que están montadas en ejes de soporte en forma de L 13, 14 los cuales a su vez están montados al casco en línea con el punto más ancho 7 como se muestra en la Figura 1b. Las hélices están montadas dentro de los obenques 15, 16 de forma tal que su eficiencia se ve incrementada. Cada eje en forma de L está montado sobre un eje al casco para poder rotar a 360º respecto del casco o alrededor de un eje paralelo al eje de cabeceo del vehículo, proporcionando así propulsión de empuje vectorial. Tanto el obenque como el eje en forma de L tienen una sección de hidroala que usa una proporción entre la longitud y la altura de la cuerda similar a la descrita para el casco exterior. Así, por ejemplo, los propulsores 8, 9 puede ser rotados entre la configuración codirigida mostrada en las Figuras 1a y 1b, en la cual suministran una fuerza impulsora para impulsar el vehículo hacia adelante y a lo largo del eje del casco, y la configuración contra dirigida mostrada en las Figuras 2a y 2b, en la cual provocan que el vehículo ruede continuamente alrededor del eje del casco. Las flechas V de la Figura 2a ilustran el movimiento del vehículo, y las flechas L de la Figura 2a ilustran el paso del líquido. Se entiende por lo tanto que esta realización particular utiliza cuatro motores dentro de su sistema de propulsión: dos motores eléctricos de CC sin escobillas para impulsar las hélices, y dos motores eléctricos de CC para impulsar los ejes de soporte en forma de L sobre los cuales están montados los motores de las hélices, donde un mecanismo mecánico de reducción de engranaje motriz sin fin es utilizado para transferir el impulso y las cargas entre el motor y los ejes con forma de L. Pueden utilizarse tipos alternativos de motor como los motores de velocidad gradual para el último esquema, siempre y cuando las cargas de funcionamiento se han consecuentes con la clasificación de los motores.
Para proporcionar un mínimo cabeceo de loop abierto o estabilidad de viraje, el centro de gravedad del vehículo (CofG) está ubicado a proa del centro de la presión hidrodinámica, donde se alcanza una mayor estabilidad con una mayor separación entre estos centros. Sin embargo, la ubicación precisa no es crítica dado que puede alcanzarse una estabilidad adicional mediante un sistema de control de posición angular de loop cerrado (no se muestra) que puede ser combinado con el sistema de propulsión del vehículo. En tales circunstancias, la estabilidad podría ser sacrificada por la agilidad operando el vehículo con su CofG en o detrás del centro de presión hidrodinámica. Similarmente, la posición de los propulsores puede ser ajustada ya sea hacia adelante en dirección a la proa, o hacia atrás en dirección a la roda, donde las dinámicas del vehículo pueden ser ajustadas consecuentemente.
Dicho sistema de control de posición incluye (i) un dispositivo que mide la aceleración lineal en tres ejes ortogonales; y (ii) un dispositivo que mide la aceleración angular en tres ejes ortogonales; y (iii) un dispositivo que mide la orientación en dos o tres ejes ortogonales; y (iv) un dispositivo que combina las señales de estos dispositivos y calcula las señales de demanda que estimulan el sistema de propulsión mencionado anteriormente, de acuerdo con el movimiento dinámico del vehículo particular o la estabilidad deseada en ese momento. El dispositivo de orientación podría incluir un sensor de gravedad, o un sensor que detecte el vector del campo magnético de la tierra, o ambos. El vehículo también podría incluir un sistema de navegación que calcule la posición del vehículo en cualquier momento en particular con respecto a alguna posición de referencia inicial. Una realización preferente de dicho sistema de navegación incluye un dispositivo de procesamiento que opere sobre datos proporcionados por el sistema de control de posición descrito arriba, y que opere también en otros datos opcionales donde los sensores específicos que brindan dicha información también podrían estar incluidos dentro del vehículo por propósitos de navegación. Dichos sensores podrían incluir (i) un receptor de posicionamiento por satélites geoestacionarios (GPS), y (ii) uno o más transpondedores acústicos o dispositivos de comunicación. El dispositivo GPS es utilizado para derivar una estimación de la posición del vehículo en latitud, longitud y elevación cuando se encuentre sobre la superficie. El transpondedor acústico o el dispositivo de comunicaciones transmite y recibe señales acústicas con el fin de establecer su posición respecto a uno o más transpondedores o dispositivos de comunicación correspondientes ubicados dentro del medio local líquido. En una realización preferente el dispositivo de procesamiento incluye un algoritmo específico descrito como filtro Kalman que estima la posición relativa o absoluta del vehículo basándose en los datos variables suministrados por los dispositivos de sensor de los sistemas de control de posición y navegación.
En esta realización en particular el vehículo está diseñado con un pequeño grado de flotabilidad positiva. El centro de flotabilidad (CofB) podría estar ubicado en cualquier lugar entre un mínimo donde el CofB es coincidente con el centro de gravedad, y un máximo donde el CofB se encuentra dentro del volumen de un cono imaginario invertido por encima del CofG, y donde el ápice del cono hace contacto con el CofG y donde la base del cono es subtendida por la parte superior del casco anular.
En una realización particular, el cono está inclinado de modo tal que ninguna parte de su volumen yace por detrás con respecto al plano vertical que bisecta el eje del vehículo y coincide con el CofG. Cuando el CofB permanece dentro de este cono y es separado del CofG, el vehículo adoptará un cabeceo positivo bajo condiciones estáticas y por lo tanto podría deslizarse desde la profundidad hacia la superficie bajo fuerzas derivadas sólo de la combinación de flotabilidad positiva y elevación hidrodinámica del casco anular, y donde se gana una útil distancia de viaje lateral por el recorrido poco profundo de deslizamiento del vehículo.
Esto permite la oportunista conservación de energía en el almacenamiento de carga de la batería del vehículo, por medio de la reutilización de las fuerzas gravitacionales dentro de su ciclo de misión. El recorrido de deslizamiento del vehículo también podría ser mejorado adoptando hélices (no mostradas) que podrían plegarse para permanecer paralelas al eje del casco cuando no están en uso, o mediante la omisión de los obenques de las hélices, en cuyo caso el arrastre del vehículo se verá adicionalmente minimizado.
El vehículo también podría incluir células de energía solar (no mostradas) dispuestas alrededor del cuerpo exterior del casco, donde una vez más el casco anular proporciona una eficiente implementación dado que su área de superficie exterior es relativamente grande en comparación con un vehículo cilíndrico de masa similar. En dicha realización, las células solares están conectadas eléctricamente a un circuito de carga que repone la energía almacenada dentro de las células recargables ubicadas dentro del depósito de baterías. Esto permite el reabastecimiento planificado y oportunista de la energía del vehículo utilizando energía solar cuando el vehículo está en funcionamiento o cuando está detenido en o cerca de la superficie marina.
En esta realización, el CofB puede estar fijado en alguna ubicación estática dentro del cono volumétrico mencionado anteriormente, o el CofB puede ser ajustado dinámicamente por un mecanismo de control en posiciones alrededor del cono. En cualquiera de los dos casos, el CofB es controlado por la ubicación de uno o más elementos de estabilización de flotabilidad ubicados positivamente dentro de una sección toroidal del anillo anular. En la realización donde se utilizan dos elementos de estabilización, los elementos pueden ser colocados dentro del toroide, en cuyo caso la flotabilidad estética del vehículo será máxima; o los dos elementos de estabilización pueden estar ubicados alrededor del toroide de manera tal que el CofB y el CofG permanezcan en el eje del casco, en cuyo caso la estabilidad estática del vehículo sería cero.
Por lo tanto, el vehículo podría utilizar su sistema de propulsión para inducir la rotación alrededor de su eje de casco, y el vehículo podría ajustar la posición de su CofB en relación con su CofG. El vehículo podría por lo tanto adaptar su movimiento dinámico mientras viaja sin rotar, cuando se desea una máxima separación entre el CofB y el CofG. Sin embargo, el vehículo también podría adaptar su movimiento mecánico cuando la rotación es inducida, ya sea con o sin movimiento a lo largo del eje del casco, cuando se desea una mínima separación relativa al eje del casco entre el CofG y el CofB en el caso de que se desee minimizar la excentricidad durante el giro.
Los propulsores de vectores de empuje proporcionan los medios para el movimiento a lo largo del eje del casco, ya sea hacia adelante o en reversa, y para la rotación o giro alrededor del eje del casco, y el cabeceo o viraje cerca del CofG del vehículo. Como se describió anteriormente, resulta claro que los dos propulsores podrían estar contra dirigidos con el fin de inducir el giro del vehículo. Los dos propulsores también podrían estar codirigidos. Por ejemplo, cuando ambos están direccionados hacia abajo para que sus vectores de empuje permanezcan por encima del CofG, entonces el vehículo cabeceará hacia abajo. De manera similar, cuando los dos propulsores están direccionados hacia arriba para que sus vectores de empuje permanezcan por debajo del CofG, entonces el vehículo cabeceará hacia arriba. También resulta claro que pueden utilizarse grados variables de cabeceo del propulsor en relación con el vehículo y entre ellos para lograr que el vehículo pueda cabecear hacia arriba y hacia abajo, rotar y virar. El viraje también podría ser inducido mediante la aplicación diferencial de impulso cuando se adoptan tasas diferenciales de revoluciones de la hélice. Por lo tanto, puede verse que el vehículo es capaz de sumergirse, girar, desplazarse y salir a flote mediante su propio control autónomo.
El vehículo puede ser conducido de manera especial cuando el vehículo está rotando y cuando la posición del CofG está coalineada con el eje de rotación del propulsor. En referencia a la Figura 2b, si definimos una dirección vertical que sea vertical en la página, entonces en la posición mostrada en la Figura 1a el vehículo está en un ángulo de giro de 0 grados con el propulsor 9 direccionado hacia arriba y con el propulsor 10 direccionado hacia abajo. Si se requiere un movimiento descendente, se enciende el propulsor 9 cuando el vehículo está entre los 350º y los 10º (o algún otro arco limitado en el cual el propulsor 9 es direccionado generalmente hacia arriba) y el propulsor 10 es encendido cuando el vehículo está entre los 170º y los 190º (o algún otro arco limitado en el cual el propulsor 10 es direccionado generalmente hacia arriba). El vehículo integra el vector de empuje alrededor del arco, y experimenta una aceleración lineal que induce un desplazamiento normal con respecto al eje del casco (en este caso hacia abajo). Esto permite que el vehículo en rotación pueda ser movido de manera precisa en un plano que yace normal con respeto al eje del
casco.
Por lo tanto, resulta claro que el vehículo tiene un alto grado de maniobrabilidad, dado que su propulsión de vectores de empuje puede ser ajustada para lograr altas velocidades de giro bajo un control dinámico. También resulta claro que el vehículo tiene un alto grado de estabilidad. En el primer ejemplo, cuando el movimiento se da a lo largo del eje del casco, pueden alcanzarse velocidades relativamente altas con hélices contragiratorias que cancelan la potencia inducida, mientras que los propulsores contradirigidos brindan estabilidad de desplazamiento adicional. En el segundo ejemplo, cuando el movimiento de rotación alrededor del eje del casco es inducido, el impulso angular es incrementado y una vez más la estabilidad del vehículo es incrementada, en donde esto podría ser medido como una reducción de la posición angular del vehículo o de los errores de posicionamiento cuando están sujetos a fuerzas externas.
La proa del vehículo transporta un par de cámaras de vídeo 17,18 para evitar las colisiones y utilizar aplicaciones de imagen. El diámetro relativamente grande del casco permite que las cámaras estén bien distanciadas, proporcionando por lo tanto una larga línea de base estereoscópica que permite una precisa estimación de alcance mediante la medición por medio de paralaje entre objetos ubicados dentro de los campos de visión de ambas cámaras. Un transmisor sonar 19 y un receptor sonar 20 son suministrados para la recepción y detección de imágenes sonares. Nuevamente, la amplia línea de base es una ventaja. El casco exterior 2 contiene un espacio interior que puede verse en la Figura 1a. Este casco exterior se fabrica preferentemente con un material rígido compuesto utilizando filamentos de fibra de vidrio o fibra de carbón laminado alternativamente entre capas de resina epóxica. Alternativamente, puede moldearse un casco más económico y menos resistente utilizando un polímero duro adecuado como poliuretano o polietileno de alta densidad. También es posible fabricar el casco exterior con aluminio, en cuyo caso el casco debería estar presurizado. El espacio interior podría ser inundado por medio de pequeñas perforaciones (no mostradas) en el casco exterior, o podría estar presurizado. El espacio interior aloja un par de paquetes de batería 21,22, un par de sensores de roda 23,24 y cuatro tanques de presión toroidales 25-28 distribuidos a lo largo del eje del casco. Los tanques de presión contienen los componentes electrónicos del vehículo, algunos elementos de propulsión de subsistemas y demás artículos, y están unidos por arbotantes axiales (no mostrados). En esta realización particular los tanques toroidales de presión son fabricados preferentemente con compuestos rígidos utilizando filamentos de fibra de vidrio o fibra de carbón bobinadas de manera helicoidal alrededor del toroide y laminadas alternativamente entre capas de resina epóxica. Alternativamente, los tanques de presión toroidales pueden ser fabricados con un grado apropiado de metal como aluminio, acero inoxidable o galvanizado, o titanio.
La longitud del casco a lo largo del eje del casco corresponde a la línea de la sección de la hidroala, y esto se indica como (a) en la Figura 2a, mientras que el diámetro o espacio a través del conducto en sus dos extremos es indicado como (b). La relación (o ratio) dimensional (AR, por sus siglas en inglés) del casco se describe de la siguiente manera:
AR=2B^{2}/S
donde B es la envergadura del casco (definida por el máximo diámetro exterior del casco) y donde S es el área proyectada del casco.
Si tomamos la distancia B como si fuera aproximadamente igual a (b), y el área S como si fuera aproximadamente igual a (b) x (a), entonces la AR sería de aproximadamente 2(b)/(a). En el vehículo de la Figura 2b, la AR es de aproximadamente 1, 42, aunque este número podría modificarse en otras realizaciones donde la aplicación podría demandar otras relaciones. Es evidente que la forma del vehículo podría ser ajustada mediante una simple variación de su diámetro toroidal para reflejar vehículos angostos donde la relación dimensional es baja, o para reflejar vehículos anchos donde la relación dimensional es alta. En cualquiera de los dos casos, pueden ganarse ventajas específicas bajo ciertas circunstancias, dado que pueden lograrse coeficientes de elevación relativamente altos utilizando una forma toroidal con una baja relación dimensional, mientras que pueden lograrse relacioness óptimas de inclinación de deslizamiento, o relaciones equivalentes de elevación sobre resistencia utilizando una forma toroidal con una alta relación dimensional.
El casco exterior está diseñado para minimizar su coeficiente de resistencia dentro del régimen de flujo líquido determinado por el rango de números Reynolds, que describe la operación del vehículo dentro de escenarios particulares. El casco exterior incluye una capa interior (mostrada en la Figura 1b con sombreado a rayas), y una capa exterior (no mostrada).
Un segundo vehículo 30 es mostrado en las Figuras 3a y 3b. El vehículo es idéntico al vehículo 1, pero emplea un sistema de propulsión de vector de empuje doble de aleta biomimética en lugar de un sistema de propulsión de vector de empuje doble de hélice. En este caso, el sistema de propulsión consta de un par de aletas 31, 32 que están montadas sobre un eje en el casco exterior hacia el extremo de la roda, y pueden rotar a menos de 180º entre una primera posición (de estibado) mostrada en líneas continuas en las Figuras 3a y 3b, y una segunda posición mostrada en líneas entrecortadas en la Figura 3b. Cada una de las aletas es rotada por un motor eléctrico de CC individual sin escobilla y un mecanismo de reducción por engranajes mecánicos que preferentemente incluiría un tornillo sin fin helicoidal (no mostrado), y que puede ser propulsado de diferentes modos. En esta configuración las aletas son fabricadas con un grado particular de poliuretano para brindar algo de flexión mientras se encuentran bajo carga en el movimiento oscilante, donde dicha flexión sirve para dirigir un vórtice de ola propulsor para atrás desde cada aleta más eficientemente.
En un modo, las aletas son alternadas fuera de fase para generar un movimiento de remo que impulse el vehículo hacia adelante a lo largo del eje del casco. En otro modo, las aletas son impulsadas de manera oscilante pero esta vez dentro de fase con el resto para impulsar nuevamente el vehículo hacia adelante a lo largo del eje del casco.
En otro modo, las aletas son impulsadas de manera oscilante pero esta vez con los centros de sus arcos oscilantes desplazados arriba y abajo del plano horizontal descrito por el eje del casco y el eje de giro de la aleta, para impulsar el vehículo hacia adelante e inducir el giro, donde el giro puede ser en cualquier dirección dependiendo de la separación relativa de las aletas oscilantes.
En otro modo, las aletas son impulsadas de manera oscilante pero esta vez en fase con el resto, y una vez más con el centro del arco oscilante desplazado arriba o abajo del plano axial giratorio descrito anteriormente. Este modo impulsa el vehículo hacia adelante pero también causa una rotación de cabeceo cerca del CofG y por lo tanto puede ser utilizado para que el vehículo se sumerja o ascienda. Al utilizarlo en combinación con el modo de giro del vehículo, este modo se acoplará y producirá el viraje del vehículo.
Este diseño de propulsion biomimético permite una magnitud y frecuencia variables continuas de señales de agitación para cada propulsor de aleta, y también la selección variable continua de centros oscilantes de arcos de aleta, para cualquier aleta, y también el ajuste de fase variable continua entre aletas. Este diseño alcanza, por lo tanto, una buena eficiencia de propulsión a bajas velocidades, y también una buena eficiencia de propulsión a altas
velocidades.
Otra realización de este esquema utiliza aletas oscilantes similares, pero en este diseño particular se incluyen tres bisagras de articulación adicionales entre medio del pivote de la aleta y la cola de la aleta. Estas bisagras de articulación son fabricadas con acero inoxidable y están accionadas de manera oscilante cuidadosamente en relación con la agitación brindada en el pivote de la aleta. Este diseño produce una onda progresiva que comienza en el pivote de la aleta con una amplitud x en la bisagra de articulación, la cual luego avanza hacia la cola de la aleta con amplitud y, y donde y es mayor que x. Utilizando este diseño, los modos de operación descritos anteriormente son replicados, del mismo modo que sus ventajas durante la operación, pero aquí la eficiencia de propulsión es mejorada por el cuidadoso ajuste de fase del pivote y de las señales de agitación de las bisagras de articulación con el fin de lograr una onda progresiva de propulsión.
Un tercer vehículo propulsado 40 es mostrado en las Figuras 4a-c. El vehículo es similar al vehículo mostrado en las Figuras 3a y 3b, y también emplea un sistema de propulsión de vector de empuje doble de aleta biomimética. Un par de aletas axisimétricas 41, 42 son montadas a la roda de, y conforme con, el casco anular. Las aletas son idénticas y una de ellas 42 en mostrada en un corte transversal en la Figura 4c. La capa delgada del casco exterior termina en 43, pero la capa interior (que tiene un cierto grado de flexibilidad) se extiende alrededor de la aleta, donde la capa interior consta de un material elastomérico como el poliuretano. La aleta contiene una estructura que consta de una plancha próxima 44 y una plancha distante 45 unidas en el pivote 46. Un par de cuñas 47, 48 conectan los lados opuestos de la plancha distante en parte a lo largo de su longitud. Una línea 49 es anexada a ambos extremos del pivote 46, y pasa por encima de una polea loca 50. Impulsar la polea 50 provoca que la plancha próxima 44 rote sobre las cuñas 47, 48 y que las planchas distantes roten sobre el pivote 46, como se muestra con líneas entrecortadas. Oscilando la polea 50, la aleta 42 también oscila. Dos líneas adicionales (no mostradas) son utilizadas para controlar las esquinas superiores e inferiores de las colas de las aletas, para que las colas de las aletas puedan ser controladas independientemente dentro de cada propulsor, e independientemente de cualquier propulsor, de manera tal que el giro de ala positivo o negativo de la hidroala sea efectivamente impartido en cualquier punta de una aleta utilizando este método. Este método le brinda al vehículo una agilidad sustancial.
Una realización alternativa de este mecanismo propulsor de arrastre utiliza dos electroimanes 51, 52 ubicados en cualquiera de los lados de la plancha distante, los cuales son estimulados por una aplicación de corriente eléctrica alrededor de las bobinas ubicadas en los electroimanes, para que la puesta en fase alternativa de dichas señales en cualquier electroimán induzca una acción oscilante en la plancha próxima. Un dispositivo de control (no mostrado) controla la agitación de los electroimanes, y también controla la agitación del motor que impulsa la polea 50 y la plancha distante con una acción similar oscilante, aunque la puesta en fase relativa de las planchas próximas y distantes oscilantes es mantenida cuidadosamente por medio del dispositivo de control para que una onda progresiva de impulso sea producida por el propulsor. Resulta claro que otras variantes pueden ser implementadas en este esquema, incluyendo la provisión de imanes de tierras raras o similares en la plancha próxima, y arreglos oscilantes donde las posiciones de los imanes y de los electroimanes son invertidas.
Una diferencia principal de esta realización de propulsión biomimética en combinación con el casco anular es que los golpes de las aletas pueden ser ejecutados axisimétricamente, lo cual incrementa la eficiencia de propulsión del vehículo. Una vez más los modos de propulsión descritos anteriormente pueden ser replicados con este diseño con la excepción de que el giro del vehículo es inducido por el impulso asimétrico de las esquinas de las colas de las aletas. Las planchas podrían ser rígidas, o podrían ser diseñadas para flexionarse, siempre que dicha flexión sea tenida en cuenta en la puesta en fase de las señales de agitación. Una vez más la propulsión eficiente es lograda mediante la agitación e impulsión de las planchas próximas y distantes y de las líneas de las esquinas de las aletas caudales de modo tal que un par recíproco de ondas progresivas de propulsión axisimétricas sean transferidas desde la base de cada aleta a cada cola de aleta.
Como se describió anteriormente, este diseño de propulsión biomimética en combinación con el casco anular brinda muchos grados de libertad al ajustar su eficiencia de propulsión.
Debería resultar claro que la cantidad de propulsores de aleta asociados con el casco anular como se muestra en las Figuras 4a, 4b y 4c podría extenderse fácilmente a una cantidad n mayor, donde en un caso limitante, los propulsores de las aletas confluyan alrededor de la circunferencia de la cola del vehículo para formar un propulsor continuo y conformado, flexible, anular y biomimético.
Una realización particular de dicho propulsor continuo y conformado, flexible, anular y biomimético es descrita de la siguiente manera. Los ensamblajes de conducción descritos arriba para el vehículo propulsor de doble aleta axisimétrico son replicados alrededor de la parte trasera del anillo para que n = 10, de modo tal que las planchas distantes y próximas se encuentren dentro de una cubierta conformada de poliuretano elástico que se anexa a la parte trasera del anillo del vehículo. No se incluye ninguna línea adicional para las aletas caudales de esquina, dado que se vuelven redundantes cuando el propulsor de aleta se convierte completamente en un anillo flexible y
conforme.
Las planchas próximas y distantes son impulsadas como se describió anteriormente de modo tal que una onda progresiva y de propulsión, continua y axisimétrica sea agitada desde la base del anillo flexible hasta su cola para impulsar el vehículo hacia adelante a lo largo de su eje del casco. El control de cabeceo y viraje se vuelve trivial en esta realización dado que es posible un completo control circunferencial del anillo flexible, y también puede efectuarse la agitación de las planchas próximas y distantes de manera independiente.
Un vehículo deslizador 100 se muestra en las Figuras 5a-c. El casco del vehículo tiene una construcción anular como se muestra en la Figura 5a, y adopta una forma barrida hacia atrás para minimizar la resistencia del vehículo; para reducir la energía residual liberada en los vórtices de estela; para brindar estabilidad de cabeceo y viraje; y para brindar un novedoso mecanismo para el control de posición angular. La Figura 5b es una vista de la elevación de babor del vehículo, mientras que la Figura 5c describe una vista plana del vehículo con líneas entrecortadas indicando la forma del perfil de la hidroala. El casco exterior utiliza una construcción similar, y alberga distintos sensores, paquetes de batería, y tanques de presión en común con los vehículos mostrados en las Figuras 1-4, pero éstos no se muestran para mayor claridad.
El casco tiene cuatro vértices de proa 101-104 y cuatro vértices de roda 105-108 los cuales se encuentran separados por 90º alrededor de la periferia del casco.
Un motor de flotabilidad (no mostrado) se encuentra alojado dentro del casco exterior y puede ser impulsado cíclicamente para que el vehículo se sumerja y ascienda alternativamente. Mediante un cuidadoso ajuste de la posición relativa del CofB y del CofG, el vehículo puede inclinarse a medida que se sumerge o asciende, y por lo tanto se generan fuerzas superiores por la forma del casco exterior para impartir un componente de movimiento hacia adelante. Esto le permite al vehículo 100 operar como un deslizador propulsado de flotabilidad, el cual puede ser utilizado individualmente o en flotas de automonitoreo y puede ser programado para tomar muestras de amplias áreas del océano o del lecho marino o de la línea costera sin la intervención de equipos locales de apoyo.
En esta realización particular, el vehículo adopta una configuración de bajísimo consumo de energía, dado que la resistencia hidrodinámica es minimizada, y no se suministra una continua propulsión del motor dado que su fuerza motriz es derivada de un motor de flotabilidad que cambia su estado sólo dos veces durante cada ciclo de inmersión y ascenso, por lo que el consumo de energía eléctrica también es minimizado.
Mientras que los deslizadores oceánicos clásicos modifican su flotabilidad y ajustan la posición de masa a lo largo de su eje de casco, esta realización particular mantiene una masa fija y modifica su flotabilidad y ubicación CofB mediante el ajuste de su motor de flotabilidad a lo largo de un anillo (no mostrado) que se coloca dentro del casco anular del vehículo y respeta la forma barrida hacia atrás del casco. Como el vehículo se mueve hacia arriba, el motor de flotabilidad está ubicado al lado de la aleta superior de proa 101, para que el CofB permanezca adelantado con respeto al CofG, resultando en una configuración de "proa hacia arriba". El movimiento del motor de flotabilidad hacia babor o estribor alrededor del casco bajo el control del motor hará girar el vehículo alrededor de su eje de casco y también moverá el CofB a popa con respecto al CofG, en cuyo punto el vehículo se inclinará "proa hacia abajo". El motor de flotabilidad se vuelve luego negativamente flotante y el vehículo se deslizara de manera descendente hacia el océano. En un momento o profundidad predeterminada, el motor de flotabilidad se atraviesa alrededor de su anillo y el vehículo comienza la rotación alrededor de su eje de casco, y al CofB se mueve hacia arriba por encima del eje del casco por 90º en rotación de casco, en cuyo punto el vehículo se inclinará proa hacia arriba, la flotabilidad se volverá positiva y el vehículo se deslizara hacia la superficie oceánica.
El vehículo también podría incluir uno o más dispositivos que extraerán energía del termoclima mediante la inmersión en las profundidades y el ascenso hacia la superficie marina, donde los gradientes de temperatura de 20ºC o más podrían ser anticipados en muchos océanos entre 0 y 600 m de profundidad, y donde el 75% del volumen oceánico tiene temperaturas de 4ºC o menos, mientras que las temperaturas de la superficie oceánica podría alcanzar los 30ºC o más.
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Un dispositivo de recolección de energía de dichas características es una realización particular de un sistema de control de flotabilidad 900 como se describe en la Figura 15a o 15d donde un material de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) sensible a la temperatura, (i) se encuentra alojado dentro de una cámara (a) que forma parte de un tanque de presión toroidal, y donde una cantidad de tubos toroidales de aluminio (b) también reside dentro de la cámara. La pared de la cámara también está hecha de aluminio, y está contenida dentro de una capa estructural compuesta aislante como espuma sintética o neopreno y resina epóxica combinada con filamentos de fibra de vidrio o de carbón, donde dichos filamentos estarían bobinados de manera helicoidal alrededor de la forma toroidal de la cámara, y donde dichos materiales conservan una baja conductividad térmica entre las superficies internas y externas. Otras dos cámaras toroidales aislantes (c), (d) están incluidas, donde dichas cámaras pueden ser toroides individuales o pueden ser parte del toroide anterior, donde su estructura podría estar dividida en tres o más sectores alrededor de su eje toroidal.
La cámara (a) interactúa con un puerto que se abre hacia el agua marina exterior, para que el agua marina pueda entrar a una sección de esta cámara que también incluye una membrana flexible de baja conductividad térmica o una interfaz sellada de émbolo para mantener una barrera física aislante entre la cámara (a) y el agua marina. La cámara (a) también interactúa con una cámara de gas de alta presión (j), que también se conecta con el agua marina mediante dos membranas flexibles separadas por un volumen de líquido, y por otra válvula. La cámara (c) interactúa con dos puertos y dos válvulas (h) que se conectan a los tubos de aluminio dentro de la cámara (a). El tanque de presión toroidal también podría incluir una cámara de gas de baja presión opcional (k) con un ensamblaje de membrana flexible y con un puerto de comunicación con el líquido exterior. La cámara (d) también interactúa con dos puertos y dos válvulas (h) que se conectan a los mismos tubos de aluminio, y también puede incluir una variedad de dispositivos semiconductores termoeléctricos (TES, por sus siglas en inglés) de efecto Peltier (e), donde alguno de los lados de dichos dispositivos mantendrían un bajo curso de resistencia térmica hacia el agua marina exterior o hacia el fluido interno. Las cámaras (c) y (d) también incluyen puertos y válvulas que se abren hacia el agua marina.
Un dispositivo de control (f) y una o más bombas hidráulicas (g) son utilizadas para abrir y controlar las válvulas y puertos secuencialmente con la operación del vehículo. La cámara (c) es llenada o recargada con agua cálida cercana a la superficie, mientras que la cámara (d) es llenada o recargada con agua marina fría de las profundidades. El dispositivo de control (f) también podría utilizarse para estimular el dispositivo TES (e) con una diferencia potencial aplicada a sus dos uniones semiconductoras con el propósito de bajar la temperatura del fluido en la cámara (d) durante la inicialización del vehículo, cuando opera cerca de la superficie marina. Alternativamente, podría utilizarse en su lugar un dispositivo simple de estabilización para iniciar el primer ciclo de inmersión del vehículo.
El dispositivo de control (f) operara los puertos, las válvulas y la bomba cuando se encuentra cerca de la superficie líquida para presurizar el gas seco (1) utilizando el volumen expandido del material de cambio de fase (i) que está expuesto a temperaturas de superficie cálidas a través de los tubos (b) y del depósito cálido (c) y del líquido exterior. Luego de la presurización de la cámara (j) y del gas (1) sus válvulas se cierran para que la energía sea almacenada. El vehículo podría descender utilizando una flotabilidad negativa inactiva, o utilizando un dispositivo transiente de estabilización, o mediante la modulación de su densidad por medio de exposición del PCM (i) a bajas temperaturas utilizando el dispositivo de control (f) y la cámara de depósito (d) o TES (e) o combinaciones derivadas. En realizaciones preferentes los depósitos (c), (d) y los tubos (b) y la bomba asisten en la circulación del agua marina a fin de minimizar la ineficiencia debido a los gradientes locales de temperatura. El descenso de temperatura resultante alrededor del PCM es mantenido eficientemente mediante el acoplamiento cercano de los tubos de aluminio (b) dentro del volumen PCM, lo cual provoca un cambio de fase de líquido a sólido en el PCM y una reducción correspondiente de volumen que incrementa la densidad del vehículo para que se vuelva más pesado que el agua marina y por ende descienda.
Cuando se alcanza una profundidad predeterminada el dispositivo de control (f) opera los puertos, la válvula y la bomba para liberar el gas presurizado (1) para moverse y llenar una membrana flexible y desplazar un cierto volumen de líquido exterior, para que la densidad del vehículo se vuelva positiva en comparación con el líquido exterior, para que el vehículo comience su ascenso. Durante el ascenso, el dispositivo de control (f) opera los puertos, las válvulas y la bomba para transferir el agua marina cálida desde la cámara (c) a la cámara (a) a través de los tubos (b), y una vez más para hacer circular el agua marina entre estas dos cámaras. El incremento de temperatura resultante alrededor del PCM causa una transición de fase de sólido a líquido, y un correspondiente incremento de volumen que hace descender la densidad del vehículo posteriormente para que su ascenso pueda ser acelerado.
Una cantidad de materiales de cambio de fase pueden ser utilizados dentro de dicho dispositivo, como parafinas, ácidos grasos o hidratos de sal donde el material o la mezcla particular de materiales sería escogida para que su cambio de fase particular ocurriera dentro de la banda de temperaturas a ser encontradas dentro del termoclima designado, y más típicamente para que el cambio de fase de material entre sólido y líquido ocurriera entre los 8ºC y los 16ºC, aunque el rango preciso sería seleccionado para coincidir con los perfiles de profundidad anticipados y con las temperaturas locales del océano.
Esta invención garantiza la ventaja sobre los dispositivos de control de flotabilidad alternativos a través de la integración del material de cambio de fase dentro de un tanque de presión toroidal, donde las geometrías y los materiales locales se combinan para brindar un dispositivo altamente eficiente para la modulación de la densidad del vehículo durante su tránsito a través del termoclima.
Una realización adicional de este dispositivo de recolección de energía extrae energía adicional del termoclima para mejorar la eficiencia operacional y la resistencia del vehículo. En esta realización alternativa, el TES (e) ubicado en la cámara (d) y el dispositivo de control (f) se combinan para generar una diferencia potencial entre las dos uniones de semiconductor del TES cuando un diferencial de temperatura se mantiene entre sus lados opuestos, lo cual por supuesto es logrado secuencialmente durante sucesivos ciclos de inmersión y ascenso. Esta diferencia potencial es canalizada hacia una variedad de súper capacitores y luego a la batería del vehículo mediante algún convertidor de alta frecuencia de CC a CC que minimice sus pérdidas eléctricas y alcance una eficiencia de transferencia superior al 90%. Este dispositivo de recolección de energía adicional también podría ser modificado para que el TES ocupe una barrera entre la cámara fría (d) y la cámara cálida (c), como se muestra en las Figuras 15a y 15d.
El vehículo podría incorporar en su lugar uno de muchos dispositivos de control de flotabilidad alternativos, incluyendo sistemas de tanque y gas presurizado, o bombas hidráulicas, o sistemas de válvula de pistón o motores eléctricos donde la energía almacenada es utilizada para evacuar físicamente el agua marina de un volumen establecido dentro del vehículo.
Una ventaja adicional de este sistema de control de flotabilidad es la extensibilidad, donde la forma toroidal puede ser desarrollada en diámetros más grandes, y donde los toroides puede ser utilizados en grupos como se describe en la Figura 15d. Una realización adicional de este esquema desarrolla el dispositivo de control de flotabilidad toroidal como se muestra en la Figura 15a para convertirlo en una hélice como se describe en las Figuras 15b y 15c. Esta solución mantiene la forma toroidal y la arquitectura básica pero extiende de forma lineal su capacidad, lo cual sirve para proporcionar desplazamiento de volúmenes más grandes dentro de una estructura eficiente que de otro modo sería engorroso y complicado dentro de grandes vehículos sumergibles.
Aunque la realización descrita arriba utiliza únicamente la flotabilidad como su fuente de propulsión móvil, resulta claro que otras realizaciones podrían ser reveladas que amplíen el vehículo de baja energía con paletas biomiméticas o con dispositivos de propulsión circunferenciales como se describió para los vehículos 30, 40 arriba. Además, el vehículo de baja energía descrito aquí podría estar complementado con dispositivos de hélice y propulsores como se reveló en el vehículo 1 arriba.
En otra realización del vehículo deslizador de baja energía, el motor de flotabilidad podría ser fijo, y la masa se movería en su lugar alrededor de un tanque de presión bajo el control del motor, para mover efectivamente el CofG hacia adelante o hacia atrás y consecuentemente inducir a posiciones de cabeceo hacia arriba o hacia abajo. En una realización adicional, tanto la masa como el motor de flotabilidad podrían ser trasladados alrededor del anillo.
El vehículo también podría ser complementado con células de energía solar como se describió anteriormente para otros vehículos, para reponer su almacenamiento de energía interna al estar cerca de la superficie marina y por lo tanto extender su período de misión en el océano.
También resulta claro que el vehículo podría ser modificado para implementar deslizadores oceánicos de distintos tamaños. La construcción anular es ventajosa en este sentido y ofrece flotabilidad estructural y por lo tanto pueden construirse vehículos de esta forma con envergaduras de 30 m o 60 m o más.
Las Figuras 6a y 6b son vistas laterales y en perspectiva de un tanque de presión alternativo 150, similar al tanque de presión mostrado en las Figuras 1a y 1b. Un par de tanques de presión toroidales relativamente grandes 151, 152 están conectados entre sí por medio de arbotantes axiales 153-156. Un par de tanques de presión toroidales relativamente pequeños 157, 158 son posicionados de proa a popa de los tanques de presión grandes 151, 152, y están conectados por medio de arbotantes axiales 159-164. Los arbotantes axiales pueden ser en sí mismos tanques de presión, para que toda la estructura proporcione un tanque continuo individual, o los arbotantes axiales pueden ser sólidos miembros estructurales, en cuyo caso los toroides forman cuatro tanques de presión divididos por separado. La forma toroidal permite una inmersión profunda sin una masa excesiva ni un costo elevado.
La Figura 7 es una vista en perspectiva de un sistema de control de posición inercial 200. Una estructura de soporte anular 201 es montada dentro de uno de los tanques de presión toroidales. El sistema 200 es ilustrado con un cuadro "plano", apropiado para ser colocado en un tanque de presión toroidal "plano" correspondientemente, por ejemplo en uno de los tanques 1, 30 ó 40. Sin embargo, el sistema puede ser adaptado para poder ser colocado en una de las configuraciones de tanque "barridos" descritas aquí mediante el ajuste apropiado de la forma del cuadro 200.
Un primer par de masas 202, 203 son montadas en el cuadro según los ejes respectivos que yacen de forma perpendicular al eje del casco. Un segundo par de masas 204, 205 son montadas en el cuadro según los ejes respectivos que yacen de forma paralela al eje del casco. Cada masa puede ser rotada independientemente por un respectivo motor (no mostrado) sobre su respectivo eje. Acelerando las masas 202, 203, se imparte una igual y opuesta aceleración angular, permitiendo el control de cabeceo. Acelerando las masas 204, 205, se imparte una aceleración angular igual y opuesta al vehículo, permitiendo el control de giro en la configuración de la Figura 7. La combinación de cabeceo y giro brinda el control de viraje.
La Figura 8 muestra un vehículo 210 que es una variante de un primer vehículo 1. El vehículo 210 es idéntico al vehículo 1, pero incorpora adicionalmente un transmisor sónico 211 y un sensor 212. Una vista en perspectiva de la superficie 213 se muestra debajo del vehículo. La superficie 213 es paralela al eje del casco. El vehículo es desplazado en la dirección del eje del casco como se indica con la flecha V junto a la superficie 213. El vehículo también rueda continuamente alrededor del eje del casco como lo indican las flechas V. El transmisor 211 emite un haz 214 que sigue un recorrido helicoidal, y barre una serie de franjas 215 a través de la superficie. El receptor 212 tiene un eje detector que sigue un recorrido helicoidal correspondiente, y barre una serie correspondiente de franjas a través de la superficie. Un dispositivo de control (no mostrado) mejora la resolución efectiva de la imagen capturada por el sensor 212 procesando los datos del sensor en sucesivas franjas para lograr una extensión sintética de la apertura del sensor en dos dimensiones.
Un principio similar puede ser empleado en un vehículo alternativo (no mostrado) en el cual el transmisor y el sensor están orientados con sus haces paralelos al eje del casco, y el vehículo se traslada paralelo a la superficie a un ángulo del eje del casco. En este caso, el haz barre con un recorrido curvo en lugar de una serie de franjas en la superficie.
La carencia de una superestructura externa permite que el vehículo 1 pueda ser atracado como se muestra en las Figuras 9a y 9b. Un atracadero tiene una pared interna cilíndrica 230 mostrada en el corte transversal. El atracadero podría estar conformado en el casco del barco debajo de la línea de agua, o en una estructura fija como un puerto o una estructura de ultramar. El vehículo 1 ingresa al atracadero moviéndose (como lo indica la fecha V) a lo largo de su eje de casco hasta que el vehículo es colocado dentro del atracadero como se muestra en la Figura 9b. Desplazar el vehículo a medida que se traslada al atracadero brinda una estabilidad adicional y permite un preciso posicionamiento. El vehículo puede ser movilizado invirtiendo sus hélices para que salga del atracadero.
La Figura 9c muestra parte de un sistema inductivo de recarga eléctrica. Una bobina principal anular 231 en el atracadero se acopla inductivamente con una bobina secundaria anular 232 en el vehículo para recargar las baterías del vehículo.
En un segundo arreglo de atracadero mostrado en la Figura 10, el atracadero tiene una proyección 240 que es recibida en el conducto 5 y permanece contra la pared interna del casco para asegurarlo en su lugar.
Un tercer arreglo de atracadero es mostrado en la Figura 11 para un vehículo alternativo 260, similar en su forma al vehículo 100. En este caso, el atracadero cilíndrico es reemplazado por una proyección hueca cilíndrica 250 que es mostrada en un corte transversal (aunque el vehículo 260 no se muestra en el corte transversal). La proyección 250 es recibida en el conducto y permanece contra la pared interna del casco para asegurarlo en su lugar. En este caso, el vehículo 260 es una variante remolcada del diseño de "ala barrida" de la Figura 5b con un amarre 261 unido a la aleta de proa 262. No hay ninguna superestructura (por ejemplo, hélices o aletas) en el conducto por lo que la proyección 250 puede pasar completamente a través del conducto. El vehículo es movilizado deflexionando la proyección hacia abajo para que el vehículo resbale de la proyección debido a la propia fuerza de gravedad. Un sistema inductivo de recarga puede ser empleado de manera similar a la de la Figura 9c.
Las Figuras 12a, 12b y 12c son vistas frontales, de babor y planas de un sexto vehículo 600. El casco del vehículo está extendido con respecto al eje del casco 601, en común con el vehículo mostrado en las Figuras 5a-5c, pero este caso el casco con tiene una porción barrida hacia adelante que lleva una aleta la de proa 602 y una aleta de roda 603; y una porción barrida hacia atrás que lleva una aleta de proa 604 y una aleta de roda 605. El vehículo opera como un deslizador y lleva un motor de flotabilidad (no mostrado) y un sistema de control inercial de posición (no mostrado) similar en estructura al sistema mostrado en la Figura 7. Por lo tanto, el vehículo tiene una forma exterior completamente conforme sin ninguna superestructura ni en el interior del conducto ni proyectándose desde el exterior del vehículo.
Las Figuras 13a y 13b son vistas frontales y de babor de un vehículo 700. El vehículo es mostrado con un sistema de propulsión del tipo mostrado en la Figura 1, con propulsores de vectores de empuje dobles 705, 706, donde uno de los obenques 708 es visible en la Figura 13b. El vehículo es amarrado a un buque nodriza (no mostrado) por un sistema de amarre de arnés incluyendo una correa de amarre a babor 701 mostrada en la Figura 17b y una correa de amarre en estribor (no mostrada) unida al casco en una posición equivalente a la banda de estribor. Las correas de amarre se combinan para formar un solo arnés de amarre que brinda la transferencia de datos y la transferencia de cargas de resistencia durante la operación. El vehículo tiene un par adicional de dispositivos de propulsión 702, 703 que están montados de manera fija al ras de la superficie externa del casco exterior, y brindan control de cabeceo. Un sensor 704 es mostrado en una roda del vehículo.
Las Figuras 14a y 14b son vistas frontales y de babor de un vehículo 800. El vehículo está amarrado a un buque nodriza (no mostrado) y remolcado por una sola correa de amarre 801 que también puede transmitir datos a y/o desde el vehículo. La correa de amarre 801 está preferentemente unida al casco por un pivote (no mostrado), aunque también podría utilizarse satisfactoriamente un diseño alternativo de brida. Cuatro aletas son colocadas en la roda del casco. La aleta superior 802, la aleta inferior 803 y la aleta de babor 804 son mostradas en la Figura 14b pero la aleta de estribor está oculta. Cada una de las cuatro aletas puede ser montada sobre un pivote como lo indica la línea entrecortada para las aletas 802, 803 para producir cabeceo y posibilitar el control de viraje. El vehículo 800 es más rígido y menos susceptible a la vibración del ala que un ala V. Es también más eficiente que un ala V debido a la baja resistencia inducida y a la estabilidad incrementada de cabeceo porque el momento de cabeceo correctivo es más
grande.
Los vehículos descritos arriba pueden ser utilizados para la exploración, toma de imágenes, inspección, mapeo y monitoreo científico del océano de manera autónoma y teledirigida. En este caso, los vehículos propulsados pueden ser del orden de los 500 mm de diámetro y 600 mm de largo, y las versiones de deslizador pueden ser de dos a cuatro veces más grandes. Sin embargo, el diseño básico del vehículo es escalable y puede ser utilizado en vehículos muy pequeños con envergadura de apenas unos pocos centímetros, hasta inmensos vehículos oceánicos con envergaduras de decenas de metros. Los vehículos pueden incorporar una variedad de configuraciones de sensor, incluyendo: láseres; geófonos; hidrófonos; proyectores transductores sonares de baja frecuencia, media frecuencia y alta frecuencia; sensores electromagnéticos, de escaneo de línea y dos sensores dimensionales de imagen. Los vehículos también son apropiados para: atracamiento, o estacionamiento en tuberías, o puertos, o cocheras; u operaciones de descenso, o ascenso sobre camas líquidas.
La estabilidad inducida por el giro continuo permite que el vehículo "se eleve": es decir, que no mantenga sustancialmente ningún movimiento de traslación. Esto es contrario a los vehículos sumergibles autónomos convencionales que pierden estabilidad a velocidades reducidas. Mientras se lo opera en el modo de "elevación", un sistema de retroalimentación podría detectar la proximidad del vehículo a un objeto externo y controlar la posición del vehículo en respuesta a la proximidad detectada, generando por ejemplo pequeñas cantidades de impulsos requeridos para mantener el vehículo a una distancia fija lejos del objeto.
Una aplicación alternativa para los vehículos aquí descritos es el trasporte de carga de larga distancia de materiales a granel (como el petróleo crudo), en cuyo caso el interior del casco está lleno del material. En este diseño, la longitud del casco anular podría ser de 20 metros, mientras que el diámetro exterior podría estar limitado a 10 metros. El material está contenido dentro de tanques de presión toroidales internos, o en el casco exterior, o en ambos. El tamaño y/o proporción dimensional del vehículo será incrementado según los requerimientos. Por ejemplo, cuando una carga útil de un vehículo grande necesite ser transportada, una sección extendida de carga útil podría ser configurada como una bahía toroidal que sería ubicada en algún punto a lo largo del eje del vehículo. En aplicaciones de este tipo, donde el vehículo está inclinado en un ángulo con respecto a una corriente oceánica, el vehículo puede salirse de su ruta hacia un lado, debido a las fuerzas superiores y de resistencia inducidas por la corriente oceánica. Sin embargo, desplazando continuamente el vehículo alrededor de su eje, las fuerzas laterales creadas por la corriente oceánica son reducidas. En su lugar, se generan las fuerzas Magnus que tienden a impulsar el vehículo hacia arriba y hacia abajo, pero no hacia los lados.
Una aplicación alternativa adicional para vehículos de este tipo es sumergir el vehículo en una tubería llena de líquido (por ejemplo, cañerías de agua de abastecimiento público, o tubos de petróleo) para propósitos de inspección y reparación, entre otros. En este caso, el diámetro del vehículo será escogido para que sea lo suficientemente pequeño y pueda ser alojado en la tubería.
Alternativamente, en una aplicación de configuración de cable submarino podría especificarse un vehículo muchísimo más grande para que los largos cables puedan ser llevados dentro del casco exterior y ser inmovilizados desde el vehículo. Por ejemplo, dicho vehículo llevaría una bahía abierta toroidal de almacenaje alrededor de la cual se bobinaría el pesado cable submarino, donde dicha bahía formaría una sección toroidal dentro de un gran vehículo. Una realización particular de este vehículo, por lo tanto, emplea un casco anular con una longitud de 5,6 m, y un diámetro exterior de 4 m. El sistema de propulsión es como se lo describió anteriormente para el vehículo más pequeño, y la rotación es inducida junto con el movimiento axial para poder desplegar y colocar el cable submarino de forma autónoma.
En lugar de ser operados como un vehículo sumergido completamente sumergible, los vehículos descritos arriba pueden estar diseñados para operar como vehículos de superficie que son sumergidos sólo parcialmente cuando están en uso. En este caso, los sensores de cámara y radio están fijos en la parte superior de la cubierta anular exterior, y los sensores sonares están ubicados alrededor de la parte inferior del casco toroidal. El vehículo de superficie tiene una construcción y propulsión similar a la de los otros vehículos descritos anteriormente, y puede ser implementado utilizando las formas toroidales barridas o no barridas. La ventaja significativa ofrecida por una forma anular del casco es la estabilidad mejorada mientras opera en o cerca de la superficie, cuando la forma toroidal con bajo CofG y masa distribuida brinda un movimiento de perforación de onda eficiente que es resistente a las alteraciones causadas por las olas, el viento o la subida del agua, mucho más de lo que se lograría con tanques de superficie convencionales. Esto es de particular importancia cuando operaciones de observación, formación de imágenes o mapeo se verían de otra forma comprometidas por el imprevisible movimiento del sensor debido al impacto de las olas, el viento o la oleada. Además, los esquemas de propulsores de vector de empuje doble mostrados en las Figuras 2a, 2b, 3a, 3b y 4a-4c permiten el ajuste de la superficie superior del vehículo y de la altura asociada del sensor por encima de la superficie marina.
En realizaciones alternativas adicionales de cada uno de los vehículos antes mencionados el anillo podría incluir puertos, o ranuras 110, 111, y aspas volteadas 112, 113, 114 en alguno de los lados de sus dos elevaciones. En un ejemplo descrito en la Figura 5d, las aspas volteadas pueden ser rotadas alrededor de las bisagras 115, 116 las cuales están ubicadas en secciones de barras toroidales que forman parte de la estructura del vehículo, donde estas tres aspas podrían ser utilizadas en cada una de las dos o más secciones de barras toroidales en cada uno de los lados del anillo de babor y estribor. Aunque la Figura 5d describe una realización particular donde las ranuras y las aspas están contenidas dentro del anillo, debería resultar claro que este principio también podría ser aplicado en la configuración inversa (no mostrada) donde las aspas forman parte de los bordes anteriores y posteriores del anillo.
Un dispositivo de control asociado es utilizado para impulsar o detener independientemente las aspas de acuerdo a los objetivos inmediatos del vehículo y a las condiciones locales predominantes. Cuando están detenidas, las aspas reducen el efecto de las corrientes de afluencia transversal permitiendo un eficiente flujo de líquido alrededor de las aspas y a través del anillo. Las aspas superiores e inferiores pueden ser ajustadas dinámicamente por el dispositivo de control para introducir efectivamente un giro de ala positivo o negativo en cualquiera o en todos los cuartiles del toroide, lo cual modula los momentos de cabeceo, giro y viraje de la forma del ala y por lo tanto puede ser utilizado o para estabilizar el vehículo o para inducir un rápido cabeceo, o viraje, o giro. En un ejemplo, las aspas son impulsadas por un motor eléctrico sin escobillas que se encuentra dentro de un compartimento sellado utilizando un mecanismo de relación desmultiplicadora mecánica de engranajes para que la activación del aspa dentro de los 90º de recorrido pueda ser lograda en un plazo de aproximadamente 0,5 segundos. Resulta obvio que los pares de aspas volteadas centrales también podrían utilizarse de manera similar. En otro ejemplo, las aspas volteadas podrían rotar alrededor de un eje que está orientado en posición normal con respecto a la superficie del toroide, y que bisecta aproximadamente el CofG del vehículo, y donde dos de estos ejes y aspas volteadas asociadas están incluidos, y donde los pivotes de ambos ejes subtienden un ángulo de 90º, y donde los pivotes de dichos ejes están alineados a 45º con respecto a un plano vertical que coincide con el eje del vehículo. Nuevamente, las aspas volteadas pueden estar detenidas, o pueden ser impulsadas para mover el fluido en cualquier dirección subtendida por el plano descrito por los ejes de los dos árboles dado que están acoplados a las aspas volteadas. En este ejemplo, las aspas volteadas y los árboles pueden ser impulsados directamente por motores eléctricos de CC sin escobillas asociados, o pueden ser impulsados directamente utilizando un mecanismo de relación desmultiplicadora mecánica de engranajes.
La alta simetría rotacional de las formas del casco (como se ve a lo largo del eje del casco) descrita aquí brinda ventajas cuando el vehículo debe ser operado en un modo de giro continuo. Sin embargo, la invención también abarca realizaciones alternativas de la invención (no mostradas) incluyendo:
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realizaciones en las cuales las paredes internas y/o externas del casco exterior no parecen circulares como se ve a lo largo del eje del casco. Por ejemplo, el casco exterior podría tener una forma anular poligonal (cuadrada, hexagonal, etc.)
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realizaciones en las cuales el conducto está dividido en dos o más conductos separados por particiones apropiadas
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realizaciones en las cuales el casco exterior en sí mismo define dos o más conductos separados
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realizaciones en las cuales el casco exterior es desarrollado a partir de una hidroala de flujo laminar como un cuerpo de revolución alrededor del eje del casco por un ángulo inferior a los 360º. En este caso, el conducto estará parcialmente abierto con una ranura que recorrerá su longitud. Haciendo que el ángulo supere los 180º, y que se acerque preferentemente a los 360º, el casco permanecerá sustancialmente anular para brindar una elevación hidrodinámica en cualquier ángulo de giro.

Claims (23)

1. Un vehículo sumergible que tiene un casco exterior que define un eje de casco y parece sustancialmente anular cuando se lo observa a lo largo del eje del casco, el interior del anillo define un conducto que está abierto en ambos extremos para que cuando el vehículo esté sumergido en un líquido, el líquido inunde el conducto, dicho vehículo consta adicionalmente de medios para girar el vehículo alrededor del conducto.
2. Un vehículo de acuerdo con cualquier reivindicación precedente donde el medio para girar el vehículo alrededor del conducto está ubicado en el conducto.
3. Un vehículo de acuerdo con cualquier reivindicación precedente donde el medio para girar el vehículo alrededor del conducto consta de un sistema de propulsión.
4. Un vehículo de acuerdo a la reivindicación 3 donde el sistema de propulsión tiene simetría rotacional alrededor del eje del casco.
5. Un vehículo de acuerdo a las reivindicaciones 3 ó 4 donde el sistema de propulsión consta de uno o más pares de dispositivos de propulsión, cada par constando de un primer dispositivo montado sobre un eje en un primer lado del eje del casco, y de un segundo dispositivo montado sobre un eje en un segundo lado del eje del casco opuesto al primer dispositivo.
6. Un vehículo de acuerdo con cualquier reivindicación precedente donde el medio para girar el vehículo alrededor del conducto consta de un sistema de propulsión.
7. Un vehículo de acuerdo a la reivindicación 6 donde el medio para girar el vehículo alrededor del conducto consta de uno o más pares de superficies de control, cada una de ellas constando de, una primera superficie de control en un primer lado del eje del casco, y de una segunda superficie de control en un segundo lado del eje del casco opuesto a la primera superficie de control.
8. Un vehículo de acuerdo a las reivindicaciones 6 ó 7 donde la o cada superficie de control consta de una aleta.
9. Un vehículo de acuerdo a cualquier reivindicación precedente donde el medio para girar el vehículo alrededor del conducto consta de un sistema de control inercial constando de una o más masas, y cada una de ellas puede ser acelerada para impartir una aceleración igual y opuesta al vehículo.
10. Un vehículo de acuerdo a cualquier reivindicación precedente consta adicionalmente de un sistema de control de flotabilidad.
11. Un método para operar el vehículo de acuerdo a cualquier reivindicación precedente, donde el método consta de: sumergir el vehículo en un líquido por lo cual el líquido inunda el conducto, y girar el vehículo alrededor del eje del casco mediante una pluralidad de revoluciones.
12. Un método de acuerdo a la reivindicación 11 consta adicionalmente de mantener el vehículo con un movimiento sustancialmente no traslacional mientras se hace girar el vehículo alrededor de su eje.
13. Un método de acuerdo a la reivindicación 11 que consta adicionalmente de inclinar el vehículo a un ángulo con respecto a la corriente en el líquido mientras se hace girar el vehículo alrededor de su eje, generando por lo tanto fuerzas Magnus.
14. Un método de acuerdo a la reivindicación 11 que consta adicionalmente de encender un sistema de propulsión por encima de un arco limitado de revolución del vehículo.
15. Un método de acuerdo con la reivindicación 11 donde el vehículo consta de un sensor, y donde el método consta adicionalmente de trasladar el vehículo mientras se hace girar el vehículo alrededor de su eje, y adquirir datos de sensor del sensor más de una vez por revolución.
16. Un método de acuerdo a la reivindicación 15 que consta adicionalmente de procesar los datos del sensor de sucesivas revoluciones para alcanzar una extensión sintética de la apertura del sensor en dos dimensiones.
17. Un método de acuerdo a la reivindicación 11 que consta adicionalmente de detectar la proximidad del vehículo a un objeto externo y controlar la posición del vehículo en respuesta a la proximidad detectada.
18. Un método de acuerdo a la reivindicación 11 que consta adicionalmente de colocar un cable desde el vehículo.
19. La utilización de un vehículo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 que consta de sumergir el vehículo en un tubo lleno de líquido para propósitos de inspección y reparación, entre otros.
20. Un método de atracamiento de un vehículo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el método consta de insertar el vehículo en un atracadero sustancialmente cilíndrico.
21. Un método de atracamiento de un vehículo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el método consta de insertar una proyección de atracamiento en el conducto.
22. Un método para retirar un vehículo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el método consta de retirar el vehículo de un atracadero sustancialmente cilíndrico.
23. Un método para retirar un vehículo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el método consta de retirar el vehículo de una proyección de atracamiento recibida en el conducto.
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