RU164034U1

RU164034U1 - AUTONOMOUS UNDERTAKEN UNDERABILABLE PLANNING TYPE

Info

Publication number: RU164034U1
Application number: RU2015152180/11U
Authority: RU
Inventors: Салимжан Азатович Гафуров; Вера Александровна Салмина
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2016-08-20

Abstract

Автономный подводный необитаемый аппарат планирующего типа, содержащий корпус аппарата с крылом, систему изменения плавучести, систему изменения угла дифферента, систему изменения угла крена и сборку батарей, отличающийся тем, что в системе изменения плавучести, которая расположена в кормовой части аппарата, установлен линейный актуатор с цилиндром, а система изменения угла дифферента размещена с возможностью корректировки углов планирования, при этом сборка батарей расположена параллельно оси аппарата и закреплена с возможностью перемещения вдоль этой оси.A self-contained underwater unmanned vehicle of the planning type, comprising a body of the device with a wing, a buoyancy change system, a trim angle change system, a roll angle change system and a battery assembly, characterized in that a linear actuator with the cylinder, and the system for changing the trim angle is placed with the possibility of adjusting the planning angles, while the battery assembly is parallel to the axis of the apparatus and secured with the possibility of movements along this axis.

Description

Полезная модель относится к морской технике, а именно к техническим средствам для освоения и исследования водной среды -подводным аппаратам, преимущественно к автономным необитаемым подводным аппаратам планирующего типа (АНПА) - подводным глайдерам (ПГ).The utility model relates to marine engineering, namely, technical means for the development and study of the aquatic environment - underwater vehicles, mainly to autonomous uninhabited underwater vehicles of the planning type (AUV) - underwater gliders (GH).

Движение таких аппаратов обеспечивает механизм изменения плавучести (МИП). Назначение МИП состоит в управлении весом аппарата или полного объема, что позволяет управлять остаточной плавучестью ПГ и, в зависимости от знака плавучести (отрицательная или положительная), обеспечивать его погружение или всплытие.The movement of such devices provides a mechanism for changing buoyancy (MIP). The purpose of the MIP is to control the weight of the device or the full volume, which allows you to control the residual buoyancy of the GHG and, depending on the sign of buoyancy (negative or positive), to ensure its immersion or ascent.

Известен АНПА "Spray" (Scripps Institution of Oceanography, USA), движительной установкой которого так же является гидравлический МИП (http://www.whoi.edu/instruments/viewInstrument.do?id=1498), главной функцией которого является изменение объема аппарата. Особенностью этой системы является наличие двух податливых емкостей: одной внутри аппарата и одной снаружи корпуса АНПА. Перекачивание рабочей жидкости (воды или масла) из одной емкости в другую реализует изменение полного объема АНПА, вследствие чего и обеспечивается его так называемое "пилообразное" движение.The AIA "Spray" (Scripps Institution of Oceanography, USA) is known, the propulsion system of which is also a hydraulic MIP (http://www.whoi.edu/instruments/viewInstrument.do?id=1498), the main function of which is to change the volume apparatus. A feature of this system is the presence of two flexible tanks: one inside the apparatus and one outside the AUV body. Pumping a working fluid (water or oil) from one tank to another implements a change in the total volume of the AUV, which ensures its so-called “sawtooth” movement.

Основными недостатками АНПА "Spray" являются его дороговизна (поскольку аппарат рассчитан на глубину до 1000 метров, то на глубины до 50 метров его погружать нерентабельно, т.к. не реализуется полный потенциал насосной системы); высокие энергозатраты (большая часть энергии потребляется насосной системой, а значит уменьшается количество энергии, затрачиваемой на научное оборудование); наличие шума в работе системы (неприемлемо для глайдеров-разведчиков, у которых важнейший критерий работы - это невозможность обнаружения АНПА эхолокатором) и необходимость постоянно иметь на борту запас масла для работы, что делает данный АНПА не экологичным.The main disadvantages of AUV “Spray” are its high cost (since the apparatus is designed for a depth of up to 1000 meters, it is unprofitable to submerge it at a depth of 50 meters, because the full potential of the pumping system is not realized); high energy costs (most of the energy is consumed by the pumping system, which means that the amount of energy spent on scientific equipment is reduced); the presence of noise in the operation of the system (unacceptable for reconnaissance gliders, for which the most important criterion for work is the impossibility of detecting the AUV with an echo-locator) and the need to constantly have an oil supply on board for operation, which makes this AUV not environmentally friendly.

Также известен АНПА "Slocum" (Teledyne Webb Research, USA) (http://www.webbresearch.com/slocumglider.aspx). Его гидравлическая МИП также работает по принципу изменения полного объема аппарата. В кормовой части расположена упругая полость. Насос перекачивает рабочую жидкость (РЖ) из внешней полости во внутреннюю, приводя к изменению плавучести, обеспечивая тем самым его погружение. И наоборот, при перекачивании РЖ обратно из внутренней полости во внешнюю, плавучесть увеличивается и аппарат всплывает. По своей технической сущности, составу существенных признаков и достигаемому техническому результату данный АНПА является наиболее близким к заявленному.Also known is AIA "Slocum" (Teledyne Webb Research, USA) (http://www.webbresearch.com/slocumglider.aspx). Its hydraulic MIP also works on the principle of changing the total volume of the apparatus. In the stern is an elastic cavity. The pump pumps the working fluid (RH) from the external cavity to the internal, leading to a change in buoyancy, thereby ensuring its immersion. And vice versa, when pumping the RG back from the internal cavity to the external, buoyancy increases and the device pops up. In terms of its technical nature, the composition of the essential features and the achieved technical result, this AUV is the closest to the declared one.

Основные недостатки данного АНПА такие же, как и у ПГ "Spray": дороговизна; высокие энергозатраты; шумная работа и необходимость наличия дополнительной полости для масла.The main disadvantages of this AUV are the same as those of the Spray SG: high cost; high energy consumption; noisy work and the need for an additional oil cavity.

В основу полезной модели заложена цель повысить экономические и эксплуатационные характеристики ПГ, обеспечивая энергетическую эффективность его работы, а также малошумность общей работы аппарата.The utility model is based on the goal of increasing the economic and operational characteristics of the GHG, ensuring the energy efficiency of its operation, as well as the low noise level of the overall operation of the apparatus.

Поставленная цель достигается тем, что в автономном подводном необитаемом аппарате планирующего типа гидравлическая МИП полностью заменена МИП с электрическим приводом. При этом в системе изменения плавучести, которая расположена в кормовой части аппарата, установлен линейный актуатор с цилиндром, а система изменения угла дифферента размещена с возможностью корректировки углов планирования, а сборка батарей расположена параллельно оси аппарата и закреплена с возможностью перемещения вдоль этой оси. Изменение веса осуществляется за счет всасывания/вытеснения забортной воды.This goal is achieved by the fact that in an autonomous underwater uninhabited vehicle of the planning type, the hydraulic MIP is completely replaced by the MIP with an electric drive. At the same time, a linear actuator with a cylinder is installed in the buoyancy change system, which is located in the aft part of the apparatus, and the trim angle change system is placed with the possibility of adjusting the planning angles, and the battery assembly is parallel to the apparatus axis and fixed with the possibility of movement along this axis. Weight change is carried out due to suction / displacement of sea water.

Таким образом, полностью исключается необходимость наличия на борту специальной жидкости. Всасывание обеспечивается линейным актуатором и корпусом цилиндра, сообщающегося с внешней средой. При этом вал шагового двигателя играет роль штока цилиндра. Линейный актуатор приводится в движение по команде от микроконтроллера в действие шаговым электродвигателем.Thus, the need for the presence of special liquids on board is completely eliminated. Suction is ensured by a linear actuator and a cylinder body in communication with the external environment. In this case, the shaft of the stepper motor plays the role of the cylinder rod. The linear actuator is driven by a command from the microcontroller into action by a stepper motor.

Установка линейного актуатора в качестве механизма изменения плавучести сделала АНПА экологически чистым. Так же она позволила снизить уровень шума в работе МИП и обеспечить более плавное погружение кормовой части во время работы.The installation of a linear actuator as a mechanism for changing buoyancy made the AUV environmentally friendly. It also allowed to reduce the noise level in the operation of the MIP and to ensure a smoother immersion of the stern during operation.

Установка системы изменения угла дифферента позволила более четко корректировать углы планирования АНПА, что увеличивает быстродействие и эффективность; стала возможна реализация аварийного всплытия АНПА, поскольку теперь дополнительно придавать положительную плавучесть сможет не только МИП, но и смещение ЦМ в сторону кормы.The installation of a system for changing the angle of trim made it possible to more accurately adjust the angles of planning of the AUV, which increases speed and efficiency; It became possible to implement emergency AUV ascent, since now not only MIP, but also the shift of the CM towards the stern can additionally give positive buoyancy.

Реализация системы изменения крена также существенно улучшила конструкцию, что позволило АНПА перемещаться во всех плоскостях, совершать изменение маршрута непосредственно во время выполнения миссии и способность маневрировать для преодоления препятствий.The implementation of the roll change system also significantly improved the design, which allowed the AUV to move in all planes, make a route change directly during the mission and the ability to maneuver to overcome obstacles.

Сборка батарей, расположенных не радиально, а параллельно оси АНПА, позволила уменьшить диаметр аппарата, что повысило его транспортировочные возможности; лучше стабилизировать ЦМ и добиться более четкой системы перемещения каретки вдоль оси ПГ.The assembly of batteries located not radially, but parallel to the AUV axis, made it possible to reduce the diameter of the apparatus, which increased its transportation capabilities; it is better to stabilize the CM and achieve a clearer system for moving the carriage along the GHG axis.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом, где представлен вид спереди трехмерной твердотельной модели АНПА.The proposed design is illustrated by a drawing, which presents a front view of a three-dimensional solid-state model of AUV.

Автономный необитаемый подводный аппарат планирующего типа содержит корпус 1 с носовым 2 и кормовым 3 обтекателями, а так же крыло 4, преобразующее вертикальное движение в наклонное. Аппарат спроектирован по схеме "низкоплан". Силовыми агрегатами на борту являются шаговые электродвигатели системы изменения угла дифферента 5, системы изменения угла крена 6 и механизма изменения плавучести 7 (вал шагового электродвигателя является штоком цилиндра, регулирующего массу аппарата). Управляющая система состоит из блока электроники и микроконтроллера, располагающихся на плате 8. Источником энергии на борту являются аккумуляторные батареи и солнечные панели, расположенные внутри оптически прозрачного прочного корпуса аппарата.The autonomous uninhabited underwater vehicle of the planning type comprises a hull 1 with bow 2 and aft 3 fairings, as well as a wing 4, which converts vertical movement to oblique. The device is designed according to the "low-wing" scheme. The power units on board are stepper motors of the system for changing the angle of trim 5, systems for changing the angle of heel 6 and the mechanism for changing buoyancy 7 (the shaft of the stepper motor is the rod of the cylinder that regulates the mass of the device). The control system consists of an electronics unit and a microcontroller located on the board 8. The source of energy on board are the batteries and solar panels located inside the optically transparent durable case of the device.

В начальном положении на поверхности воды аппарат имеет нейтральную остаточную плавучесть (все системы приведены в нулевое положение) и свободно держится на поверхности воды. Чтобы начать погружение, необходимо переместить блок батарей 9, расположенных в носовой части аппарата на подвижной каретке 10, в направлении носовой части, тем самым сдвигая центр масс (ЦМ) (и отдаляя его от центра плавучести аппарата) для создания нужного положительного угла дифферента. Таким образом аппарат получает дифферент на нос. После этого необходимо создать отрицательную остаточную плавучесть аппарата. Этот эффект достигается за счет работы МИП, приводимый в движение шаговым ЭД. В цилиндр линейным актуатором 11 всасывается забортная вода, увеличивая вес аппарата и позволяя ему погружаться.In the initial position on the surface of the water, the apparatus has a neutral residual buoyancy (all systems are brought to the zero position) and freely rests on the surface of the water. To start the dive, you need to move the battery pack 9 located in the bow of the apparatus on the movable carriage 10, in the direction of the bow, thereby shifting the center of mass (CM) (and moving it away from the center of buoyancy of the apparatus) to create the desired positive trim angle. Thus, the device receives trim on the nose. After this, it is necessary to create a negative residual buoyancy of the apparatus. This effect is achieved due to the operation of the MIP, which is set in motion by the stepwise ED. Outboard water is sucked into the cylinder by a linear actuator 11, increasing the weight of the apparatus and allowing it to sink.

Достижение требуемой глубины погружения определяется датчиком давления, имеющегося на борту аппарата. После того, как датчики давления зафиксировали достижение нужной глубины, включается программа всплытия. Шаговый ЭД перемещает блок батарей в сторону кормовой части, создавая отрицательный угол дифферента. Для того, чтобы создать положительную плавучесть аппарата необходимо опорожнить цилиндр линейным толкателем, приводимым в движение шаговым ЭД.The achievement of the required immersion depth is determined by the pressure sensor on board the device. After the pressure sensors recorded the achievement of the desired depth, the ascent program is activated. Stepping ED moves the battery pack toward the stern, creating a negative trim angle. In order to create a positive buoyancy apparatus it is necessary to empty the cylinder with a linear pusher driven by a step ED.

После того, как АНПА достиг поверхности воды или нужной глубины, цикл начинается заново. Оператор может задать произвольно время передачи накопленных данных, либо через NN циклов всплытия-погружения, либо после прохождения определенного количества миль, либо после того, как ПГ достигнет нужного квадрата карты.After the AUV has reached the surface of the water or the desired depth, the cycle begins anew. The operator can set arbitrarily the transmission time of the accumulated data, either through NN ascent-dive cycles, or after passing a certain number of miles, or after the PG reaches the desired square of the map.

Маневрирование производится автоматически системой изменения крена аппарата. Ее работа заключается в том, чтобы переместить ЦМ вокруг оси глайдера, повернув каретку со сборкой батарей на нужный угол в диапазоне ±90°. Шаговый ЭД через зубчатую передачу 12 передает вращающий момент на вал, закрепленный с кареткой. Аппарат ложится на крыло и начинает плавно разворачиваться в зависимости от того, на какой из бортов был перемещен ЦМ.Maneuvering is performed automatically by the system for changing the roll of the device. Her job is to move the CM around the axis of the glider by turning the carriage with the battery assembly to the desired angle in the range of ± 90 °. Step ED through gear 12 transmits torque to a shaft fixed to the carriage. The device lies on the wing and begins to turn smoothly, depending on which side the CM was moved to.

Claims

A self-contained underwater unmanned vehicle of the planning type, comprising a body of the device with a wing, a buoyancy change system, a trim angle change system, a roll angle change system and battery assembly, characterized in that a linear actuator is installed in the buoyancy change system, which is located in the aft part of the apparatus the cylinder, and the system for changing the trim angle is placed with the possibility of adjusting the planning angles, while the battery assembly is parallel to the axis of the apparatus and is fixed with the possibility of movements along this axis.