Подводные глайдеры-роботы для исследования и мониторинга арктических акваторий
Тяжелые условия освоения месторождений углеводородов в Арктике, особенно ледовая обстановка, делает традиционную систему исследований и мониторинга малоприменимой. В качестве основных инструментов сегодня используются специализированные суда, буксируемые и опускные датчики, долговременные стационарные или плавающие буи. Очевидно, что перевод перерабатывающих и транспортировочных мощностей под воду для минимизации надводной инфраструктуры месторождения требует радикального изменения концепции наблюдения за ним, в рамках ограничений, налагаемых внешней средой.
рис.1 Торпедообразный глайдер ЗАО "НПП ПТ "Океанос"
На первый план выходят робототехнические средства, имеющие свойства:
- способность производить требуемые исследования (очевидно);
- отсутствие необходимости в частом всплытии;
- минимальное обеспечение с поверхности;
- высокая автономность;
- способность подводного возобновления энергетических ресурсов и обмена информацией;
- способность к групповым действиям.
В рамках измененной концепции, вырисовывается облик комплекса автономных подводных аппаратов различных типов и систем их обеспечения, который включает:
- донные базовые станции (служат базами для подводных аппаратов и самостоятельно осуществляют стационарный мониторинг);
- автономные необитаемые подводные аппараты (с гребным винтом) – АНПА;
- подводные глайдеры – без гребного винта, использующие изменение дифферента и плавучести для перемещения по пилообразной траектории; с большей автономностью и дальностью хода, чем АНПА.
- Элементы системы увязаны между собой подводными средствами цифровой коммуникации (гидроакустические модемы, сегодня активно разрабатываются оптические (лазерные) системы) и управляются алгоритмами группового поведения.
рис.2 Сеть донных станций, дрейфующих и ледовых буев и подводных аппаратов проекта ACOBAR
Принцип действия глайдера подразумевает регулярные всплытия на чистой воде для определения и коррекции местоположения, проведения сеансов связи с базой и т.д. Для условий тяжелой ледовой обстановки такой режим действий практически невозможен. Технологически возможно оборудовать аппарат вверхсмотрящим альтиметром / гидролокатором для поиска участков чистой воды в ледяном поле, но учитывая ограниченную маневренность, малую скорость глайдера и высокое энергопотребление таких систем, это нецелесообразно. Здесь важно создать разветвленную подводную инфраструктуру, решающую задачи:
- подводной навигации в районе. Новые технологии навигации, основанные на синхронизации по атомным часам, позволяют создать относительно малоэнергоемкие и «дальнобойные» навигационные системы.
- подводной зарядки АКБ / смены источников питания. Существует целый ряд отечественных и зарубежных разработок, но пока нет стандартизированных решений и технологий. Сегодня хорошо отработаны технологии производства и эксплуатации литий-ионных и аналогичных батарей, но их потенциал представляется недостаточно высоким; при этом, имеется целый ряд более эффективных источников питания, которые в большинстве своем пока находятся в экспериментальной фазе.
- связи для получения новых заданий, обмена результатами и т.д.
Задача такого уровня сложности заведомо невыполнима для отдельной, тем более коммерческой организации. Необходимо решение на государственном уровне и мощная кооперация промышленных и научных предприятий. Видя актуальность темы, мы стараемся заложить костяк этой кооперации и уже начали реализацию этой концепции в инициативном порядке, ожидая, когда она будет поддержана руководством страны и организациями профильных отраслей.
рис.3 Подъем глайдера Slocum после миссии Национального гидрометеорологического агенства на Аляске
ЗАО «НПП ПТ «Океанос» совместно с СПбГМТУ и другими предприятиями с 2011 года разрабатывает платформу подводного глайдера, которую отличают: высокая автономность (измеряемая неделями) в силу уменьшенного энергопотребления (энергия расходуется только в точках перегиба траектории); небольшая скорость (до 0.5 узла); отсутствие необходимости в частом периодическом всплытии (при наличии систем подводной навигации и связи с другими единицами сети). Аппарат полностью функционирует, проходит испытания на открытой воде и в испытательных бассейнах; идет работа по насыщению его полезной нагрузкой отечественного производства. Интегрирован многофакторный датчик скорости и направления течения Севастопольского морского геофизического института, устанавливаются подводная навигационная система и цифровая гидроакустическая связь компании Red Wave (ОАО «Лаборатория подводной связи»), а также высокоточные датчики глубины ОАО «ММС Радар» и др. Сложной задачей остается подбор энергетических модулей – для аппарата институтом им. академика Иоффе изготовлены АКБ, но для долговременной эксплуатации в арктических районах этого недостаточно. Рассматриваются термоэмиссионные и радиоизотопные источники питания ОАО «Криотерм».
На конференции Oceans 2015 (Вашингтон) специалисты института океанологии Скриппса (США) сообщили о создании первого в мире глайдера с положительным энергетическим балансом (технология «собирания энергии», energy harvesting), основанного на механизме изменения фазового состояния рабочего тела. Подробностей по данной теме пока нет, но ясно, что в мире активно продолжается работа по созданию нового поколения глайдеров, и что эти системы направлены на освоение тех регионов, где традиционные методы исследований бессильны – то есть арктических. Если Россия не хочет далее отставать в этой гонке, то в крайне сжатые сроки необходимо переходить от инициативных разработок единичных аппаратов к производству и промышленному использованию. Опираться следует на системы группового управления, позволяющие относительно недорогим и несложным аппаратам успешно выполнять задачи, недоступные для традиционных методов исследований.
ЗАО «НПП ПТ «Океанос» в своем проекте платформы глайдера добилось следующих результатов:
- создано семейство лабораторных образцов автономных аппаратов различных типов
- впервые в РФ создан высокоадаптивный рабочий образец глубоководного глайдера для проведения испытаний и исследований, для отработки различных вариантов схем управления, полезной нагрузки, вспомогательных подсистем
- созданы, испытаны и доработаны блоки аппаратного обеспечения и их электронные компоненты, минимизировано использование элементов западного производства
- разработан уникальный программный код системы управления, написано специальное ПО для проведения испытаний, прямого дистанционного управления и снятия телеметрии в реальном времени
- оформлена концепция совместного информационного пространства при использовании морских робототехнических средств, проведены эксперименты по совместному использованию подводных аппаратов и безэкипажных катеров, идет совместная работа с производителями отечественных БПЛА.
Мы открыты к сотрудничеству по вопросам насыщения полезной нагрузкой (химические и биологические датчики, регистраторы физических полей и т.д.), а также по алгоритмизации, системам группового управления и задачам подводной связи. В нашем распоряжении имеется платформа, которая способна стать одной из узловых систем в будущей концепции освоения арктических акваторий.
Гайкович Б.А., к.т.н., заместитель генерального директора ЗАО "НПП ПТ "ОКЕАНОС"