'
Глазков Г.В.
СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАРШЕВОЙ СКОРОСТИ ИХ ДВИЖЕНИЯ *
Аннотация:
в настоящей статье рассказывается о движительных-рулевых комплексах подводных аппаратов. Работа содержит техническое описание основных движительно-рулевых комплексов, их характеристики и особенности, а также критерии выбора движительно-рулевого комплекса в зависимости от задачи, выполняемой подводным аппаратом.
Ключевые слова:
подводный аппарат, движительно-рулевой комплекс, система динамического позиционирования
Подводная робототехника развивается уже более 50 лет, и за это время произошло множество изменений в средствах и методах организации, создания и использования подводных робототехнических систем и комплексов. Сейчас существуют три типа необитаемых подводных аппаратов (НПА): буксируемые, телеуправляемые привязные и автономные.
В мировой практике уже накоплен огромный опыт создания и использования подводных робототехнических систем для решения научно-исследовательских и прикладных задач в разных сферах. Прогресс в этой области заключается в создании более совершенных систем, технологий и многофункциональных комплексов, которые могут решать широкий спектр задач в условиях сложной подводной среды. В результате появилась специализация в НПА: есть поисковые буксируемые, рабочие телеуправляемые по кабелю и исследовательские автономные аппараты. Большинство специалистов считают, что оптимальным решением будет комплекс, включающий аппараты всех трех типов. Однако многие также высказывали мнение, что эти аппараты должны быть многофункциональными, основанными на модульной технологии, сменным оборудованием и способностью к функциональной перестройке.
Неотъемлемой частью любого ПА является движительно-рулевой комплекс (ДРК), обеспечивающий их маневренность и управляемость [2].
Являющийся программно-управляемым исполнительным устройством, движительно-рулевой комплекс (ДРК) обеспечивает эффективное управление движением и маневрированием подводных аппаратов в подводных и надводных условиях. Система управления движением (СУД) ПА обеспечивает автоматическое, дистанционное и аварийное управление, позволяющее контролировать курс, глубину и дифферент ПА.
В зависимости от положения вертикальных рулей, ПА изменяет свой угол рыскания и скольжения. От них зависит, в какую сторону движется аппарат. От положения горизонтальных рулей зависит угол атаки и дифферента, а также глубина, на которой находится аппарат. От разности в углах перекладки вертикальных и горизонтальных рулей зависит угол крена ПА [1].
В качестве движителей ПА зачастую применяются гребные винты, которые имеют целый ряд преимуществ перед другими видами движителей: компактностью, возможностью согласования с корпусом и двигателем, высокими скоростями вращения и эффективностью работы. В зависимости от требуемой маневренности аппарата, можно устанавливать один или несколько гребных винтов. При выборе геометрических характеристик движителя, оптимальной скорости вращения и определении пропульсивной эффективности, задача проектирования движителя ПА решается по аналогии с разработкой ГВ для судов.
Легконагруженные винты обычно проектируют без направляющих насадок. Они применяются при больших значениях коэффициента нагрузки для повышения КПД.
К рулевым органам ПА предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, они должны быть высокоэффективными, обеспечивая максимальную управляющую гидродинамическую силу при перекладках. С другой стороны, для этих перекладок требуется минимальный шарнирный момент, оптимизирующий энергетические затраты на рулевой привод и массогабаритные характеристики. Для решения этих задач необходимо адекватно выбрать конструкцию и геометрию рулей, определить их площадь, месторасположение на аппарате, максимальный угол перекладки, скорость перекладки и другие факторы.
Наиболее успешным и эффективным вариантом для конструкции и использования является комбинация кормовых рулей и элеронов. Тем не менее, при низких скоростях движения могут возникнуть ситуации, где необходимо установить дополнительные носовые рули глубины [6].
При автоматическом управлении, рули ПА работают с небольшими углами перекладки, не превышающими 5-10 градусов, для обеспечения непрерывной устойчивости.
Важной характеристикой управляющих органов, таких как рули и поворотные насадки, является время, необходимое для перекладки из среднего положения в крайнее [3].
При выполнении ПА множества работ (сбор образцов грунта, осмотр объекта, его фотографирование и др.) скорости близки к нулю или отсутствуют. При столь малых скоростях эффективность таких традиционных средств управления, как горизонтальный и вертикальный рули, недостаточна, и они не могут обеспечить управление в таких специфичных режимах эксплуатации, как перемещение лагом, зависание над объектом работ, вертикальное подводное всплытие при отсутствии продольного движения, удержание ПА при работе манипулятором и др. Это приводит к необходимости осуществлять управление движением ПА с помощью ДРК, эффективность которого не зависит от скорости продольного движения [2].
Система динамического позиционирования.
Система динамического позиционирования – это система, необходимая для точного удержания объекта в заданной позиции или области и (или) на заданном курсе, его перемещения на небольшие расстояния, следования вдоль заданного маршрута автоматически с высокой точностью посредством использования движителей и подруливающих устройств.
Позиционирование ПА представляет собой активный или пассивный процесс управления локальными линейными и угловыми перемещениями ПА в водном пространстве при малых скоростях его поступательных движений. Режим зависания ПА на заданной глубине является частным случаем позиционирования.
Под СДП условились понимать комплекс механизмов и устройств, обеспечивающий активное управление ПА на доинверсивных, вплоть до нулевой, скоростях движения по углу курса, углу дифферента и глубине погружения.
Управление по каждой из указанных выше координат СДП осуществляется на основе принципа отрицательной обратной связи. В системах управления, построенных по этому принципу, управляющие воздействия зависят от разницы между заданными и текущими значениями соответствующих выходных координат. Другими словами, СДП представляет собой автоматическую систему, которая управляет положением ПА в водном пространстве путем активного воздействия на ее вспомогательные устройства.
С позиций автоматики СДП представляет собой иерархическую, многоконтурную, многосвязную, многофункциональную систему управления (СУ), характерной особенностью которой является наличие бортового вычислительного комплекса для оптимизации тех или иных режимов движения [5].
В конструктивном плане в СДП могут быть выделены: исполнительный тракт, формирующий управляющие воздействия на ПА и представляющий собой систему движителей и балластно-вытеснительных устройств с преобразователями и входными усилителями, информационно-измерительный тракт, состоящий из датчиков и устройств первичной обработки информации о состоянии ПА и его подсистем и вычислительное устройство, обеспечивающее как задание движения ПА по программе или по командам навигационной системы, так и оптимизацию движений ПА при позиционировании.
Схемы размещения и конструктивные решения СДП очень разнообразны и определяются назначением ПА и требованиями к его маневренным качествам. Общее количество движителей системы составляет в основном 2 - 5, но в отдельных случаях достигает 12 и даже 16.
Наиболее распространенными типами движителей являются ГВ в насадке, водометные движители. Обычно система состоит из двух ГВ в насадках, которые размещаются по бортам на поворотных кронштейнах, которые могут поворачиваться на угол до 90 градусов относительно горизонтальной плоскости, что позволяет изменять направление тяги ГВ. Совместно с реверсом такая система обеспечивает ПА отличные маневренные характеристики и простоту управления. В ПА с маршевым двигателем этот тип двигателя располагается в кормовой части, а 2-4 вспомогательных двигателя устанавливаются на поворотных пилонах на легком корпусе или в специальных шахтах, присутствующих внутри легкого корпуса и расположенных перпендикулярно продольной оси подводного аппарата в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
В основном для привода движителей ПА используются погружные электродвигатели постоянного тока, значительно реже - гидромоторы. Чтобы предотвратить ухудшение условий визуального наблюдения из-за перемешивания воды при работе подводного аппарата вблизи грунта, двигатели помещаются максимально далеко в корму от иллюминаторов, светильников и манипуляторов [4].
Заключение.
В заключении хотелось бы сказать, разработка ДРК является сложным и ответственным процессом, требующим обширного технического знания и опыта. Для этого требуется проведение тщательных исследований и выполнение сложных расчетов, с учетом особенностей конкретного ПА, в частности – маршевой скорости движения, и его предполагаемых задач.
Процесс разработки ДРК включает в себя несколько этапов. В начале происходит анализ требований и функциональных возможностей ПА, а также определение основных параметров и характеристик комплекса. Затем проводятся научно-исследовательские работа, направленная на разработку новых технологий и решение задач, связанных с обеспечением оптимальной управляемости и маневренности.
Важным этапом разработки является создание прототипа ДРК и его тестирование в контролируемых условиях. Это позволяет проверить функциональность и надежность комплекса, а также вносить необходимые корректировки перед его производством.
Конечным результатом разработки является высокотехнологичный ДРК, который устанавливается на ПА, обеспечивая им безопасное и эффективное выполнение широкого спектра задач. Он должен обладать высокой производительностью и надежностью, что позволяет ПА успешно функционировать в самых сложных условиях подводной среды.
Таким образом, разработка ДРК является важным этапом создания и совершенствования ПА. Она требует специализированных знаний, умений и опыта для достижения высокого уровня функциональности и надежности комплекса, что в конечном итоге обеспечивает безопасность и успех подводных миссий.
Номер журнала Вестник науки №1 (82) том 1
Ссылка для цитирования:
Глазков Г.В. СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАРШЕВОЙ СКОРОСТИ ИХ ДВИЖЕНИЯ // Вестник науки №1 (82) том 1. С. 305 - 312. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/20585 (дата обращения: 10.02.2025 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2025. 16+
*