Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.
Наименование инновационного проекта «Автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА)» |
Рекомендуемая область пременения Подводный аппарат предназначен для использования в следующих областях: |
Назначение, цели и задачи проекта Океанотехника, связанная с созданием и использованием подводных аппаратов-роботов – сравнительно молодая и интенсивно развивающаяся область, в основе которой существуют определенные технические традиции, общие тенденции и нерешенные проблемы. Достаточно сказать, что в создании и использовании автономных, телеуправляемых и буксируемых аппаратов, несмотря на некоторые сложившиеся общие подходы и технологии, нет пока законченной обоснованной теории, а также и общей практики решения различных задач. Мировой опыт в этом отношении довольно разнообразен, и в настоящее время в распоряжении специалистов имеется немало возможностей для обмена информацией по различным вопросам проектирования, разработки и эксплуатации аппаратов. Еще сравнительно недавно при создании и использовании как автономных (АНПА/AUV), так и дистанционных телеуправляемых (ТПА/ROV) аппаратов речь шла преимущественно о решении достаточно однотипных частных задач, связанных с измерениями параметров водной среды, обзором участков дна, поиском и обнаружением затонувших объектов. Однако уже на этом этапе выявился целый ряд особенностей, характерных для указанных типов аппаратов, и получили оценку их достоинства и недостатки. В общем техническом комплексе ведущая роль стала отводиться автономным аппаратам, которые достаточно интенсивно развиваются и продолжают расширять сферу своего применения. Опыт США, Канады, Японии, Европейских стран свидетельствует о том, что в настоящее время автономные аппараты способны кроме «традиционных» задач решать и совершенно новые задачи по океанографии, обслуживанию сооружений и коммуникаций, освещению подводной обстановки, морской геологоразведке, экологии и мониторингу и ряду других применений, включая и работы подо льдом. Создание автономных подводных аппаратов (Autonomous Underwater Vehicles - AUV) за рубежом осуществляется при посредстве коммерческих фирм, научных организаций, военных ведомств и относится к числу наиболее приоритетных направлений в океанотехнике. К числу наиболее актуальных применений современных АНПА можно отнести: обзорно-поисковые работы, включая поиск и обследование затонувших объектов, инспекцию подводных сооружений и коммуникаций (трубопроводов, водоводов, кабелей); геологоразведочные работы, включающие топографическую и фото-видеосъемку морского дна, акустическое профилирование и картографирование рельефа; подледные работы, в том числе прокладку кабеля на Арктическом дне, обслуживание систем наблюдения и освещения подледной обстановки; океанографические исследования, мониторинг водной среды; работы военного назначения, включающие, в частности, противолодочную разведку, патрулирование, обеспечение безопасности объектов военной техники, обследование минных полей. |
Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы Существуют различные оценки эффективности автономных аппаратов по сравнению с другими средствами, которые обычно используются для глубоководных работ. Так, в статье [2] из журнала International Ocean Systems, Jan/Feb 2001 приводятся сведения об экономии, которую, как подсчитала одна из нефтяных компаний – Shell, она могла бы получить, применяя АНПА для ряда обычных глубоководных обследований и производственных задач. Задачи включают: обследование районов для бурения скважин, маршрутов прокладки трубопроводов, сбор океанографических данных. Компания Shell подсчитала, что за пять лет можно сэкономить $100 миллионов на прямых операционных затратах и за счет ограничения консерватизма в проектировании. После этого, другие компании, глядя на данные Shell, экстраполировали их на себя и провели дополнительные исследования, чтобы разобраться с новыми возможностями снизить затраты благодаря применению АНПА. В статье приводятся также результаты оценок, выполненных Крисом Моттом для Kongsberg Simrad. Согласно этим оценкам экономия от применения АНПА может составить $772 миллиона в год. Очевидно, что для того, чтобы реализовать такую потенциальную возможность, технология автономных аппаратов должна удовлетворять определенным требованиям. Так, например, по мнению автора статьи [3], имеющей название «АНПА для подводных работ – инновация или игрушка от высоких технологий?», для успешных применений АНПА необходимо выполнение следующих требований: технология должна быть направлена на то, чтобы «делать работу», она должна обеспечивать минимальный потребительский риск и экономический эффект. Вопрос, который прозвучал в работе, опубликованной в 1997 году, возник значительно раньше, когда перед специалистами впервые встала задача, как преодолеть «барьер глубины» при непременных условиях – аппарат должен быть относительно небольшим, надежным и достаточно универсальным, т.е. должен обеспечивать возможность функциональной перестройки. Противоречивость указанных требований достаточно очевидна. Очевидно также и то, что многие из этих требований могут быть отнесены и к целому ряду других подводных технических средств, в которых используются устройства общего назначения и которые служат для решения некоторых однотипных частных задач. По массе и размерам можно подразделить аппараты на «большие», «средние» и «малые». Такое разделение отвечает в определенной мере назначению аппаратов, особенностям их конструкции и, очевидно, затратам на изготовление и эксплуатацию. Размеры и масса аппарата определяются в основном типом энергетической и движительной систем, выбор которых определяется, в свою очередь, автономностью аппарата и энергопотреблением, приходящимся главным образом на движение и частично на работу аппаратуры. Существует определенные соотношения, связывающие массу, энергетические и ходовые характеристики аппарата. В частности, для «большого» или «среднего» аппарата при рабочей глубине погружения 6000м для достижения максимальной дальности хода масса источников энергии должна составлять (60-70)% массы всего аппарата. На практике энергетические установки, используемые на аппаратах, отличаются некоторым разнообразием, в котором можно проследить определенную дань традициям. В большинстве разработок доминируют энергоустановки на основе аккумуляторных батарей, позволяющих в принципе обеспечить дальность хода до 300- |
Краткое описание предлагаемого технологического процесса Появление и бурное развитие нового класса подводных технических систем – самоходных автономных необитаемых подводных аппаратов – можно с полным основанием отнести к заметным и масштабным явлениям второй половины ХХ – начала XXI века в народно-хозяйственной и военно-морской сфере. В области подводных технологий это настоящий прорыв, базирующийся на впечатляющих достижениях в микроэлектронике, создании высокоэнергоемких миниатюрных бортовых источников энергообеспечения и двигателей. АНПА полностью автономны в энергетическом отношении и полностью (или почти полностью) – в информационном. По всей видимости, в настоящее время нельзя говорить о приоритетном развитии тех или иных направлений по применению и специализации АНПА. Можно отметить лишь определенные тенденции, проявляющиеся в том, что наряду с использованием хорошо отработанных бортовых систем и структур заметно стремление к созданию универсальных робототехнических комплексов, состоящих из относительно простых, малых и дешевых аппаратов. Разработан малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат, рассчитанный для работы на глубинах до Автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) представляет собой автоматический самоходный носитель исследовательской аппаратуры, способный погружаться в заданный район океана на глубину до В качестве исследовательской аппаратуры на аппарате, как правило, устанавливаются всевозможные датчики, фото-видеоаппаратура, гидролокаторы, магнитометры и даже флуориметры. Аппарат сконструирован по модульному принципу и легко модернизируется под конкретную задачу. Современные АНПА способны выполнять довольно разнообразные обзорно-поисковые и обследовательские работы: съемку дна по площади, поиск и обследование затонувших объектов и искусственных сооружений, геологоразведку и картографирование дна. Задача поиска и обследования решается обычно в несколько этапов, в сценарий которых включаются: · организация навигационного обеспечения (систем гидроакустической и спутниковой навигации), подготовка систем судового комплекса; · предварительный обзор района поиска путем крупномасштабной съемки дна с помощью гидролокаторов бокового обзора (ГБО) и нанесение целей для детального обследования; · выход аппарата на объект поиска (заданную цель) и выполнение обследовательских действий в ближней зоне с использованием фото и телевизионных систем и высокоразрешающих сканирующих гидролокаторов; · общее освещение подводной обстановки в районе работ, обработка и документирование полученной информации. Последнее предполагает сбор, накопление и оперативную передачу информации обзорно-поисковых систем, геофизических датчиков, измерителей параметров среды. Модульная технология создания АНПА Модульный принцип широко применяется в современной технике при производстве серийной продукции, а также при создании новых образцов сложных технических объектов. Преимущества, которые дает использование модульного принципа в океанотехнике, достаточно очевидны, однако, нельзя утверждать, что он играет в настоящее время доминирующую роль при создании различных подводно-технических средств (ПТС). Обусловлено это, прежде всего, разнообразием конструктивного исполнения ПТС и тем, что созданием их занимаются организации, обремененные своим опытом и традициями. Используемые в ПТС элементы готовой продукции модульного исполнения рассчитаны, как правило, на работу в составе отдельных специализированных погружных систем и бортовых устройств (например, гидравлических приводов, электродвигателей), хотя проблема может быть отнесена ко всему комплексу систем подводной техники и, в особенности, к глубоководным АНПА [2-7]. Базовый состав модульных системных блоков должен отвечать назначению АНПА и существующим требованиям для решения широкого круга исследовательских задач. Практика показывает, что, несмотря на относительное разнообразие по составу систем и конструкции, в структуре обзорно-поисковых и обследовательских аппаратов можно выделить минимально необходимый базовый состав систем, обеспечивающий выполнение основных рабочих функций (рис.1). В базовый состав системных блоков (модулей), являющихся основными объектами исследований и разработок при создании различных конфигураций обзорно-поисковых, обследовательских и многоцелевых АНПА могут входить, в принципе, функциональные модули следующих систем и их подсистем: системы программного управления, являющейся управляющим "ядром" аппарата и включающей также элементы, осуществляющие контрольно-аварийные функции, системы энергообеспечения, включающей источники питания и преобразующие силовые устройства, системы управления движением или автопилота, движительно-рулевого комплекса, включая блоки управления двигателями, гидроакустического навигационного комплекса, который может включать длиннобазовую и ультракороткобазовую системы с пространственно разнесенными элементами приемо-передающей аппаратуры и судовыми средствами, бортового автономного навигационного комплекса, который может содержать инерциальную навигационную систему, доплеровский измеритель скорости и приемник спутниковой навигации, системы технического зрения, в состав которой могут входить обзорные гидролокаторы, фото-видеокамеры, средства поиска и устройства обработки "зрительной" информации, гидроакустических систем телеуправления и телеметрии, включающих комплекс бортовой и судовой аппаратуры, информационно-измерительной системы, в состав которой могут входить измерители параметров водной среды, акустический профилограф, геофизические приборы. Рис. 1. Функциональный состав систем АНПА Работа АНПА и его эксплуатация с борта сопровождающего судна обеспечиваются с помощью судового вычислительного комплекса (СВК). Типичный состав СВК, а также его взаимосвязи с АНПА показаны на рис.2. Рис. 2. Структура комплекса АНПА и судового оборудования Судовой навигационный вычислительный комплекс (СВНК) и буксируемый гидроакустический модуль обеспечивают информационную связь с АНПА и определение координат АНПА во время выполнения заданной миссии. Во время нахождения АНПА на борту судна локальная вычислительная сеть (ЛВС) системы управления подключается к СВК кабелем связи. С этого момента ЛВС АНПА становится информационно доступна с компьютеров СВК и СНВК, поскольку оба они подключены к судовой локальной вычислительной сети. При этом обеспечивается загрузка программ в АНПА, его предпусковая проверка и выгрузка накопленных данных после завершения миссии. Во время нахождения аппарата на поверхности за бортом судна его система управления доступна с СВК только через канал радиосвязи. Гидроакустический навигационный комплекс В общем комплексе вспомогательных технических средств гидроакустические средства занимают особое положение в силу специфики работы самого аппарата. В их числе первыми были разработаны гидроакустические навигационные системы (ГАНС) различного типа, получившие в зарубежной литературе название акустических систем позиционирования (APS). Достаточно подробный обзор отечественных и зарубежных разработок гидроакустических навигационных систем различного типа приведен в работах [15, 16]. По принципу действия разделяют системы, основанные на измерении дальностей до объекта навигации от системы опорных точек (с длинной или короткой базой), и системы с использованием дальномерных и угломерных данных. Последние называют системами с ультракороткой базой, а навигационная задача решается в результате определения из одной точки дальности, пеленга и угла места объекта навигации. При создании ряда глубоководных аппаратов были разработаны различные модификации соответствующей дальномерной ГАНС. Ее основу составили донные маяки-ответчики, синхронный передатчик, устанавливаемый на объекте навигации, приемопередатчик и судовой блок обработки навигационной информации, устанавливаемые на обеспечивающем судне. Теоретические аспекты разработки системы были изложены в работах [1,2]. Разработанная в этот период гидроакустическая навигационная система с длинной базой имела технические характеристики, близкие к техническим характеристикам известных зарубежных аналогов. ГАНС-ДБ является хорошо освоенным и надежным навигационным средством. Однако очевидно, что использование маяков-ответчиков и тем самым жесткая привязка к району работ оправданы только в тех случаях, когда необходимы многократные пуски АНПА в одной точке или когда предъявляются повышенные требования к точности навигационного обеспечения. В иных случаях предпочтительнее использовать гидроакустическую навигационную систему с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ), которая требует минимального времени для подготовки к работе. К достоинствам УКБ-систем следует отнести и то, что навигация АНПА может быть обеспечена в режиме движения обеспечивающего судна с определением текущего местоположения АНПА, совершающего длительный переход. Необходимо отметить, что общим правилом для достижения высокой точности навигации является комплексирование длиннобазисных и ультракороткобазисных систем в рамках одного комплекта аппаратуры. Основу современной системы навигационного обеспечения составляет гидроакустический навигационный комплекс, в состав которого входят работающие совместно или раздельно ГАНС-ДБ и ГАНС-УКБ. В составе комплекса конструктивно объединены судовые антенны систем, судовое обеспечивающее оборудование, унифицировано программное обеспечение. Выбор режима работы комплекса определяется текущей тактикой использования АНПА. Информационно-измерительные средства и техническое зрение В зависимости от задачи система может содержать измерители параметров водной среды и приборы для изучения свойств грунта и донных объектов. Измерители гидрологических параметров (ИГП), часто называемые CTD-измерителями, предназначены для измерения электропроводности, температуры, давления (глубины) и широко применяются при изучении и освоении природных ресурсов Мирового океана. Геофизические приборы, которые могут входить в состав ИИС, отличаются большим разнообразием как по физическим принципам, так и по модульному исполнению. К ним относятся, в частности, акустический профилограф, устройства электромагнитного поиска, магнитометры, гравиметры, радиометры, накопители и средства обработки информации. Некоторые из указанных устройств разрабатываются в морском исполнении для оснащения буксируемых систем. По техническим характеристикам, главным образом, по массам и размерам они во многих случаях оказываются мало пригодными для установки на АНПА. Кроме того существенными являются сами условия работы этих устройств на борту АНПА. В частности, это относится к магнитометрам, гравиметрам и электромагнитным устройствам, работа которых зависит от собственных физических полей носителя и его движения вблизи дна. В связи с этим в большинстве случаев возникает необходимость в специальных разработках с учетом конкретных требований проекта и особенностей модульной технологии АНПА. ИПМТ ДВО РАН имеет определенный опыт разработки и практического использования автономных вариантов акустического профилографа, гидрологических датчиков, радиометров, магнитометров и других измери-телей, входящих в качестве штатных устройств в состав различных образцов АНПА. В обзорно-поисковых системах в диапазоне дальностей действия свыше десятков метров широкое применение находят гидролокаторы для автономных, привязных и буксируемых носителей. В настоящее время известно большое количество гидролокационных систем разных типов и назначений, как пассивных, так и активных, различающихся способами сканирования среды и обработки получаемой информации. К наиболее характерным можно отнести два типа обзорно-поисковых гидролокаторов: гидролокатор бокового обзора (ГБО), представляющий систему акустического зрения дальнего радиуса действия, и гидролокатор секторного обзора (ГСО), являющийся системой среднего радиуса действия с повышенной разрешающей способностью. ГБО является широко распространенным и давно применяемым прибором для выполнения подводных обзорно-поисковых и картографических работ. Первые результаты поиска затонувших объектов с помощью макетных образцов ГБО относятся к середине 60-х годов, а уже в конце 70-х годов рядом зарубежных фирм (EG&G, Klein Associates Inc. и др.) было налажено производство серийных приборов. В ИПМТ ДВО РАН экспериментальные образцы гидролокаторов бокового обзора использовались в буксируемом варианте с 1979 года, а, начиная с 1982 года, экспериментальными образцами ГБО оснащались все созданные в институте глубоководные АНПА. Как правило, ГБО выполняет функции первичного средства поиска и целеуказания. Для ориентирования и более детального обследования выбранной области используется гидролокатор секторного обзора, работа которого не требует поступательного перемещения аппарата. При этом величина дальности действия ГСО выбирается промежуточной между величинами дальности действия ГБО и фотосистем. В ИПМТ ДВО РАН первые образцы гидролокаторов секторного обзора появились в 1992 году, и в настоящее время ими оснащается большинство автономных и привязных аппаратов. При необходимости ГСО можно использовать и для выполнения специфических операций, например, для осмотра внутренних поверхностей водозаполненных тоннелей или замкнутых полостей, а также для инспектирования подводных кабелей и трубопроводов. |
Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии Эффективность проведения работ с помощью буксируемых средств или привязных аппаратов резко уменьшается с увеличением глубины. Автономный необитаемый аппарат, обладая значительно большей маневренностью, чем судно, Технические характеристики подводного аппарата: Максимальная рабочая глубина – Вес – Габариты – O 0.45 х Максимальная скорость – 3 м/с; Автономность (при v=1.5 м/с) ?34 часа (пробег ? Точность навигации (при дальности между АНПА и обеспечивающим судном не более Максимальное волнение моря для проведения работ – 3 балла; Обслуживающий персонал – 2 человека. Оснащение: ГБО 100/500 кГц; Профилограф; Дополнительное оборудование по требованию заказчика. |
Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса Высокая производительность АНПА: Обследуемая площадь ГБО: ГБО 100 кГц – 275 км?/погружение; ГБО 500 кГц – 36 км?/погружение; Длина трассы, обследуемой профилографом (магнитометром) – 184 км/погружение. Цикл работы: Погружение и работа (при v=1.5 м/с) – 34 часа; Обслуживание – 2 часа. Энергосбережение: Энергообеспечение АНПА Одними из важных показателей эксплуатационных характеристик АНПА являются его автономность и дальность хода, которые определяются запасом энергии. По приближенным оценкам при прочих равных условиях масса и, соответственно, стоимость АНПА пропорциональны третьей степени дальности хода. На протяжении трех десятилетий развития АНПА предпринимались попытки найти возможно наиболее эффективные источники энергии. Например, рассматривалась возможность применения дизелей с замкнутым циклом и двигателей Стирлинга. В конечном итоге внимание разработчиков АНПА сконцентрировалось, в основном, на химических источниках тока (ХИТ). За эти годы были исследованы и разработаны многие электрохимические системы, тем не менее, существенное увеличение их энергоемкости пока не достигнуто. Основным показателем эффективности ХИТ является удельная энергоемкость, измеряемая в Втч/кг и, иногда, в Втч/дм3. В начале упомянутого периода использовались, в основном три вида ХИТ: свинцово-кислотные, щелочные никель-кадмиевые и серебряно-цинковые аккумуляторы, их удельные энергоемкости, соответственно: 20-25, 20-30 и 100-150 Втч/кг. Поскольку аккумуляторы должны размещаться в прочном герметичном контейнере, фактическая энергоемкость снижается В связи с этим предпринимались попытки создания «погружных» аккумуляторных батарей, однако, вследствие эксплуатационных неудобств, это направление постепенно заглохло. Тем временем исследовательские и промышленные организации отраслей, связанных с ХИТ, интенсивно ведут разработки новых систем. В частности можно отметить разработку систем, использующих щелочные марганцево-цинковые и литиевые элементы (AUV «Autosub-1»), водоактивируемые батареи, литий-йонные аккумуляторы, полутопливные батареи (AUV «Hugin»), топливные элементы (AUV «Urashima»). В заключение можно отметить, что выбор типа источника, наиболее подходящего в каждом конкретном случае, является довольно сложной задачей, решение которой зависит от очень многих факторов, как определенных техническим заданием на АНПА, так и возникающих в процессе его проектирования. Активность индустрии ХИТ позволяет надеяться на появление новых более эффективных систем. Тем не менее, внутренний источник энергии так или иначе ограничивает автономность и дальность хода АНПА. Это приводит к мысли об использовании энергии внешней среды – солнечной, волновой, перепада температур и, возможно, других ее видов. Более того, прогресс в области источников энергии и средств связи открывает перспективу полностью автономной работы АНПА без судового обеспечения. Как показывает опыт совместных работ ИПМТ и AUSI, АНПА с питанием от солнечной энергии может служить прототипом для аппаратов, время автономной работы которых не ограничено. Современные спутниковые системы навигации и связи могут обеспечить надежное определение места и передачу данных на береговые станции, а программы действий – на аппарат. Естественно, аппарат должен большую часть светлого времени находиться на поверхности, несмотря на это, такой аппарат, по меньшей мере, сможет обеспечивать гидрометеорологические измерения в океане как на поверхности, так и в толще воды. Безлюдная технология Необитаемость АНПА – все технологические операции автоматизированы, производятся без участия человека на борту, а следовательно не имеют связанных с этим трудозатрат, а также затрат, направленных на обеспечение его безопасности. |
Новые потребительские свойства продукции необитаемость |
Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам Специфика работы на глубине предполагает особую прочность всех материалов, используемых для производства аппарата. |
Стадия и уровень разработки |
Предлагаемые инвестиции 11,2 млн. руб. |
Рынки сбыта В коммерческом секторе рынок автономных подводных аппаратов имеет наибольшее развитие под воздействием нефтегазового рынка. Емкость данного сегмента значительна. Сфера применения подводных аппаратов в данном секторе – это: |
Возможность и эффективность импортозамещения Аппарат соответствует лучшим мировым образцам подобного типа, вполне может заменить импортные АНПА. |
Возможность выхода на мировой рынок На подобные аппараты имеется высокий спрос на мировом рынке. |
Срок окупаемости (в месяцах) 30 |
Дата поступления материала 24.10.2006 |
У павильонов Уральской выставки «ИННОВАЦИИ 2010» (г. Екатеринбург, 2010 г.)
Мероприятия на выставке "Инновации и инвестиции - 2008" (Югра, 2008 г.)
Открытие выставки "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)
Демонстрация разработок на выставке "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)