Сверхмалое автономное гидрофизическое судно с плавниковым движителем

Предлагаемая полезная модель сверхмалого автономного гидрофизического судна с плавниковым движителем (САГС ПД) предназначена для выполнения батиметрической и гидрофизической съемки при инженерно-изыскательских и экологических работах в пределах труднодоступных и мелководных участков морских акваторий, портов, морских сооружений, озер, водохранилищ с непрерывной доставкой измеряемых параметров по телеметрическим радиоканалам на центр обработки данных получаемой информации. Изыскания могут выполняться в сложных навигационных и штормовых условиях, в том числе при выполнении оперативных работ на внутренних акваториях портов и гаваней, в акваториях опасных или недоступных для плавания традиционных плавсредств, при минимальных глубинах 0,2 м. Полученная информация в процессе плавания о GPS-координатах, глубине моря и гидрофизических параметрах воды через радиоканал передается в центральный пункт обработки. Важной методической особенностью обследования морских и прибрежных акваторий с помощью флота сверхмалых судов является возможность одновременного применения САГС, с измерительной аппаратурой синхронно работающей в системе единого времени, что существенно повышает эффективность решения задач комплексного мониторинга акваторий. В качестве движителя применен пластинчатый (синусоидальный) движитель с жестким крылом. Для создания тяги машущего крыла необходимо при вертикальном перемещении среднего положения крыла изменение угла атаки машущего крыла. Эту задачу выполняет рычаг соединенный со средним положением крыла. Математическая модель такого движителя наиболее проста и допускает расчеты по чисто двумерным (плоским) пространственным схемам. САГС способно преодолевать большие расстояния за период выполнения отдельного эксперимента, решая при этом определенный выше круг задач в удаленных морских и прибрежных акваториях под оперативным управлением по спутниковым телеметрическим каналам связи «Гонец». Водоизмещение САГС составляет порядка 65 кг, при полезной приборной нагрузке 10 кг, длина корпуса 2,5 м, скорость экономического хода 3 узла. В качестве источника питания использованы порядка 40 кг литиевых аккумуляторов, которые обеспечивают непрерывную работу силовых установок в течение 300 часов. Аппаратура САГС питается электроэнергией вырабатываемой солнечными батареями.

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств гидрофизических исследований и может быть использовано, например, при реализации систем экологического мониторинга, а также систем сбора батиметрической информации.

Полезная модель сверхмалого автономного гидрофизического судна (САГС) предназначеной для выполнения батиметрической и гидрофизической съемки при инженерно-изыскательских и экологических работах в пределах труднодоступных и мелководных участков морских акваторий, портов, морских сооружений, таких как нефтедобывающие вышки, озер, водохранилищ с непрерывной доставкой измеряемых параметров по телеметрическим радиоканалам на центр обработки данных (ЦОД) получаемой информации, принятая в качестве прототипа была рассмотрена в работе (Малашенко А.Е., Храмушин В.Н., патент RU №51586, МПК В63 38/00, 2005 г.). Изыскания с помощью САГС могут выполняться в сложных навигационных и штормовых условиях, в том числе при выполнении оперативных работ на внутренних акваториях портов и гаваней, в акваториях опасных или недоступных для плавания традиционных плавсредств, при минимальных глубинах от 0,2 м. Полученная информация в процессе плавания о GPS-координатах, глубине моря и гидрофизических параметров воды через радиоканал передается на пункт обработки.

Экспериментальные гидрофизические исследования проведенные в в рамках. Плана фундаментальных исследований СКБ САМИ ДВО РАН (тема «Мореход», Создание математических моделей и экспериментальные исследования гидродинамики морской робототехники, решение задач эффективности и безопасности мореплавания в дальновосточных морях России., № Г/р: 01.2.00607635) В результатах исследований отмечено, что наблюдалось снижение эффективности традиционных движителей - гребных винтов, связанное с намоткой на винт мелких морских и озерных водорослей, которые на мелководьях достигают поверхности.

Данный недостаток удалось устранить применением принципиально новых движителей - движителей плавникового типа.

Предлагаемая полезная модель сверхмалого автономного гидрофизического судна с плавниковым движителем (САГС ПД) предназначена для выполнения батиметрической и гидрофизической съемки при инженерно-изыскательских и экологических работах в мелководных участков морских акваторий, портов, морских сооружений, таких как нефтедобывающие вышки, озер, водохранилищ с непрерывной доставкой измеряемых параметров по телеметрическим радиоканалам на центр обработки данных (ЦОД) получаемой информации. Изыскания могут выполняться в сложных навигационных и штормовых условиях, в том числе при выполнении оперативных работ на внутренних акваториях портов и гаваней, в акваториях опасных или недоступных для плавания традиционных плавсредств, при минимальных глубинах от 0,2 м.

Полученная информация в процессе плавания о GPS-координатах, глубине моря и гидрофизических параметров воды через радиоканал передается на пункт обработки.

Важной методической особенностью обследования морских и прибрежных акваторий с помощью флота сверхмалых судов является возможность одновременного применения нескольких САГС, с измерительной аппаратурой, синхронно работающей в системе единого времени, что существенно повышает эффективность решения задач комплексного мониторинга акваторий.

САГС обеспечивают выполнение следующих морских работ:

- синхронные измерения гидрофизических параметров на мелководных акваториях портов и гаваней, районах проведения морских работ;

- проведение экологических обследований поверхности морских акваторий, получение информации об опасных морских явлениях или контроль состояния аварийных инженерных сооружений, выполнение других морских работ, участие человека, в которых опасно или нежелательно.

Предлагаемая полезная модель сверхмалого автономного гидрографического судна с плавниковым движителем (САГС ПД), также и как принятого в качестве прототипа САГС представляет собой: корпус сверхмалого судна 1, рубка системы телеметрических каналов связи 2 (р/а 2-1, антенны спутниковой системы связи «Гонец», спутниковой системы навигации «Глонасс» 2-2, приемопередатчик и абонентский пункт спутниковой связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 2-3, блок управления телеметрических каналов связи 2-4), источник питания (литиевые аккумуляторы 3-1 и блок питания.3-2), источник солнечной энергии: солнечные батареи 4-1; преобразователь напряжения 4-2; аккумулятор 4-3, гидролокатор бокового обзора: излучатели 5-1; приемники 5-2; аппаратурный блок 5-3, блок управления 6, блок предварительной обработки и накопления информации 7, машинное и рулевое отделения 8, плавниковый движитель 9, руль 10. В приборном отсеке 11 наружу в углублениях (чтобы датчики не выступали за поверхность бортов) вынесены 8 гермовводов 12 (по 4 вдоль бортов) для подключения датчиков (например, датчики температуры, электропроводности, давления, рН, растворенного кислорода, редокса, нефтепродуктов, фенола и т.д.). На свободные гермовводы устанавливаются специальные заглушки, с помощью которых «закорачиваются» входы соответствующих информационных каналов. Предусмотрена возможность подключения до 56 забортных буксируемых датчиков.

Герметичный корпус сверхмалого судна представляет собой модель судна и изготовлена с использованием технологии МИДВ. Имеет длину 2,5 м и водоизмещение в 65 кг.

Герметичная рубка телеметрической системы связи 2 изготовлена из радио прозрачного материала. В рубке размешены антенны систем спутниковой связи 2-2 и навигации 2-3, приемопередатчик (радио) и абонентский пункт спутниковой связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 2-4, блок управления телеметрических каналов 2-5, наружу вынесена р/антенна 2-1.

Литиевые аккумуляторы 3-1 выложены вдоль бортов и в носовой части САГС, в блоке питания 3-2 формируется ряд напряжений, необходимые для приведения в действие электродвигателей приводов движителя 9 и руля 10.

Источник солнечной энергии состоит из солнечных батарей 4-1, которые выложены на палубе и надежно изолированы от внешней среды радио

прозрачным материалом, преобразователь напряжения 4-2 преобразовывает (повышает) напряжение солнечных батарей до 12 вольт, которое подается на аккумулятор.

Гидролокатор бокового обзора 5 в основном предназначен для решения батиметрических задач. Излучатели 5-1 расположены вдоль днища в центральной части САГС, а приемники 5-2 расположены в центральной части поперек днища, в аппаратурном блоке осуществляется предварительная обработка, накопление батиметрических данных и последующая передача через р/канал на ЦОБ.

Блок управления 6 состоит из: программного устройства 6-1, командной системы 6-2. Программное устройство состоит из корректируемого по радиоканалу таймера и самого программного устройства. Таймер представляет собой электронные часы, ход которого корректируется по радиоканалу оператором из ЦОД по мере необходимости. Программное устройство представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами САГС по заданной программе или по команде полученной по радиоканалу. Командная система 6-2 предназначена для приема команд и передачи гидрофизической информации по радиоканалу. Командная система 6-2 позволяет:

- передавать с ЦОД на САГС команды управления;

- передавать из САГС на ЦОД «квитанцию» о приеме и исполнении на САГС команд управления;

- передавать из САГС на ЦОД (по запросу) цифровую информацию о зарегистрированных сигналах;

- передавать из САГС на ЦОД телеметрическую информацию о работе систем и узлов САГС и исполнении принятых команд;

- передавать на судно об обнаруженных сбоях в аппаратуре САГС.

Блок накопления информации (НИ) 7 предназначен для накопления гидрофизической информации с датчиков 12 из приборного отсека 11 (фиг.2):

- предварительной обработки зарегистрированной информации фильтром (ПФ)-усилителем (У) 7-1, 7-2;

- аналого-цифрового преобразования информации (АЦП) 7-3;

- усреднения оцифрованной информации (УИ) 7-4;

- запоминания информации в буферной памяти ОЗУ 7-5, затем в энергонезависимом запоминающем устройстве CF 7-6.

Блок НИ 7 построен на базе одноплатного микрокомпьютера Persior CF-1. CF-1 построен на микроконтроллере МС68СК338 фирмы Motorola, и включает 1Mb flash памяти для данных и программ, а также 256 Kb статического ОЗУ 7-5.

Для энергонезависимого хранения данных используется карта Compact Flash (CF) 7-6 объемом от 256 Mb. CF-1 поставляется с собственной операционной системой Pico DOS, которая позволяет создать на карте Compact Flash файловую систему, совместимую с MS DOS. Для разработки целевых программ использован компилятор Metrowerks Code Warrior Pro C/C++.

Программное обеспечение системы накопления данных представляет собой набор трех независимых программ. Они располагаются на трех различных участках флэш-памяти и используются для различных целей. Программа установки параметров накопления Settings позволяет просматривать и устанавливать такие параметры регистрации как количество каналов (до 64 каналов), частота дискретизации (частота дискретизации в данной полезной

модели установлена в 1 Гц), размеров буферов данных, режимы диагностики без перекомпиляции и перезагрузки программы накопления.

В целях снижения энергопотребления в процессе накопления используется двухступенчатый буфер. Данные из АЦП 7-3 накапливаются в буфере, находящимся в ОЗУ 7-5. После заполнения этого буфера все его содержимое переносится в буфер большего размера, который расположен в специальном разделе Compact Flash 7-6.

В машинном и рулевом отделении 8 в качестве приводов движителя 9 и руля 10 используются маломощные электродвигатели постоянного тока. В качестве движителя 9 применен пластинчатый (синусоидальный) движитель с жестким крылом.

На фиг.3 показан принцип действия уже испытанного пластинчатого (синусоидального) движителя с жестким крылом, размещенного внутри замкнутого короба 1 под кормовым подзором корпуса 2 корабля. Боковые стенки короба 1 служат концевыми шайбами для исключения индуктивных вихрей на концах машущего крыла 3, а его верхняя и нижняя плоскости служат уменьшению вертикальных пульсаций корпуса при работе движителя, одновременно создавая своеобразную «реактивную» составляющую тяги в крайних положениях плоского крыла, где по условиям гидродинамической оптимизации поверхность крыла должна была бы очень сильно искривляться.

Шаг движителя (угол атаки крыла в его среднем положении) регулируется радиусом рычага 4 и высотой кривошипного механизма 5.

В качестве приводов движителя плавникового типа использованы маломощный электродвигатель постоянного тока, который на фиг.3 не указан. На ось двигателя через понижающий редуктор прикреплен вал 6 установленный вертикально вдоль киля с кривошипным механизмом 5. При работе электродвигателя приводит к вертикальному перемещению среднего положения машущего крыла 3. Для создания тяги машущего крыла необходимо при вертикальном перемещении среднего положения крыла изменение угла атаки машущего крыла. Эту задачу выполняет рычаг 4 соединенный со средним положением. Математическая модель такого движителя наиболее проста и допускает расчеты по чисто двумерным (плоским) пространственным схемам.

Работа САГС (при работе с одним или с несколькими САГС) заключается в следующем.

Перед началом работы проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы САГС в программное устройство 6-1. После цикла подготовки САГС с обеспечивающего судна либо с пирса, либо с любых других мест (координаты начальной точки обязательным образом должны быть занесены в программное устройство) отправляют на плавание. С этого момента САГС начинает выполнять работу по программе, заложенной в программном устройстве 6-1. Определение места САГС осуществляется по спутниковой системе навигации «Глонасс». Наблюдение за выполнением, заданном в программном устройстве, работы осуществляется с ЦОД. В случае отклонения от заложенной программы или в случае изменения программы работ вводят соответствующую корректировку по радиоканалу (на больших расстояниях по спутниковому каналу связи «Гонец»). По радиоканалу САГС выдает запрашиваемую ЦОД гидрофизическую информацию. В случае превышения гидрофизических данных заданных порогов

(случай выполнения САГС задачи экологического мониторинга) САГС самостоятельно производит передачу тревожной информации на ЦОД. По окончании работ САГС должна подойти к конечной точке, заложенной в программе, где производится выборка САГС. После выборки САГС проходит полный цикл поверочных мероприятий и только затем производят выемку НИ 7 с целью проведения дальнейшей обработки данных.

В качестве иллюстрации на фиг.4 представлены фрагменты телевизионной записи действующего опытного образца плавникового движителя установленного на САГС ПД в моменты соответствующие верхнему, среднему и нижнему положению машущего крыла соответственно.

Сверхмалое автономное гидрофизическое судно, содержащее корпус сверхмалого судна с расположенными внутри корпуса судна приводами, движитель, батиметрическим и гидрофизическими датчиками и аппаратурой, системой радиосвязи, в том числе спутниковой системой связи, спутниковой системой навигации, отличающееся, тем, что в качестве движителя применяется плавниковый движитель.