Океанос занимается разработкой модульно-унифицированного семейства подводных глайдеров

НПП ПТ "Океанос", АО

0 94 5 мин

Компания АО «НПП ПТ «Океанос» представляет результаты анализа практической деятельности в сфере обеспечения выполнения подводно-технических работ в России и за рубежом.

Наши специалисты анализируют мировые пути развития морской робототехники на основе опыта взаимодействия с ее ведущими пользователями и производителями, обобщения исследований, а также научно-практических работ и натурных испытаний, которые были проведены АО «НПП ПТ «Океанос» в ходе совместной с СПбГМТУ инициативной работы над созданием семейства автономных необитаемых подводных аппаратов с преимущественно гидродинамическими принципами движения (типа «подводный глайдер»). Работы были начаты в 2011 году и продолжаются по настоящее время.

Изучение и освоение Северного Ледовитого океана – важнейшая народнохозяйственная и геополитическая задача, это закреплено в «Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года».

Зарубежные страны во все более нарастающем объеме ведут исследования и практические работы в том же направ- лении, в том числе и с опорой на мор- скую робототехнику. В настоящее время созданы и развернуты глобальные робототехнические системы наблюдения за подводной обстановкой, включающие в себя буйковые дрейфующие и ледовые станции, глубоководные автономные и кабельные донные базовые станции, подводные и надводные автономные и обитаемые аппараты, а также БЛА различных схем. Эти решения отличаются сетецентрическим и мультиагентным способом построения и характеризуются интегрированием в единую информационную систему, сведения из которой (в различных объемах) доступны пользователям разного уровня.

В основных путях развития систем морской робототехники в мире на сегодняшний день наряду с совершенствованием серийной техники в направлении повышения технических характеристик и увеличения разнообразия полезных нагрузок для расширения областей применения, остается и все более выходит на первый план, как неоднократно отмечалось (в том числе и в ходе докладов на конференции «Системы и задачи управления» в предыдущие годы, а также в целом ряде публикаций (архив публикаций доступен на www.oceanos.ru)), следующее: модульная унификация конструкций, разработка математического аппарата, программного обеспечения и практическая отработка действий морских робототехнических средств в однородных и разнородных группах.

К решению данной задачи с практической точки зрения исследователи и производители смогли перейти в послед- нее время, после того как был создан и апробирован в реальной деятельности (научной, коммерческой, военной) широкий спектр индивидуальных морских робототехнических систем, накоплены более чем десятилетний опыт и статистика массовой эксплуатации. Соответственно, западные коллеги – разработчики и пользователи мультиагентных систем не испытывают проблем с наличием «структурных единиц», из которых они строят свои системы. Также необходимо отметить, что государственное финансирование подобных программ, имеющих целью обеспечить доминирование в данной области, также весьма существенное. Например, по информации RAND Corporation:

Общее прямое финансирование морских робототехнических НИОКР из бюджета США составило в 2016 году 232,9 млн долларов (на 86,7 млн больше, чем в 2015 году). Причем это лишь часть денег, выделяемых на морскую робототехнику. Деньги на указанные работы выделяются также в рамках финансирования других программ. К примеру, большая часть из 83,4 млн долларов, которые планируется потратить на программу исследований в области военной морской разведки, будут потрачены на морскую робототехнику для обнаружения подводных лодок противника, c разработкой технологий группового взаимодействия.
• Минобороны США также финанси- рует экспериментальные проекты морской робототехники. Например, 4 млн долларов пойдут на проект NEMO (в рамках программы Chief of Naval Operations Rapid Innovation Cell), в котором изучаются возможности создания биомиметических АНПА, не только плывущих, как рыба, но и работающих «в стаях». DARPA выделило 32,7 млн долларов на проект Hydra и 22 млн долларов на проект Upward Falling Payloads. Обе эти инициативы предполагают создание сетей необитаемых систем, которые смо- гут использоваться для разведки. Еще один проект DARPA, Distributed Agile Submarine Hunting, на который выделяется 8,5 млн долларов, включает в себя проработку применения поисковых АНПА.

Подобная щедрая поддержка приносит свои плоды. Количество осуществленных проектов, в которых в той или иной мере были использованы технологии группового управления однородными и разнородными группами морских роботов, перевалило уже за несколько десятков. А результатом этой активности является «скромная» информация, например, на страничке Liquid Robotics, о том, что наряду с успехами в океанографической сфере на пройденных 1 100 000+ морских милях, волновой глайдер впервые (2016) обеспечил самостоятельное успешное обнаружение подводной лодки в районе Шотландии в ходе учений ВМС Великобритании. Это, в комплексе с результатами упомянутых работ Scripps Institute, позволяет прогнозировать ускоренное развитие данного направления, причем и в Арктической зоне.

При этом отечественные разработчики морской робототехники оказываются в роли не просто догоняющего, но «перепрыгивающего через ступеньки», ибо в условиях имеющегося технологического отставания, санкционного давления и того факта, что зарубежные страны ведут комплексные программы морской робототехники (и в частности «подводных планеров») с конца 1980-х годов, времени на классическое прохождение всей технологической цепочки с начала просто нет.
Таким образом, перед отечественными разработчиками стоит вопрос о скорейшем создании семейства многофункциональных и специализированных автономных необитаемых аппаратов высокой автономности и обеспечения их совместного применения в гомогенных и гетерогенных мультиагентных морских робототехнических системах.

Традиционный подводный глайдер представляет собой автономный необитаемый подводный аппарат, лишенный движителей, таких как гребной винт. Вместо него для обеспечения движения используется изменение плавучести аппарата в целом и изменение дифферента путем перемещения постоянного балласта (обычно в данной роли выступает АКБ аппарата) с преобразованием сил тяжести, плавучести и гидродинамических сил в энергию движения.

Движение глайдера происходит по синусообразной траектории: в верхних «пиках» траектории аппарат приобретает отрицательную плавучесть и дифферент на нос (благодаря чему планирует вниз), в нижних – положительную плавучесть и дифферент на корму (благодаря чему планирует вверх). Управление по курсу может выполняться несколькими методами – аналогично изменению дифферента, перемещением балласта с борта на борт (что создает крен и по- следующий поворот аппарата на пикировании в сторону крена); использованием отклоняемых гидродинамических управляющих плоскостей (рулей); неравномерным изменением установочного угла крыльев и т.д. Наиболее традиционным можно считать управление перемещаемым балластом и с помощью вертикальных рулей.

Необходимо отметить, что аппараты типа «подводный планер» не особенно чувствительны к точности управления (что соответствует их модели использования), и навигационная ошибка в несколько сотен иди даже тысяч метров при выходе в следующий маршрутный пункт не является критической. Однако аппараты снабжаются высокоуровневыми адаптивными алгоритмами навигации для минимизации подобных ошибок, и в случае их возникновения способны самостоятельно откорректировать маршрут, при этом в зависимости от «цены» (значения для миссии) следующей контрольной точки аппарат может как начать построение нового за- хода для ее достижения, так и спрямить траекторию до следующей точки, сохраняя энергию.
Для расширения функциональности (возможности проведения площадных гидроакустических обследований и по- исковых операций) и преодоления сложных гидрологических условий (таких как сильные течения, наличие линз воды с иными гидрологическими свойствами и т.п.) второе поколение – «гибридные глайдеры» – предусматривает наличие традиционных двигателей в дополнение к приводу изменения плавучести/дифферента.

В практической реализации данной задачи кроется один из ключей «ускоренного» развития всей морской робототехники, так как появляется реальная возможность использования не только унифицированных стандартных модулей полезной нагрузки (например, как в разрабатываемом Европейским Союзом по программе “European Union’s Horizon 2020” глубоководном АНПА-П Bridges), комбинируемых в конструкции традиционного или гибридного АНПА-П, но и унифицированных функциональных модулей (источников электропитания, мелководных и глубоководных модулей изменения плавучести, крыльевых, движительных (различного типа) и манипуляторных комплексов) для формирования требуемого робототехнического средства – традиционного или гибрид- ного АНПА-П, классического АНПА или ТНПА, систем надводных безэкипажных аппаратов.

Применение таких модульных конструкций аппаратов позволит резко сократить как стоимостные, так и эксплуатационные характеристики морской робототехники, сделает более простым обучение операторов и минимизирует технические и человеческие риски подготовки и выполнения миссий морской робототехники. И конечно, в первую очередь, обеспечит ускоренное создание не просто одной типолинейки морской робототехники, но нескольких типов надводной и подводной робототехники с максимальным экономическим эффектом.

Кроме того, реализация возможности модульного формирования морской робототехники обеспечит ускорение трансфера технологий как между конечными пользователями, так и между отечественными производителями и их зарубежными партнерами, что в свою очередь придаст ускорение и выходу отечественной морской робототехники на внешний рынок.