Видинеев В.В. "Влияние факторов подводной среды на формирование структуры ОГС"

Видинеев В.В., кандидат технических наук 
valeravidineev@rambler.ru

Рассмотрены вопросы влияния факторов подводной среды на формирование требований к архитектуре обитаемой глубоководной станции, конструкции движительно-рулевого комплекса, обоснованию выбора параметров управления обитаемых глубоководных станций. 

Подводные аппараты - это направление науки и техники, имеющее много общего с подводным судостроением, своими проблемами близкое к созданию аппаратов для исследований космического пространства, и по сложности решения отдельных превосходит их. Задачи освоения и разработки дна океана ведущие страны мира ставят в ранг национальных программ, т.к. на сегодня 20% мировой добычи нефти и газа – это подводные месторождения. Для выполнения масштабных работ на грунте на больших глубинах, где невозможно присутствие человека по физиологическим особенностям, возникла необходимость в создании многофункционального, автономного, высокоманевренного и действующего от нескольких суток до месяцев подводного средства. Окружающая подводная среда глубоко враждебна человеку, даже защищенному прочным корпусом. Решение же вопроса освоения дна океана – это отдельная научно-техническая проблема. Тактико-технические данные и приемы использования подводных аппаратов (ПА) определяются их назначением и внешними факторами среды функционирования. Знание геофизических характеристик океана в придонных слоях имеет большое значение при проектировании и эксплуатации ПА. К основным гидрографическим характеристикам, влияющим на формирование структуры ПА, относятся рельеф дна, структура грунта, характер, направление и скорости течений, прозрачность воды. Исследование дна океана опровергли мнение о довольно плоском дне на больших глубинах. Первые же физиографические карты показали весьма сложную структуру дна – впадины, уступы, столбы, желоба, возвышенности, хребты, плоскогорья и т.д.

Этими исследованиями было определено среднее распределение глубин Мирового океана в процентном отношении. 

Таблица 1.

  Таким образом, видно что ПА с рабочей глубиной до 6000м практически могут обследовать 99% дня Мирового океана. На всем диапазоне глубин, в том числе и на континентальном шельфе, грунт бывает песчаный, илистый, каменистый, скальный. Знание об их опорных характеристиках и несущей способности важно при разработке структуры подводного аппарата, основным предназначением которого является работа на грунте. Крупнозернистые структуры – песчаные грунт с илом, определяют высокую несущую способность с малой усадкой. Мелкозернистые структуры характеризуются низкими опорными характеристиками и большой величиной усадок. Эти сведения необходимо учитывать при разработке и проектировании устройств постановки на грунт, обеспечении безопасных условий длительной стоянки ПА на грунте, возможности всплытия с него при заиливании опор (устройства постановки на грунт) и управление ПА в режиме аварийного всплытия при аварийной отдаче части опор, частей манипуляторного устройства, аварийного балласта.

Вертикальные перемещения водных масс, обусловленные перепадами температур, солености и плотности, приводят к образованию течений. Скорость и направление этих течений меняются с глубиной, временем годы и суток, и зависят от рельефа дна. Принято считать, что максимальная скорость течения не превышает 3 узла, но исследования зарегистрировали Vт до 4÷5 узлов. Фактор течений необходимо учитывать при обосновании требований к конструкции движительно-рулевого комплекса. Создание эффективной системы динамической стабилизации ПА над заданной точкой дна океана (±0,1м) возможно теоритически. Стабилизация положения, как режим зависания в толще воды с определенными величинами ±Δ к параметрам управления ПА, существует успешно. Но нет системы, которая бы «привязывала» ПА к конкретному объекту на дне океана через систему динамической стабилизации параметров управления. Наличие ±Δ параметров управления определено перечисленными факторами внешней среды и инерционностью органов управления движением (ВРШ, рулевых устройств). Рассматривать возможности решения этой задачи, исходя из общей задачи стабилизации положения в водном пространстве и без учета и компенсации реально меняющегося воздействия внешних условий, будет неверно. Решение задач стабилизации ПА над заданной точкой дна (кабеля, трубопровода, усилительного устройства и т.д.), или постановки на грунт в необходимой точке для выполнения работ возможно при участии человека-оператора, как интегрального и связующего звена системы управления движением, непосредственно самого подводного аппарата и объекта наблюдения. На небольших глубинах это могут быть телеуправление НПА. Оператор в этом случае может находиться на судне-носителе или даже на береговом посту. Но с ростом глубины погружения НПА надежность передачи информации падает, большая длина кабеля требует повышение его прочности, т.е. увеличения диаметра и массы. Телемеханические схемы и уплотнение информации с частотным или временным делением каналов снижают массу и габаритные характеристики. Но нельзя рассматривать технические способы решения инженерной задачи отдельно от реальной окружающей обстановки: судно-носитель находясь в условиях меняющихся штормовых и погодных факторов не может обеспечить длительную работу оператора на грунте в заданной точке, не обеспечиваются условия скрытности выполняемых работ, инспекционных проверок, длительного гидролокационного наблюдения и т.д. Анализируя самые разнообразные схемы размещения исполнительных органов в ОПА и НПА(рис.1), можно сделать выводы следующего характера – самая удачная компоновка исполнительных органов должна обеспечивать сложное пространственное маневрирование над грунтом, высокую маневренность ПА при позиционировании, высокую степень надежности работы исполнительных органов при выполнении работ на грунте в условиях возможных несанкционированных касаний или ударов о грунт, об отдельные предметы рельефа дна, об объекты поиска. Исполнительные органы движительно-рулевого комплекса (ДРК) и устройства ПА должны полностью компенсировать возможное влияние придонных течений и обеспечивать безопасные условия стоянки на грунте. Опыт эксплуатации ПА показал, что необходимо отказаться от ртутных дифферентных систем. Использование средств динамической дифферентовки оказывается достаточным. Сложность эксплуатации и обслуживания ртутных ДС, большая опасность для жизни обслуживающего персонала (при докованиях и ремонте) при работах с ртутными ДС не компенсируются желаемой эффективностью - обеспечение условий постановки на грунт с уклонами ±45°. Практический опыт эксплуатации ртутных ДС показал их большую инерционность, наличие больших погрешностей в измерительных приборах и отсутствие необходимости в создании больших статических дифферентов. Постановка на грунт с уклонами ±45° опасна для ПА, т.к. создание отрицательной плавучести для обеспечения стояночного режима может привести к скольжению на опорах и опрокидыванию ПА. Для обеспечения условий управления дифферентующим моментом достаточно эффективны традиционные решения. Наиболее привлекательным и удачным, с точки зрения практической эксплуатации, техническим решением дижительно-рулевого комплекса является размещение ВРШ (винт регуливуемого шага) в сквозных шахтах легкого корпуса ПА - для управления по координатам Y и Z, а для управления по X – маршевый винт в поворотной насадке.

  Рисунок 1.

Информационное поле ПА об окружающем пространстве – внешней обстановке, очень ограничено. Основным источником информации о внешней обстановке являются данные гидроакустической аппаратуры и видеоизображение на экране монитора. Дальность действия этой аппаратуры ограничена и зависит от многих факторов окружающей среды – температуры, солености, плотности и прозрачности морской воды. Рефракция звукового луча, слой скачка, реверберация – факторы влияющие на дальность действия и определяющие возможности обнаружения и наблюдения объектов на грунте. Управление НПА по гидроакустическому каналу связи на больших глубинах с необходимой точностью, выполнение работ на грунте вообще невозможно из-за запаздывания сигнала, а значит изображения от реальной картины. Эффективность визуального наблюдения или телевизионного, зависит от прозрачности воды, которая меняется с глубиной, с временем года, сезона, суток. С увеличением глубины происходит ослабление освещенности (солнечного света):

на 100 м – до 1%
на 200 м – до 0,01%
на 300м – практически 0.

Даже самые чувствительные телевизионные объективы при достаточном искусственном освещении дают изображение в чистой воде на дистанции 10÷15 м для отслеживания предметов и эффективного управления движением.

Плавание над грунтом, в режиме наблюдения объекта визуально или телевизионно, выше или дальше от грунта теряет смысл. Гидроакустические средства наблюдения внешней обстановки по углу места и курсовому углу не заменяют оптического изображения, а дают представление о характере изменения рельефа дна и о наличие препятствий на пути движения. Передача изображения дна или объекта на дне должна быть с высокой разрешающей способностью, при которой оператор своевременно и правильно принимает решения на управление.

Если задачей управления является отслеживание объекта без потери визуального контакта с ним, то в этой ситуации, независимо от водоизмещения, весогабаритных и динамических характеристик ПА, оператор обязан исполнять режим движения на отстоянии визуального контакта, обычно от 3 до 10 метров от грунта, без потери изображения объекта наблюдения, правильно оценивая динамику движения, обстановку впереди по курсу и изменения рельефа дна. Реальная скорость придонного движения, при которой человеческий глаз в состоянии наблюдать кабель, трос, трубопровод, не более 1÷1,5 узлов, т.к. на Vx = 3 узла глаз не различает предметы на грунте, они «сливаются». Управление движением на скоростях хода3 узла и более в условиях придонного плавания резко увеличивает возможности несанкционированных касаний грунта и практически нереально. Применение лазерной видеотехники – лазерных систем подводного видения увеличивает дальность видения и облегчает задачу управления движением в придонном плавании, но ухудшается качество изображения, что иногда немаловажно. Используя лазерную систему подводного видения как средство наблюдения дна впереди по курсу ПА, оператор имеет возможность увеличивать отстояние от грунта hз. При этом значительно увеличивается безопасность плавания. Но скорость движения для обследования или отслеживания объекта не увеличивается по причине физиологии человеческого глаза. Лазерная система подводного видения дает возможность вести наблюдение в мутной воде и по сравнению с обычными телевизионными системами увеличивает дальность видения в 2÷2,5 раза. Это облегчает задачу поиска и инспекции кабелей, трубопроводов, затонувших объектов и т.д.

Способы движения ПА над грунтом, выбор оптимальной конструкции движительно-рулевого комплекса (ДРК), обеспечивающего выполнение задач придонного плавания, постановки на грунт и выполнение необходимого объема подводно-технических работ, не могут рассматриваться без учета влияния такого фактора как рельеф дна.Движительно рулевой комплекс обитаемой глубоководной станции (ДРК ОГС) должен обеспечивать эффективное пространственное перемещение и маневрирование в придонном слое. Рассматривая рисунок 1 можно сделать вывод, что не каждая из представленных схем размещения ДРК может обеспечивать эти условия. К ДРК ОГС предъявляются особые требования и условия работы. ДРК ОГС должен обеспечивать выполнение следующих характерных режимов движения:
- движение в толще воды
- движение над грунтом на отстоянии визуального контакта с ним
- маневрирование вблизи объекта наблюдения
- зависание над заданной точкой дна
- постановка на грунт в заданной точке или на объект наблюдения и исследования
- всплытие с грунта без потери визуального контроля с объектом наблюдения.

Анализ этих режимов движения определяет основные требования: ДРК ОГС должен обеспечить управление параметрами движения и их координацию по каждой координате в отдельности по силе, моменту и заданному параметру:    

Vx, Fx, Mx; Vy, Fy, My; Vz, Fz, Mz;

 Рисунок 2.

На скоростях хода придонного плавания движители одновременно выполняют функции рулевого устройства т.к. применение рулевых устройств не эффективно на Vx от 0 до 1,5 узлов. Однако это не означает необходимость полного отказа от рулевых устройств (РУ) при движении ОГС в толще воды, при смене районов поиска, при переходах из мест базирования.

Режимам придонного плавания характерно управление при движении на доинверсионных скоростях. В то же время при решении задач акустического поиска на отстоянии от грунта 30÷40 м и при выполнении переходных режимов плавания преобладают режимы управления на сверхинверсионных скоростях хода. Сложная компоновка ДРК резко снижает его надежность, ведет к увеличению объема системы гидравлики, количеству забортных датчиков (рис. 1).

Любое несанкционированное касание грунта, рельефа, объекта поиска и т.д. может привести к выходу из строя элементов ДРК, выступающих за обводы легкого корпуса. Практический опыт работы в этих условиях показал перспективность и высокую степень надежности размещения ДРК в сквозных шахтах легкого корпуса (рис. 1). Такое размещение движителей ДРК характерно для выполнения задач придонного плавания и работ на грунте.

Одним из условий, определяющих фактор влияния рельефа на геометрические размеры ОГС, является соразмерность следующих элементов – величина прозрачности воды при искусственном освещении и геометрические размеры аппарата и элементов рельефа. Увеличение весогабаритных характеристик ОГС с целью увеличения энергетической мощности и увеличения автономности, приводит к ухудшению его маневренных характеристик, и, как результат, уменьшению объема выполняемых задач.

Заключение

Анализ эффективности выполняемых работ на грунте показал необходимость сдерживания тенденции к увеличению длины ОГС, т.к. это заметно снижает маневренные характеристики. Чем меньше длина, тем маневреннее аппарат при управлении в вертикальной плоскости, т.е. при отслеживании рельефа дна. Практическое использование получили ОГС с длиной корпуса до 45÷60 м, приоритетом которых ставилась большая автономность при выполнении работ на грунте, т.е. когда основным фактором, влияющим на геометрические размеры, явилось размещение энергетической установки. О геометрической соразмерности и размерах корпуса нецелесообразно вести речь при решении задач, где основными тактическими характеристиками являются подводная скорость, малошумность, автономность, что характерно для ПЛ(подводных лодок). Но при разработке стратегии формирования образа многофункциональной обитаемой глубоководной станции, анализ и учет влияния фактора окружающей среды необходим и важен, т.к. позволяет четче определить структуру ОГС, ее составляющие и обозначить требования к ним.

Библиография:  

Васильев В.А., Васильев Ю.С., Потехин Ю.П. «Исследование динамики и управляемости глубоководных аппаратов.» Судостроение за рубежом. 1975г. №12 с. 28.

Киселев Л.В., Инзарцев А.В., Матвиенко Ю.В., Ваулин Ю.В. «Навигация и управление в подводном пространстве», Мехатроника, Автоматизация, Управление – 2004 - №11.

Войтов Д.В. «Подводные обитаемые аппараты» Аст., Астрель, 2002г.