alex_leshy (alex_leshy) wrote,
alex_leshy
alex_leshy

Categories:

О бионических необитаемых подводных аппаратах для ВМС и Береговой охраны США

В качестве моего предисловия. Один из читателей моего блога прислал весьма интересную статью на тему перспективных морских военных разработок США. В случае успеха этой программы не далек тот день, когда на рыбалку надо будет брать большой магнит. А если кроме шуток, то тема бионических подводных аппаратов имеет все шансы вызвать новую революцию в морском военном деле. Впрочем, слово автору.



О бионических необитаемых подводных аппаратах для ВМС и Береговой охраны США



Автор: Тихон Сергиенко

После терактов 11 сентября 2001 года и до настоящего времени военно-политическое руководство США в качестве одного из приоритетных на-правлений внутренней политики определяет всестороннее обеспечение безопасности континентальной части страны. В частности, в рамках концепции "большого острова", значительное внимание уделяется повышению безопасности морских портов и мониторингу прибрежных акваторий континентальной части США. Решение указанных задач возложено на ВМС и службу береговой ох-раны (БОхр) министерства собственной безопасности (МСБ) США (Depart-ment of Homeland Security).

В настоящее время для освещения надводной обстановки ими активно используются самые разнообразные силы и средства, включая личный состав подразделений специального назначения, быстроходные надводные катера различных типов, стационарные и мобильные специализированные современные радиоэлектронные системы воздушного, морского и берегового базирования. По оценкам специалистов, это обеспечивает достаточно высокую эффективность системы мониторинга в надводной среде (на и над поверхностью океанских/морских акваторий). Но наибольшую обеспокоенность специалистов в настоящее время вызывают проблемы с освещением подводной обстановки.


Тральщиков типа "Оспрей"

Ранее основными силами для решения указанной задачи являлись 12 тральщиков типа "Оспрей" резерва ВМС США, конструкция которых была оптимизирована для действий в прибрежных районах с использованием различных типов необитаемых подводных аппаратов (НПА). Однако, начиная с 2006 года, по целому ряду причин эти относительно современные корабли 1993-1999 годов постройки были выведены из эксплуатации. Впоследствии часть кораблей передана по программам военной помощи в ВМС Греции и Египта, другая часть разоружена, продана на слом и ожидает утилизации на стоянке в п. Бомонт (штат Техас).


Необитаемый подводный аппарат MH370

Вывод тральщиков из эксплуатации вызвал высокую обеспокоенность руководств МСБ и МО США. Тем не менее, вопрос о строительстве новых кораблей этого класса не стоит на повестке дня, а принято решение вышеуказанную проблему решать широким внедрением современных модульных систем, уделяя при этом наибольшее внимание мобильным системам автономных и дистанционно-управляемых НПА различных типов, в том числе, созданных на основе ихтиологической бионики. Развитие таких технологий началось в середине 1950-х годов, однако на уровень действующих образцов они вышли относительно недавно.

Примечание: Био́ника (биология + техника) – прикладная наука о применении в технике биологических принципов организации, свойств, функций, структур или форм, то есть – создание технологических аналогов объектов живой природы. При этом иностранные специалисты также пользуются терминами биомиметика (biomimetic) и биомимикрия (biomimicry).

Активные исследования по одному из таких направлений начались в 1993 году, когда инженер-конструктор Дэвид Баррет (David Barrett) работал над докторской диссертацией в Массачусетском технологическом институте (МТИ). Тема диссертации была посвящена созданию и исследованию гидро-динамических характеристик НПА, приводимого в движение технологической копией плавникового движителя на основе биологического прототипа голубого тунца.


Голубой тунец

Все рыбы семейства скумбриевых (Scombridae), которое включает в себя и род тунцовых (Thunnus), имеют сходную форму тела, хотя и различа-ются при этом по длине от 1,5 метров у альбакора (albacor) до более чем трех метров у голубого тунца (bluefin). Именно такой широкий диапазон массо-габаритных характеристик стал одной из основных причин выбора тунца из всей массы представителей морской фауны. Предполагалось, что именно общая форма тела обеспечивает этим рыбам и общие для всех основные гидродинамические характеристики, в наибольшей степени заинтересовавшие исследователей, в том числе:

− движение в течение длительного времени со скоростью до 80 км/час;
− движение с ускорениями до 20g;
− маневрирование в стесненных пространствах на участках менее 1,5 длины тела.

Кроме этого, физические параметры тунца относительно легко можно воспроизвести технологически, так как в сравнении с другими известными быстроходными представителями морской фауны, при значительных массо-габаритных характеристиках тунец имеет относительно жесткое туловище и плавает с незначительными движениями тела и плавников.


Испытательный прототип НПА RoboTuna

В 1995 году специалисты МТИ создали НПА "РобоТюна" (RoboTuna) и приступили к его испытаниям в опытном бассейне. В ходе гидродинамических испытаний было установлено, что НПА расходует при движении в три раза меньше энергии и при этом обладает значительно лучшей маневренностью в сравнении с НПА традиционных схем с винтовыми движителями и аналогичными массо-габаритными характеристиками.


Внутреннее устройство НПА RoboTuna

Д. Баррет завершил свои исследования в МТИ в 1998 году успешной защитой докторской диссертации, а исследования созданного им НПА "РобоТюна" продолжаются в МТИ до настоящего времени, при этом постоянно производится его модернизация и совершенствуются методики испытаний.


Испытания НПА RoboTuna в опытном бассейне

В 2008 году Д. Баррет, ставший к тому времени профессором Инженерного колледжа им. Олина (Franklin W. Olin College of Engineering), начал сотрудничество с компанией ASG (Advanced Systems Group) корпорации "Бостон Инжиниринг" (Boston Engineering), разрабатывавшей бионический НПА по гранту в 100 тыс. долл., полученному от Управления научных исследований ВМС США (Office of Naval Research/ONR) для проведения исследований в рамках внедрения технологий малого бизнеса SBTR (Small Business Technolo-gy Transfer).

В результате их успешного сотрудничества был разработан НПА, первоначально получивший название "Роботюна-2" (RoboTuna II или Robo-Tuna 2.0), впоследствии измененное на "ГостСвиммер" (GhostSwimmer). При этом Д. Баррет с группой студентов колледжа работал над элементами системы управления движением с датчиками положения и перемещения, а специалисты компании ASG разрабатывали конструкцию движителя.

Были созданы и прошли испытания в опытном бассейне два типа НПА:


− с винтовым движителем в насадке на подвижном хвосте – на этой модели отрабатывалась система управления движением;



− с плавниковым движителем – для испытаний и доводки движителя, включая уточнение количества, размеров и формы подвижных деталей хвостовой оконечности ("позвонков" и "ребер"), а также доработку привода движителя.


Видео демонстрации RoboTuna в бассейне

В отличие от НПА "РобоТюна", где для привода хвостового плавника использовалось механическое преобразование вращения электродвигателя мощностью 2 л.с. через систему металлических блоков, шкивов и тяг, хвостовой плавник "ГостСвиммер" приводится в движение искусственными мышцами на основе электроактивных полимеров – полимеров, сокращающихся при прохождении через них электрического тока.

RT_001
Внутреннее устройство кормовой секции НПА GhostSwimmer с движителем и приводом

В ходе испытаний обеих модификаций НПА "ГостСвиммер" достигнуты следующие результаты:

1. Подтверждено, что управляя набором плавников НПА, обеспечива-ются перемещения, практически точно копирующие движения живого тунца.

2. Как и голубой тунец, НПА способен развивать подводную скорость до 70 км/час.

Сравнительные характеристики НПА "ГостСвиммер" и весьма успеш-ного на коммерческом рынке НПА традиционной схемы REMUS-100 приведены в таблице:

TN_002


Результаты исследований и демонстрация технологии "ГостСвиммер" вызвали значительную заинтересованность заказчика работ и в июле 2009 года корпорация "Бостон Инжиниринг" получила новый грант в 100 тыс. долл. в рамках инновационных исследований малого бизнеса SBIR (Small Business Innovation Research) на разработку для БОхр США бионической системы проверки морских жидких грузов "Билис" (Biomimetic In Liquid Inspection System – BILIS).

США импортируют около 400 млн. тонн нефти и нефтепродуктов в год. Также танкерами перевозятся различные жидкие грузы для пищевой и химической промышленности страны. В среднем, ежегодно судами танкерного флота совершается до 2000 заходов в морские порты США. По оценкам специалистов БОхр, существует высокая вероятность провоза на их борту на территорию США запрещенных грузов и незаконного проникновения опасных лиц в специально оборудованных внутри цистерн тайниках.

Для перекрытия данного канала руководство МСБ и командование БОхр планируют реализацию программы "Билис". Работы по программе курируются отделом морской и пограничной охраны (Borders and Maritime Security Division) управления науки и техники (Science and Technology/S&T) МСБ США.

Основу системы "Билис" составляет разработанный на основе технологии "ГостСвиммер" новый малый бионический НПА, способный решать широкий спектр задач по мониторингу подводной обстановки в прибрежных водах. НПА получил наименование "БИОСвиммер" (Biomimetic-In-Oil Swimmer/BIOSwimmer), при этом для обозначения НПА по-прежнему применяются полуофициальные названия "робот-рыба" (Robofish) и "роботунец" (RoboTuna).

В соответствии с тактико-техническим заданием (ТТЗ) БОхр США ос-новным предназначением системы "Билис/БИОСвиммер" является проверка цистерн судов (особенно наливных и нефтеналивных), а также:

− наружный осмотр корпуса;
− осмотр винто-рулевой группы;
− поиск в затопленных внутренних помещениях.

Кроме этого система позволяет решать следующие задачи:

− обследование гаваней, причалов и затонувших объектов;
− поиск подводных диверсионных сил и средств (боевых пловцов, аквалангистов, средств их доставки, диверсионных мин и самодельных взрывных устройств).

Система "Билис" состоит из двух основных элементов:

− наземная базовая станция (пульт управления);
− необитаемый подводный аппарат "БИОСвиммер".

Базовая станция представляет собой переносной персональный компьютер (ноутбук) с установленным на нем специализированным программным обеспечением и интуитивно понятным простым графическим интерфейсом. Базовая станция обеспечивает решение трех основных задач:

− управление НПА;
− контроль состояния основных систем и механизмов НПА;
− получение, хранение и анализ информации, поступающей от НПА.

НПА "БИОСвиммер" разработан на принципах открытой архитектуры и модульной конструкции с внедрением самых современных технологических достижений.

RT_003
Демонстрационный образец НПА BioSwimmer

Корпус НПА, а также другие внешние детали его конструкции изготовлены из высокопрочных композитных материалов, поскольку робот предназначен для работы в условиях агрессивной или даже токсичной окружаю-щей среды и высокой вязкости жидкостей (нефть, бензин, ГСМ, растительные масла, химические реагенты и т.п.), перевозимых в цистернах судов.

К основным бортовым системам НПА относятся:
− система автономного и дистанционного управления;
− система связи и обработки входящей информации;
− система электропитания;
− сменные датчики.

Основу системы управления НПА составляет инерциальная навигационная система (ИНС) на основе бортового процессора "ФлексСтак" (FlexStack). Также в состав ИНС входят кольцевой лазерный гироскоп, акселерометр, датчик скорости, глубины над и под НПА. ИНС обеспечивает полностью автономное использование "БИОСвиммер". Но в соответствии с ТТЗ БОхр в системе используется аппарат с дистанционным управлением, так как в противном случае он должен регулярно возвращаться на поверхность для передачи добытой информации по радиоканалу и получения новых команд. С целью решения задач в реальном масштабе времени для связи НПА и базовой станции предусмотрен подводный кабель длиной 500 футов (166 метров). В случае обрыва кабеля система управления НПА обеспечивает его автономное возвращение в точку старта и всплытие на поверхность.

Все бортовые системы НПА и его движитель обеспечиваются электро-питанием от аккумуляторной батареи большой емкости и продолжительности работы. Для оптимизации работы аккумуляторов используется система контроля расхода питания "Блю вью" (Blue View). Основные контролируемые параметры: напряжение, сила тока, потребляемая мощность, нагрев по всем отдельным элементам питания батареи. Производится тревожная индикация при достижении критических показателей падения напряжения, роста силы тока и перегрева.

Для размещения сменных датчиков различного назначения и их систем управления/обработки информации в конструкции робота предусмотрены два отсека полезной нагрузки – в носовой и в средней части корпуса.

RT_004
Отсеки для полезной нагрузки в НПА BioSwimmer

RT_005

Модульная конструкция и открытая архитектура системы позволяет в зависимости от решаемых задач в каждой конкретной ситуации широко кон-фигурировать различные варианты полезной нагрузки НПА, в том числе:

− оптико-электронные средства различных типов (тепловизионные камеры, телевизионные камеры цветного и монохромного изображения, низ-кого и высокого уровня освещенности, и др.);
− гидроакустические средства;
− химические анализаторы;
− датчики радиации;
− магнитометры;
− осветительные приборы.

Исходя из предназначения НПА, основным вариантом полезной нагрузки должна стать носовая гидроакустическая станция (ГАС) для поиска скрытых грузов и полостей внутри заполненных цистерн. Активные работы в данном направлении продолжаются, однако не завершены, так как предполагают решение целого ряда сложных инженерно-конструкторских задач, начиная с миниатюрных размеров ГАС, а также ее адаптации к различным типам внешней среды (в зависимости от плотности различных жидкостей отличается скорость распространения звука в них, а значит необходимо адаптивное в-несение поправок в измеренные расстояния).
Предполагается, что, как и в самом НПА, в конструкции ГАС в пер-спективе также могут быть внедрены достижения ихтиологической бионики на основе исследования исключительно эффективной системы биологической эхолокации (биоэхолокации) дельфинов. По мнению специалистов, она представляет собой лучший пример эволюционной адаптации к прибрежным мелководным условиям, отличающимся значительными уровнями естественных и искусственных помех, реверберации и шумов, мутностью воды, сложной топографией дна. За годы проведенных наблюдений и исследований дельфины продемонстрировали необычайную способность оценивать с высокой точностью не только местоположение подводных объектов, но и такие их характеристики, как размеры, форма, материал, из которого они изготовлены, пустотелость или цельность и даже толщина стенок.

С начала 1990-х годов активные исследования в данном направлении ведут сразу несколько американских компаний, и представители "Бостон Инжиниринг" тщательно изучают все их предложения.

В июне 2012 года исследования в рамках SBTR по программе "Билис" завершились успешной демонстрацией технологии заказчику.
По итогам демонстрации в августе 2012 года компания получила второй грант в 100 тыс. долл. от МСБ США для продолжения исследований в рамках 1-го этапа инновационных исследований малого бизнеса SBIR (Phase I Small Business Innovation Research). В рамках первого этапа SBIR предусмат-ривается изучение возможности серийного производства, передача заказчику опытных экземпляров, обучение и подготовка обслуживающего персонала, предварительные испытания системы в реальных условиях.
Одновременно с этим для проведения войсковых испытаний один комплект системы был передан береговому подразделению службы БОхр порта Бостон (шт. Массачусетс), где эксплуатируется до настоящего времени в реальных условиях обстановки. На всех этапах специалисты компании "Бостон Инжиниринг" обеспечивали инженерное сопровождение проекта.

16 июля 2013 года по итогам успешного завершения испытаний по рекомендации МСБ компании был выделен грант в 6 млн. долл. на проведение 2-го этапа SBIR – подбор кадров и развертывание производственных мощностей для серийного производства изделия, а также производство небольшой партии предсерийных образцов. Принятие на вооружение службы БОхр США системы "Билис" с НПА "БИОСвиммер" запланировано на 2014 год, независимо от хода разработки специализированной ГАС. Считается, что она может быть интегрирована в систему позднее, благодаря модульной конструкции и открытой архитектуре НПА.

Высокую заинтересованность в работах компании "Бостон Инжиниринг" проявляют также и ВМС США. В октябре 2012 года представители ВМС США объявили о планах закупки партии бионических НПА, разработанных на основе технологии "ГостСвиммер", но с учетом собственной специфики.

Варианты моделирования "БИОСвиммер" для ВМС США:

RT_006
Компьютерный эскиз НПА для американского военного флота


Демонстрационный выставочный образец

RT_007
Внутреннее устройство одного из прототипов НПА

Считается, что основным предназначением нового НПА станет длительное автономное ведение разведки в акваториях прибрежных вод противника. Для этого НПА должен запускаться с различных носителей (надводных, подводных, авиационных) и будет оснащаться специализированным комплектом полезной нагрузки, включающим набор разнообразных средств разведки, наблюдения и целеуказания ISR (Intelligence, Surveillance, Recon-naissance). К другим возможным задачам НПА относятся автономный поиск подводных лодок противника и борьба с минной угрозой.

При этом, как указывалось выше, важной особенностью технологии "ГостСвиммер" является принципиальная возможность ее масштабирования. То есть, НПА аналогичной конструкции могут быть как уменьшенных, так и увеличенных размеров. На 2014 год специалистами компании "Бостон Инжиниринг" была запланирована постройка и испытание НПА крупных размеров с длиной корпуса 7,5-9,0 метров.

Также в отличие от НПА для БОхр с корпусом желтого цвета (для бы-строго его обнаружения после всплытия на поверхность), бионические разведывательные НПА ВМС США, напротив, будут иметь различные варианты камуфляжной окраски, для повышения скрытности действий.


Испытание прототипа НПА, предполагаемого для использования в разведывательных целях

С целью дальнейшего совершенствования плавникового движителя специалисты компании "Бостон Инжиниринг" активно сотрудничают с сотрудниками Массачусетского технологического института, которые продолжают исследования НПА "Роботюна". В настоящее время ведутся работы по изучению возможности резких ускорений при движении бионического НПА, по аналогии с его биологическим прототипом. Эта его особенность в незначительной степени заинтересовала специалистов БОхр, но считается критически-важной для подводных аппаратов ВМС США.


Tags: США, интересно про оружие, испытания, исследования, передовые технологии, флот
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment