Су асты қанатты аппараттар: Автономды жылжымалы құралдардың жаңа түрі

Кіріспе

Су астындағы автономды көлік құралының түрі

Су астындағы планер – дәстүрлі винттер немесе жылдамдатқыштардың орнына өзгермелі жүзу қабілетін пайдаланатын автономды су асты көлігінің (АӨК) түрі. Ол профильдеуші плавунға ұқсас өзгермелі жүзу қабілетін қолданады, бірақ плавун тек жоғары және төмен қозғала алатын болса, су астындағы планер су астынан төмен қарай жылжуға мүмкіндік беретін гидрофойлдермен (су асты қанаттарымен) жабдықталған. Белгілі бір тереңдікке жеткенде планер оң жүзу қабілетіне ауысып, жоғары және алға жылжиды, содан кейін цикл қайталанады. Қалыпты АӨК-тердей жылдам болмаса да, планерлер дәстүрлі АӨК-терге қарағанда әлдеқайда үлкен қашықтыққа және төзімділікке ие, мұхиттық сынамалар алу миссиясын сағаттардан апталарға немесе айларға дейін, ал қашықтығын мыңдаған шақырымға дейін ұзартады. Планердің ұшкір тіс сияқты жоғары-төмен профилі, қуатпен жұмыс ілейтін АӨК-термен қол жеткізе алмайтын және дәстүрлі кемедегі техникалармен сынама алу әлдеқайда қымбат болатын уақыт және кеңістік масштабтары туралы деректерді ұсынуы мүмкін. Әскери-теңіз күштері мен мұхитты зерттеу ұйымдары түрлі планер конструкцияларын қолданады, олардың құны шамамен 100 000 АҚШ долларын құрайды.

Тарих

Су асты планерінің тұжырымдамасы алғаш рет 1960 жылдардың басында Concept Whisper деп аталатын жүзушілерді жеткізу құралының прототипімен зерттелді. 1992 жылы Токио университеті бір ғана сырғанау циклы бар, жүзу қабілетін басқарусыз және салмағы төмен планерді сынақтан өткізді. DARPA SBIR бағдарламасы 1988 жылы температуралық градиент планерін жасау жөніндегі ұсыныс алды. DARPA сол кезде КСРО-да жүргізіліп жатқан ұқсас зерттеу жобаларынан хабардар болды. Бұл идеяны, жылу алмастырғышпен қуатталатын жүзу қабілетіне ие қозғалтқышпен жабдықталған планерді, 1989 жылы Генри Стоммель «Oceanography» журналындағы мақаласында океанографиялық қауымдастыққа таныстырды. Ол зерттеу инженері Дуг Веббпен бірге әзірленген Slocum деп аталатын планер тұжырымдамасын ұсынды. Олар планерге алғаш рет желкенді қайықпен жер шарын айналып өткен Джошуа Слокумның есімін берді. Олар терең мұхит суларының (2-4 °C) және беткі сулардың (атмосфера температурасына жуық) арасындағы жылу градиентінен энергия алуды ұсынды, бұл коммуникация, сенсорлар және навигациялық компьютерлер үшін бортындағы батарея қуатымен шектелген, жер шарын айналу қашықтығын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. 2003 жылға қарай, Webb Research (Дуг Вебб құрған) жұмыс істейтін жылумен қуатталатын планерді (Slocum Thermal) көрсетті, сонымен қатар олар және басқа да мекемелер ұзақ қызмет ету мерзімі мен тиімділігі жоғары батареямен қуатталатын планерлерді ұсынды, бұл дәстүрлі зерттеу класындағы AUV-лардан әлдеқайда асып түседі. Осы құрылғылар сол кезде бері кеңінен қолданылып келеді. Вашингтон университетінің Seaglider, Scripps Institution of Oceanography-ның Spray және Teledyne Webb Research-тің Slocum құрылғылары Атлант мұхитын кесіп өту және океанографиялық айнымалыларды тұрақты түрде, бірнеше құрылғының бірлескен бақылауын жүргізу сияқты жетістіктерге қол жеткізді. 2011 жылы француз мекемелері мен компанияларының ынтымақтастығымен алғашқы қанаттары жоқ планер SeaExplorer ұсынылды. 2020 жылы NOAA «дауыл планерлерін» пайдаланып, шығанақ ағысының маңындағы судың температурасын бақылады, агенттік жылы судың дауылдар мен найзағайларға қалай әсер ететінін жақсырақ түсіну үшін.

The concept of an underwater glider was first explored in the early 1960s with a prototype swimmer delivery vehicle named Concept Whisper. In 1992, the University of Tokyo conducted tests on ALBAC, a drop weight glider with no buoyancy control and only one glide cycle. The DARPA SBIR program received a proposal for a temperature gradient glider in 1988. DARPA was aware at that time of similar research projects underway in the USSR. This idea, a glider with a buoyancy engine powered by a heat exchanger, was introduced to the oceanographic community by Henry Stommel in a 1989 article in Oceanography, when he proposed a glider concept called Slocum, developed with research engineer Doug Webb. They named the glider after Joshua Slocum, who made the first solo circumnavigation of the globe by sailboat. They proposed harnessing energy from the thermal gradient between deep ocean water (2 4 °C) and surface water (near atmospheric temperature) to achieve globe circling range, constrained only by battery power on board for communications, sensors, and navigational computers. By 2003, not only had a working thermal powered glider (Slocum Thermal) been demonstrated by Webb Research (founded by Doug Webb), but they and other institutions had introduced battery powered gliders with impressive duration and efficiency, far exceeding that of traditional survey class AUVs. These vehicles have been widely deployed in the years since then. The University of Washington Seaglider, Scripps Institution of Oceanography Spray, and Teledyne Webb Research Slocum vehicles have performed feats such as completing a transatlantic journey and conducting sustained, multi vehicle collaborative monitoring of oceanographic variables. In 2011, the first wingless glider, SeaExplorer, was released by a collaboration of French institutions and companies. In 2020, NOAA was using "hurricane gliders" to monitor the temperature of the water around the Gulf Stream, for the agency to better understand how warm waters affect hurricanes and storms.

Функционалдық сипаттама

Глайдерлер әдетте температура, өткізгіштік (тұздылықты есептеу үшін), ағыстар, хлорофиллдің флуоресценциясы, оптикалық кері шашырау, теңіз түбінің тереңдігі және кейде акустикалық кері шашырау немесе қоршаған ортаның дыбысы сияқты өлшемдер жасайды. Олар периодты түрде спутниктік GPS координаттарын, қысым датчиктерін, еңіс датчиктерін және магниттік компастардың көмегімен навигация жасайды. Көліктің бұрылысы жылжымалы ішкі балласт (әдетте аккумуляторлық батареялар) арқылы басқарылады, ал бағыттау руль арқылы (Slocum сияқты) немесе ішкі балласты жылжыту арқылы (SeaExplorer, Spray және Seaglider сияқты) жүзеге асырылады. Жүзу қабілеті поршеньді пайдаланып, теңіз суын бөлімге құю/алыстандыру (Slocum) немесе сыртқы резервуарға майды сору/босату (SeaExplorer, Seaglider, Spray және Slocum Thermal) арқылы реттеледі. Жүзу қабілетін реттеу салыстырмалы түрде аз болғандықтан, глайдердің балласты миссия басталғанға дейін, көліктің тығыздығы судың тығыздығына жақын болуы үшін реттеу қажет. Бұйрықтар мен деректер глайдерлер мен жағажай арасында спутник арқылы жіберіледі.

Либердада класының ұшу қанаттары

2004 жылы АҚШ Әскери-теңіз күштерінің ғылыми-зерттеу басқармасы әлемдегі ең ірі планерлерді – Либердейд класындағы ұшушы қанатты планерлерді жасауға кірісті. Олар гидродинамикалық тиімділікті арттыру үшін біріктірілген қанатты корпус конструкциясын пайдаланады. Бастапқыда олар жағалау суларында дизельді-электрлік суасты қайықтарын үнсіз бақылау үшін жобаланған, ал станцияда 6 айға дейін тұра алатын еді. 2012 жылға қарай, ZRay деп аталатын жаңа модель теңіз сүтқоректілерін ұзақ мерзімге іздеу және анықтау үшін жасалды. Ол су ағындары арқылы дәл бағытталған басқаруды, сондай-ақ беткі қабатта жылдамдық алу үшін қолданады.