Подводные глайдеры: автономные аппараты для длительных океанографических исследований.

Введение

Тип автономного подводного аппарата

Подводный планер – это тип автономного подводного аппарата (AUV), использующий двигательную установку с изменяемой плавучестью вместо традиционных винтов или подруливающих устройств. Он использует изменение плавучести аналогично профилирующему бую, но, в отличие от буя, который может двигаться только вверх и вниз, подводный планер оснащен гидрокрыльями (подводными крыльями), позволяющими ему скользить вперед при погружении в воду. На определенной глубине планер переходит к положительной плавучести, чтобы подняться вверх и вперед, после чего цикл повторяется. Хотя планеры не так быстры, как обычные AUV, они обеспечивают значительно большую дальность и продолжительность работы по сравнению с традиционными AUV, увеличивая время проведения океанографических исследований с часов до недель или месяцев и дальность до тысяч километров. Типичный зигзагообразный профиль движения планера (вверх-вниз) позволяет получать данные о временных и пространственных масштабах, недостижимых для AUV с двигателем и значительно более дорогих в получении с помощью традиционных судовых методов. Различные конструкции планеров используются военно-морскими силами и океанографическими организациями, а стоимость планера обычно составляет около 100 000 долларов США.

История

Концепция подводного планера была впервые изучена в начале 1960-х годов с прототипом аппарата для доставки пловцов под водой под названием Concept Whisper. В 1992 году в Токийском университете были проведены испытания планера ALBAC, не имеющего системы управления плавучестью и совершающего только один цикл планирования. Программа DARPA SBIR получила предложение по планеру, использующему температурный градиент, в 1988 году. DARPA в то время знала об аналогичных исследовательских проектах, проводимых в СССР. Эта идея – планер с двигателем, изменяющим плавучесть за счет теплообменника, – была представлена океанографическому сообществу Генри Стоммелом в статье 1989 года в журнале Oceanography, где он предложил концепцию планера под названием Slocum, разработанную совместно с инженером-исследователем Дугом Уэббом. Они назвали планер в честь Джошуа Слокума, совершившего первое одиночное кругосветное плавание на парусном судне. Они предложили использовать энергию теплового градиента между глубоководной водой (2–4 °C) и поверхностной водой (близкой к атмосферной температуре) для достижения кругосветной дальности, ограниченной лишь питанием от бортовых аккумуляторов для связи, датчиков и навигационных компьютеров. К 2003 году компания Webb Research (основанная Дагом Уэббом) не только продемонстрировала рабочий тепловой планер (Slocum Thermal), но и другие организации представили планеры с питанием от аккумуляторов, обладающие впечатляющей продолжительностью работы и эффективностью, значительно превосходящей традиционные автономные необитаемые подводные аппараты (AUV). С тех пор эти аппараты широко используются. Планеры Seaglider Университета Вашингтона, Spray Института океанографии Скриппса и Slocum компании Teledyne Webb Research продемонстрировали такие достижения, как завершение трансатлантического перехода и проведение продолжительного совместного мониторинга океанографических параметров несколькими аппаратами. В 2011 году в результате сотрудничества французских институтов и компаний был выпущен первый бес крылый планер SeaExplorer. В 2020 году NOAA использовала "планеры для мониторинга ураганов" для отслеживания температуры воды вокруг Гольфстрима, чтобы лучше понять, как теплая вода влияет на ураганы и штормы.

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.

Функциональное описание

Планеры обычно проводят измерения температуры, проводимости (для расчета солености), течений, флуоресценции хлорофилла, оптического обратного рассеяния, глубины дна, а иногда и акустического обратного рассеяния или окружающего шума. Они ориентируются с помощью периодических GPS-определений местоположения на поверхности, датчиков давления, датчиков крена и магнитных компасов. Угол тангажа аппарата контролируется перемещаемым внутренним балластом (обычно аккумуляторными батареями), а управление осуществляется либо с помощью руля направления (как в Slocum), либо перемещением внутреннего балласта для управления креном (как в SeaExplorer, Spray и Seaglider). Изменение плавучести достигается либо с помощью поршня, заполняющего/опорожняющего отсек морской водой (Slocum), либо перемещением масла внутрь/наружу внешнего баллонета (SeaExplorer, Seaglider, Spray и Slocum Thermal). Поскольку изменения плавучести относительно невелики, балласт планера обычно необходимо регулировать перед началом миссии для достижения общей плотности аппарата, близкой к плотности воды, в которой он будет развернут. Команды и данные передаются между планерами и берегом через спутник.

Летающие крылья класса Liberdade

В 2004 году Управление военно-морских исследований ВМС США начало разработку крупнейших в мире планеров класса Liberdade, использующих конструкцию «смешанный корпус-крыло» для достижения гидродинамической эффективности. Изначально они были спроектированы для скрытого слежения за дизель-электрическими подводными лодками в прибрежных водах, с возможностью оставаться на заданном участке до 6 месяцев. К 2012 году была разработана новая модель, известная как ZRay, предназначенная для длительного отслеживания и идентификации морских млекопитающих. Она использует водяные реактивные струи для точного управления ориентацией, а также для передвижения на поверхности.