I veicoli subacquei autonomi (AUV) sono diventati piattaforme indispensabili per la ricerca oceanografica, l'ispezione delle infrastrutture energetiche offshore, le operazioni navali e il monitoraggio ambientale. L'efficacia di qualsiasi missione AUV - sia che si veda un'apertura idrotermale profonda o che mappa un ecosistema costiero superficiale - dipende criticamente dalla capacità del veicolo di muoversi con precisione, resistenza e stealth.

Fondamenti della Propulsione AUV

I trasmettitori convertono l'energia elettrica o idraulica in spinta meccanica accelerando una massa d'acqua. La forza di reazione spinge il veicolo in avanti, indietro o in qualsiasi direzione desiderata. A differenza delle eliche utilizzate nei vasi di superficie, i propulsori AUV devono operare in un ambiente ad alta pressione, corrosivo e spesso a bassa visibilità.

La fisica di base delle prestazioni del propulsore è regolata dal principio di slancio: la spinta è uguale alla portata di massa dell'acqua moltiplicata per il cambiamento della velocità. Tuttavia, l'efficienza del mondo reale è influenzata da fattori come la progettazione della lama di elica, la geometria del condotto, l'efficienza del motore e la presenza di cavitazione.

I trasmettitori sono tipicamente abbinati a pinne di controllo o a propulsori verticali/laterali separati per fornire sei gradi di libertà (6-DOF) movimento. La scelta tra l'utilizzo di solo propulsori per il controllo completo 6-DOF rispetto a combinare propulsori con superfici di controllo dipende dal profilo di missione: l'indagine AUVs spesso si basa sulle pinne per una crociera orizzontale efficiente, mentre l'ava di comando AUVs (come quelli utilizzati per il controllo di sbavatore di sbavatore di stazione o di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di sbavatore di comando di sbavatura di sbavatura di sbavatore di stazione-

Tipi di Thrusters utilizzati in AUV moderni

Sono state sviluppate numerose proposte di propulsori per soddisfare le diverse esigenze delle missioni AUV. Le principali categorie includono propulsori azimutali, propulsori fissi, propulsori vettoriali, propulsori a bordo, getti a pompa e propulsori a tunnel.

Trasmettitori di Azimuth

Gli azionatori (chiamati anche propulsori rotativi o sterili) possono ruotare a 360° intorno ad un asse verticale, eliminando la necessità di timone o pinne sterzo separate. Questo disegno fornisce una manovrabilità eccezionale a bassa velocità e permette ad un AUV di cambiare rapidamente la direzione senza alterare la spinta in avanti.

Trasmettitori fissi

I propulsori fissi sono montati in modo costante, tipicamente lungo gli assi longitudinali o trasversali del veicolo. Sono il tipo di propulsore più semplice e robusto, con meno parti in movimento e costi di produzione inferiori. I propulsori fissi sono sufficienti per gli AUV che operano in modalità “fly-through” utilizzando le pinne di comando per lo sterzo.

Trasmettitori vettoriali

I propulsori vettoriali sono una variante specializzata che può inclinare o ruotare l'asse di spinta in due direzioni (spesso passo e yaw), dando al veicolo un alto grado di controllo senza bisogno di unità di spinta separate. Questo disegno è popolare su AUVs e piattaforme ibride ROV/AUV.

Trasmettitori a motore

I propulsori a motore (chiamati anche propulsori senza mozzo o motore) ospitano il rotore motore nel bordo esterno dell'elica, eliminando il mozzo centrale e l'albero. Questa configurazione permette una maggiore area di raffreddamento e riduce la firma acustica perché l'albero e i cuscinetti sono rimossi. Senza un'asta di tenuta che penetra lo scafo di pressione, i propulsori a bordo possono ottenere maggiori valutazioni di profondità e una minore manutenzione.

Pompe-Jet Thrusters

I propulsori a getto di pompa usano una girante chiusa all'interno di un condotto che accelera l'acqua attraverso un ugello, piuttosto che usare un elica aperta. Il condotto migliora la spinta a basse velocità e riduce la cavitazione, che è utile per AUV che richiedono un'alta spinta dissuasore per la manutenzione della stazione o la manovra nelle correnti.

Tunnel Thrusters

I propulsori del tunnel sono propulsori trasversali montati in un tubo che passa attraverso lo scafo del veicolo. Essi forniscono spinta laterale per muoversi lateralmente o per il controllo della voce a velocità zero in avanti. I propulsori del tunnel sono solitamente fissi-assi e sono utilizzati in coppia per raggiungere il movimento di sway controllato. Sono relativamente semplici ma richiedono la penetrazione dello scafo e possono essere una fonte di trascinamento quando non è in uso.

Considerazioni di progettazione per AUV Thrusters

L'ingegneria di un propulsore per un AUV comporta il bilanciamento di diversi vincoli concorrenti: densità di potenza, grado di profondità, resistenza alla corrosione, firma acustica e affidabilità su distribuzioni estese. La selezione dei materiali è critica; l'acqua di mare è altamente corrosiva, e la biofouling può degradare le prestazioni durante le settimane.

Molti propulsori utilizzano alloggiamenti riempiti di olio, compensati dalla pressione per garantire che le pressioni interne egualino la pressione idrostatica esterna, impedendo il guasto di tenuta a profondità.

L'ottimizzazione dell'efficienza comporta il calcolo del passo ideale della lama, del numero di lame, della forma del condotto e della distanza della punta. La dinamica dei fluidi computazionali (CFD) è ora standard per la progettazione del condotto e della geometria della lama del propulsore. Il motore stesso dovrebbe operare al suo punto di efficienza superiore attraverso la gamma di velocità prevista; i motori DC (BLDC) brushless sono lo standard del settore a causa della loro alta efficienza e della lunga durata.

Impatto di Thrusters su AUV Performance

Maneuverabilità e controllo

Gli AUV dotati di propulsori vettoriali multipli o azimutabili possono eseguire manovre dinamiche come salite verticali, traduzioni laterali e giri spot—capabilità essenziali per ispezionare strutture sottomarine, navigare spazi confinati, o mantenere una formazione precisa con altri veicoli. Ad esempio, una disposizione a tre livelli (due aft azimuth propulsori e uno verticale agimuta profondità agitante

Efficienza energetica e durata della missione

L'efficienza del trasmettitore influisce direttamente su quanto tempo un AUV può operare su una singola carica della batteria. Anche un miglioramento del 5% dell'efficienza della propulsione può tradurre in ore di tempo di missione supplementare. I progetti di propulsori moderni] ottengono efficienze del sistema di propulsione generale (motore + elica) nella gamma di 55-70%, rispetto ai progetti più vecchi che hanno lottato per raggiungere il 45%.

Firma acustica e Stealth

Il rumore acustico dei propulsori è una preoccupazione importante per gli AUV militari (utilizzati per il rilevamento delle mine, la sorveglianza o la guerra antisovrina) e per gli AUV scientifici che studiano i mammiferi marini o usano l'acustica passiva. Le fonti di rumore del rumore includono i toni elettromagnetici del motore, le armoniche della lama del propulsore, il rumore del cuscinetto e le bolle della cavitazione del cavitazione del pozzo.

Sistemi di controllo e integrazione del trasmettitore

Il software e l'elettronica che comandano i propulsori sono importanti come l'hardware. Modern AUVs utilizzano un'architettura distribuita: una guida centrale, la navigazione e il controllo (GNC) computer calcola le forze e i momenti desiderati, che vengono poi assegnati ai singoli propulsori tramite un algoritmo di allocazione del propulsore.

Gli algoritmi di controllo del vettore di spinta (TVC) sono utilizzati quando i propulsori sono pivottanti, convertendo le coppie di asse desiderate in angoli e velocità di attuatore.

Le innovazioni future nella tecnologia Thruster

La prossima generazione di propulsori AUV è modellata da progressi nei materiali, nella produzione e nel design bio-ispirato. I propulsori biomimetici ispirati alle pinne pettorali, ai gamberetti mantidi o ai medrini sono sotto la ricerca attiva. Questi progetti possono raggiungere manovrazioni silenziose, ad alta efficienza e anche il recupero energetico da correnti oceaniche.

La stampa in metallo (laser Powder bed fusion) può produrre lame in titanio o alluminio-bronze con canali di raffreddamento interni o strutture reticolari ottimizzate che riducono il peso senza compromettere la forza. I ricercatori del MIT e dell'OMSI stanno esplorando eliche stampate con lame a piazzola variabile che possono regolare in tempo reale per una migliore efficienza.

I propulsori di raccolta energia[] che raddoppiano come turbine per ricaricare le batterie mentre le derivate AUV in una corrente sono un concetto emergente. Integrando una modalità generatore, un propulsore può agire come una turbina idrokinetic a bassa velocità, prolungando la durata della missione nelle regioni attuali persistenti.

I motori elettrici superconduttori per i propulsori offrono il potenziale per le perdite elettriche ad altissima potenza e a bassa temperatura, ma richiedono un raffreddamento criogenico, che è impraticabile per la maggior parte degli AUV. Tuttavia, i sistemi di superconduzione ad alta temperatura (HTS) che possono essere raffreddati con azoto liquido sono considerati per veicoli subacquei autonomi molto grandi (ad esempio, sottomarini o portanti di carico a profondità).

Infine, la tecnologia digitale dei gemelli e gli algoritmi di manutenzione predittiva sono applicati ai sistemi di propulsore. Utilizzando la telemetria in tempo reale di vibrazioni, temperatura e consumo di energia, il computer di bordo dell'AUV puÃ2 stimare la durata utile e programmare la manutenzione proattiva, riducendo il rischio di guasto del propulsore durante le missioni critiche.

Conclusioni

I trasmettitori sono molto più che semplici eliche; sono sofisticati sistemi elettromeccanici che permettono direttamente il funzionamento preciso, efficiente e silenzioso dei veicoli subacquei autonomi.Dagli azimuth e ai propulsori vettori che forniscono una manovra eccezionale ai progetti orientati verso il cerchio che minimizzano il rumore e la manutenzione, la scelta della tecnologia di spinta profondamente modella le capacità di missione di AUV.

Per ulteriori informazioni, vedere la ]Woods Hole Oceanographic Institution's panoramica della tecnologia AUV[], risorse tecniche su ] progettazione di propulsori di marea dal Journal of Marine Science and Engineering, e casi di studio da L3Harris sulla propulsione militare AUV