Автономные подводные транспортные средства (AUV) стали незаменимыми платформами для океанографических исследований, инспекции морской энергетической инфраструктуры, военно-морских операций и мониторинга окружающей среды. Эффективность любой миссии AUV - будь то съемка глубоководного гидротермального отверстия или картирование мелководной прибрежной экосистемы - критически зависит от способности транспортного средства двигаться с точностью, выносливостью и скрытностью. В основе этой способности лежит двигательная система, и в этой системе двигатели служат основными приводами как для управления движением, так и для контроля отношения. В этой статье рассматривается, как двигатели повышают производительность AUV, исследуются различные конструкции и технологии, доступные, и обсуждают инженерные компромиссы, которые формируют современную подводную тягу.

Основы AUV-движения

Трюстеры преобразуют электрическую или гидравлическую мощность в механическую тягу, ускоряя массу воды. Сила реакции продвигает транспортное средство вперед, назад или в любом желаемом направлении. В отличие от пропеллеров, используемых в надводных судах, двигатели AUV должны работать в среде высокого давления, коррозионной и часто малозаметной. Они также сталкиваются с уникальными ограничениями: ограниченная бортовая мощность, строгие шумовые бюджеты и необходимость чрезвычайной надежности в течение длительных миссий, которые могут охватывать дни или недели.

Основная физика работы двигателя регулируется принципом импульса: тяга равна массе потока воды, умноженной на изменение скорости. Однако реальная эффективность зависит от таких факторов, как конструкция лопасти винта, геометрия протока, эффективность двигателя и наличие кавитации. Кавитация - образование пузырьков пара на поверхности лопасти - может разрушать металл, генерировать шум и деградировать тягу. Поэтому разработчики двигателей AUV отдают приоритет работе без кавитации в диапазоне скоростей транспортного средства.

Трюстеры обычно соединяются с управляющими плавниками или отдельными вертикальными / односторонними двигателями для обеспечения движения на шесть градусов свободы (6-DOF). Выбор между использованием только двигателей для полного управления 6-DOF и комбинированием двигателей с поверхностями управления зависит от профиля миссии: обзорные AUV часто полагаются на плавники для эффективного горизонтального крейсерства, в то время как парящие AUV (например, используемые для поддержания станции или близкого осмотра) требуют нескольких двигателей для независимого контроля накала, раскачивания, валика, шага и рыскания.

Типы друстеров, используемых в современных AUV

Для удовлетворения разнообразных потребностей миссий АУВ разработан широкий спектр конструкций двигателей. К основным категориям относятся азимутальные двигатели, неподвижные двигатели, векторные двигатели, двигатели с ободом, насосные двигатели и туннельные двигатели. Каждый тип предлагает различные преимущества с точки зрения маневренности, эффективности, шума и механической сложности.

Азимут Трустерс

Двигатели Azimuth (также называемые вращающимися или управляемыми двигателями) могут вращаться на 360 ° вокруг вертикальной оси, устраняя необходимость в отдельных рулях или рулевых плавниках. Эта конструкция обеспечивает исключительную маневренность на низкой скорости и позволяет AUV быстро менять направление без изменения тяги вперед. Двигатели Azimuth распространены в РОВ рабочего класса и некоторых более крупных AUV, где требуется точное позиционирование. Механическая сложность вращающихся уплотнений и моторных сборок может увеличить вес и требования к техническому обслуживанию, но для транспортных средств, работающих в сильных токах или ограниченных пространствах, выигрыш маневренности часто стоит компромисса. Современные двигатели azimuth интегрируют электродвигатели с высоким крутящим моментом и компактные коробки передач для уменьшения размера оболочки при сохранении надежности.

Фиксированные струйки

Фиксированные двигатели устанавливаются в постоянной ориентации, как правило, вдоль продольных или поперечных осей транспортного средства. Они являются самым простым и самым надежным типом двигателей, с меньшим количеством движущихся частей и более низкой стоимостью изготовления. Фиксированные двигатели достаточны для AUV, которые работают в режиме «пролета», используя управляющие плавники для рулевого управления. Однако они обеспечивают ограниченную способность удерживать положение против тока или выполнять вертикальные движения без дополнительных двигателей. Многие экономичные или долговечные AUV используют фиксированные двигатели для основной оси движения и полагаются на небольшие вспомогательные двигатели или двигатели плавучести для изменения глубины.

Векторные растяжки

Векторные двигатели - это специализированный вариант, который может наклонять или поворачивать свою ось тяги в двух направлениях (часто шаг и рыскание), давая транспортному средству высокую степень управления без необходимости отдельных блоков двигателя. Эта конструкция популярна на парящих AUV и гибридных платформах ROV/AUV. Путем векторизации тяги транспортное средство может отключать движение от ориентации тела, обеспечивая стабильный сбор данных даже на склонах или в турбулентных потоках. Механическая артикуляция, необходимая для векторизации, добавляет сложность и потенциальные точки отказа, но полученный контрольный орган ценен для сложных задач, таких как стыковка или извлечение образца.

Обрезные растяжки

Рулевые двигатели (также называемые бесконцентральными или моторными винтовыми) размещают ротор двигателя во внешнем ободе винта, устраняя центральный контур и вал. Эта конфигурация позволяет увеличить площадь протока и уменьшить акустическую сигнатуру, поскольку вал и подшипники удаляются. Без уплотнения вала, которое проникает в корпус под давлением, двигатели с приводом на ободе могут достигать большей глубины и более низкого обслуживания. Они по своей сути тише, чем обычные двигатели, что делает их пригодными для противоминных мер и морских биологических исследований, где предотвращение шума имеет первостепенное значение. Основная проблема - это управление тепловым двигателем внутри тонкого обода, что требует эффективного охлаждения через окружающую воду. Технология управляемого винтом двигателя продолжает созревать и более широко используется в передовых конструкциях AUV.

Pump-Jet Thrusters

Насосные реактивные двигатели используют закрытый движитель внутри воздуховода, который ускоряет воду через сопло, а не с помощью открытого винта. Проток улучшает тягу на низких скоростях и снижает кавитацию, что выгодно для AUV, которые требуют высокой тяги забора для удержания станции или маневрирования в токах. Насосные реактивные двигатели обычно используются в высокоскоростных подводных аппаратах и торпедах, но их более высокий вес и вязкие потери на более высоких скоростях делают их менее распространенными в выносливых AUV. Тем не менее, для приложений, требующих максимальной плотности тяги (твердость на единицу объема), насосные реактивные двигатели предлагают компактное решение.

Туннельные расплавы

Тоннельные двигатели - поперечные двигатели, установленные в трубе, которая проходит через корпус транспортного средства. Они обеспечивают боковую тягу для перемещения вбок или для управления направлением при нулевой скорости вперед. Туннельные двигатели обычно имеют фиксированную ось и используются в парах для достижения контролируемого движения с помощью раскачивания. Они относительно просты, но требуют проникновения в корпус и могут быть источником сопротивления, когда они не используются. Убирающиеся или изменяемые геометрии туннельные двигатели - это новая концепция, хотя они добавляют механическую сложность.

Дизайн-проектирование AUV Thrusters

Инженерия двигателя для AUV включает в себя балансирование нескольких конкурирующих ограничений: плотность мощности, рейтинг глубины, коррозионную стойкость, акустическую сигнатуру и надежность в течение длительного развертывания. Выбор материалов имеет решающее значение; морская вода является высококоррозионной, и биообрастание может ухудшать производительность в течение нескольких недель. Общие материалы включают нержавеющую сталь морского класса (316L или дуплекс), титановые сплавы (Ti-6Al-4V), алюминиевую бронзу, высокоэффективные пластмассы (PEEK, Torlon) и композиты. Обмотки моторного статора должны быть изолированы от влаги, а магниты ротора должны противостоять демагнетизации в течение температурных циклов.

Компенсация давления является еще одним ключевым соображением. Многие двигатели используют заполненные маслом корпуса с компенсированным давлением, чтобы обеспечить, чтобы внутреннее давление соответствовало внешнему гидростатическому давлению, предотвращая выход из строя уплотнений на глубине. Уплотнения типа Blumlein или уплотнения ферромагнитной жидкости позволяют валу вращаться при сохранении дифференциала высокого давления. Для двигателей с ободом отсутствие уплотнения вращающегося вала упрощает глубоководную работу.

Оптимизация эффективности включает в себя расчет идеального шага лопасти, количества лопастей, формы протока и клиренса. Вычислительная гидродинамика (CFD) в настоящее время является стандартом для проектирования воздуховода и геометрии лопасти. Сам двигатель должен работать в своей пиковой точке эффективности в ожидаемом диапазоне скоростей; бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) являются отраслевым стандартом из-за их высокой эффективности и долгого срока службы. Трустеры также должны быть разработаны для минимизации акустических выбросов - как тональных, так и широкополосных - поскольку шум может мешать бортовым датчикам (например, сонарам) или предупреждать морскую дикую природу.

Влияние Thrusters на производительность AUV

Маневренность и контроль

Наиболее очевидным воздействием передовых двигателей является улучшенная маневренность. АУВ, оснащенные несколькими векторизуемыми или азимутальными двигателями, могут выполнять динамические маневры, такие как вертикальные подъемы, боковые переводы и точечные повороты - возможности, необходимые для осмотра подводных структур, навигации в ограниченных пространствах или поддержания точного формирования с другими транспортными средствами. Например, трехступенчатая конструкция (два задних азимутальных двигателя и один вертикальный туннельный двигатель) может обеспечить полное управление 6-DOF только с тремя исполнительными механизмами. Способность удерживать стабильную направленность и глубину, несмотря на перекрестные токи, позволяет обзорным АУВ поддерживать согласованные схемы покрытия и качество данных.

Энергоэффективность и продолжительность миссии

Эффективность растяжения напрямую влияет на то, как долго AUV может работать на одном заряде батареи. Даже 5% улучшение эффективности движения может перевести на часы дополнительного времени миссии. Современные конструкции двигателей достигают общей эффективности двигательной системы (двигатель + привод + винт) в диапазоне 55-70% по сравнению с более старыми конструкциями, которые изо всех сил пытались достичь 45%. Такие факторы, как использование легких роторов, крутящих моментов с низким затвором и расширенных профилей воздуховода, способствуют этим достижениям. Рулевые двигатели с крутящим моментом, в то время как немного менее эффективны в самом винте из-за сопротивления обода, могут уменьшить потери системы, устраняя валовые подшипники и коробки передач. Для дальних AUV компромисс между высокоэффективным крейсерским движением и маневрированием с высокой тягой часто решается с помощью двух типов двигателей: большой, фиксированный пропеллер для эффективного переднего полета и небольшие азимутальные или туннельные двигатели для точного управления во время сбора данных.

Акустическая подпись и скрытность

Акустический шум от двигателей является серьезной проблемой для военных AUV (используется для обнаружения мин, наблюдения или противолодочной войны) и для научных AUV, которые изучают морских млекопитающих или используют пассивную акустику. Источники шума включают в себя моторные электромагнитные тона, гармоники лопастей винтов, шум подшипников и кавитационные пузыри. Инженеры смягчают их с помощью конструкций изогнутых лопастей, точного управления двигателем (синусоидальная коммутация) и вибрационных изоляционных установок. Рулевые двигатели с рим-двигателем особенно привлекательны для бесшумных операций, потому что у них нет скосового механизма и нет контакта с валом внутри корпуса. Низкий уровень шума обеспечивает лучшую работу гидролокатора и снижает вероятность обнаружения. Кроме того, для биологических исследований тихий AUV может приближаться к морским животным, не поражая их, давая более естественные наблюдения за поведением.

Системы управления и интеграция с Thruster

Программное обеспечение и электроника, управляющие двигатели так же важны, как и аппаратное обеспечение. Современные AUV используют распределенную архитектуру: центральный компьютер наведения, навигации и управления (GNC) вычисляет желаемые силы и моменты, которые затем распределяются на отдельные двигатели с помощью алгоритма распределения двигателей. Алгоритм должен учитывать ограничения на подруливающие устройства (максимальная тяга, время отклика, взаимные взаимодействия) и, возможно, избыточность. Например, если один двигатель выходит из строя, система управления может перераспределять команды тяги для поддержания миссии или, по крайней мере, пытаться безопасное восхождение.

Алгоритмы управления вектором толчка (TVC) используются, когда двигатели поворотные, преобразуя желаемые крутящие моменты оси в углы и скорости привода. Системы динамического позиционирования (DP), которые работают исключительно на подруливающих устройствах (без плавников), становятся все более распространенными на парящих AUV. Эти системы используют датчик обратной связи (например, журнал скорости Доплера, инерциальная навигация, акустическое позиционирование) для поддержания положения против помех. Динамика двигателя (время подъема, перегрузка, насыщение) должна быть хорошо характеризована, чтобы избежать колебаний или нестабильности. Двигатели с высокой пропускной способностью двигателя с ориентированным на поле управлением (FOC) позволяют быстрое, точное регулирование крутящего момента, что необходимо для поддержания станции в турбулентных потоках.

Будущие инновации в технологии Thruster

Следующее поколение AUV-двигателей формируется благодаря достижениям в области материалов, производства и био-вдохновленной конструкции. Биомиметические двигатели , вдохновленные грудными плавниками рыб, креветками-богомолами или медузами, находятся в стадии активного исследования. Эти конструкции могут достигать бесшумного, высокоэффективного маневрирования и даже восстановления энергии от океанских течений. Например, мягкий роботизированный двигатель, который использует диэлектрические приводы эластомера, не может производить механический шум и чрезвычайно компактен, хотя все еще далек от плотности тяги, необходимой для больших AUV.

Аддитивное производство (3D-печать) позволяет изготавливать сложные проточные и лопастные геометрии, которые были невозможны при обычной обработке. Металлическая печать (слияние лазерного порошка) может производить титановые или алюминиево-бронзовые лопасти с внутренними охлаждающими каналами или оптимизированными решетчатыми структурами, которые уменьшают вес без ущерба для прочности. Исследователи из MIT и WHOI изучают печатные пропеллеры с лезвиями с переменной натяжкой, которые могут регулироваться в режиме реального времени для оптимальной эффективности.

Энергоуборочные двигатели , которые удваиваются в качестве турбин для подзарядки батарей, в то время как AUV дрейфует в токе, являются новой концепцией. Интегрируя режим генератора, двигатель может действовать как низкоскоростная гидрокинетическая турбина, увеличивая выносливость миссии в регионах постоянного тока. Этот подход находится на ранних стадиях прототипа.

Сверхпроводящие электродвигатели для двигателей предлагают потенциал для чрезвычайно высокой плотности мощности и почти нулевых электрических потерь, но они требуют криогенного охлаждения, что непрактично для большинства AUV. Однако высокотемпературные сверхпроводящие системы (HTS), которые могут быть охлаждены жидким азотом, рассматриваются для очень больших автономных подводных аппаратов (например, подводных лодок или глубоководных грузовых перевозчиков).

Наконец, к системам двигателей применяются технологии цифровых двойников и алгоритмы предиктивного обслуживания, которые с помощью телеметрии вибрации, температуры и энергопотребления в реальном времени бортовой компьютер AUV может оценить оставшийся срок полезного использования и запланировать упреждающее обслуживание, уменьшая риск отказа двигателя во время критических миссий.

Заключение

Трюстеры — это гораздо больше, чем простые винты; это сложные электромеханические системы, которые непосредственно обеспечивают точную, эффективную и тихую работу автономных подводных транспортных средств. От азимута и векторных двигателей, которые обеспечивают исключительную маневренность для конструкций с ободком, которые минимизируют шум и обслуживание, выбор технологии двигателя глубоко формирует возможности миссии AUV. Поскольку плато плотности энергии батареи, улучшения эффективности двигателя и управления становятся основным рычагом для продления продолжительности миссии и расширения оболочки возможных применений. Продолжающиеся исследования биомиметических двигателей, аддитивного производства и интегрированного сбора энергии обещают еще больше повысить производительность AUV. Для инженеров и операторов, работающих в океанской технологии, понимание роли двигателей имеет важное значение для выбора или проектирования AUV, который может удовлетворить требовательные условия подводного мира. Продолжая внедрять инновации в дизайне двигателя, отрасль откроет более глубокое, более длительное и более автономное исследование океанов нашей планеты.

Для дальнейшего чтения см. обзор океанографического института Вудс-Хоул технологии AUV , технические ресурсы по конструкции морского двигателя из Журнала морской науки и техники и тематические исследования из L3Harris по военной силовой установке AUV .