Роль свитеров в повышении возможностей морских исследовательских платформ по обслуживанию станций
Морские исследовательские платформы являются незаменимыми инструментами для продвижения нашего понимания океанографии, морской биологии, климатологии и подводной геологии. Являются ли они крупными пилотируемыми исследовательскими судами, автономными подводными аппаратами (AUV) или стационарными океанографическими буями, эти платформы должны поддерживать точное положение для выполнения точных измерений, развертывания инструментов или проведения экспериментов. Открытый океан постоянно находится в движении, движимый течениями, приливами, волнами и ветром, что делает ведение станции - способность удерживать фиксированное местоположение или следовать за заранее определенным треком - огромной технической проблемой. Трустеры являются ключевой технологией, которая дает этим платформам динамическую мощность позиционирования, необходимую для преодоления экологических сил. В этой статье исследуется критическая роль двигателей в повышении возможностей функционирования станции морских исследовательских платформ, изучение типов используемых двигателей, принципов их работы и будущего точного морского позиционирования.
Что такое морские трусты?
Морские двигатели - это специализированные двигательные устройства, установленные на кораблях, платформах и подводных аппаратах, которые производят тягу в направлениях, отличных от основной оси вперед-назад. В отличие от обычного основного винта, который только толкает судно вперед или вперед, двигатели генерируют боковые (боковые), вертикальные или векторные силы. Эта направленная гибкость позволяет точно маневрировать, причаливать и - что наиболее важно для исследовательских платформ - удерживать станции без необходимости в якорях или постоянном дрейфе. Трюстеры обычно питаются от электродвигателей, гидравлических систем или дизельных двигателей, и их можно управлять с высокой точностью через современные системы динамического позиционирования (DP). Их способность быстро противодействовать внешним силам позволяет платформе оставаться практически неподвижной даже в грубых морских состояниях, сохраняя целостность долгосрочных океанографических наблюдений.
Типы свитеров, используемых на морских исследовательских платформах
В морских исследованиях используется широкий спектр конструкций двигателей, каждый из которых предлагает различные преимущества в зависимости от размера платформы, эксплуатационной глубины и требований к миссии. Наиболее часто используемые типы включают в себя азимутальные двигатели, носовые двигатели, кормовые двигатели и туннельные двигатели. Кроме того, специализированные двигатели, такие как управляемые по ободу и струйные конструкции, набирают тягу для своей эффективности и снижения шума, что критически важно для чувствительных акустических измерений.
Азимут Трустерс
Двигатели Azimuth - управляемые силовые установки, которые могут вращаться на 360 градусов вокруг вертикальной оси. Это позволяет двигателю направлять свою тягу в любом направлении, устраняя необходимость в руле. Двигатели Azimuth часто устанавливаются парами, давая судну исключительную маневренность. Для исследовательских платформ, которые требуют частого перепозиционирования или удержания позиции при изменении направления ветра и тока, двигатели Azimuth обеспечивают быстрое реагирование и высокую эффективность тяги. Они распространены на современных океанографических исследовательских судах, таких как R / V [FLT: 0] Atlantis [FLT: 1], управляемых Океанографическим институтом Woods Hole и на динамически расположенных буровых судах, используемых для научной глубоководной коринг. Двигатели Azimuth могут питаться от электрических двигателей, установленных внутри струи, уменьшая механические потери и шум - главное преимущество для наблюдения морских млекопитающих.
Смысл игры Bow Thrusters
Луковые двигатели обычно устанавливаются в поперечном туннеле около передней части судна. Их основная функция заключается в обеспечении боковой силы для перемещения носовых боковых сторон, что необходимо для точной стыковки и удержания станции. Луковые двигатели значительно уменьшают радиус поворота корабля и позволяют ему удерживать положение без использования основного двигателя. На исследовательских платформах носовые двигатели часто объединяются с кормовыми двигателями и азимутальными блоками для формирования полной системы DP. Например, океанографическое исследовательское судно NOAA Рональд Х. Браун использует носовые туннельные двигатели вместе с азимутирующими кормовыми приводами для поддержания станции во время многочасовых CTD (проводимость, температура, глубина) отливки.
Стерн Трустерс
Штурмовые двигатели функционируют аналогично носовым, но расположены в корме судна. Они обеспечивают боковую тягу сзади, помогая контролировать рычажок и противовес крутящего момента от носовых двигателей. В полной системе DP комбинация носовых и кормовых двигателей - часто в конфигурации "двойной туннель" - позволяет для независимого контроля накала, качания и рыскания. Эта конфигурация особенно полезна, когда исследовательская платформа должна поддерживать фиксированную направленность или следовать точной линии обзора, компенсируя при этом волновое движение. Некоторые современные исследовательские суда заменяют традиционные пропеллеры с азимутальными двигателями на корме, устраняя отдельные кормовые туннели, получая возможность тяги на 360 градусов.
Вертикальные и выдвижные растяжки
Некоторые исследовательские платформы, такие как плавучие приборные платформы (FLIP) и глубоководные лебедочные системы, требуют вертикальной тяги для противодействия изменениям плавучести или поддержания глубины. Вертикальные двигатели (иногда называемые «вертикальными осевыми двигателями» или «подъемными двигателями») направляют столб воды вверх или вниз. Убирающиеся двигатели могут быть развернуты при необходимости и убраны, когда они не используются для уменьшения сопротивления во время транзитов. Они ценны для операций на мелководье или для платформ, которые должны объединить несколько профилей миссии. Например, буровые установки Программы океанского бурения используют убирающиеся двигатели, которые могут быть опущены ниже корпуса для обслуживания станции и подняты для неограниченного плавания.
Подд и рим-драйв-трюстеры
Последние достижения в электрических движителях с подвеской, таких как Kongsberg Azimuth Thruster и ABB Azipod, повысили эффективность и уменьшили шум на борту. Двигатели с регулировкой тяги (RDT) устраняют центральный концентратор и вал пропеллера, вместо этого вращая лопасти пропеллера от внешнего кольца воздуховода. Эта конструкция резко снижает шум и вибрацию, что делает RDT идеальными для исследовательских платформ, проводящих пассивный акустический мониторинг или исследования морских млекопитающих, которые чувствительны к подводному звуку. K-Nozle двигатели являются еще одним примером передовых конструкций воздуховодов, которые повышают эффективность тяги на мелководье.
Как струйщики обеспечивают точное хранение станции
Удержание станции для морской исследовательской платформы является принципиально проблемой управления: платформа должна непрерывно оценивать свое положение и ориентацию относительно желаемой точки или трека, измерять силы возмущения от ветра, волн и токов и применять корректирующую тягу для устранения этих помех. Это достигается с помощью систем динамического позиционирования (DP), которые интегрируют датчики положения (GPS, акустические маяки, инерциальные системы), датчики окружающей среды (скорость ветра / направление, волновой радар) и двигательную систему, содержащую несколько двигателей. Компьютер DP вычисляет чистую силу, необходимую для поддержания положения, а затем распределяет соответствующие команды тяги для каждого двигателя с учетом их ориентации и возможностей.
Системы динамического позиционирования (DPS)
Большинство современных исследовательских судов работают по стандартам DP класса 2 или класса 3, которые обеспечивают избыточность против одной точки отказа. В DP двигатели могут работать в ручном, джойстике, автоголовке или режиме автоматического положения. Во время критической научной операции - например, опускание дистанционно управляемого транспортного средства (ROV) к гидротермальному вентиляционному отверстию - система DP удерживает судно в течение нескольких секунд до порывов ветра или изменения направления тока. Типичная система DP включает в себя несколько двигателей с азимутом плюс один носовой туннельный двигатель; контроллер DP может вращать азимутальные блоки для оптимизации вектора тяги, в то время как туннельный двигатель обрабатывает тонкие боковые регулировки. Объединенный эффект создает "виртуальный якорь", который может поддерживаться в течение нескольких часов или даже дней без дрейфа.
Физика, стоящая за поддержанием станции, включает в себя балансирование моментов накала, раскачивания и рыскания. Силам нарастания (fore-aft) обычно противодействуют основные двигатели азимута движения. Силам накаливания (side-to-side) противодействуют поперечные двигатели (bow и stern). Yaw (вращения) управляется дифференциальной тягой от нескольких единиц. Передовые системы DP также включают управление потоком вперед с использованием данных ветра в реальном времени для прогнозирования возмущений, позволяя двигателям реагировать до дрейфа платформы.
Преимущества Thruster-Enhanced Station-Keeping для морских исследований
Интеграция высокопроизводительных двигателей в морские исследовательские платформы дает ряд существенных преимуществ, которые непосредственно улучшают качество и объем научной работы.
Повышение стабильности чувствительных измерений
Многие океанографические инструменты, такие как розетки CTD, пробоотборники воды и кернеры морского дна, лучше всего работают, когда платформа хоста остается как можно более неподвижной. Даже небольшие боковые дрейфы могут запутывать кабели, вводить шум в показания акустического доплеровского тока (ADCP) или загрязнять осадочные ядра поверхностным материалом. Трюстеры поддерживают положение в пределах жесткой допускной способности, позволяя ученым собирать чистые данные с высоким разрешением. Например, исследователи из Океанографического института Вудс-Хоул полагаются на суда, оснащенные DP, чтобы держать привязку ROV свободной от запутанности, в то время как транспортное средство исследует сложную местность морского дна.
Повышение безопасности и предотвращение столкновений
Точное ведение станции снижает риск столкновений с другими судами, плавающими объектами или морским дном. В оживленных океанографических зонах или вблизи морских установок (например, ветровых электростанций или нефтяных платформ) исследовательское судно должно оставаться в безопасности в пределах своей обозначенной зоны. Трюстеры позволяют судну «парить» без дрейфа в ограниченные зоны. Для автономных платформ, таких как AUV, двигатели позволяют им удерживать положение во время замены батарей или передачи данных, уменьшая вероятность потери или повреждения.
Оперативная гибкость
С двигателями исследовательская платформа может быстро перепозиционироваться, не дожидаясь благоприятных токов или развертывания якорей. Эта маневренность необходима для адаптивного отбора проб - например, после пластыря планктона или цветения водорослей при дрейфе. Многие современные исследовательские суда используют DP для выполнения «динамических линий пути», где корабль следует по заранее определенному пути на низкой скорости, в то время как двигатели компенсируют дрейф поперечного пути, вызванный токами. Эта возможность позволяет систематически отображать большие участки морского дна с многолучевым гидролокатором.
Снижение воздействия на окружающую среду
Усиление в чувствительных бентических средах обитания (коралловые рифы, луга морской травы или глубоководные вентиляционные отверстия) может нанести значительный ущерб. Трюстеры устраняют необходимость в якорях, уменьшая физические помехи морскому дну. Кроме того, работа DP может быть более экономичной, чем постоянное маневрирование с рулем, особенно когда токи умеренные. Некоторые исследовательские суда теперь объединяют DP на основе двигателя с гибридными системами питания для дальнейшего снижения выбросов и шума.
Проблемы и ограничения на стойкость на основе раструбки
Несмотря на свои преимущества, двигатели не являются панацеей. Несколько проблем ограничивают их эффективность, особенно в экстремальных условиях или на небольших платформах.
Потребление энергии и срок службы батареи
Трубы потребляют значительную электрическую энергию - часто самую большую нагрузку на генератор исследовательского судна. Поддержание станции против сильных токов может потребовать устойчивых высоких уровней тяги, что быстро истощает запасы топлива или батареи. Для автономных транспортных средств плотность энергии остается ограничивающим фактором; небольшой AUV может иметь достаточную емкость батареи для удержания станции в течение нескольких часов. Исследователи должны тщательно сбалансировать использование двигателя с продолжительностью миссии.
Шум и вибрация
Обычные двигатели, особенно типы туннелей, генерируют значительный подводный шум и вибрацию, которые могут мешать акустическим инструментам (например, многолучевые сонары, профилировщики снизу) и беспокоить морскую жизнь. Ученые, изучающие поведение рыбы или связь с китами, должны минимизировать шум двигателя. Более новые конструкции, такие как двигатели с ободком и струйные двигатели с высокочастотными приводами двигателя, помогают уменьшить шум, но они имеют более высокую стоимость и сложность.
Условия окружающей среды
Экстремальные высоты волн, высокие скорости ветра и сильные течения могут перегружать тяговую способность платформы. В штормовых условиях даже самые мощные системы DP могут не удерживать позиции, заставляя научные операции останавливаться. Трустеры также имеют ограничения по глубине; для глубоководной работы тяга, производимая вблизи поверхности, может быть менее эффективной, если платформа длинная и имеет значительную площадь свободного борта для ветровых нагрузок.
Обслуживание и надежность
Трубы подвергаются воздействию коррозионной морской воды, биообрастанию и механическому износу. Регулярное техническое обслуживание имеет важное значение для предотвращения сбоев во время критических миссий. Застрявший двигатель или двигатель с выдувом могут ухудшить производительность DP или привести к потере положения. Избыточность (многократные двигатели и компьютерные подсистемы DP) помогает смягчить это, но это увеличивает стоимость и сложность.
Тематические исследования и реальные приложения
Практическая важность двигателей в морских исследованиях лучше всего иллюстрируется примерами из реального мира, охватывающими различные типы платформ и научные дисциплины.
R/V Falkor и глубоководное исследование
Научно-исследовательское судно Института океана Шмидта Falkor (сейчас заменено Falkor (слишком)]) оснащено двумя азимутальными двигателями мощностью 1400 кВт и носовым двигателем. Его система DP позволяет ему поддерживать положение над гидротермальными вентиляционными полями на глубинах более 3000 метров.Falkor в течение 36 часов во время экспедиции 2020 года в Калифорнийском заливе, в то время как ROV исследовал недавно обнаруженный участок вентиляции, собирая образцы экстремофильных микробов и минералов. Возможность оставаться в пределах 5-метрового круга, несмотря на глубокие океанические течения, позволила ученым точно картировать вентиляционное поле и проводить повторные измерения с течением времени.
Автономные платформы: Saildrone и Wave Gliders
Меньшие платформы, такие как Saildrone и Liquid Robotics Wave Glider, используют комбинацию ветровой тяги и небольших двигателей (часто электрических туннельных двигателей) для поддержания станции. Эти беспилотные надводные транспортные средства (USV) могут поддерживать положение вблизи сфокусированных океанографических особенностей (например, край вихря) в течение нескольких недель. Двигатель используется экономно для регулировки направления или компенсации дрейфа, когда одного только ветра и волновой тяги недостаточно. Этот гибридный подход использовался Тихоокеанской морской экологической лабораторией NOAA для мониторинга температуры поверхности моря и pCO2 в высокоширотных регионах, где традиционные швартовки трудно развернуть.
Плавучие приборные платформы (FLIP)
FLIP ВМС США (Плавающая приборная платформа) - это уникальное исследовательское судно, которое может «переворачиваться» из горизонтального в вертикальное положение, погружая большую часть корпуса под воду для стабильности. FLIP первоначально использовал только руль и пропеллер для транзита, но позже переоборудовано с небольшими электрическими азимутальными двигателями для точного позиционирования в вертикальном режиме. Двигатели позволяют FLIP поддерживать свой курс и местоположение в течение нескольких метров, в то время как ученые проводят акустические эксперименты или развертывают гидрофоны. Без двигателей платформа медленно вращалась бы под воздействием ветра и поверхностных токов, ухудшая качество данных.
Глубоководные буровые корабли и программа океанского бурения
Суда, такие как JOIDES Resolution (в настоящее время отставные) и Chikyu, использовали системы DP с несколькими двигателями для поддержания положения при бурении на морском дне для извлечения осадочных и каменных ядер. Chikyu, эксплуатируемый Японским агентством по науке и технике морской земли (JAMSTEC), использует шесть двигателей (два азимута и четыре туннеля), чтобы удерживать положение в пределах 1 метра при бурении на глубинах воды, превышающих 2500 метров. Эта точность необходима для предотвращения разрушения буровой трубы и обеспечения того, чтобы образцы ядра поступали с точной глубины цели.
Будущее развитие и тенденции
Эволюция технологии двигателей тесно связана с более широкими тенденциями в морской робототехнике, возобновляемой энергии и автономной навигации.В ближайшее десятилетие ожидается дальнейшее расширение возможностей станционных платформ для проведения исследований.
Электрические и гибридные двигательные системы
Все электрические двигатели с высокоэффективными двигателями с постоянными магнитами становятся стандартными. Они предлагают точное управление крутящим моментом, низкую акустическую сигнатуру и способность восстанавливать энергию посредством рекуперативного торможения. В сочетании с аккумуляторными банками гибридные системы могут буферизировать пиковые потребности в мощности и позволяют двигателям работать в «тихие» периоды без шума генератора. Такие компании, как Siemens Energy и Kongsberg разрабатывают интегрированные системы питания и движителей, которые оптимизируют использование двигателя на основе состояния батареи в реальном времени и рабочей нагрузки DP.
Искусственный интеллект и прогнозный контроль
Алгоритмы машинного обучения применяются к управлению DP для прогнозирования нарушений окружающей среды и оптимизации распределения двигателей. Вместо того, чтобы реагировать на дрейф, системы ИИ могут предвидеть волновые группы или порывы ветра и предпозиционные двигатели, чтобы отменить силы, прежде чем они перемещают платформу. Ранние испытания Конгсберга и Университета Саутгемптона показали до 30% снижение активности двигателей и расхода топлива при сохранении точности положения. Это особенно ценно для долгосрочных автономных миссий, где энергоэффективность имеет решающее значение.
Интеграция возобновляемых источников энергии
Солнечные панели, ветровые турбины и преобразователи энергии волн проходят испытания на исследовательских платформах для обеспечения дополнительной мощности для двигателей. Автономная платформа SAIL (Solar-Assisted Long-Endurance) может собирать энергию в солнечные периоды и использовать ее для подзарядки батарей, а затем использовать двигатели для обслуживания станций в ночное время. Такие системы позволят постоянное присутствие в отдаленных районах океана без необходимости дозаправки.
Thruster Arrays для небольших платформ
Миниатюрные двигатели, включая микро-азимутные двигатели и крошечные ободовые установки, разрабатываются для автономных подводных планеров и небольших AUV. Эти двигатели позволяют транспортным средствам зависать и удерживать положение во время осмотра подводных сооружений крупным планом или во время отбора проб воды. Недавние исследования из Исследовательского института аквариума Монтерей-Бей (MBARI) продемонстрировали низкое расположение двигателя, которое позволяло AUV перемещаться в пределах 2 метров от цели в течение 12 часов, используя только 50 ватт.
Акустическая тишина и скрытность
Поскольку морские исследования все больше фокусируются на воздействии антропогенного шума, производители двигателей разрабатывают более тихие агрегаты. Делфтский технологический университет и Rolls-Royce (ныне Kongsberg) разработали «зазубренные» сопловые воздуховоды и перекошенные лопасти винта, которые уменьшают кавитацию и тональный шум. Эти тихие двигатели позволяют исследовательским платформам проводить пассивный акустический мониторинг без вмешательства самошумов в данные.
Заключение
Трюстеры произвели революцию в работе морских исследовательских платформ, превратив их из судов, склонных к дрейфу, в точные инструменты, которые могут удерживать позиции против неустанных сил океана. От азимута и носовых двигателей на больших судах до микро-трустеров на автономных транспортных средствах эти устройства обеспечивают маневренность и стабильность, необходимые для проведения новаторской океанографической науки. Интеграция систем динамического позиционирования с передовыми массивами двигателей позволила исследователям исследовать самые глубокие вентиляционные отверстия, следить за мигрирующими животными и пробовать водную колонну с беспрецедентной точностью. По мере того, как технология двигателей продвигается к большей эффективности, более тихой работе и более тесной интеграции с ИИ и возобновляемой энергией, следующее поколение морских исследовательских платформ сможет поддерживать станцию еще дольше и точнее, открывая новые границы в открытии океана. Скромный двигатель больше не просто маневренная помощь - это основа современного океанографического исследования.