Электрический двигатель в глубоководных поисковых роботах

Точный контроль и маневренность

Электрическая тяга обеспечивает быстрое, мелкозернистое управление величиной тяги и направлением. АУВ могут выполнять сложные схемы съемки с точностью до точки пути сантиметрового уровня, в то время как РОВ могут удерживать станцию в сильных токах с субметровой позиционной стабильностью. Эта точность необходима для таких задач, как отбор проб хрупких глубоководных кораллов, манипулирование научными приборами или выполнение инспекции подводной инфраструктуры. Цифровые контроллеры двигателей позволяют регулировать динамическое торможение, мягкий запуск и скорость замкнутого цикла, устраняя задержку, присущую приведению в действие гидравлического клапана.

Снижение шума и воздействия на морскую жизнь

Традиционные методы движения генерируют значительный акустический шум от сгорания двигателя, зубчатых поездов и гидравлических насосов. Электрические двигатели, особенно при использовании конфигураций с прямым приводом, производят значительно более низкие уровни звука - часто ниже 60 дБ re 1 мкПа на 1 м. Эта тихая операция имеет решающее значение для изучения неуловимых глубоководных видов (например, головоногих, рыб и морских млекопитающих), которые чувствительны к антропогенному шуму. Это также улучшает производительность бортовых сонаров и акустических модемов за счет снижения помех самошумов.

Более низкое техническое обслуживание и повышенная надежность

При малом количестве движущихся частей и отсутствии уплотнений для гидравлической жидкости высокого давления электрические двигательные установки требуют менее частого обслуживания по сравнению с гидравлическими или механическими приводами. Электродвигатели могут работать в течение тысяч часов без замены щетки или замены масла. Отсутствие гидравлической жидкости также исключает риск загрязнения окружающей среды от утечек. В отдаленных глубоководных операциях, где транспортное средство может находиться в тысячах километров от ремонтного объекта, эта надежность является значительным эксплуатационным преимуществом.

Масштабируемость и модульность

Электрические двигатели могут быть масштабированы от небольших микро-ROV (до 10 кг) до сверхбольших глубоководных горнодобывающих транспортных средств (более 100 тонн) с использованием двигателей с различными показателями мощности. Одна и та же архитектура управления и технология батареи могут быть повторно использованы на разных платформах, что снижает затраты на разработку и требования к обучению. Модульные электрические силовые установки позволяют легко заменять или модернизировать отдельные двигатели без разборки основных транспортных средств.

Источники энергии для электрического движения

Плотность энергии, плотность мощности и безопасность источника питания напрямую определяют выносливость, глубину и эксплуатационный профиль глубоководного робота.Сегодня используются три основных класса источников питания: аккумуляторные батареи, топливные элементы и гибридные системы. Развивающиеся технологии, такие как суперконденсаторы и сбор энергии, также начинают находить нишевые применения.

Литий-ионные батареи: рабочая лошадка

Литий-ионные (Li-ion) батареи доминируют в современной глубоководной робототехнике, предлагая плотность энергии 200-300 Втч / кг при давлениях до 600 бар. Пакеты высокой емкости построены из цилиндрических 18650 или призматических ячеек, собранных в серийно-параллельных конфигурациях и заключенных в корпусах с устойчивостью к давлению, заполненных маслом. Например, AUV использует 16 кВтч литий-ионную батарею для обеспечения выносливости до 20 часов на глубине 4500 метров. Достижения в химии литий-железофосфата (LFP) обеспечивают улучшенную термостабильность и более длительный срок службы, критически важный для повторных глубоких погружений.

Твердотельные батареи: следующий рубеж

Твердотельные батареи заменяют жидкий электролит твердым керамическим или полимерным электролитом, что позволяет повысить плотность энергии (потенциал 400-500 Втч / кг) и устранить риски воспламеняемости. Хотя прототип твердотельных батарей все еще находится в разработке, они были успешно протестированы при давлениях, эквивалентных 11 000 метров глубины. Исследователи из Японского агентства по науке и технологиям морской Земли (JAMSTEC) продемонстрировали твердотельную литиевую батарею, питающую небольшой глубоководный планер в течение более 15 часов. Широкое внедрение может удвоить продолжительность миссии AUV без увеличения веса батареи.

Топливные элементы: высокая плотность энергии для расширенных миссий

Водородно-кислородные топливные элементы предлагают в три-пять раз большую плотность энергии литий-ионных батарей, что делает их идеальными для длительных миссий (от дней до недель). Автономный подводный аппарат URV-MAP, разработанный Токийским университетом, использует полимерный электролитный топливный элемент мощностью 200 Вт с накоплением сжатого водорода для достижения 96-часовой выносливости на глубине 1000 метров. Проблемы включают хранение водорода (суда давления или гидриды металлов), управление водой и сложность системы. Тем не менее, топливные элементы все чаще используются в военных и обзорных AUV, требующих расширенного диапазона.

Уборка энергии из океана

Некоторые глубоководные роботы дополняют свой основной источник питания технологиями сбора энергии. Солнечные панели могут заряжать батарею, когда автомобиль поверхностей, как видно в Wave Glider и некоторых прибрежных AUV. Океан тепловой энергии преобразования (OTEC) использует разницу температур между теплой поверхностной водой и холодной глубокой водой для производства электроэнергии—концептуально продемонстрировано Slocum тепловой планер . Однако эти методы сбора обеспечивают только низкие уровни мощности (десятки ватт в большинстве случаев) и не достаточны для высокоскоростной двигатель; они служат для продления резервной или только датчик работы.

Проблемы, с которыми сталкивается электрическое движение в глубоководных роботах

Несмотря на многочисленные преимущества, технология электродвигателей должна преодолеть ряд серьезных проблем, связанных с глубоководной средой.

Гидростатическое давление и целостность печати

На глубине 6000 метров давление превышает 600 бар (60 МПа). Электродвигатели и их электронные контроллеры должны размещаться в устойчивых к давлению корпусах (обычно титановых или керамических) или масляных камерах с балансировкой давления. Конструкции PBOF позволяют внутреннему маслу уравниваться с давлением окружающей среды, что позволяет использовать стандартные компоненты двигателя, рассчитанные только на мелководье, но требуют тщательного управления вязкостью масла и тепловым расширением. Отказ печати на глубине может вызвать катастрофическое затопление. Исследования передовых уплотнений вала и магнитных связей продолжают повышать надежность.

Пределы плотности энергии

Текущая технология аккумуляторов обеспечивает достаточную энергию для миссий, длящихся десятки часов, но не для недельных трансокеанических исследований или глубоководных горных кампаний, которые могут потребовать месяцев непрерывной работы. Топливные элементы предлагают более высокую плотность энергии, но вводят сложность хранения водорода и управления водой. Фундаментальный предел электрохимического хранения (около 500 Втч / кг для литий-воздушных батарей) по-прежнему не достигает плотности энергии углеводородного топлива (12 000 Втч / кг), которые непрактичны для герметичного глубоководного использования из-за требований к выхлопным газам. Гибридные системы, объединяющие батареи и топливные элементы или суперконденсаторы для пиковой мощности, изучаются.

Термическое управление в условиях высокого давления

Электродвигатели и силовая электроника вырабатывают отработанное тепло, которое необходимо рассеивать. В глубокой воде подавляется естественная конвекция, а высокая теплопроводность морской воды не может быть полностью использована, поскольку двигатель изолирован в герметичном корпусе. Для двигателей большой мощности (выше 10 кВт) требуются активные системы охлаждения с использованием внутренней циркуляции масла с внешними теплообменниками. Для маломощных транспортных средств достаточно пассивной проводимости к раме транспортного средства или к выделенной тепловой массе. Эффективное управление теплом продлевает срок службы компонентов и предотвращает снижение производительности.

Коррозия и биообрастание

Морская вода очень коррозионна для металлов и многих полимеров. Электродвигатели и разъемы должны быть защищены коррозионностойкими материалами (титан, нержавеющая сталь 316L, Monel) или покрытиями (никель-керамические композиты). Биопулирование - накопление ракушек, водорослей и других организмов - может ухудшить характеристики двигателя и увеличить сопротивление. В то время как глубоководные роботы остаются ниже эйфотической зоны для большей части своей миссии, они должны выживать в течение длительных периодов поверхностного транзита во время запуска и восстановления. Антиобрабатывающие покрытия и протоколы периодической очистки являются частью стандартного обслуживания.

Глубоководные роботы реального мира, использующие электрическое движение

ROV Jason (Океанографическое учреждение Вудс-Хоул)

ROV Jason — глубоководный научный ROV, рассчитанный на глубину 6500 м. Его электрическая двигательная система состоит из семи 7,5 кВт бесщеточных двигателей постоянного тока (четыре горизонтальных, три вертикальных), которые обеспечивают точное управление для отбора проб, визуализации и развертывания приборов. Двигатели Джейсона компенсируют давление, заполненное маслом, что позволяет работать на полной глубине без проникновения сосудов под давлением. Транспортное средство привязывается через волоконно-оптический кабель, который питает электрические двигатели от генераторов поверхностного корабля. Джейсон использовался для изучения гидротермальных вентиляционных экосистем, геологии морского дна и крушения Титаника RMS.

AUV Sentry (Океанографическое учреждение Вудс-Хоул)

Sentry AUV — это автономный глубоководный автомобиль, способный отображать морское дно на глубинах до 4500 метров. Он использует два электрических двигателя мощностью 1,5 кВт для передней тяги и четыре вертикальных двигателя мощностью 0,75 кВт для управления глубиной, все приводимые в движение литий-ионными аккумуляторными батареями. Электрическая тяга Sentry позволяет ему поддерживать скорость обзора 0,5-1,5 узла с многолучевым гидролокатором высокого разрешения, акустическими допплеровскими профилирующими токами и камерами. Его продолжительность до 22 часов позволяет ему преодолевать более 100 км на погружение.

Гибридный ROV/AUV Nereid Under Ice (WHOI)

Nereid Under Ice (NUI) представляет собой гибридный ROV/AUV, предназначенный для разведки под шельфовыми ледниками. Он может работать как несвязанный AUV для широких обзоров или как привязной ROV для видео высокой пропускной способности и отбора проб. Его электрическая двигательная установка использует восемь двигателей (четыре горизонтальных, четыре вертикальных), питаемых литий-ионной батареей мощностью 16 кВтч. NUI проводил миссии под арктическим морским льдом и более мелкими ледяными шельфами Антарктиды, полагаясь на тихие электрические двигатели, чтобы избежать нарушения деликатных подледных экосистем.

Будущее и новые тенденции

Беспроводная индуктивная зарядка и стыковка

Для продления продолжительности миссии без поиска исследовательские группы разрабатывают подводные док-станции, которые могут передавать энергию по беспроводной сети с использованием индуктивной связи. AUV, такие как Tethys и SeaEye , продемонстрировали успешную стыковку и зарядку на мелководье. Если развернуты на глубине, эти станции могут обеспечить постоянное роботизированное присутствие для долгосрочного мониторинга глубоководных процессов, таких как просачивание метана, изменчивость температуры и сейсмическая активность. Индуктивная зарядка позволяет избежать проблем электрических разъемов с влажным соединением и обеспечивает полностью автономные циклы перезарядки.

Интегрированный ИИ для оптимального управления питанием

Алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения интегрируются в планировщики миссий для оптимизации использования энергии движения на основе океанских течений, плотности воды и приоритетов миссии. AUV может регулировать свою скорость и направление в режиме реального времени, чтобы минимизировать потребление энергии, как планер, но с активной тягой. Этот подход, называемый «планированием пути с учетом энергии», как было показано, снижает расход батареи до 30% в симуляциях. В сочетании с высокоточными моделями океана, это позволит AUV преодолевать большие расстояния, такие как Тихий океан, без повторного пополнения.

Гибридные электрические гидравлические системы

Для задач с очень высокой силой, таких как глубоководное бурение или манипулирование тяжелыми объектами, чистое электрическое приведение в действие может еще не обеспечить достаточную плотность крутящего момента. Гибридные системы - с использованием электродвигателей для привода гидравлического насоса, который питает исполнительные механизмы - предлагают компромисс. Электрический двигатель работает в своей оптимальной точке эффективности, в то время как гидравлическая система обеспечивает высокую пиковую мощность в течение коротких периодов времени. Этот подход исследуется для будущих глубоководных горнодобывающих транспортных средств и кабельных ROV, где необходимы как выносливость, так и грубая сила.

Продвинутые материалы для легкого движения

Аддитивное производство (3D-печать) металлических корпусов двигателей, пропеллеров и корпусов под давлением может снизить вес и обеспечить сложные геометрии, которые улучшают гидродинамику. Например, пропеллеры с решетчатой структурой, напечатанные из титанового сплава, могут поддерживать прочность при одновременном снижении массы на 40%, непосредственно увеличивая грузоподъемность или выносливость. Углеродно-волокнистые полимерные пропеллеры уже используются ограниченно, но должны быть тщательно оценены для долгосрочной деградации морской воды.

Глубоководное хранение энергии за пределами батарей

В долгосрочной перспективе исследователи изучают хранение энергии с использованием материалов с фазовым изменением (PCM) или сжатого воздуха в гибких мочевых пузырях для недорогой, долгосрочной мощности. Хотя они вряд ли заменят батареи для мощной силовой установки, они могут заменять батареи датчиков или низкоскоростные планеры в течение нескольких месяцев. Система на основе PCM будет использовать температурный градиент между теплой поверхностной водой и холодной глубокой водой для многократного плавления и затвердевания воскового материала, приводя небольшую турбину для выработки электроэнергии - концепция, которая тестируется Институтом океанографии Скриппса ].

Электрическое движение как основа для открытия океана

Электрическая тяга стала стандартом для передовых глубоководных роботов, предлагая непревзойденную эффективность, точность и надежность в самых экстремальных условиях планеты. От высоконадежных двигателей ROV, таких как Джейсон, до автономного управления Sentry и Nereid Under Ice, электродвигатели позволили открытия, которые были невообразимы всего поколение назад - от активных хемосинтетических экосистем на 4000 метров до замороженных ландшафтов под антарктическими шельфовыми ледниками. Проблемы давления, плотности энергии и управления температурой продолжают стимулировать инновации в материалах, энергетических системах и алгоритмах управления. По мере того, как беспроводная зарядка, оптимизированная для ИИ навигация и гибридные энергетические системы созревают, следующее поколение глубоководных роботов будет исследовать дольше, глубже и более автономно, чем когда-либо прежде. Для тех, кто стремится понять последние границы океана, электрическая тяга - это не просто удобство - это ключ, который открывает глубину.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к следующим ресурсам: Woods Hole Oceanographic Institution — Underwater Vehicles, IEEE — Electric Propulsion System for Deep-sea AUVs, NOAA Ocean Exploration — AUV Technology, и ScienceDirect — Energy Storage Systems for Underwater Vehicles.