Способ управления плавучестью подводного аппарата робота-зонда
Владельцы патента RU 2482001:
Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (RU)
Изобретение относится к технике подводных исследований в океанологии и синоптике. Робот-зонд включает корпус с прочной цилиндрической камерой. Камера содержит генератор газового давления с управляемым клапаном разгрузки и поршень. Поршень перемещается под давлением и опирается с одной стороны на возвратную пружину, а с другой стороны поршня смонтирован пороховой газогенератор давления в виде кругового барабана с пороховыми патронами и механизмом инициации их воспламенения. Пружина размещена между поршнем и торцевой стенкой в цилиндрической камере. В камере выполнено отверстие для сообщения с забортной водой. Воспламенение происходит по команде микроконтроллера управления циклами погружения-всплытия. Для фиксации поршня в верхней точке установлен пружинный фиксатор. Способ управления плавучестью подводного аппарата заключается в изменении его водоизмещения путем воздействия на изменяемую геометрию водоизмещающего объема давлением газа. Плавучесть увеличивают, увеличивая водоизмещающий объем давлением пороховых газов, сжигая в объеме навеску пороха. Уменьшают плавучесть, уменьшая объем, стравливая из него пороховой газ. Достигается простота конструкции, независимость от температуры окружающей воды и увеличение управляемого водоизмещения, что позволяет повысить эффективность научных исследований. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к технике подводных исследований в океанологии, океанографии и синоптике. Оно может быть использовано при создании и разработке гидрологических, синоптических и океанологических подводных аппаратов-глайдеров, автоматических сканирующих роботов-зондов и автоматических гидрологических буев, а также техники спасения под водой.
Известен способ управления плавучестью подводного аппарата [1], заключающийся в изменения его водоизмещения путем принятия или откачивания жидкости в балластную емкость, предварительно заполненную газом под давлением на рабочем горизонте. Известно, также, и устройство осуществления этого способа [1], содержащее балластную эластичную емкость, рабочую жидкость и насос для перекачивания жидкости.
Известные способ и устройство предназначены для работы лишь на заданном горизонте и не пригодны для значительных вертикальных перемещений, так как требуют значительного запаса электрической энергии для перекачивания жидкости при вертикальных маневрах. Это является серьезным недостатком и ограничивает применимость известных решений.
Наиболее близким предлагаемому является решение [2] - способ управления плавучестью подводного аппарата, заключающийся в изменении его водоизмещения путем воздействия на управляемую геометрию водоизмещающего объема давлением газа. Известно и устройство для его осуществления [2], включающее корпус с прочной цилиндрической камерой, содержащей генератор газового давления с управляемым клапаном разгрузки и поршень, перемещающиеся под давлением.
Известное решение также не свободно от недостатков, так как его генератор зависит от температурного градиента верхних и нижних слоев морских вод, который требует большого времени для прогрева газогенератора. При сезонном падении градиента (в зимние месяцы), известное решение может быть, вообще, не употребимо. Не употребимо оно также в высоких широтах, где температура верхних слоев воды не велика даже летом, не говоря уже о ледовитых морях и океанах. Величина управляемого водоизмещения здесь зависит от конечной температуры верхнего слоя воды.
Предлагаемое решение позволяет избежать указанных недостатков связанных с термической зависимостью от температуры окружающей воды, а также получать значительный выигрыш в величине управляемого водоизмещения.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления плавучестью подводного аппарата, заключающимся в изменении его водоизмещения путем воздействия на изменяемую (управляемую) геометрию водоизмещающего объема давлением газа, увеличивая плавучесть - увеличивают водоизмещающий объем давлением пороховых газов, сжигая в этом объеме навеску пороха, а уменьшая плавучесть, уменьшают объем, стравливая из него газ.
Увеличенный давлением пороховых газов водоизмещающий объем фиксируют жесткой управляемой геометрией объема, при этом часть энергии давления расширения пороховых газов аккумулируют в энергию деформации возвратной пружины, а при уменьшении плавучести освобождают фиксацию объема и выдавливают газ наружу через управляемый клапан разгрузки силой возвратной пружины.
Для осуществления способа применяют устройство - робот-зонд, включающий корпус с прочной цилиндрической камерой, содержащей генератор газового давления с управляемым клапаном разгрузки и поршень, перемещающиеся под давлением, который опирается, с одной стороны, на возвратную пружину, размещенную между поршнем и торцевой стенкой в цилиндрической камере, в которой выполнено отверстие для сообщения с забортной водой, а с другой стороны поршня смонтирован пороховой газогенератор давления в виде кругового барабана с пороховыми патронами и механизмом инициации их воспламенения, по команде микроконтроллера управления циклами погружения-всплытия, при этом для фиксации поршня в верхней точке установлен пружинный фиксатор.
Круговой барабан выполнен в виде револьверного привода смены патронов за счет реактивной силы пороховых газов, а для инициации ружейного капсюля в патроне применен электромагнитный ударный боек.
Возможность реализации.
Сущность изобретения разъясняется схематичным чертежом Фиг.1а и б, где показана работа подводного аппарата робота-зонда с блоком управляемой плавучести: а) в режиме погружения и б) в режиме всплытия. Здесь стрелками V показано направление движения сканирующего подводного аппарата вдоль троса 1, проходящего в направляющих 2. В корпусе аппарата 3 закреплена прочная цилиндрическая камера 4 с дренажным отверстием 5 в верхней стенке и управляемым клапаном разгрузки 6 для сброса давления, производимого газогенератором 7, действующим на поршень 8, который с другой стороны опирается на возвратную пружину 9. Пороховой газогенератор давления 7 выполнен в виде кругового барабана 10 с пороховыми патронами 11 и устройством инициации воспламенения 12, которое может быть ударным электромагнитным или посредством ружейного капсюля в патроне. Инициация воспламенения осуществляется по команде микроконтроллера 13 управляющего циклами погружения-всплытия робота-зонда. Блок электропитания 14 обеспечивает питанием микроконтроллер 13, блок 15 зондирующих датчиков: температуры, давления и солености, а также устройство инициации. В верхней части цилиндрической камеры выполнен пружинный фиксатор 16 поршня в верхней точке, а над камерой в корпусе робота-зонда расположена уравновешивающая плавучесть 17.
Способ управления плавучестью подводного аппарата робота-зонда работает следующим образом. Аппарат, нанизанный на трос 1 в направляющих 2, сканирует вдоль троса, между якорем на дне и поплавком на поверхности воды под действием переменной разности сил веса и водоизмещения. При этом изначально его вес в воде G≥W - водоизмещения. Что обеспечивает движение аппарата вниз - ко дну. При достижении определенной глубины датчик давления 15 вырабатывает сигнал на микроконтроллер 13, который через устройство инициации 12 воспламеняет пороховую навеску в одном из патронов 11, расположенном в обойме газогенератора 10. Пороховые газы, обладая высокой температурой и давлением, заполняя объем под поршнем 8, воздействуют на него давлением и перемещают его в камере (Фиг.1б), сжимая возвратную пружину 9, на которую поршень опирается с другой стороны. Сжав пружину 9, поршень 8 фиксируется фиксатором 16, для удержания его в верхней точке, если давление пороховых газов упадет вследствие длительного охлаждения в процессе всплытия, например, глайдера. Перемещаясь, поршень преодолевает гидростатическое давление воды на горизонте дна и выдавливает ее через дренажное отверстие 5. С этого момента водоизмещение больше веса G≤W и робот-зонд начинает движение вверх до следующей команды датчика давления о достижении верхнего горизонта. После чего микроконтроллер открывает фиксатор 16 и одновременно открывает управляемый клапан разгрузки 6 для стравливания давления пороговых газов. После падения давления в камере 4 возвратная пружина 9 силой F≥F трения перемещает поршень 8 в нижнее положение, а микроконтроллер закрывает клапан 6. С этого момента вес аппарата в воде становится больше его водоизмещения G≥W, и он начинает погружаться. Для того чтобы аппарат погружался на скорости удобной для измерений (до 1 м/с) по вертикали, его вес в воде G должен превышать водоизмещение W, как правило, от 0,1 до 0,5 кг в зависимости от сопротивления формы корпуса. Для всплытия необходимо, соответственно, такое же избыточное водоизмещение. Для изменения водоизмещения поршень должен увеличить объем камеры на величину W, совершая при этом работу A против сил гидростатического давления P, которая равна энергии от сгорания g грамм пороха с удельной энергией q:
A=P×W=Q=q×g.
Например, для сканирования реального «разреза» - толщи воды по вертикали глубиной 0,5 км, 1 км и 2 км роботом-зондом с газогенератором на основе бездымного пироксилинового пороха и удельной энергией взрыва q=1300 кал/г, для изменения водоизмещения на 1 кг (≈1 л) потребуются навески, соответственно 0,9 г, 1,8 г и 3,6 г. Поршень, при сгорании этой навески, совершит перемещение и увеличит водоизмещение на 1000 см3. Однако следует заметить, что не вся выделенная сгоранием энергия идет на совершение внешней работы. Небольшая часть тепловой энергии 3-5% остается внутренней энергией пороховых газов. Ввиду ее малости на практике не учитывается, хотя из соображений запаса, навески следует взять: 1 г, 2 г и 4 г соответственно.
Патроны для газогенератора могут изготавливаться в специальных металлических гильзах, снабженных ударным или электроразрядным воспламенителем. Порох может быть, например, бездымный пироксилиновый ГОСТ 8660-80, или дымный охотничий, или артиллерийский. На практике требуются исследования на различных и меньших глубинах, тогда для целей газогенерации могут быть использованы холостые патроны охотничьих и армейских боеприпасов. В качестве устройства замены использованных зарядов для последующих циклов, может быть использовано такое же устройство, как в автоматическом самозарядном оружии. Таких надежных конструкций разработано множество, например револьверная система нагана (Webley-Fosbery), где реакция (отдача) истекающих газов используется для привода перезарядки. После завершения выполнения цикла работы заменяют обойму патронов в газогенераторе, и робот-зонд снова может совершать циклы погружений. Практическое изготовление цилиндрической камеры 4 и поршня 8 не представляют трудностей. Цилиндрическая камера может быть выполнена из нержавеющей трубы ГОСТ 9940-81 из материала 08Х18Н10Т, а поршень из сплава АМГ-6, легкий корпус 3 из стеклопластика на основе смолы ЭД-20, плавучесть 17 из сферопластика типа «Синтактик» или полистирольного пенопласта марки ПС; пружина, соответственно, из пружинной стали 65Г ГОСТ 14959-79 и покрашена корабельным суриком; микроконтроллер 13 может быть от фирмы Atmel Corp типа L293D, который соединяется с датчиками 15, управляемым клапаном 6 и фиксатором 16 водостойким кабелем через герморазъемы. Датчик давления 15 может быть выбран из серии РМР4000, а электромагнитный управляемый клапан 6 - фирмы Integrated Hydraulics серии S201. Аккумуляторная батарея 14 (например, из числа промышленных батарей никель-металлогидридных типа GP-1300FH-B), как и микроконтроллер 13, размещаются в прочном корпусе под защитой от горячих пороховых газов. Предлагаемое изобретение по сравнению с известными обладает значительной простотой и дешевизной, что позволяет резко снизить затраты на создание экспериментальной базы, а следовательно, позволит повысить эффективность научных исследований, обеспечивая их высокую производительность.
Источники информации
1. АС СССР №1519102 B63B 21/52 от 26.11.87 г.
2. Патент ФР №2124457 B63B 22/00; B63G 8/24 от 10.01.99 г.
1. Способ управления плавучестью подводного аппарата, заключающийся в изменении его водоизмещения путем воздействия на изменяемую (управляемую) геометрию водоизмещающего объема давлением газа, отличающийся тем, что, увеличивая плавучесть, увеличивают водоизмещающий объем давлением пороховых газов, сжигая в объеме навеску пороха, а уменьшая плавучесть, уменьшают объем, стравливая из него пороховой газ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличенный давлением пороховых газов водоизмещающий объем фиксируют жесткой управляемой геометрией объема, при этом часть энергии давления расширения пороховых газов аккумулируют в энергию деформации возвратной пружины, а при уменьшении плавучести освобождают фиксацию объема и выдавливают газ наружу через клапан силой возвратной пружины.
3. Устройство робота-зонда для осуществления способа по пп.1 и 2, включающее корпус с прочной цилиндрической камерой, содержащей генератор газового давления с управляемым клапаном разгрузки и поршень, перемещающиеся под давлением, отличающееся тем, что поршень опирается с одной стороны на возвратную пружину, размещенную межу поршнем и торцевой стенкой в цилиндрической камере, в которой выполнено отверстие для сообщения с забортной водой, а с другой стороны поршня смонтирован пороховой газогенератор давления в виде кругового барабана с пороховыми патронами и механизмом инициации их воспламенения по команде микроконтроллера управления циклами погружения-всплытия, при этом для фиксации поршня в верхней точке установлен пружинный фиксатор.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что круговой барабан выполнен в виде револьверного привода смены патронов за счет реактивной силы пороховых газов, а для инициации ружейного капсюля в патроне применен электромагнитный ударный боек.
