Разработка и исследование основ построения энергетических систем подводных аппаратов

Энергетическая обеспеченность ПА является важнейшим показателем, определяющим его возможности и эффективность использования. Система энергообеспечения НПА выполняет две функции: во-первых, обеспечивает НПА достаточным уровнем электроэнергии, во-вторых, обеспечивает режимы минимизации потребления электроэнергии. Основным аспектам этих двух функций посвящены исследования настоящей диссертационной работы.

Каждый из существующих типов ПА, автономные и привязные, по-своему зависят от энергетического обеспечения. Автономные — от энергоёмкости энергоносителей, привязные — от совершенства передачи и преобразования энергии, способности энергосистемы обеспечивать пиковые нагрузки.

С другой стороны эффективность работы энергосистемы, её экономические показатели потребления энергии в существенной степени определяются, во-первых, конструктивным совершенством ПА и, во-вторых, режимами плавания и маневрирования у дна.

Подводные аппараты всех типов можно рассматривать как функционирующее под водой устройство, которое с позиции системотехники представляет собой единство конструкции, энергии и информации. В порядке уточнения можно добавить, что автономные необитаемые подводные аппараты представляют собой класс многомерных систем с избыточностью, которая обеспечивает им адаптацию и минимизирует потребляемую энергию. Нужно заметить, что чем выше вообще адаптационные свойства ПА, тем в более недетерминированной среде он способен действовать, не требуя увеличения расхода энергии.

Конструктивное совершенство оказывается интегральной характеристикой. Так для автономных ПА оно существенно определяется движитель-ным комплексом и местом расположения движителей, их избыточностью, типом силового привода и его экономичностью. Для привязных ПА — (ТПА) движительный комплекс так же оказывается определяющим, однако заметное влияние на энергосистему оказывает и система управления пространствведение венным движением и маневрированием. Поскольку весь процесс движения и маневрирования сводится к движению к цели (первый режим) и к маневрированию у цели (второй режим) формирование стратегии управления каждым режимом способно заметно снизить нагрузки на систему энергоснабжения ТПА. При этом финальная часть второго режима — динамическое позиционирование требует особенно тщательных размышлений и остроумных решений, поскольку от его совершенства — способности надежно стабилизировать ТПА у объекта работ — коренным образом зависит все рабочие функции выполняемые аппаратом.

Идеологическая нагрузка на движительный комплекс в основном концентрируется на выборе числа, расположения движителей, на выборе целесообразной избыточности. Это принципиальные вопросы, решению которых посвящено не так много работ [7, 10, 11, 22, 27, 35].

В диссертационной работе использованы и проанализированы их результаты.

Выбор стратегии управления ПА как многомерным объектом требует решения многих вопросов и в частности важнейшим оказывается понятие целенаправленного движения ПА. Принятие этой идеологии формулирует и соответствующие решения по структуре движительного комплекса, способах и технических средствах, используемых для выработки команд управления.

Исследованию этих вопросов посвящено значительно большее число работ [50, 55, 56, 57, 59, 60, 61, 62, 63]. Их результаты также тщательно проанализированы в диссертационной работе.

Для привязных ПА (ТПА, БПА), важнейшее значение приобретает система преобразования и передачи электроэнергии по кабелю, часто значительной протяженности (до 8000 м для глубоководных ПА). Выбор требуемых мощностей существенно определяет массогабаритные характеристики не только самого ПА, но и кабеля, спускоподъемного устройства и в конечном итоге — судна обеспечения.

введение

.

Нужно заметить, что по этому вопросу, не существует каких либо конкретных рекомендаций, а аналитические подходы находятся в стадии развития [34, 36, 37, 41, 43, 45, 46]. Анализ характеристик созданных аппаратов при этом показывает, что часто при проектировании ПА закладывается завышенная мощность потребляемой электроэнергии, поскольку этот параметр выбирается исходя из эмпирических или волевых соображений.

Наконец важнейшее значение имеет выбор способа передачи электроэнергии по кабелю. Здесь центральным становится вопрос помеховлияния энергетического канала на чрезвычайно чувствительные каналы передачи информации, управления и телеметрии.

Основополагающих исследований и рекомендаций по применению конкретного типа систем передачи и преобразования энергии не существует, но известна достаточно представительная масса работ с описанием достоинств и недостатков принятых, построенных и испытанных систем передачи и преобразования электроэнергии [21, 25, 26, 27, 32, 36, 37, 41,43, 45, 46].

Единого мнения о целесообразной структуре системы передачи и преобразования энергии пока в известных автору публикациях не обнаруживается.

В результате проведенного анализа автор диссертационной работы пришел к выводу, что именно эти три отмеченные в работе принципиальных фактора заметно влияют на характеристики и эффективность систем энергоснабжения ПА и, в конечном счете, на успешность их применения.

Нужно заметить, что обобщающих работ по проблеме энергообеспечения ПА известно крайне мало. Одна их них была опубликована приблизительно 20 лет назад и содержит конкретный материал 30-ти летней давности.

В тоже время она отличается полезными обобщениями и выводами, не потерявшими актуальности до сего времени.

Большинство же работ посвящено рассмотрению конкретных электросистем для конкретных ПА.

введение

.

По этому, по нашему мнению, в связи с бурным развитием ПА, которое наблюдается в настоящее время, становится актуальным рассмотрение с помощью системного подхода общих и принципиальных положений концепции построения энергосистем ПА различных типов и сфер применения.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование основ построения энергетических систем подводных аппаратов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

Анализ основных факторов, влияющих на выбор характеристик энергетической системы существующих типов ПА.

Анализ и оценка степени влияния систем ПА на параметры энергетической системы.

Анализ влияния режимов работы ПА на параметры энергетической системы.

Исследование влияния структуры и степени избыточности движи-тельного комплекса, идеологии управления маневрированием, типа и структуры системы передачи энергии на структуру энергетической системы ПА.

Формирование типов и структуры энергетической системы в зависимости от типа ПА и особенности их построения.

Экспериментальное подтверждение результатов проведенных исследований и технической реализации ПА.

Положения, выносимые на защиту.

1. Принципы формирования структуры ПА различных типов, определяющих минимальное их энергопотребление.

2. Метод определения достаточной избыточности движительного комплекса, обеспечивающей экономное энергопотребление.

3. Основы формирования стратегии и тактики целенаправленного 0 управления, обеспечивающего минимизацию энергопотребления.

4. Методика анализа и синтеза систем энергообеспечения ПА различных типов.

введение

.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке основ построения систем энергообеспечения ПА, обеспечивающих минимальное энергопотребление на основе использования избыточности движительного комплекса и принципа целенаправленного управления пространственным движением ПА, тактики построения движения.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы и задач исследований, разработанных принципиальных теоретических положений, реализации алгоритмических и схемных решений, доведения до практической реализации систем энергообеспечения в ПА различных типов (МАНТА-1500, ЗВУК 4, ЗВУК-ГЕО, ЛОКСОДРОМИЯ, СКАТ, СКАРУС, ВИЗИТ, КАЛАН, МАЛЕК, ТРИТОН).

Практическая ценность работы состоит в создании принципиальных подходов к построению систем энергообеспечения ПА, обеспечивающих минимальное их энергопотребление, в практическом создании систем энергообеспечения ПА различных типов.

Область применения результатов включает.

Проектирование и создание систем энергообеспечения ПА различных типов на основе новой идеологии.

Создание движительного комплекса ПА с достаточной избыточностью, обеспечивающей экономичность ПА.

Использование алгоритма целенаправленного движения ПА для достижения минимального их энергопотребления.

Апробация работы. Результаты исследований и практической реализации неоднократно докладывались на Всесоюзных, Всероссийских, Отраслевых конференциях:

1. XIV Тихоокеанский научный конгресс М., 1979,.

2. Всесоюзная конференция в Геленджике. Апрель 1979 г.

3. Конференция молодых ученых ИОАН 1979 г.

4. Всесоюзная конференция в Геленджике. 04. 1980 г.

5. Конференция молодых ученых ИОАН 1981 введение.

6. Всесоюзная конференция в Геленджике. Апрель 1982 г.

7. II Всесоюзный съезд океанологов. 1982 г.

0 8. Всесоюзная конференция в Геленджике. Апрель 1983 г.

9. Всесоюзная конференция в Геленджике. 1985 г.

10. III-е Всесоюзное научно-техническое совещание «Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей» .

11. Всесоюзная школа «Технические средства и методы исследования мирового океана». Москва, 1987 г.

12. Всесоюзное совещание «Технические средства и методы изучения океанов и морей», Москва, 1989,.

13. Всесоюзная школа по техническим средствам изучения океана. Геленджик апрель 1989 г.

14. VIII Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» Москва ИО РАН 2003 г. т.

Заключение

.

По выполненным исследованиям и полученным результатам могут быть сделаны следующие выводы:

1. Проведенный анализ показал, что характеристики энергетической системы необитаемых подводных аппаратов существенно зависят от структурных особенностей их построения и режимов действий под водой при достижении объекта работы с ним.

2. Минимизация энергопотребления всеми типами НПА является одной из важнейших задач, решение которой приводит к снижению массо-габаритных показателей НПА и всей обеспечивающей инфраструктуры.

3. Энергопотребление автономных и телеуправляемых ПА в существенной степени зависит от алгоритма и программы движения ПА к объекту работ и у донной поверхности и может заметно минимизироваться, если происходит опережающее планирование траектории движения и обхода препятствий.

4. Избыточность движительного комплекса НПА (ТПА, АПА) обеспечивает выбор векторов упоров так, что бы результирующая управляющая сила и момент имели значения, минимизирующие общее потребление энергии.

5. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, процесс адаптации автономных и телеуправляемых ПА к параметрам среды и рельефу дна в сочетании с избыточностью движительного комплекса и алгоритмом позволяет сократить расход энергии на движение.

6. Теоретические результаты диссертационной работы подтверждены экспериментальными исследованиями, выполненными в процессе создания и эксплуатации НПА Института океанологии: «МАНТА-1500», «ЗВУК-4», «ЗВУК-6», «ЛОКСОДРОМИЯ», «СКАТ», «СКАРУС», «ПОМОР». ВНИПИМорнефтегаз: «ВИЗИТ». ИТЦ «Глубина»: «КАЛАН». ОАО «Подводные Аппараты Акустические Приборы» «Малек», «Тритон».