Pir 01 2016 by dimasonya1944

ÍÀÓ×ÍÎ-ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÆÓÐÍÀË Î ÏÐÎÁËÅÌÀÕ ÎÑÂÎÅÍÈß ÌÈÐÎÂÎÃÎ ÎÊÅÀÍÀ

ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÀß ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÀßÊÎËËÅÃÈß ÊÎËËÅÃÈß ÁÎÁÊÎÂ ÁÎÁÊÎÂ Âàëåðèé ÂàëåðèéÀëåêñàíäðîâè÷ Àëåêñàíäðîâè÷––

Ãëóáèíû îêåàíà - íàøà ãèãàíòñêàÿ ëàáîðàòîðèÿ

ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÛÉ ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÛÉÑÎÂÅÒ ÑÎÂÅÒ

ä.ò.í., ä.ò.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóòàâòîìàòèêè àâòîìàòèêè èèïðîöåññîâ ïðîöåññîâóïðàâëåíèÿ óïðàâëåíèÿÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÇËÎÁÈÍÀ ÇËÎÁÈÍÀ Íàäåæäà ÍàäåæäàÂëàäèìèðîâíà Âëàäèìèðîâíà–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóòïðîáëåì ïðîáëåì ìîðñêèõ ìîðñêèõòåõíîëîãèé òåõíîëîãèéÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÈËËÀÐÈÎÍÎÂ ÈËËÀÐÈÎÍÎÂ Ãåííàäèé ÃåííàäèéÞðüåâè÷ Þðüåâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóòïðîáëåì ïðîáëåì ìîðñêèõ ìîðñêèõòåõíîëîãèé òåõíîëîãèéÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÈÍÇÀÐÖÅÂ ÈÍÇÀÐÖÅÂ Àëåêñàíäð ÀëåêñàíäðÂÿ÷åñëàâîâè÷ Âÿ÷åñëàâîâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóòïðîáëåì ïðîáëåììîðñêèõ ìîðñêèõ òåõíîëîãèé òåõíîëîãèéÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÊÀÑÀÒÊÈÍ ÊÀÑÀÒÊÈÍ Áîðèñ ÁîðèñÀíàòîëüåâè÷ Àíàòîëüåâè÷ ä.ô.-ì.í., ä.ô.-ì.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóòïðîáëåì ïðîáëåì ìîðñêèõ ìîðñêèõòåõíîëîãèé òåõíîëîãèéÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÊÓÂØÈÍÎÂ ÊÓÂØÈÍÎÂ Ãåííàäèé ÃåííàäèéÅâãðàôîâè÷ Åâãðàôîâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,Äàëüíåâîñòî÷íûé Äàëüíåâîñòî÷íûé ôåäåðàëüíûé ôåäåðàëüíûéóíèâåðñèòåò, óíèâåðñèòåò,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÌÎÐÃÓÍÎÂ ÌÎÐÃÓÍÎÂ Þðèé ÞðèéÍèêîëàåâè÷ Íèêîëàåâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÒèõîîêåàíñêèé Òèõîîêåàíñêèéîêåàíîëîãè÷åñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò èíñòèòóòèì. èì.Â.È. Â.È.Èëüè÷åâà Èëüè÷åâà ÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÎÁÆÈÐÎÂ ÎÁÆÈÐÎÂ Àíàòîëèé ÀíàòîëèéÈâàíîâè÷ Èâàíîâè÷–– ä.ã.-ì.í., ä.ã.-ì.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÒèõîîêåàíñêèé Òèõîîêåàíñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèéèíñòèòóò èíñòèòóòèì. èì.Â.È. Â.È.Èëüè÷åâà Èëüè÷åâà ÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÀÊÓËÈ×ÅÂ ÀÊÓËÈ×ÅÂ Âèêòîð ÂèêòîðÀíàòîëüåâè÷ Àíàòîëüåâè÷–– àêàäåìèê àêàäåìèêÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÒèõîîêåàíñêèé Òèõîîêåàíñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèéèíñòèòóò èíñòèòóòèì. èì.Â.È. Â.È.Èëüè÷åâà Èëüè÷åâà ÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÁÛ×ÊÎÂ ÁÛ×ÊÎÂ Èãîðü ÈãîðüÂÿ÷åñëàâîâè÷ Âÿ÷åñëàâîâè÷–– àêàäåìèê àêàäåìèêÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóò äèíàìèêè äèíàìèêèñèñòåì ñèñòåìèèòåîðèè òåîðèèóïðàâëåíèÿ óïðàâëåíèÿÑÎ ÑÎÐÀÍ, ÐÀÍ, ã.ã.Èðêóòñê, Èðêóòñê,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÂÀÑÈËÜÅÂ ÂÀÑÈËÜÅÂ Ñòàíèñëàâ ÑòàíèñëàâÍèêîëàåâè÷ Íèêîëàåâè÷–– àêàäåìèê àêàäåìèêÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóò ïðîáëåì ïðîáëåìóïðàâëåíèÿ óïðàâëåíèÿèì. èì.Â.À. Â.À.Òðàïåçíèêîâà ÒðàïåçíèêîâàÐÀÍ, ÐÀÍ, ã.ã.Ìîñêâà, Ìîñêâà,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÂÅËÜÒÈÙÅÂ ÂÅËÜÒÈÙÅÂ Âàäèì ÂàäèìÂèêòîðîâè÷ Âèêòîðîâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,Ìîñêîâñêèé Ìîñêîâñêèéãîñóäàðñòâåííûé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé òåõíè÷åñêèéóíèâåðñèòåò óíèâåðñèòåòèì. èì.Í.Ý. Í.Ý.Áàóìàíà, Áàóìàíà, ã.ã.Ìîñêâà, Ìîñêâà,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÄÎËÃÈÕ ÄÎËÃÈÕ Ãðèãîðèé ÃðèãîðèéÈâàíîâè÷ Èâàíîâè÷–– ÷ë.-êîðð. ÷ë.-êîðð.ÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÒèõîîêåàíñêèé Òèõîîêåàíñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèé îêåàíîëîãè÷åñêèéèíñòèòóò èíñòèòóòèì. èì.Â.È. Â.È.Èëüè÷åâà Èëüè÷åâà ÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÊÅÁÊÀË ÊÅÁÊÀË Êîíñòàíòèí ÊîíñòàíòèíÃåîðãèåâè÷ Ãåîðãèåâè÷–– äîêòîð äîêòîðíàóê, íàóê,EvoLogics/Technische EvoLogics/TechnischeUniversit¸t, Universit¸t, àà ã.ã.Áåðëèí, Áåðëèí,Ôåäåðàòèâíàÿ ÔåäåðàòèâíàÿÐåñïóáëèêà ÐåñïóáëèêàÃåðìàíèÿ Ãåðìàíèÿ

ÊÐÅÍÈÍÃ ÊÐÅÍÈÍÃ Ãàíñ-Ìèõàýëü Ãàíñ-Ìèõàýëü–– äîêòîð äîêòîðíàóê, íàóê,çàñëóæåííûé çàñëóæåííûéïðîôåññîð, ïðîôåññîð, Saarland SaarlandUniversity, University,ã.ã.Ñààðáðþêêåí, Ñààðáðþêêåí, Ôåäåðàòèâíàÿ ÔåäåðàòèâíàÿÐåñïóáëèêà ÐåñïóáëèêàÃåðìàíèÿ Ãåðìàíèÿ

ÊÓÇÜÌÈÖÊÈÉ ÊÓÇÜÌÈÖÊÈÉ Ìèõàèë ÌèõàèëÀëåêñàíäðîâè÷ Àëåêñàíäðîâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèéìîðñêîé ìîðñêîé ãîñóäàðñòâåííûé ãîñóäàðñòâåííûéòåõíè÷åñêèé òåõíè÷åñêèéóíèâåðñèòåò, óíèâåðñèòåò, ã.ã.Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÊÓËÜ×ÈÍ ÊÓËÜ×ÈÍ Þðèé ÞðèéÍèêîëàåâè÷ Íèêîëàåâè÷–– àêàäåìèê àêàäåìèêÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóò àâòîìàòèêè àâòîìàòèêèèèïðîöåññîâ ïðîöåññîâóïðàâëåíèÿ óïðàâëåíèÿÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ, ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÍÀÓÌÎÂ ÍÀÓÌÎÂ Ëåîíèä ËåîíèäÀíàòîëüåâè÷ Àíàòîëüåâè÷–– ÷ë.-êîðð. ÷ë.-êîðð.ÐÀÍ, ÐÀÍ,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍÈíñòèòóò Èíñòèòóòïðîáëåì ïðîáëåììîðñêèõ ìîðñêèõ òåõíîëîãèé òåõíîëîãèéÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ,ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÑÅËÅÇÍÅÂ ÑÅËÅÇÍÅÂ Èãîðü ÈãîðüÀëåêñàíäðîâè÷ Àëåêñàíäðîâè÷–– ä.ò.í., ä.ò.í.,êîíöåðí êîíöåðí«Îêåàíïðèáîð», «Îêåàíïðèáîð»,ã.ã.Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÑÅÐÃÈÅÍÊÎ ÑÅÐÃÈÅÍÊÎ Âàëåíòèí ÂàëåíòèíÈâàíîâè÷ Èâàíîâè÷–– àêàäåìèê àêàäåìèêÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,Ïðåçèäèóì ÏðåçèäèóìÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ, Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÙÅÐÁÀÒÞÊ ÙÅÐÁÀÒÞÊ Àëåêñàíäð ÀëåêñàíäðÔåäîðîâè÷ Ôåäîðîâè÷–– ÷ë.-êîðð. ÷ë.-êîðð.ÐÀÍ, ÐÀÍ,ïðîôåññîð, ïðîôåññîð,ÔÃÁÓÍ ÔÃÁÓÍ Èíñòèòóò Èíñòèòóòïðîáëåì ïðîáëåììîðñêèõ ìîðñêèõòåõíîëîãèé òåõíîëîãèéÄÂÎ ÄÂÎÐÀÍ, ÐÀÍ, ã.ã.Âëàäèâîñòîê, Âëàäèâîñòîê,Ðîññèéñêàÿ ÐîññèéñêàÿÔåäåðàöèÿ Ôåäåðàöèÿ

ÏÐÀÂÈËÀ ÏÐÀÂÈËÀÄËß ÄËßÀÂÒÎÐÎÂ ÀÂÒÎÐÎÂ ÏÐÀÂÈËÀ ÄËß ÀÂÒÎÐÎÂ Æóðíàë “Ïîäâîäíûå èññëåäîâàíèÿ è ðîáîòîòåõíèêà” ïóáëèêóåò íàó÷íî-òåõíè÷åñêèå ñòàòüè, ïðîáëåìíûå, îáçîðíûå, äèñêóññèîííûå è ðåêëàìíûå ìàòåðèàëû ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì, îòíîñÿùèìñÿ ê òåõíè÷åñêèì ñðåäñòâàì èññëåäîâàíèÿ è îñâîåíèÿ îêåàíà, âêëþ÷àÿ ïîäâîäíûå àïïàðàòû, èõ ñèñòåìû è òåõíîëîãèè, ñðåäñòâà è ìåòîäû èññëåäîâàíèé ïîäâîäíîãî ïðîñòðàíñòâà è ìîðñêîãî äíà, ýêîëîãèþ è ìîíèòîðèíã âîäíîé ñðåäû, ìîðñêèå ýêñïåäèöèè, ïîäâîäíûå ïîèñêîâûå ðàáîòû, ãëóáîêîâîäíûå èñïûòàíèÿ è òåõíè÷åñêèå ýêñïåðèìåíòû. Âñå ìàòåðèàëû â æóðíàë íàïðàâëÿþòñÿ ïî àäðåñó: 690091, ã. Âëàäèâîñòîê, óë.Ñóõàíîâà, 5à, ÈÏÌÒ ÄÂÎ ÐÀÍ, ðåäàêöèÿ æóðíàëà, òåë. (423) 2-432-674, ôàêñ (423) 2-432-416, e-mail: kiselev@marine.febras.ru; imtp@marine.febras.ru Ïðè ïîäãîòîâêå ìàòåðèàëîâ, íàïðàâëÿåìûõ â æóðíàë, íåîáõîäèìî ðóêîâîäñòâîâàòüñÿ ñëåäóþùèìè ïðàâèëàìè. ÒÅÊÑÒÎÂÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ, ÑÒÀÒÜÈ Ðóêîïèñè ïðåäñòàâëÿþòñÿ â ýëåêòðîííîì âèäå ñ äîñòàâêîé ýëåêòðîííîé ïî÷òîé èëè íà ôèçè÷åñêîì íîñèòåëå. Ê ðóêîïèñè ïðèëàãàþòñÿ ýêñïåðòíîå çàêëþ÷åíèå î âîçìîæíîñòè îïóáëèêîâàíèÿ â îòêðûòîé ïå÷àòè è ïîëíûå êîíòàêòíûå äàííûå àâòîðîâ (ôàìèëèÿ, èìÿ, îò÷åñòâî, ó÷åíàÿ ñòåïåíü, ìåñòî ðàáîòû, äîëæíîñòü, òåëåôîí, ôàêñ, àäðåñ ýëåêòðîííîé ïî÷òû). Â ðóêîïèñè äîëæíû áûòü ñëåäóþùèå ñâåäåíèÿ: ÓÄÊ, íàçâàíèå ñòàòüè, àâòîðû, îðãàíèçàöèÿ, ðåôåðàò, êëþ÷åâûå ñëîâà (âñå, êðîìå ÓÄÊ è îðãàíèçàöèè, íà äâóõ ÿçûêàõ). Òåêñò âûïîëíÿåòñÿ â ðåäàêòîðå Microsoft Word øðèôòîì Times New Roman 12 êåãëÿ ñ îäèíàðíûì ìåæñòðî÷íûì èíòåðâàëîì. Âåñü ãðàôè÷åñêèé, èëëþñòðàòèâíûé ìàòåðèàë (ðèñóíêè, ôîòîãðàôèè è äð.) ïðåäñòàâëÿåòñÿ îòäåëüíûìè ôàéëàìè ñ èñïîëüçîâàíèåì ñòàíäàðòíûõ ãðàôè÷åñêèõ ôîðìàòîâ â öâåòíîì èëè ÷åðíîáåëîì âèäå. Âñå èëëþñòðàöèè äîëæíû ñîïðîâîæäàòüñÿ ñîîòâåòñòâóþùèìè ïîäïèñÿìè è îáîçíà÷åíèÿìè, ïîÿñíÿþùèìè èõ ñóòü, äåòàëè è ïðèâÿçêó ê òåêñòó ñòàòüè. Äëÿ ôîðìóë ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äâà ôîðìàòà: ôîðìóëû ñî ñëîæíûìè ñèìâîëüíûìè âûðàæåíèÿìè – â ðåäàêòîðå MathType, ñ ïðîñòûìè ñèìâîëàìè – â Word-å. Ñ ó÷åòîì îñîáåííîñòåé æóðíàëüíîãî ôîðìàòà ñëåäóåò èçáåãàòü ÷ðåçìåðíî äëèííûõ ìàòåìàòè÷åñêèõ âûðàæåíèé è ãðîìîçäêèõ ñõåì, ãðàôèêîâ, òàáëèö è äðóãèõ àíàëîãè÷íûõ èëëþñòðàöèé. Öèòèðóåìàÿ ëèòåðàòóðà ïðèâîäèòñÿ â ïîðÿäêå ññûëêè íà íåå â òåêñòå è îôîðìëÿåòñÿ ñîãëàñíî ÃÎÑÒ 7.1-2003. Îáúåì ðóêîïèñè íå äîëæåí ïðåâûøàòü, êàê ïðàâèëî, 20 ñòð. òåêñòà. Â îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ ðåäàêöèÿ äîïóñêàåò óâåëè÷åíèå îáúåìà äî 25 ñòð. Ðåäàêöèÿ ðåêîìåíäóåò ñîïðîâîæäàòü òåêñò çàãîëîâêàìè è ïîäçàãîëîâêàìè, îòðàæàþùèìè îòäåëüíûå ïîëîæåíèÿ ñòàòüè. Ïëàòà çà îïóáëèêîâàíèå ñòàòåé íå âçèìàåòñÿ. Подробную информацию по оформлению рукописей смотрите на сайте журнала «Подводные исследования и робототехника»: http://jmtp.febras.ru

• системы и технологии

УДК 551.46.07

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЛАВУЧЕСТИ И ДИФФЕРЕНТА АВТОНОМНОГО ПОДВОДНОГО РОБОТА Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий ДВО РАН1

В.А. Гой, В.В. Костенко

При создании автономного подводного робота, предназначенного для высокоточных измерений характеристик физических полей, решается задача построения системы динамического позиционирования с минимумом шумовых помех. В частности, это относится к синтезу системы регулирования плавучести и дифферента, обеспечивающей высокое качество управления (позиционирования) по глубине погружения при отсутствии шумов, влияющих на работу измерительных систем. При разработке такой системы был использован метод перекачивания рабочей жидкости из гидравлических контейнеров в емкости изменяемого объема. Целью исследований в данной работе является разработка конструктивного облика и алгоритмов управления системы, обеспечивающей экономное и бесшумное регулирование плавучести и угла дифферента подводного аппарата малого водоизмещения. При этом были определены требования к управляющим воздействиям на основе возможного разброса плотности воды и заданных диапазонов регулирования угла дифферента и скорости вертикального движения. Разработанная математическая модель системы учитывает экспериментальные характеристики привода и влияние глубины погружения на производительность насосов. Определены оптимальные характеристики электродвигателя и гидравлического насоса, соответствующих заданным значениям динамических параметров. Алгоритмы управления системой оперируют оценками перекачиваемых объемов рабочей жидкости в зависимости от числа оборотов насоса. Принятое конструкторское решение позволяет представить облик системы, интегрированной в структуру автономного подводного аппарата. Экспериментальный образец системы успешно прошел бассейновые и натурные испытания в составе АНПА, созданного в ИПМТ ДВО РАН в последние годы. В процессе этих испытаний выполнены калибровочные измерения системы в бассейне и подтверждена возможность бесшумной стабилизации глубины погружения подводного аппарата в натурных условиях.

ВВЕДЕНИЕ Отклонение остаточной плавучести морских подводных объектов от расчетного значения в натурных условиях обусловлено деформацией (обжатием) корпуса и изменением плотности воды, зависящей от глубины погружения, температуры и солености [1]. В отличие от вертикальных подруливающих движителей система регулирования плавучести и дифферента (СРПД) потребляет энергию и создает шум только в ходе кратковременной перекачки рабочей жидкости между прочным корпусом и внешними расширительными емкостями. Дополнительные требования к минимизации шумов, создаваемых 4

носителем высокочувствительных комбинированных приемников [2], предопределили необходимость в разработке малогабаритной СРПД АНПА. Наиболее популярные в настоящее время варианты СРПД, нашедшие практическое применение, показаны на рис. 1 [3, 4, 5]. Вариант реализации СРПД «насос–масло» более других удовлетворяет основным требованиям к эксплуатационной надежности при использовании на борту малогабаритного АНПА: •• исполнительные механизмы и элементы конструкции защищены от агрессивного воздействия морской воды; •• конструктивное исполнение имеет минимальные вес и габариты;

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

•• технические решения основаны на доступной элементной базе. Целью настоящей статьи является разработка конструктивного облика и алгоритмов управления СРПД, обеспечивающей экономное и бесшумное регулирование плавучести и угла дифферента подводного аппарата малого водоизмещения. Достижение поставленной цели требует последовательного решения следующих задач: •• определение требований к управляющим воздействиям СРПД; 1 690091, Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел/факс: (4232) 432416. E-mail: kostenko@ marine.febras.ru.

системы и технологии

Рис. 1. Варианты реализации изменения объемов системы регулирования плавучести: а – насос–забортная вода, б – насос–масло, в – поршень–масло, г – газ–забортная вода

•• выбор компоновочной схемы; •• разработка математической модели и алгоритмов управления СРПД; •• расчет параметров насосной станции; •• моделирование типовых режимов работы СРПД; •• разработка и испытание макетного образца СРПД.

Требования к управляющим воздействиям Выбор компоновочной схемы и значений максимальной емкости изменяемого объема СРПД определяется требованиями к диапазону регулирования остаточной плавучести Qr и моменту, действующему на носитель по дифференту MQ. Емкости изменяемого объема должны обеспечивать компенсацию изменения плотности морской воды в заданном диапазоне ρmin<ρsw<ρmax и «бесшумное» заглубление/всплытие с требуемой скоростью. При этом

Qr = Qρ + Qν, Qρ = (ρmax– ρmin)·g·Ua, Qv  C y (α ) ⋅

ρ max ⋅ V 2

2 yz

(1)

⋅ U a2 / 3 ,

где: Qρ – максимальное изменение плавучести аппарата при вариациях плотности воды в диапазоне ρmin<ρsw<ρmax; g – ускорение

свободного падения; Ua – водоизмещающий объем аппарата; Qv – дополнительная плавучесть, необходимая для вертикального «бесшумного» движения аппарата с заданной скоростью Vyz; Cy(α) – коэффициент гидродинамического сопротивления корпуса аппарата вертикальному движению с углом атаки α=90°. Угол дифферента определяется балансом момента остойчивости Mzo и момента MQ, действующего на аппарат со стороны СРПД (рис. 2). При этом Mzo = ρmax·g·ho·Ua·sinψ, MQ = ρmax·g· UΨ·lΨ ·cosψ, (2) h ⋅U Uψ  o a ⋅ tgψ , lψ

изменяемого объема. Режимы работы принятой схемы СРПД поясняет рис. 3. В соответствии с приведенной компоновочной схемой суммарная остаточная плавучесть аппарата с учетом СРПД будет QΣ = Qa + Qr = (ρsw·g·Ua – g·ma) + +ρsw·g·(Uк + Uн), (3)

где: ho – метацентрическая высота; lΨ – плечо момента MQ; UΨ –объем дифферентующей емкости СРПД. В табл. 1 сведены результаты расчета требований к управляющим воздействиям СРПД малогабаритного АНПА (Ua = 0,1 м3) при следующих исходных данных: ρmin = = 998 кг/м3, ρmax = 1050 кг/м3, g = = 9,8 м/с2, Cy(α) = 1,2, lΨ = 0,65 м, ho = 0,01 м, Ψ = 45°, Vyz = 0,3 м/с.

Компоновочная схема Регулирование плавучести ап парата и его статического дифферента обеспечивается компоновочной схемой с двумя емкостями

Рис. 2. Силы и моменты, определяющие угол дифферента аппарата

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Таблица 1. Результаты расчета требований к управляющим воздействиям СРПД (Ψ = ± 45°, Vyz = ± 0,3 м/с) Управляющее воздействие Значение Qρ = (ρmax – ρmin)·g·Ua, Н Qv  C y ( α ) ⋅

ρ max ⋅ V 2

2 yz

51,0 12,2

⋅ U a2 / 3 , Н

Qγ = Qρ + Qν, Н

Uψ 

ho ⋅ U a ⋅ tgψ , м3 lψ

63,2 0,0015

где: Qa – остаточная плавучесть аппарата; Qr – дополнительная плавучесть, создаваемая изменяющимися объемами СРПД; Uк, Uн – изменяемые объемы кормовой и носовой секций СРПД соответственно; mа – масса аппарата в кг. Для симметричного регулирования плавучести аппарата синхронным изменением объемов Uн и Uк в диапазоне от нуля до максимума Uмах необходимо обеспечить условие Qa = ρsw·g·Ua – g·ma = –ρsw·g·Umax, (4) где: Uмах – максимальное значение регулируемого объема каждой мембраны СРПД. Значения суммарной плавучести определяются соотношением, полученным в результате подстановки условия (4) в уравнение (3)

Рис. 3. Компоновочная схема СРПД с двумя емкостями изменяемого объема

Математическая модель и алгоритмы управления СРПД Функциональная схема СРПД, составленная с учетом формирования управляющих воздействий на аппарат в соответствии с уравнениями (3)–(6), и конструктивный облик СРПД представлены на рис. 4, 5. Каждая секция СРПД состоит из блока гидравлики, включающего в себя регулируемый электропривод с гидравлическим насосом, и эластичной мембраны изменяемого объема. С учетом допущения о постоянстве объемного КПД насоса регулирование объемов мембран Uн и Uк системы можно контролиро-

вать через измеренное число оборотов приводного электродвигателя по соотношению: (7) Ui = ηv·wн·Ni, где: ηv – объемный КПД насоса; wн – объем насоса в дм3/об; Ni – число оборотов насоса. Для принятой компоновочной схемы системы и с учетом (5)–(6) требуемые объемы секций, реализующие заданные значения плавучести QΣЗ и момента MQЗ, соответствуют уравнению Qзн 0 ,5 ⋅ (QΣЗ − Qa )  0 ,5 ⋅ Qзк 0,5 ⋅ (QΣЗ − Qa ) − 0,5 ⋅

QΣ = Qa + Qr = –ρsw·g·Umax +

+ ρsw·g·(Uк + Uн),

QΣmax = ρsw·g·Umax, при Uк = Uн = Umax;

(5)

QΣmin = –ρsw·g·Umax, при Uк = Uн = 0. При этом дифферентующий момент, создаваемый системой регулируемой плавучести,

MQ = lψ·ρsw·g·(Uн –Uк)·cosψ (6)

будет нулевым для любых значений синхронно изменяемых объемов Uк = Uн. 6

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Рис. 4. Функциональная схема СРПД

M Q3 lψ ⋅ cosψ M Q3

. lψ ⋅ cosψ (8)

системы и технологии

(10) |QΣЗ| ≥ Qсmax. С учетом регулируемого диапазона изменения плавучести каждой секции СРП заданное количество оборотов насоса Nзi вычисляется в соответствии со следующим выражением: Qзi N зi  , при 0<Qзi<Qc max; ρ ⋅ g ⋅ wн ⋅ηv

Nзi= 0, при Qзi≤ 0; (11) Nзi= Qc max , при Qзi≥ Qc max. Команды управления бесколлекторным электроприводом насосов ui соответствуют П – регулятору заданного числа оборотов и с учетом кода управления, ограниченного диапазоном ±127, определяются выражением:

Рис. 5. Конструктивный облик СРПД в составе интеллектуального подводного робота: 1 – кормовая секция СРПД; 2 – носовая секция СРПД; 3 – мембрана изменяемого объема; 4 – блок управления двигателем; 5 – гидравлический насос; 6 – электродвигатель

Распределение заданных значений суммарной плавучести QΣЗ и дифферентующего момента MQЗ между секциями должно, по возможности, свести к минимуму взаимное влияние управляющих воздействий QΣ и MQ. Решить эту задачу можно через принудительное ограничение целевых значений плавучести и момента. При этом распределяемый между секциями целевой момент будет следующим:

MQЗ0 = MQЗ, при |MQЗ|< MQmax; MQЗ0 = MQmax·signMQЗ, при (9) |MQЗ| ≥ MQmax,

где: MQmax = lΨ·Qcmax – максимальное значение целевого момента по дифференту при нулевой остаточной плавучести QΣ = Qa+Qsrp=0 Н; Qcmax= ρ·g·Umax – максимальная плавучесть одной секции СРПД при полностью накачанной мембране. Симметричность регулирования суммарной плавучести QΣ при изменении Qr в диапазоне 0÷2·Qсmax обеспечивается настройкой плавучести аппарата Qa= –0,5·Qrmax = – Qсmax. С учетом такой настройки распределяемая между секциями целевая плавучесть будет QΣЗ0 = QΣЗ, при |QΣЗ| < Qсmax; QΣЗ0 = Qсmax·sign QΣЗ, при

ui = kp·(Nзi– Ni), при |ui|<127 ui = 127·sign(ui), при |ui|≥127, где: kр – коэффициент регулятора числа оборотов насоса; Ni – текущее значение числа оборотов насоса, измеряемое по датчику положения ротора бесколлекторного электропривода. Структура модели СРПД приведена на рис. 6. Для блоков гидравлики СРПД была принята модель, учитываю-

Рис. 6. Структура модели системы регулирования плавучести и дифферента подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Рис. 7. Модель блока гидравлики СРПД

щая не только динамику электропривода, но и влияние глубины погружения на требуемый от привода момент. Структура модели, соответствующая уравнениям (11), показана на рис.7. Т ·M· +M = K (u · K – ω ·K ), эм

эд

буд

Мн= Мо+ Кн· Ha, JΣ·ω·i = Mэд– Mн, ω N i  i , 2 ⋅π Qi = ηv· wн ·Ni ·ρsw·g/1000, где: Тэм – электромагнитная постоянная электропривода, обусловленная индуктивностью статора; Мэд – момент на валу электродвигателя (ЭД); Км – коэффициент момента; Кω – коэффициент ЭДС; Кбуд – коэффициент передачи блока управления двигателем; ωi – угловая скорость вращения ЭД; На – глубина погружения аппарата; Мн – нагрузочный момент насоса; Кн – коэффициент влияния глубины погружения на Мн; JΣ – суммарный момент инерции, приведенный к валу ЭД.

скорость ее перетекания в емкости с изменяемым объемом. Критерии выбора гидравлического насоса и его электропривода определяют максимальная рабочая глубина Нмах и требуемая скорость изменения объемов. Задавшись максимальной рабочей глубиной и конкретной моделью насоса, можно определить требуемый максимальный момент на его валу [6]: M эд 

wн ⋅ Pн wн ⋅ Н мах⋅ 0,097  , (12) 20 ⋅π ⋅η м 20 ⋅ π ⋅η м

где: Рн – давление насоса в Бар; ηм – механический КПД насоса. Частота вращения насоса определяется

требуемым максимальным расходом (скоростью наполнения емкостей СРПД) по соотношению [6]: q ⋅ 1000 nэд  v , (13) wн ⋅ηv

где: qv – требуемый расход насоса в л/мин; ηv – объемный КПД насоса. Технические требования к электроприводу гидравлического насоса типа Duplomatic 1P 2,5 R 11N (wн = 1,6 см3/об, ηv = 0,94, ηм = 0,92, nmax= 6000 об/мин, Pmax= =230 Бар), обеспечивающему расход qv = 4 л/мин на глубине погружения Hmax=150 м, сведены в табл. 2.

Расчет параметров насосной станции Основным элементом СРПД является насосная станция, которая должна обеспечить необходимое давление рабочей жидкости и 8

Рис. 8. Результаты нагрузочных испытаний электропривода на базе JK42BLS03

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

влияние глубины погружения на момент нагрузки электропривода насоса: w ⋅ 0 ,097 Mн  н ⋅ Н а  Кн ⋅ Н а . (15) 20 ⋅ π ⋅η м

Моделирование режимов работы СРПД

Рис. 9. Напорно-расходная характеристика насосной станции СРПД

Таблица 2. Требования к электроприводу насоса СРПД Параметр

Значение

Момент при На=150 м, Н·м

0,412

Обороты при расходе qv = 4 л/мин, об/мин

2577

Анализ результатов нагрузочных испытаний бесколлекторного электродвигателя JK42BLS03 (nн=4000 об/мин, Мн=0,185 Н·м, Nн=78 Вт), графики которых приведены на рис. 8, подтверждает возможность его использования в качестве привода выбранного насоса.

В ходе подстановки результатов нагрузочных испытаний электропривода в соотношения (12) и (13), разрешенные относительно давления Ha и расхода qv M ⋅ 20 ⋅ π ⋅η м H a  эд , wн ⋅ 0 ,097 (14) nэд ⋅ wн ⋅ηv qv  , 1000 была определена напорно-расход ная характеристика насосных станций СРПД, приведенная на рис. 9. В соответствии с уравнением (12) может быть определен коэффициент Кн, определяющий

Целью моделирования является: •• подтверждение правильности формирования управляющих воздействий QΣ и MQ; •• исследование возможности «бесшумной» стабилизации глубины погружения ИСБ; •• моделирование режимов «бесшумного» движения ИСБ по модели использования. На основании выражений (7)–(11) средствами приложения Simulink была разработана математическая модель СРПД, структура которой приведена на рис. 10. В табл. 3 сведены параметры, принятые при моделировании СРПД. На основании анализа результатов проведенного моделирования СРПД для различных значений заданных QΣЗ и MQЗ можно сделать следующие выводы: •• в пределах ограничений (9) и (10) установившиеся значения управляющих воздействий соответ-

Рис. 10. Модель СРПД для На = 0 м, реализованная средствами приложения Simulink Matlab подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Qz = ±36,16 N, Mqz= 0 N·m

Qz = 0 N, Mqz = ±23,5 N·m

Qz = ±36,16 N, Mqz = +23,5 N·m

Qz = +36,16 N, Mqz = ±23,5 N·m

Рис. 11. Результаты моделирования работы СРПД при отработке различных сочетаний заданных значений плавучести и момента для На = 0

Таблица 3. Параметры модели СРПД

Параметр

Значение

Остаточная плавучесть аппара та без учета СРПД Qа, N

–36,16

Диапазон изменения объема одной секции СРПД Uсmax, дм3

0÷3,6

Плечо дифферентующего момента lΨ, м

0,65

Максимальные обороты приво да насоса при На=0 м, об/мин

4900

Максимальные обороты приво да насоса при На=150 м, об/мин

2950

Объем насоса wн, см3/оборот

1,6

Объемный КПД насоса ηv

0,94

Механический КПД насоса ηм

0,92

Коэффициент регулятора числа оборотов насоса kр

100

Электромагнитная постоянная времени привода насоса Тэм, с

0,25

Плотность морской воды ρsw, кг/м3

1025

ствуют заданным значениям (графики а–б рис. 11), а время переходного процесса составляет 30 с; •• в случае одновременного задания максимальных значений QΣZ и MQZ принятый алгоритм «равноправного» распределения команд между секциями СРПД снижает в два раза сформированные QΣ и MQ и время переходного процесса (графики в–г рис. 11); •• разработанная математическая модель СРПД может быть использована для исследования «бесшумного» регулирования движения подводного аппарата или ИСБ. Динамику вертикального движения аппарата с учетом отсутствия скоростей движения в горизонтальной плоскости при нулевых статических углах крена и дифферента можно представить следующими соотношениями [7]:

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

  K ⋅ H ⋅ H  Q , ( M a  λ22 ) ⋅ H a гс a Σ К гс  C y ( α ) ⋅

ρ sw ⋅ H a

⋅ U a2 / 3 , (16) 2 QΣЗ  ( H З − H a ) ⋅ K рН − H a ⋅ K рdH , где: Ма – масса аппарата; λ22 – присоединенная масса воды; На, Нз – текущая и заданная глубина погружения соответственно; Кгс – коэффициент гидродинамического сопротивления; Су(α) – коэффициент гидродинамического сопротивления цилиндрического корпуса аппарата поперечному обтеканию; KpH, KpdH – коэффициенты ПД – регулятора глубины. Для моделирования процессов управления были приняты параметры, приведенные в табл. 4, а структурная схема и результаты вертикального моделирования приведены на рис. 12–14.

системы и технологии

Таблица 4. Параметры модели вертикального движения ИСБ Параметр

Значение

Масса аппарата с учетом присоединенной Ма+λ22, кг

200

Коэффициент гидродинамического сопротивления Су

1,2

Водоизмещающий объем аппарата Ua, м3

0,10

Коэффициент влияния глуби ны на производительность насосов Кн, Н·м/м

2,75·10-3

Рис. 12. Структурная схема моделирования вертикального движения аппарата под управлением СРПД

Рис. 13. Модель вертикального движения аппарата под управлением СРПД

На(0) = 0 м, Нз = 150 м

На(0) = 150 м, Нз = 0 м

Рис. 14. Переходные процессы вертикального движения и стабилизации глубины погружения АНПА системой регулирования плавучести (KpH=5 Н/м, KpdH=50 Н·с/м) подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Рис. 15. Функциональная схема системы регулирования плавучести в составе ТНПА «Чилим»

Разработка и испытание макетного образца СРПД

Рис. 16. Фрагмент бассейновых испытаний макета СРПД

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

В течение 2015 года в ИПМТ был разработан, изготовлен и прошел комплекс испытаний в составе ТНПА «Чилим» макет системы регулирования плавучести [8]. Макетный образец СРПД сос тоял из одного блока гидравлики с электрогидравлической насос ной станцией и двух емкостей, объем которых регулировался независимо друг от друга. Функциональная схема системы приведена на рис. 15. В июле 2015 года были проведены бассейновые испытания

системы и технологии

макета малогабаритной СРПД (рис. 16). Результаты испытаний показаны на рис. 17 и сведены в табл. 5. Натурные испытания макета СРПД в составе ТНПА «Чилим» проводились в сентябре 2015 г. (рис. 18). В ходе испытаний

были подтверждены работоспособность макета и правильность выбранных технических решений. При этом успешно реализованы режимы «бесшумного» погружения/всплытия и зависания ИСБ в течение длительного времени.

Результаты натурных испытаний СРПД представлены графически на рис. 19, 20. Заключение

В статье рассмотрены вопросы разработки системы регулирования плавучести и дифферента малогабаритного подводного аппарата, являющегося носителем гидроакустической аппаратуры, требующей минимального уровня собственных шумов носителя.

Рис. 17. Калибровочная характеристика СРПД

Таблица 5. Результаты бассейновых испытаний макета СРПД Значение Параметр Максимальное изменение плавучести, Н Максимальный дифферентующий момент, Н·м Максимальное время накачки на глубине 1 м, с Максимальная рабочая глубина, м Максимальное время накачки на глубине 150 м, с

Пресная вода Морская вода ρw=1000 кг/м3 ρsw=1025 кг/м3 14,0 14,4 ±1,1 ±1,3 50 440 100

Рис. 19. Зависимость ошибки стабилизации глубины погружения вертикальными движителями от числа оборотов насоса СРПД

Рис. 18. Фрагменты натурных испытаний макета СРП в составе ТНПА «Чилим»: 1 – блок полезной нагрузки; 2 – мембраны изменяемого объема, 3 – блок гидравлики СРПД, 4 – оптический кабель связи, 5 – вертикальные движители, 6 – горизонтальные движители; 7 – гидролокатор секторного обзора (ГСО); 8 – ложемент

Рис. 20. Графики глубины погружения и оборотов насоса в режиме бесшумного зависания ТНПА «Чилим» на глубине 8 м в течение 45 минут подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

В результате проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы: •• возможность регулирования плавучести и угла дифферента АНПА реализуется компоновочной схемой СРПД с двумя емкостями независимо регулируемого объема, которые должны быть симметрично разнесены относительно центра масс аппарата; •• необходимый диапазон изменения плавучести и угла дифферента малогабаритного АНПА с водоизмещением 0,1 м3 обеспечивается двумя емкостями с максимальным регулируемым объемом каждой не более 0,004 м3;

•• разработаны алгоритмы управления системой, обеспечивающие независимость управления остаточной плавучестью и углом дифферента, на основании оценки регулируемых объемов рабочей жидкости в зависимости от числа оборотов насоса; •• при построении адекватной математической модели системы учтены не только экспериментальные характеристики электропривода, но и влияние глубины погружения аппарата на производительность насосов; •• для рассматриваемого варианта системы производительность ее насосов на глубине 150 м со-

ставляет 65% от максимального значения на поверхности; •• в результате проведенного моделирования установлена возможность бесшумной стабилизации глубины, для реализации которой достаточно несложного ПД-регулятора; •• в процессе испытаний экспериментального образца системы была выполнена ее калибровка в бассейне и подтверждена возможность бесшумной стабилизации глубины погружения подводного аппарата в натурных условиях.

Литература 1. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater. Unesco technical papers in marine science 44, Unesco 1983. 58 р. URL: http://unesdoc.unesco.org/ images/832eb.pdf. 2. Щуров В.А., Щеглов С.Г., Иванов Е.Н. Мобильные акустические комбинированные приемные системы на основе автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2012. № 2 (14). С. 4–12. 3. Tangirala S., Dzielski J.A. Variable Buoyancy Control System for a Large AUV // IEEE Journal of oceanic engineering. 2007. N 32(4). P. 762–771. 4. Hendricks A. Automated Buoyancy Control system for the Remotely Operated Sea Crawler / Florida Inst. of Tech. Melbourne, FL, 2014. 185 p. 5. Harold Franklin Jensen III. Variable Buoyancy System Metric^ Report Master of Science in Mechanical Engineering. Massachusetts: Institute of Technology, 2009. l12 p. 6. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: учеб. пособие. Омск: Издво СиБ-АДИ, 2006. 145 с. 7. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов. Л.: Судостроение, 1973. 209 с. 8. Гой В.А., Костенко В.В. Малогабаритная система регулирования плавучести // Материалы 6-й науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток: Дальнаука, 2015. С.113–117.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

УДК: 629.5.083.2

РОБОТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЯ ПОДВОДНОЙ ЧАСТИ СУДНА В.В. Вельтищев, С.А. Егоров, М.В. Григорьев, О.И. Гладкова, Е.В. Баскакова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»1

Важнейшим фактором безопасности плавания судов является поддержание исправного технического состояния подводных частей элементов их корпусов. Для присвоения, возобновления или подтверждения класса судна в соответствии с требованиями правил Российского морского регистра судоходства необходимо обязательное освидетельствование данного средства, которое включает обследование его подводной части. Такая инспекция может производиться при нахождении судна не только в сухом доке, но и на плаву. При этом на сегодняшний день переход на безлюдные технологии проведения периодического осмотра указанных подводных объектов становится все более актуальной задачей. Особенности проведения такого типа работ определяют необходимость выработки принципиально новых подходов к созданию специализированных робототехнических подводных средств. В статье сформулированы основные требования к процедуре освидетельствования судна на стадиях оценок износа корпусных конструкций и изменений первоначальной формы корпуса, определения нарушений целостности элементов корпуса и оценки технического состояния судовых устройств. Обоснована концепция создания телеуправляемых подводных средств для проведения сплошного осмотра с определением рационального способа движения и рассмотрением конструктивной схемы модульного аппарата. Описаны принципы построения диагностической аппаратуры, приведен пример функционального состава информационно-управляющей части подводного робототехнического комплекса. По результатам проведенных работ оценены достижимые точности испытанных навигационных систем, сделаны выводы о корректности реализованных алгоритмов, необходимости их совершенствования и внесении модификаций в состав аппаратуры разработанного прототипа подводного телеуправляемого комплекса. Выявлена существующая на сегодняшний день ограниченная практическая применимость роботизированной технологии освидетельствования подводной части судна на плаву и сформулировано необходимое условие для введения её в практику.

Введение Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА) все более интенсивно используются в процессе проведения подвод ных инженерных работ. В частности, обследование подводных трубопроводных систем и других донных объектов уже невозможно без использования робототехнических средств. Относительно новой задачей является техническое обеспечение операций по оценке состояния подводных корпусных конструкций морского судна. Освидетельствование судна с целью проверки его соответствия

требованиям правил Российского морского регистра судоходства (правил РС) [1] является обязательной процедурой для присвоения/возобновления или подтверждения судном класса РС. При этом одно из требований – освидетельствование подводной части судна. Как правило, дефектация подвод ной части корпуса и наружных подводных устройств и механизмов проводится при нахождении судна в доке. В отдельных случаях правила Российского морского регистра судоходства допускают выполнение таких работ и на судне на плаву. Такое освидетельствование (освидетельствование подводной

части судна на плаву) выполняется водолазной фирмой, признанной РС, с использованием подводной видеосистемы, приборов для замеров толщин и деформаций корпусных конструкций, аппаратуры неразрушающего контроля, а также инструментов для очистки поверхностей от биологических обрастаний и продуктов коррозии. Весь процесс обследования подводной части проходит по согласованной РС программе и под наблюдением инспектора РС (дистанционный контроль состояния осматривае1 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. Тел. (499) 263-61-15. E-mail: sm42@ sm.bmstu.ru.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

мых объектов по их изображениям на видеомониторе [2]). Перспективность использования подводных робототехнических средств при дефектации судовых корпусных конструкций достаточно очевидна. Как следует из научно-технической литературы, интенсивные работы с целью решения этой задачи уже проводятся рядом западных компаний. Созданы первые прототипы робототехнических средств, предназначенных для осмотра и инспекции подводных судовых корпусных конструкций. В их число входят телеуправляемые необитаемые подводные аппараты LBC и vLBC (компания «SeaBotix», США), «RovingBAT» («ЕСА Hytec», Франция), «Hull BUG» («SeaRobotics», США) и автономный аппарат HAUV («Bluefin Robotics», США). В работе [3] описан отечественный ТНПА, способный решать задачи гидроакустической и видеосъемки поверхности корпуса судна. Можно констатировать, что первые доказательства реализуемости отдельных фрагментов новой роботизированной технологии уже получены. Тем не менее проблема обоснования общих принципов построения специализированных подводных робототехнических средств, позволяющих проводить освидетельствование корпусных конструкций без использования водолазов или, по крайней мере, с их минимальным участием, еще ждет своего решения.

1. Общая постановка задачи освидетельствования подводной части судна Конструкция любого ТНПА определяется его целевой функцией и условиями работы. Сформулируем основные требования к процедуре освидетельствования судна. Существующие норматив16

ные правила [1, 2] регламентируют следующие стадии оценки технического состояния корпусных конструкций:

Оценка износа корпусных конструкций Под износом понимается уменьшение толщины обшивки судна под воздействием коррозионных процессов, эрозии или механического истирания. Наибольшее распространение имеет коррозионный износ, проявляющийся в виде практически равномерного уменьшения толщины всего корпуса или в форме локальных (местных) утонений отдельных элементов корпуса, вплоть до появления открытых язвенных дефектов. Для объективной оценки общего износа наружной обшивки корпуса в ходе освидетельствования выполняются замеры толщин не менее чем в трех точках на каждом листе обшивки или по одному замеру на каждые 5 м2 поверхности корпуса. Основным средством измерения величины износа является прибор, реализующий метод многократного эхозондирования с контактным или бесконтактным способом возбуждения акустической волны. Точность измерения толщин должна быть не менее 0,1 мм. Измерение глубины открытых коррозионных язвин выполняется с помощью глубиномеров с точностью измерений не менее 0,1 мм. В качестве измерительной базы используется образующая обшивки корпуса длиной не менее 300 мм. В большинстве случаев для обеспечения требуемой точности перед измерением износа

часть поверхности корпуса должна быть механически очищена от биологического обрастания или продуктов коррозии. Координаты выявленных областей с локальным износом должны быть зафиксированы для последующей оценки динамики увеличения износа или проведения ремонтных работ.

Оценка изменений первоначальной формы корпуса Остаточные деформации корпусных элементов возникают в результате механических воздействий: посадки судна на мель, ударов при швартовке, столкновений судов, гидродинамических реакций при движении и т.д. Геометрия деформаций может быть различной. Возникают не только остаточные деформации листа обшивки (бухтины, вмятины, выпучины), но и остаточные прогибы или перегибы корпуса. Основными количественными оценками деформации являются величина максимальной деформации поверхности элемента корпуса относительно исходной геометрии (стрелка прогиба f) и размеры зоны деформации в плане. На практике для измерения деформаций пока что используют простейшие приборы: линейки и глубиномеры. Требуемая точность измерения: для размеров зоны деформаций в плане – не менее 100 мм, для стрелок прогиба на базе 300 мм – не менее 0,1 мм. Важно отметить, что стрелка прогиба должна всегда измеряться относительно исходной геометрии элемента корпуса, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения величины стрелки прогиба элемента корпуса

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Определение нарушений целостности элементов корпуса Трещины и разрывы в обшивке корпуса являются наиболее критическими видами дефектов. Во многих случаях трещины имеют прогрессирующий характер изменений. В процессе освидетельствования судна нарушения целостности выявляются путем визуального осмотра или с использованием различных дефектоскопических методов. Измерение параметров трещины и разрыва проводится на поверхности поврежденного элемента корпуса с помощью измерительного инструмента, обеспечивающего точность измерений не менее 5 мм. В процессе измерений фиксируются: величина раскрытия кромок трещины, длина трещины, её координаты и ориентация относительно строительных координатных плоскостей судна.

Оценка технического состояния судовых устройств В соответствии с нормативными требованиями Российского морского регистра судоходства при освидетельствовании судна на плаву полнота и достоверность полученных сведений о техническом состоянии подводной части судна должны быть эквивалентны результатам при освидетельствовании в сухом доке. Для соблюдения этих требований в ходе освидетельствования на плаву помимо выявления дефектов корпуса должны быть проведены и дополнительные работы, связанные с оценкой состояния целого ряда судовых устройств. Важнейшими из них являются осмотр видимых частей судового рулевого устройства, главных движителей и подруливающих устройств, навигационного оборудования (гидро-

акустических лагов и эхолотов). Кроме внешнего осмотра должны быть выполнены замеры зазоров в подшипниках баллера руля, проведена дефектоскопия лопастей гребных винтов на предмет отсутствия трещин и других повреждений, измерены зазоры в дейдвудных подшипниках и т.д. Обобщая приведенные выше данные, можно сформулировать ряд исходных требований к подводному техническому средству, способному реализовать роботизированную технологию освидетельствования. В первом приближении всю совокупность процедур можно разделить на две группы. К первой группе относятся операции по сплошному осмотру корпуса судна с целью выявления видимых или скрытых дефектов (деформаций, зон повышенного износа, мест нарушения целостности обшивки). Для выполнения таких работ классический технический облик осмотрового ТНПА должен быть дополнен средствами неразрушающего контроля, механическими, гидроакустическими или оптическими измерителями деформаций, устройствами зачистки локальных корпусных элементов перед проведением дефектоскопии. Процедура сплошного осмотра достаточно просто формализуется. Поэтому она может выполняться или полностью автоматически, или в автоматизированном режиме с уточнением оператором или инспектором Российского морского регистра отдельных технологических элементов. Необходимым условием проведения работ этого этапа является высокоточная навигационная привязка выявленных дефектов к судовой криволинейной системе координат. Тогда конечные результаты осмотра, включая видеоизображения поверхности корпуса, могут быть представлены в виде

базы пространственных (координатно привязанных) цифровых данных, ориентированных на последующую обработку, хранение, визуализацию и анализ в специализированной информационной системе – аналоге традиционной геоинформационной системы. Условия эксплуатации ТНПА в ходе сплошного побортного осмотра корпуса судна достаточно типичны. Малые глубины, возможность и целесообразность организации движения ТНПА в постоянном контакте с корпусом судна – все это существенно облегчает решение поставленной задачи. Вторая группа включает в свой состав работы по оценке технического состояния подводных судовых устройств. Эти операции выполняются только в заранее известных локальных зонах корпуса судна. Так как кроме внешнего осмотра необходимо проводить замеры зазоров в сопряженных деталях, то на ТНПА должны быть размещены специализированные устройства, например манипуляторы, предназначенные для выполнения измерений в труднодоступных местах. Для осмотра судового устройства с различных ракурсов движительный комплекс должен обеспечивать маневренность ТНПА по всем шести пространственным координатам. Навигационное обеспечение таких работ не так важно, как при сплошном осмотре. В большинстве случаев режим динамического позиционирования ТНПА у инспектируемых судовых устройств не обеспечит необходимые условия для проведения точных измерений. Поэтому в состав ТНПА целесообразно включить дополнительный захватный манипулятор. Очевидно, что такие операции могут быть выполнены только в режиме телеуправления по коман-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

дам оператора, а возможности для автоматизации таких работ – минимальны. Необходимо отметить, что в процессе оценки технического состояния судовых рулей и движителей будет высока вероятность возникновения зацепов или запутывания кабеля аппарата. Из вышеизложенного следует, что создание универсального ТНПА, способного провести весь комплекс нормативных проверок технического состояния корпусных конструкций, пока является слишком сложной задачей. Представляется целесообразным разделение общего процесса освидетельствования подводной части судна на два этапа, каждый из которых выполняется с использованием отдельного специализированного робототехнического средства.

2. Концепция построения робототехнического комплекса для проведения сплошного осмотра Выбор рационального способа движения В процессе освидетельствования ТНПА должен перемещаться по поверхности обшивки корпуса. Принципиально возможны два варианта построения движительного комплекса аппарата для реализации такого режима движения. Первый вариант основан на использовании только классических движителей – гребных винтов. Для уменьшения сил трения при движении по корпусу судна на аппарате могут быть установлены дополнительные опорные ролики. Альтернативная схема базируется на гибридном использовании и гребных винтов, и колесных движителей. Гребные винты обеспечивают традиционное перемещение ТНПА в толще воды, а движение по поверхности корпуса 18

реализуется за счет колесных движителей. Нормальная сила прижима, необходимая колесному движителю, создается вертикальными гребными винтами. Проведем сравнение эффективности традиционной и гибридной схем построения движительного комплекса ТНПА при прямолинейном движении по поверхности корпуса. Будем считать, что все внешние силы, действующие на ТНПА, лежат в плоскости движения хOy. Это позволяет вместо реальной пространственной схемы рассматривать условную схему, приведенную к диаметральной плоскости ТНПА. Расчетные схемы для двух рассматриваемых вариантов представлены на рис. 2. Для корректности сопоставления будем считать, что в качестве привода гребного винта и колесного движителя используется унифицированный электродвигатель. В состав электропривода колесного движителя дополнительно входит редуктор. прямолинейного Динамику движения ТНПА можно описать уравнением N

∑P j 1

m

dVx  C xVx2 sign(Vx ), dt

где Pxj – сила тяги j-го движителя, обеспечивающего движение вдоль продольной оси Oх; N – число движителей, участвующих в создании суммарной тяги; m – масса аппарата с учетом присоединенных масс воды; Vx – скорость продольных перемещений; Cx – пара-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

метр, характеризующий влияние конструктивных характеристик ТНПА на величину гидродинамического сопротивления. Уравнения электродвигателя представим в виде

U  L dI  RI  K ωд , dt Mд  K I , E

где U – управляющее напряжение; L,R – индуктивность и активное сопротивление обмотки; I – ток; KE, KM – скоростная и моментная постоянные электродвигателя; ωд – частота вращения вала электродвигателя; Mд – момент электродвигателя. В режимах работы, близких к швартовному, без учета гидродинамического взаимодействия с корпусом ТНПА характеристики гребного винта определяются уравнениями:

dωд  kвωд2 sign(ωд ), dt Pxj  k рωд2 sign(ωд ),

M д  J гв

где Jгв – момент инерции гребного винта с учетом присоединенных масс воды; kв, kp– моментная и силовая постоянные гребного винта. Уравнения колесного движителя без учета его деформации, механических потерь в редукторе, потерь на качение, а также при отсутствии режимов пробуксовки и движения юзом можно представить в виде:

dωд  M дi  Jiк dt  k2к ωд2 sign(ωд )  Pxj rк , i

Рис. 2. Варианты движительных комплексов

системы и технологии

ωд 

iVx . rк

В приведенных уравнениях: i – величина редукции в электроприводе колеса, rк – радиус колеса; kк – параметр гидродинамических потерь на колесе. Рассмотрим условия энергетической эквивалентности двух представленных схем в установившихся режимах движения. Пусть число движителей N, реализующих движение ТНПА по продольной оси в каждой схеме, будет одинаковым. Силовая эквивалентность обеспечивается при равенстве силы тяги, которую развивают гребной винт и колесный движитель при одинаковой величине момента на валу электродвигателя Mд. Пренебрегая величиной гидродинамических потерь на колесе, требуемое соотношение параметров движителей двух типов определяем равенством

kр

kв



i . rк

(1)

Под кинематической эквивалентностью будем понимать случай, при котором при равных значениях ωд гребные винты и колесные движители обеспечивают движение ТНПА с одинаковой скоростью Vx. Данное условие достигается при выполнении соотношения

Cx  i 2   . Nk р  rк 

Для сравнения динамических характеристик двух энергетически эквивалентных вариантов построения движительного комплекса проведём линеаризацию исходных уравнений путем разложения параболических нелинейных функций в ряд Тейлора. Тогда можно получить передаточные функции для малых приращений координат относительно их установившихся значений. Для построения линеаризованной математической модели в качестве типовых режимов выбрано движение ТНПА с малой скоростью (Vx0 = 0,1Vxmax) и движение со скоростью, близкой к предельной (Vx0 = Vxmax), где Vx0 – значение скорости в точке линеаризации, Vxmax – максимальная продольная скорость ТНПА. На рис. 3 представлены построенные по линеаризованной математической модели логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики канала управления продольной скоростью ТНПА для рассматриваемых вариантов построения движительного комплекса в типовых режимах движения. Из вида частотных характеристик следует, что при включении в состав движительного комплекса колесных движителей нелинейные свойства ТНПА как объекта регулирования не влияют на

результирующие динамические характеристики системы. Полоса пропускания всего канала управления продольной скоростью с колесными движителями практически на два порядка превышает полосу пропускания системы с гребными винтами, что существенно проявляется в режиме движения ТНПА с малыми скоростями. Достигнутый эффект целиком обусловливается наличием в структуре канала управления с колесными движителями внутренней обратной связи по регулируемой координате Vx.

Конструктивная схема ТНПА В общем случае создание ТНПА для выполнения специальных работ является длительным и дорогостоящим процессом. Практика проектирования доказывает, что эффективным средством снижения временных и финансовых затрат на разработку является использование модульного принципа конструктивного исполнения ТНПА [4]. В соответствии с таким принципом в конструкции выделяется некоторая неизменяемая часть, которая включает в свой состав обязательные функциональные элементы ТНПА. В результате формируется базовая платформа для размещения сменных специализированных модулей.

(2)

Из формул (1) и (2) следует, что если соотношение радиуса колеса и значение редукции выбрано из (1), то полная эквивалентность двух схем обеспечивается для ТПНА, величина параметра гидродинамического сопротивления которого может быть вычислена по формуле

3 C x  Ni 3kв . rк

Рис. 3. Логарифмические амплитудные и фазовые характеристики (а – с использованием гребных винтов, б – с колесными движителями) подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Рис. 4. Конструктивная схема модульного ТНПА

Предлагаемый конструктивнофункциональный состав аппарата изображен на рис. 4. Базовым модулем является малый осмотровый ТНПА, состав систем которого типичен для технических средств данного класса. Базовый движительный комплекс содержит 8 однотипных винтомоторных агрегатов (гребных винтов с электроприводом). Для достижения специфических возможностей базовый модуль плавающего ТНПА дооснащен полноприводным колесным шасси, измерительным комплексом для проведения ультразвуковой дефектоскопии корпусных элементов и устройством очистки диагностируемых поверхностей. Кроме того, в штатную видеосистему ТНПА включены дополнительные средства визуального контроля процессов зачистки и диагностики.

Функциональный состав информационноуправляющей части подводного робототехнического комплекса

Рис. 5. Функциональная схема информационно-управляющей части робототехнического комплекса

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Функциональный состав уп равляющей части робототехнического комплекса представлен на рис. 5. В состав бортовых измерителей ТНПА входят: цифровой магнитный компас с тремя акселерометрами и тремя магнитометрами в своем составе, три волоконно-оптических датчика угловых скоростей, прецизионный датчик давления для измерения глубины. Линейные перемещения аппарата в режиме движения на колесах определяются по показаниям двух одометров на основе кодовых датчиков, установленных на каждом борту колесного шасси [6]. Для обеспечения требуемой точности определения местоположения ТНПА и координат выяв-

системы и технологии

ленных дефектов навигационная задача решается за счет комплексного использования нескольких систем: •• дальномерной гидроакустической навигационной системы с длинной базой, приемники которой опускаются в воду с борта судна; •• одометрической системы счисления пути; •• системы счисления пути, реализующей корреляционноэкстремальный метод обработки видеоизображений (системы видеопозиционирования). Пультовая часть комплекса содержит: пульт управления ТНПА, пульт управления гидроакустической навигационной системой, пульт управления диагностической аппаратурой, пульт оператора базы диагностических данных. Кроме того, для удобства модификации параметров системы и отработки алгоритмов управления в состав пультовой части включен технологический пульт.

Принципы построения диагностической аппаратуры Базисом разработанной системы неразрушающего контроля (НК) является использование акустического метода, широко применяемого в настоящее время для измерения толщины и обнаружения дефектов (например, коррозионных трещин) металла различных конструкций. Существующие методики основываются, как правило, на применении продольных волн, возбуждаемых контактным пьезоэлектрическим преобразователем. При этом поверхность контролируемого изделия должна быть специально подготовлена с шероховатостью не хуже Rz 20. Учитывая сложность такой под-

готовки поверхности корпуса судна, были выбраны поперечные горизонтально-поляризованные волны, возбуждаемые бесконтактным электромагнитно-акус тическим преобразователем (ЭМАП). Результаты проведенных экспериментальных исследований подтвердили целесообразность использования такого метода для контроля изделий с шероховатостью поверхности до Rz 60 [5]. Выбранный тип волны также применяется и для НК поврежденных участков контролируемого объекта. Как показали исследования, эффективно использовать метод, при котором критерием наличия коррозионных трещин является ослабление сигнала, отраженного от донной поверхности объекта контроля. В процессе НК фиксируются значения амплитуды четырех донных эхо-сигналов и время их прихода. Падение амплитуды донных эхо-сигналов относительно бездефектной части образца свидетельствует о наличии дефектов в области под преобразователем, а изменение времени – об изменении толщины. Минимальный выявляемый размер коррозионных трещин составляет 1,5–2 мм по глубине. На рис. 6 и 7 представлены видеоизображения донных эхо-сигналов бездефектной и дефектной частей объекта контроля соответственно. Ширина полосы покрытия 4 датчиков (рис. 8) составляет до 70 мм. Для обеспечения большей ширины необходимо или увеличивать число датчиков, или вводить программное движение ТНПА микрогалсами над поврежденным участком корпуса. Основные характеристики используемых средств представлены в табл. 1.

Рис. 6. Видеоизображение бездефектной области поверхности объекта контроля

Рис. 7. Видеоизображение дефектной области поверхности объекта контроля

Рис. 8. Общий вид акустической подвески с четырьмя ЭМАП

Таблица 1. Основные характеристики средств неразрушающего контроля Скорость сканирования в водной среде, м/с Количество ЭМАП Количество каналов в каждом из ЭМАП Частота, МГц Угол наклона ЭМАП, град.

0,8 4 4 5 0

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

3. Результаты экспериментальной отработки Предлагаемые технические решения прошли апробацию в процессе создания в МГТУ им. Н.Э. Баумана прототипа специализированного роботизированного комплекса для освидетельствования подводной части судов на плаву. Внешний вид ТНПА представлен на рис. 9. Специализированный комплекс успешно прошел испытания в лаборатории и натурную экспериментальную отработку в бассейне (рис. 10), в ходе которой проверялись алгоритмы автоматического движения аппарата на колесных движителях и исследовались различные методы комплексирования навигационных систем. Одновременно проводилась оценка эффективности средств неразрушающего контроля на имитаторах корпусных элементов.

Согласно требованиям, предъявляемым к аппарату, для стыковки с корпусом корабля необходима стабилизация больших углов крена и дифферента. Стыковка осуществляется следующим образом: аппарат с нулевыми углами крена и дифферента приближается к корпусу корабля, осуществляет касание с ним колесами одного борта, поворачивается на угол крена более 90 градусов и переключается в режим движения на колесах, в котором четыре вертикальных движителя осуществляют прижим ТНПА к обшивке судна. Альтернативный вариант стыковки предусматривает касание носом или кормой аппарата корпуса корабля и дальнейший поворот ТНПА на угол дифферента до плюс 85 или до минус 85 градусов, дальнейшие действия – аналогичны. В результате отработки алгоритмов локальных контуров системы управления были получены достижимые значения углов дифферента в

Рис. 9. Внешний вид ТНПА с гибридным движительным комплексом

Рис. 10. ТНПА в процессе движения по стене бассейна

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

диапазоне ±85 градусов, крена – ±180 градусов. Для режима движения на колесах были установлены следующие точностные характеристики: при измерении гироазимутального курса по показаниям прецизионного датчика угловой скорости угловой случайный дрейф составил не более 1 град/ч, погрешность масштаба – не более 1%, погрешность измерения глубины – не более 0,05 м, погрешность счисления пути на прямолинейных отрезках – не более 1,1% (при использовании усредненных показаний одометров и гироазимутального курса), погрешность определения координат на типовой траектории (4 галса, 4 × 0,5 м) – не более 16%. На рис. 11 приведены траектории движения ТНПА микрогалсами с использованием методов наведения (погони, визирования) и управления боковым отклонением. Качественное совпадение заданных и текущих траекторий движения аппарата позволило сделать вывод о корректности работы реализованных алгоритмов автоматического движения, при этом наилучшие результаты были получены с использованием системы счисления пути на основе средних значений одометров и гироазимутального курса, без коррекции по ГАНС. Таким образом, по результатам экспериментальной отработки информационно-управляющей системы были определены достижимые точности навигационных систем ТНПА, проверены реализованные алгоритмы, а также выявлены пути дальнейшего совершенствования как алгоритмов, так и аппаратуры.

системы и технологии • Заключение

Рис. 11. Заданные и текущие траектории движения ТНПА: а – метод погони, б – метод визирования, в – управление боковым отклонением. Единицы измерения координатной сетки – сантиметры

На основе результатов проведенных работ можно сделать ряд выводов о практической применимости робототизированной технологии освидетельствования подводной части судна. Сопоставляя основные достоинства и недостатки использования новой технологии и водолазов (табл. 2), можно заключить, что ТНПА позволит повысить качество процедуры освидетельствования. Кроме того, предполагается, что использование подводных робототехнических средств будет особенно эффективно в тех случаях, когда нет задачи освидетельствования дейдвудного устройства в разобранном виде и других судовых подводных устройств, а также при работах в опасных условиях (сильное течение, узости, захламлённость акватории, радиационная заражённость воды и др.). При этом необходимым условием для внедрения новой технологии в практику является разработка Российским морским регистром судоходства нормативных правил и инструкций для выполнения работ по освидетельствованию корпусов судов на плаву с использованием подводных робототехнических средств.

Таблица 2. Оценка качества процедуры освидетельствования Положительные стороны

•• возможность проведения освидетельствования в сложных

погодных условиях при качке и течении без ограничения по глубине; •• точность навигационной привязки выявленных дефектов; •• возможность представления полученных данных в виде электронной базы данных; •• возможность формирования единого (мозаичного) изображения поверхности судна; •• отсутствие необходимости организации интерактивного взаимодействия между водолазом и инспектором; •• отсутствие риска для персонала; •• возможность осмотра в недоступных для водолаза зонах; •• возможность автоматизации процесса осмотра, включая проведение многократных контрольных замеров в заданных точках корпусных элементов с целью анализа динамики развития дефектов.

Отрицательные стороны

•• дороговизна используемого оборудования; •• опасность зацепов кабеля ТНПА о судовые конструк-

ции, ликвидация которых потребует привлечения водолазов; •• невозможность проведения оперативных ремонтных работ непосредственно в ходе освидетельствования; •• сложность проведения освидетельствования в ледовых условиях и в условиях недостаточной прозрачности воды; •• сложность измерения больших зон деформаций; •• сложность или невозможность проведения замеров зазоров в дейдвудном устройстве или просадки гребного вала; •• невозможность проведения работ по демонтажу кингстонных решеток, кожухов защиты уплотнения конуса гребного вала и т.п. подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Литература 1. Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации НД № 2-020101-012. СПб.: Рос. мор. регистр судоходства, 2015. 354 с. 2. Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации НД № 2-030101-009. СПб.: Рос. мор. регистр судоходства, 2015. 245 с. 3. Матвиенко Ю.В., Борейко А.А., Костенко В.В., Львов О.Ю., Ваулин Ю.В. Комплекс робототехнических средств для выполнения поисковых работ и обследования подводной инфраструктуры на шельфе // Подводные исследования и робототехника. 2015. №1. С. 4–15. 4. Вельтищев В.В. Модульные схемы построения телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов // Современные методы и средства океанологических исследований: материалы XIV Междунар. науч.-техн. конф. «МСОИ-2015». Т. 2. М., 2015. С. 42–45. 5. Алешин Н.П., Григорьев М.В., Вельтищев В.В. и др. Мониторинг технического состояния корпусов судов с использованием телеуправляемого подводного аппарата // В мире неразрушающего контроля. 2015. № 3. С. 12–15. 6. Гамазов Н.И., Гладкова О.И., Лямина Е.А., Егоров С.А. Информационноуправляющая система гибридного телеуправляемого подводного аппарата // Современные методы и средства океанологических исследований: материалы XIV Междунар. науч.-техн. конф. «МСОИ2015». Т. 2. М., 2015. С. 209–213.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

УДК 621.31

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА АВТОНОМНЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ В.А. Герасимов1, М.В. Красковский2, Г.Е. Кувшинов2, А.Ю. Филоженко1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий ДВО РАН1 Дальневосточный федеральный университет2

Рассмотрена структура системы энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата. Показана актуальность использования бесконтактного способа передачи электроэнергии. Отмечена особенность такого способа, связанная с применением высокочастотного трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого разделены немагнитным зазором, обусловливающего низкий коэффициент магнитной связи и значительный ток намагничивания. Исследованы проблемы снижения выходного тока инвертора и уменьшения тепловых потерь его транзисторных ключей. Предложен способ разгрузки силовых ключей автономного инвертора напряжения за счёт включения последовательной резонансной цепи параллельно первичной обмотке трансформатора. Это решение позволило снизить ток силовых ключей инвертора примерно в три раза и при этом сохранить уровень передаваемой мощности. Представлены результаты схемотехнического моделирования и экспериментального исследования режимов работы бесконтактной системы энергообеспечения автономного подводного аппарата с применением резонансной цепи, включённой на выходе автономного инвертора. Отмечено хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента. Проведён анализ зависимости мощностей реактивных элементов резонансной цепи и инвертора от относительной резонансной частоты, определяемой отношением собственной частоты резонансной цепи к частоте коммутации ключей инвертора. Показан подход к формированию компромиссного решения, позволяющего определить значение относительной резонансной частоты и дать рекомендации по выбору конденсатора последовательной резонансной цепи.

Введение Применение бесконтактного способа передачи электроэнергии на борт автономного подводного аппарата (АНПА) для зарядки его аккумуляторных батарей становится особенно актуальным при 24

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

необходимости осуществления этой операции в подводном положении [1]. 1 690950, Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: +7 (902) 522-38-24. Е-mail: gerasimov@ marine.febras.ru. 2 Тел.: +7 (950) 293-71-11. Е-mail: mikhail 51289 @yandex.ru.

системы и технологии

Рис. 1. Функциональная схема системы энергообеспечения АНПА бесконтактным способом

Типовая структура системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА, показанная на рис. 1, представлена следующими элементами: аккумуляторная батарея (АБ), автоматическое зарядное устройство (АЗУ), высокочастотный трансформатор (ВчТ) с разделёнными первичной (ВчТ1) и вторичной (ВчТ2) обмотками и автономный инвертор напряжения (АИН). Такая система энергоснабжения позволяет в автоматическом режиме заряжать аккумуляторные батареи АНПА под водой без подъёма аппарата на борт суднаносителя. Кроме того, при бесконтактном способе передачи энергии возможно использование АНПА в режиме его длительного подводного базирования с зарядкой АБ от доковой станции [2, 3]. Для осуществления максимальной передачи электроэнергии первичная и вторичная части трансформатора должны находиться на одной оси и располагаться на минимальном расстоянии друг относительно друга [4]. Смещение между частями трансформатора, которое может произойти при их стыковке, снизит эффективность процесса переда-

чи, что, в свою очередь, приведёт к увеличению времени заряда аккумуляторных батарей аппарата. Принципиальная работоспособность самого процесса при этом сохранится, если напряжение на вторичной стороне трансформатора превышает напряжение аккумуляторных батарей. Представление о соотношениях габаритов элементов системы и значения передаваемой мощности дает рис. 2, где показан один из вариантов конструктивного исполнения ВчТ и прочного контейнера с автономным инвертором напряжения. При диаметре корпусов частей трансформатора 100 мм и габаритах контейнера АИН 500×150 мм, передаваемая мощность достигает порядка 0,5 кВт. Увеличение мощности легко обеспечивается увеличением числа ВчТ, обмотки которых включаются последовательно или параллельно в зависимости от заданных электрических параметров передаваемой электроэнергии. При этом габариты АИН могут остаться неизменными или возрасти незначительно.

Рис. 2. Элементы системы бесконтактного заряда: а – высокочастотный трансформатор; б – герметичный контейнер

При передаче электроэнергии ток первичной обмотки трансформатора, а значит, и ток инвертора повышен за счёт наличия в трансформаторе немагнитного зазора, определяемого толщиной контактных стенок этого устройства. Существуют способы разгрузки силовых ключей АИН за счет применения резонансных цепей. Представляет интерес оценка эффективности использования резонансных явлений для решения задачи токовой разгрузки ключей инвертора, которая должна выполняться путем исследования режимов работы АИН совместно с резонансной цепью.

Автономный инвертор напряжения с резонансной цепью Aвтономный инвертор напряжения преобразует напряжение постоянного тока в выходное напряжение переменного тока, которое имеет прямоугольную форму и подводится к первичной обмотке трансформатора. При проектировании инвертора важной задачей является обеспечение его защиты от перенапряжений, уровень которых зависит от паразитных индуктивностей монтажа и частоты переключений. Определение типа снабберных цепей и их параметров также является неотъемлемой частью проектировки АИН [5]. Для управления электронными ключами (транзисторами) инвертора применяются драйверы. Во избежание прохождения сквозного тока через одну из стоек моста драйвер управления должен формировать необходимый интервал, известный как «мёртвое время». Способы гальванической развязки драйвера и ключа инвертора могут быть различными. Это, например, может быть бутстрепная схема или оптическое разделение изо-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

лированных каналов для верхнего и нижнего плеча каждой стойки инвертора. Общее требование, предъявляемое к любому из этих способов, заключается в обеспечении смещения уровня управления верхними ключами стоек моста. Структурная электрическая схема системы бесконтактной передачи электроэнергии на АНПА представлена на рис. 3. Одним из возможных вариантов энергоснабжения АИН может быть сеть доковой станции. От этой сети питание поступает на первичный преобразователь напряжения (ППН), который формирует необходимое напряжение на входе АИН. Конденсатор CIN, подключённый параллельно входным зажимам АИН, необходим для сглаживания коммутационных выбросов и защиты инвертора от перенапряжений. На выходе инвертора подключен трансформатор с разделёнными первичной (ВчТ1) и вторичной (ВчТ1) частями. К вторичной обмотке трансформатора ВчТ2 подключено автоматическое зарядное устройство (АЗУ), которое обеспечивает заряд аккумуляторной батареи (АБ). При этом, как следует из рис. 3, преобразователь напряжения, инвертор и первичная часть ВчТ1 расположены на доковой станции, а вторичная часть ВчТ2, зарядное устройство и аккумуляторная батарея – на АНПА.

Как было отмечено, в рабочем режиме для обеспечения максимальной передачи электроэнергии бесконтактным способом необходимо расположить первичную и вторичную части трансформатора на одной оси и на минимальном расстоянии друг относительно друга, что соответствует максимальному значению коэффициента k магнитной связи между обмотками трансформатора. Этот коэффициент определяется выражением k

M , L1 L2

(1) где M – взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками трансформатора, L1 и L2 – собственные индуктивности первичной и вторичной обмоток. Если пренебречь падениями напряжений в транзисторах и диодах инвертора, то форма и амплитудные значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора определятся формой выходного напряжения инвертора и двумя индуктивностями. Первая из них – это индуктивность L1K первичной обмотки при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора, которую можно определить с помощью метода ненаправленных графов из схемы замещения [4, 6, 7]:

L1K  L1 −

M2 , L2

(2)

Вторая, передаточная, индуктивность L12 определяет ток короткозамкнутой вторичной обмотки трансформатора при подведении напряжения к первичной обмотке (или, наоборот, ток короткозамкнутой первичной обмотки при подведении напряжения к вторичной обмотке). Эта индуктивность также находится с помощью метода ненаправленных графов [4, 6, 7]:

L12 

L1 L2 −M, M

(3)

Амплитудные значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме короткого замыкания определятся как I1KЗA 

U1 U1 ; I 2 KЗA  , (4) 4 f L1K 4 f L12

где f – частота переменного импульсного напряжения на выходе инвертора. Действующие значения токов в режиме короткого замыкания связаны с параметрами системы следующими выражениями: U1 ; I1КЗ  4 3 f L1 1 − k 2  (5) M U1 I 2 КЗ  . 8 f L1 L2 1 − k 2  Режим холостого хода является вторым крайним режимом работы АИН. Этот режим возникает при отключённой цепи нагрузки. Амплитудное значение тока первичной обмотки в этом режиме определится следующим выражением:

I1 ХХА 

U1 . 4 f L1

(6)

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора определится как Рис. 3. Структурная электрическая схема бесконтактной передачи электроэнергии на АНПА

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

I1 ХХ 

. f L1 ⋅ 4 3

(7)

системы и технологии

Заключение о свойствах системы энергоснабжения АНПА можно сделать на основании расчёта, где в качестве исходных данных следует принять параметры из проведённого экспериментального исследования, описание которого приведено ниже. Использование их в расчёте даст возможность более наглядно сопоставить результаты исследования системы в натурном эксперименте и на математической модели. Исходные данные для расчёта имеют следующие значения: напряжение источника постоянного тока U1 = 50 В, частота выходного напряжения инвертора f = 11,1 кГц, «мёртвое время» TDZ = 4 мкс, взаимная индуктивность между обмотками трансформатора M = 31,3 мкГн, индуктивность первичной обмотки трансформатора L1 = 58,4 мкГн, активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, включающее сопротивление проводов, R1 = 61,3 мОм, индуктивность вторичной обмотки трансформатора L2 = 52,7 мкГн, активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, включающее сопротивление проводов, R2 = 53,5 мОм, коэффициент связи между обмотками k = 0,564. По формулам (5) и (7) были получены следующие численные значения токов обмоток трансформатора: I1КЗ = 16,3 А, I2КЗ = 8,4 А, I1ХХ = 11,1 А, что свидетельствует об увеличенном токе первичной обмотки трансформатора и соответственно повышенном выходном токе АИН, а также повышенных тепловых потерях на его ключах. Таким образом, задача снижения тока инвертора является актуальной и сводится к определению такой структуры АИН, при которой произойдут компенсация намагничивающей составляющей тока трансформатора и разгрузка ключей АИН. Поскольку эта со-

ставляющая имеет индуктивный характер, то компенсацию следует выполнять элементом, имеющим емкостной характер нагрузки. Применение конденсатора в чистом виде здесь невозможно, т.к. на выходе инвертора формируется напряжение прямоугольной формы. Одним из известных способов разгрузки силовых ключей инвертора является включение резонансной цепи на его выходе [8]. Возможно также использование решения, заключающегося в подключении последовательной резонансной цепи параллельно первичной обмотке трансформатора (точки а и б на рис. 3). На этот способ разгрузки силовых ключей инвертора авторами статьи был получен патент на изобретение [9]. Особенность отмеченной последовательной резонансной цепи заключается в том, что она практически не изменяет форму и значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора, а влияет на ток инвертора. Такая резонансная цепь имеет собственную резонансную частоту fRC, которая соответствует резонансу напряжений 1 , f RC  (8) LRC CRC где LRC и CRC – соответственно индуктивность и ёмкость резонансной цепи. Рабочая частота коммутации АИН должна соответствовать резонансу токов в первичной обмотке трансформатора, что обеспечит минимальную токовую нагрузку на транзисторные ключи. Частота коммутации f, соответствующая резонансу токов в режиме холостого хода, определяется следующим выражением: 1 f  . (9) LRC  L1  ⋅ CRC  По известным формулам можно также определить ин-

дуктивность реактора и ёмкость конденсатора последовательной резонансной цепи: LRC 

L1 m2 − 1 ; C  , RC 2 m2 − 1  2 π m f  L1

(10) где m = fRC /f – отношение собственной частоты резонансной цепи к рабочей частоте коммутации АИН. Для расчёта параметр m принят равным 1,5. Ниже будет показано, что это значение обеспечивает сбалансированное соотношение между значениями реактивных мощностей конденсатора и индуктивности резонансной цепи и выходной мощности АИН. По формулам (10) получены следующие значения параметров резонансной цепи: LRC = 44,5 мкГн, CRC = 2 мкФ.

Моделирование системы энергообеспечения анпа Kомпьютерное моделирование системы бесконтактной передачи электроэнергии на АНПА, проведённое в программе MATLAB приложения Simulink, позволило провести дополнительный анализ её свойств. Общая схема модели, соответствующая принятой структуре, и схемы некоторых отдельных блоков представлены на рис. 4. В схему модели (рис. 4, а) входят источник напряжения (Source); автономный инвертор напряжения (Invertor); блок передачи энергии (LCT), который содержит трансформатор и последовательную резонансную цепь, включённую параллельно его первичной обмотке; выпрямитель напряжения (Rect) и нагрузка (Load). На рис. 4, б представлена схема модели блока LCT. Численные параметры схемы приведены выше. Для приближения модели к экспериментальным данным были

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Рис. 4. Моделирование системы передачи электроэнергии в Simulink MATLAB: а – модель принятой структуры передачи электроэнергии; б – блок передачи электроэнергии LCT; в – модель автономного инвертора напряжения

учтены активные сопротивления проводов трансформатора и резонансной цепи. Схема модели автономного инвертора напряжения, приведенная на рис. 4, в, реализована на дискретных элементах библиотеки

приложения MATLAB SPS. Каждое плечо представлено IGBTтранзисторами и включёнными параллельно им диодами. Подобное представление модели позволяет решать более тонкие задачи настройки инвертора. Например,

Рис. 5. Осциллограммы напряжений, соответствующие режиму холостого хода:1 – напряжение на конденсаторе резонансной цепи; 2 – напряжение на реакторе резонансной цепи; 3 – напряжение на выходе АИН

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

такая схема позволяет вывести отдельно измеряемые параметры транзисторов и диодов. Кроме того, в схеме присутствует блок формирования импульсов (БФУ) управления затворами транзисторов (PWR2). Для приближения к реальной схеме в модели также учтены паразитные индуктивности и активные сопротивления линий проводов и контактов (Parasitic). Результаты моделирования системы бесконтактной передачи энергии представлены на рис. 5 и 6 в виде осциллограмм. Осциллограммы показывают, что напряжение на конденсаторе увеличено по сравнению с напряжением на выходе инвертора. Это необходимо учитывать при выборе конденсатора, входящего в последовательную резонансную цепь. Представленные на рис. 6 осциллограммы позволяют определить действующие значения токов первичной обмотки I1 = 11,1 А, инвертора IINV = 3,64 А и резонансной цепи ILC = 11,5 А, откуда следует, что ток первичной обмотки трансформатора остался неизменным, а ток инвертора снизился примерно в 3 раза. Следовательно, введение последовательной резонансной LC-цепи действительно позволяет разгрузить силовые ключи инвертора и уменьшить тепловые потери, а значит, появляется возможность снижения его массогабаритных показателей в целом.

Рис. 6. Осциллограммы токов, соответствующие режиму холостого хода:1 – ток первичной обмотки ВчТ; 2 – ток резонансной цепи; 3 – ток АИН

системы и технологии • Эксперимент Эксперимент проводился с целью проверки выполненных расчётов и результатов моделирования. Макетный стенд, представленный на рис. 7, соответствует принятой функциональной схеме. На рис. 8 и 9 показаны результаты компьютерного моделирования и натурного эксперимента в виде внешних характеристик системы бесконтактной передачи электроэнергии, а также зависимостей тока инвертора от тока нагрузки системы для исходного варианта и для случая введения последовательной резонансной цепи, подключенной параллельно первичной обмотке трансформатора. Анализ графиков показывает, что натурный эксперимент имеет хорошее совпадение с моделированием, при этом введение последовательной резонансной цепи практически не изменяет внешнюю характеристику системы. Вместе с тем представленные на рис. 9 характеристики свидетельствуют о снижении тока инвертора примерно в 3 раза. Соответственно пропорционально току сни-

Рис. 8. Внешние характеристики системы бесконтактной передачи электроэнергии (сплошные линии – моделирование, маркеры – эксперимент): 1 – без применения резонансной цепи; 2 – с применением резонансной цепи

жаются и потери в ключах АИН, выделяемые в виде тепла. Этот результат наглядно подтверждает эффективность принятого способа токовой разгрузки силовых ключей инвертора. На рис. 10 представлены результаты определения КПД при моделировании и при экспериментальном исследовании. Анализ графиков показывает, что натурный эксперимент также имеет хорошее совпадение с моделированием, при этом введение дополнительной резонансной цепи обеспечивает увеличение КПД системы бесконтактной передачи электроэнергии примерно на 7%.

Рис. 9. Зависимость тока инвертора IИНВ от тока нагрузки IН системы бесконтактной передачи электроэнергии (сплошные линии – моделирование, маркеры – эксперимент): 1 – без применения резонансной цепи; 2 – с применением резонансной цепи

Рис. 10. Зависимость КПД η от тока нагрузки IН системы бесконтактной передачи электроэнергии (сплошные линии – моделирование, маркеры – эксперимент): 1 – без применения резонансной цепи; 2 – с применением резонансной цепи

Заслуживает внимания вопрос практической реализации требуемой ёмкости конденсатора резонансной цепи. При этом необходимо учитывать, что реактивная мощность этого конденсатора зависит от относительной частоты, определяемой соотношением между частотой резонанса и частотой коммутации инвертора. Следует также учитывать, что напряжение на конденсаторе повышено по отношению к напряжению питания инвертора.

Выбор конденсатора резонансной цепи

Рис. 7. Экспериментальный стенд системы энергообеспечения АНПА: 1 – автономный инвертор напряжения; 2 - выпрямитель напряжения; 3 – высокочастотный трансформатор; 4 – блок электронной нагрузки; 5 – преобразователь напряжения

Выбор конденсатора, входящего в последовательную резонансную цепь, необходимо проводить из расчёта его реактивной мощности и допустимого напряжения. Так, допустимое напряжение на

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

конденсаторе зависит от частоты, на которой он будет использоваться. При увеличении частоты значение максимально допустимого напряжения на конденсаторе из условия его безопасной эксплуатации уменьшается, причем для типоразмера с меньшим значением ёмкости это уменьшение происходит в меньшей степени. Таким образом, возможна оптимизация массогабаритных показателей ёмкостного элемента резонансной цепи за счет применения нескольких конденсаторов. Анализ показал, что конденсаторы фирмы EPCOS обладают наилучшими показателями в отношении удельной ёмкости, а также максимально допустимых тока и напряжения. Если, например, максимально допустимое напряжение конденсатора с номиналом в 1 мкФ на рабочей частоте меньше требуемого значения, то для его увеличения возможно параллельное включение двух конденсаторов с номиналами 0,47 мкФ. При этом порог безопасного напряжения конденсатора будет увеличен, а результирующие массогабаритные показатели практически не изменятся. Это подтверждается рис. 11, где показаны два конденсатора фирмы EPCOS с номиналами 1 мкФ и 0,47 мкФ и имеющими одинаковый допустимый уровень напряжения Uдоп = 1250 В на частоте до 1 кГц [10]. Для осуществления компромиссного выбора параметров системы бесконтактной передачи

Рис. 11. Конденсаторы фирмы EPCOS номиналом 1 мкФ и 0,47 мкФ

электроэнергии с резонансной цепью исследованы зависимости относительных реактивных мощностей конденсатора, реактора и выходной мощности АИН от относительной частоты m. В результате расчётов определены мощности этих элементов, которые нормированы относительно максимальной мощности на выходе системы бесконтактной передачи и представлены в виде графиков на рис. 12, откуда следует, что наиболее взвешенным значением m, при котором обеспечивается некоторый компромисс между потерями на ключах инвертора и значениями мощности реактивных элементов резонансной цепи является диапазон от 1,4 до 1,7. Если принять, например, m = 1,5, то выходная мощность инвертора с резонансной цепью уменьшается по отношению к исходному варианту примерно в 3 раза.

Рис. 12. Зависимость относительной мощности S* от относительной частоты m: 1 – конденсатора резонансной цепи; 2 – реактора резонансной цепи; 3 – инвертора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования показали, что одним из возможных вариантов разгрузки силовых ключей инвертора является введение последовательной резонансной LC-цепи, подключённой параллельно первичной обмотке трансформатора. Такая структура позволила снизить ток транзисторов АИН, а соответственно и потери, выделяемые в виде тепла, примерно в 3 раза. Предложенный подход к выбору конденсатора резонансной

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

цепи позволяет увеличить допустимый уровень его напряжения при минимальных массогабаритных показателях. ЛИТЕРАТУРА 1. Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Бочаров Л.Ю. Угроза из глубины: XXI век. Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 2011. 304 с. 2. Герасимов В.А., Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И. Исследование режимов работы системы энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата с бесконтактной передачей электроэнергии // Подводные исследования и робототехника. 2013. № 2. С. 24–32. 3. Герасимов В.А., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И. Структура системы электроснабжения автономного необитаемого подводного аппарата // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 3(140). С. 47–55. 4. Герасимов В.А., Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Себто Ю.Г., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И. Математическая модель устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект // Подводные исследования и робототехника. 2012. № 2. С. 28–33. 5. Колпаков А.И. Проблемы проектирования IGBT-инверторов: перенапряжения и снабберы // Компоненты и технологии. 2008. № 5. 6. Топологические методы анализа в электротехнике и автоматике: учеб. пособие для вузов // Г.Н. Герасимова, Г.Е. Кувшинов, Л.А. Наумов, В.К. Усольцев. Владивосток: Дальнаука, 2001. 232 с. 7. Электротехника: в 3-х книгах. Кн. I. Теория электрических и магнитных цепей. Электрические измерения / под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. 505 с. 8. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2006. 632 с. 9. Пат. 2558681 Российская федерация, МПК H20 M7/797. Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками / Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Себто Ю.Г., Герасимов В.А., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И., Красковский М.В.; заявитель и патентообладатель ИПМТ ДВО РАН. – № 2014111547/07, заявл. 25.03.2014; опубл. 10.08.2015, Бюл. № 22. – 22 с.: ил. 10. MetallizedPolypropyleneFilmCa pacitors. [Электронный ресурс] // Ай-Си Контракт. URL: http://www.ic-contract.ru/ images/pdf/TDK/MKP_B32656S.pdf (дата обращения 24.03.2016).

модели, алгоритмы • и программные средства 1 УДК 551.46.077:629.584

О методе оценивания точности работы одномаяковой мобильной навигационной системы подводного аппарата с помощью водного аппарата, оснащенного DGPS Ф.С. Дубровин1, А.Ф. Щербатюк1,2

Одним из основных элементов мобильного навигационного комплекса для автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) является гидроакустическая навигационная система с синтезированной длинной базой. Принцип действия данной системы основан на использовании одного навигационного маяка, буксируемого обеспечивающим судном или автономным необитаемым водным (движущимся по поверхности моря) аппаратом (АНВА). При работе системы с помощью модемной гидроакустической связи производится обмен пакетами навигационных данных между АНПА и мобильным маяком и измеряется время распространения акустического сигнала между ними. Навигационная привязка разработанной системы обеспечивается с помощью DGPS, мобильная часть которой установлена на АНВА. Для определения местоположения АНПА используются два вида навигационной информации: информация о дальности до мобильного гидроакустического маяка и данные системы счисления пути АНПА. Для оценки точности навигационного комплекса производится сравнение алгоритмов, основанных на расширенном фильтре Калмана и фильтре частиц. Результаты морских испытаний разработанной гидроакустической навигационной системы с синтезированной длинной базой в составе морского робототехнического комплекса МАРК, включающего АНПА и АНВА, подтверждают ее работоспособность и демонстрируют достаточно высокую точность ее работы.

Введение Важной задачей при разработке АНПА является достижение высокой мобильности и требуемой точности навигационного обеспечения. Система счисления пути (ССП), в состав которой входят доплеровский лаг и датчики угловой ориентации АНПА, обычно составляет основу навигационной системы АНПА. ССП свойственно постепенное накопление ошибок, входящих в измерения навигационных датчиков. Ошибки в определении местоположения могут составлять от нескольких десятков до сотен метров за час работы, в зависимости от точности используемых датчиков. При этом миссия

АНПА может иметь продолжительность от нескольких десятков часов до нескольких суток. Для обеспечения требуемой точности навигации АНПА, которая может составлять 1–10 м, необходимо периодически в процессе выполнения миссии осуществлять коррекцию счисленных координат. Данные GPS обычно используются для определения местоположения АНПА перед погружением и после всплытия. Для уменьшения накапливающейся ошибки счисления наиболее широкое распространение получили гидроакустические навигационные системы с длинной базой (ГАНС ДБ) [1, 2]. В зависимости от размера зоны, в которой работает объект,

период работы ГАНС ДБ может лежать в интервале от нескольких секунд до нескольких минут. Ошибка определения положения движущегося объекта в данном случае зависит от точности определения координат акустического маяка, знания эффективной скорости звукового сигнала в воде для перевода временных задержек распространения сигнала в дальности и точности фиксации моментов прихода сигналов от акустического маяка. Использование ДБ ГАНС предполагает развертывание и калибровку сети придонных маяков 1 690091, Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: (423) 221-55-45. E-mail: f_dubrovin@mail.ru.

E-mail: alex-scherba@yandex.ru.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

перед началом выполнения работ, а также их подъем по завершении работ. Данные операции могут занять до нескольких суток, и при этом имеется вероятность утраты маяков. Кроме того, дальность действия такой системы обычно не превышает 10 км. При обследовании больших площадей возникает необходимость в многократной переустановке системы, что существенно увеличивает время и стоимость выполнения работ. Одним из способов повышения мобильности навигационного комплекса является использование сети гидроакустических маяков, движущихся по поверхности моря и определяющих свое местоположение с помощью GPS [3–6]. Другим, более экономичным, способом создания мобильного навигационного комплекса для АНПА является разработка гидроакустической навигационной системы с синтезированной длинной базой (ГАНС СДБ). Основная идея его состоит в использовании единственного мобильного навигационного маяка, буксируемого обеспечивающим судном или автономным необитаемым водным аппаратом (рис. 1). Работа навигационных систем данного

Рис. 1. Мобильный навигационный комплекс АНПА с одним гидроакустическим маяком

класса основана на применении модемной гидроакустической связи, которая позволяет синхронно обмениваться пакетами навигационных данных между АНПА и мобильным маяком и одновременно измерять время распространения акустического сигнала между ними [7–10]. В настоящее время ведущими разработчиками морских робототехнических систем признано важным и актуальным создание комплексов, включающих автономные необитаемые подводные и водные аппараты и реализующих мобильную подводную навигацию. Основными областями использования таких комплексов АНПА и АНВА могут быть картографирование дна, поиск затонувших объектов, обследование протяженных объектов (подводных трубопроводов и кабелей), экологический мониторинг, оценка запасов биоресурсов. Работы по созданию комплексов автономных необитаемых подводного и водного аппаратов интенсивно ведутся за рубежом. В частности, в Массачусетском технологическом институте подобный комплекс разрабатывается на основе АНПА «Bluefin» и автономного каяка, оснащенного необходимым оборудованием для связи и навигации. В Лиссабонском техническом институте подобный комплекс создается на базе АНВА ROAZ и АНПА MARES. Близкие работы ведутся и в ряде других мировых центров подводной робототехники (MBARI (USA), WHOI (USA), IFREMER (FRANCE), ATLAS (GERMANY) и др.). Один из последних европейских проектов MORPH [11] посвящен отработке совместных операций с использованием группы АНВА и АНПА. Летом с 22 по 26 июля 2013 года в Тулоне были проведены испытания, в которых

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

приняли участие девять организаций из пяти стран (Германии, Португалии, Италии, Франции и Испании). Проводились эксперименты, в которых вместе с АНВА одновременно работали до пяти разнородных АНПА. Существует несколько подходов к разработке алгоритмов решения навигационной задачи в системе с синтезированной длинной базой. Наиболее распространенным является использование расширенного фильтра Калмана (Extended Kalman Filter – EKF) [12–13], однако его применение ограничено в случае, когда начальная ошибка определения местоположения велика. В этой ситуации используют другие методы, например, метод максимального правдоподобия [7–8], последовательный метод Монте-Карло (sequential Monte Carlo method), который иначе называют фильтром частиц (Particle filter) [14], а также алгебраический метод [15]. Геометрический подход для решения данной задачи описан в работе [16], при этом процесс локализации состоит в построении области, ограничивающей возможные положения АНПА, и выполнении некоторых операций над областями. В статьях [17–18] предложены и исследованы несколько алгоритмов, предназначенных для решения указанной задачи в общем случае. Данная работа посвящена вопросу исследования точности ГАНС, основанной на использовании одного мобильного гидро акустического маяка, установленного на АНВА. Для определения с требуемой точностью текущего местоположения мобильного маяка транспортирующий его АНВА оборудован комбинированным приемником спутниковой навигационной системы (GPS и ГЛОНАСС). С использованием мо-

модели, алгоритмы и программные средства

демной гидроакустической связи АНПА и АНВА обмениваются пакетами данных, а также определяют взаимную дальность на основе измеряемого времени распространения акустического сигнала. В части 1 статьи представлен состав комплекса, приведено краткое описание входящих в него АНПА и АНВА. Вопросы организации систем программного управления и навигации робототехнического комплекса рассмотрены в частях 2 и 3. Метод оценивания точности и результаты морских испытаний, полученные с использованием морского робототехнического комплекса МАРК, включающего АНПА и АНВА, приведены в части 4.

1. Состав морского интеллектуального робототехнического комплекса МАРК В состав робототехнического комплекса МАРК кроме АНПА и АНВА входит оборудование берегового центра управления [19]. АНПА, входящий в данный комплекс (рис. 2), имеет массу около 50 кг и предназначен для решения широкого круга задач на глубинах до 200 м. Основные его технические характеристики приведены в табл. 1. В состав АНПА входят непосредственно носитель и информационно-измерительная система. Носитель включает корпусную конструкцию, движитель

Рис. 2. АНПА МАРК, входящий в морской автономный робототехнический комплекс

но-рулевой комплекс (ДРК), систему энергообеспечения, систему программного управления и контроля, навигационный комплекс, средства связи и средства обнаружения подводного аппарата. Конструкция АНПА включает негерметичные носовой и кормовой отсеки и герметичный центральный отсек, в котором размещена цифровая система программного управления. На нем также установлены антенны гидролокатора бокового обзора (рис. 2). В носовой части расположены системы радиосвязи, приемник GPS, датчики солености, температуры и давления, а также доплеровский лаг. Длина носовой части аппарата является переменной и зависит от устанавливаемого на аппарат дополнительного пользовательского оборудования. Кормовая часть АНПА МАРК включает антенну гидроакустической навигационной системы и системы связи, а также движительно-рулевой комплекс, который состоит из четырех маршевых движителей с фиксированным положением. Каждый движитель включает электронный блок управления и бесколлекторный двигатель с 3-лопастным винтом. Движительный комплекс обеспечивает максимальную скорость движения аппарата около 2,5 м/с. Для обнаружения подводного аппарата используются проблесковый светомаяк (на поверхности моря) и гидроакустический пингер

(в толще воды). При этом на поверхности моря система радиосвязи обеспечивает передачу на дистанции до 5 км координат АНПА, полученных от GPS. АНВА, входящий в рассматриваемый комплекс, представляет собой движущийся по поверхности автономный аппарат катамаранного типа (рис. 3). В его состав входят поплавки, обеспечивающие необходимую плавучесть комплекса. Поплавки устанавливаются на рамную конструкцию, собранную из алюминиевых труб диаметром 40 мм. К раме крепятся радио- и GPSантенны, панели солнечных батарей и прочее оборудование (устройство стыковки, дополнительные датчики). В поплавках носителя встроены отсеки для блоков электроники и аккумуляторных батарей. Поплавки АНВА изготовлены из вспененного пенополистирола плотностью 20 кг/м3. Каждый бортовой поплавок имеет положительную плавучесть около 80 кг. Масса АНВА составляет около 55 кг. Основные его технические характеристики приведены в табл. 2.

Таблица 1. Тактико-технические характеристики АНПА МАРК

Таблица 2. Тактико-технические характеристики АНВА МАРК

Максимальная рабочая глубина погружения, м Масса, кг Длина, мм Диаметр корпуса, мм Максимальная скорость, м/с Автономность (при скорости хода 1 м/с), ч Пробег, км

200 50 1800 230 2,5 18 65

Рис. 3. АНВА МАРК, входящий в морской автономный робототехнический комплекс

Остаточная плавучесть, кг Масса, кг Длина (с выступающими движителями), мм Ширина, мм Максимальная скорость, м/с Автономность (при скорости хода 2.5 м/с), ч Пробег (при скорости хода 2.5 м/с), км

160 55 2700 1520 3 13.5 120

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

ДРК АНВА включает два маршевых движителя «Torqeedo Ultralight», которые устанавливаются в кормовой части носителя на поплавки. Каждый движитель имеет свой электронный блок управления. В движителях «Torqeedo» используются электромоторы бесколлекторного типа, что обеспечивает их высокую надежность. Каждый движитель имеет индивидуальную аккумуляторную батарею, которая подзаряжается от солнечных панелей. Это позволяет в светлое время суток существенно увеличить автономность АНВА. В состав оборудования берегового центра управления входят пост оператора и навигатора комплекса, а также рабочее место для оперативной обработки получаемой информации. Указанный комплекс предназначен для работы в автоматическом режиме в соответствии с введенной перед его запуском программой-заданием (миссией). АНВА и АНПА объединены единой распределенной интеллектуальной системой управления и навигации. Если в процессе работы возникнет необходимость, то оператор имеет возможность перевести комплекс на ручное управление и в телеуправляемом режиме выполнить детальное обследование обнаруженных объектов. Режимы автоматического и супервизорного управления могут произвольно чередоваться по командам оператора в зависимости от характера текущих работ, выполняемых комплексом.

программным обеспечением, которая включает РС-совместимый бортовой компьютер и набор микроконтроллеров (рис. 4). Бортовой компьютер предназначен для реализации системы управления и навигации аппарата, выполнения программы-задания, а также обеспечения работы информационно-измерительного комплекса. Микроконтроллеры предназначены для управления работой отдельных устройств и систем аппарата, предобработки данных и обеспечения их связи с бортовым компьютером. Локальная сеть включает линию Ethernet и несколько сегментов последовательных интерфейсов RS-232 (485), USB и CAN. Когда АНПА находится на поверхности моря, связь между АНПА, АНВА и постом операто-

ра осуществляется посредством радиомодема со скоростью до 115 кБод. Обмен информацией между находящимся в подводном положении АНПА и АНВА выполняется по гидроакустическому каналу. Система гидроакустической связи действует под водой на дистанциях до 3,5 км. Система программного управления предназначена для: •• выполнения программы-за дания (миссии) каждого аппарата, •• управления системами аппаратов во всех режимах, •• загрузки миссии каждого аппарата и ее тестирования перед запуском, •• информационного обмена с постом оператора и другими подводными аппаратами, •• контроля состояния (диагностики) систем аппарата в процессе выполнения миссии,

2. Система программного управления комплекса МАРК Цифровые системы программного управления (СПУ) каждого отдельного аппарата комплекса однотипны и основаны на локальной вычислительной сети (ЛВС) с 34

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Рис. 4. Структурная схема ЛВС АНПА

модели, алгоритмы и программные средства

•• считывания накопленной информации после завершения миссии. Структура СПУ состоит из постоянной и переменной частей. Постоянная часть включает программу «менеджер миссии», программу управления движением, навигационную программу, бортовой архиватор данных и программу диагностики. Переменная часть представляет собой программузадание (миссию) для текущего запуска. Для управления устройствами используется набор управляющих программ – драйверов. Драйвер осуществляет связь с устройством посредством последовательного протокола через RS232 или USB-порты. Для передачи сообщений как между параллельно работающими процессами, реализующими указанные выше программные модули, так и для связи между отдельными аппаратами и постом оператора используется механизм IPC. С его помощью осуществляется обмен по принципу «публикатор–подписчик». Каждый процесс имеет возможность публиковать в системе пакеты с данными, а также подписываться на получение интересующих сообщений и использовать содержащиеся в них данные. Предусмотрена ситуация, когда один аппарат может полностью захватывать управление другим, вплоть до формирования упоров на его движители. Драйверы также имеют возможность получать и публиковать IPC-сообщения. В процессе обмена сообщениями между отдельными аппаратами и с постом оператора драйвер модема системы радио- или гидроакустической связи, получив локальное IPC-сообщение для отправки на другой узел, формирует на его основе байтовый поток и осуществляет его передачу. На принимающей стороне драй-

вер модема из получаемого потока байтов формирует исходное IPC-сообщение и публикует его в своей сети. Все программное обеспечение работает под управлением ОС Linux. Процесс «менеджер миссии» служит для управления миссией. Он получает команды с поста управления оператора о загрузке новой миссии и готовит ее к выполнению. На него также возложены функции приостановки или восстановления миссии, отмены текущего задания, полной отмены или смены миссии. Миссия представляет собой программу, содержащую вызовы специальных функций – команд управления аппаратом, которые делятся на три класса: команды управления движением, команды управления бортовыми устройствами, команды запроса данных. Вызов команды управления движением для каждого аппарата сводится к заполнению специальной структуры с параметрами движения и ее публикации. На это сообщение подписана программа управления движением, которая вычисляет упоры движителей с учетом данных о текущем состоянии и местоположении. Когда желаемые параметры движения

достигнуты, программа управления движением посылает сообщение «Команда выполнена». Получив его, менеджер миссии продолжает дальнейшее выполнение программы-задания. Контроль достижения цели может осуществляться по времени (команда движения в заданном направлении в течение определенного времени), по координатам, глубине или высоте (для АНПА) или другому условию. Диагностика подсистем отдельных аппаратов в режиме реального времени также реализована в виде отдельного процесса.

3. Структура и алгоритмы работы навигационной системы робототехнического комплекса МАРК Как отмечалось выше, при разработке робототехнического комплекса МАРК одной из основных целей была реализация мобильного навигационного обеспечения АНПА. Для комплекса разработана ГАНС СДБ, использующая в качестве единственного мобильного навигационного маяка гидроакустическую антенну, транспортируемую АНВА. Структурная схема системы навигации показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема навигационного обеспечения робототехнического комплекса, включающего АНПА и АНВА подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

В процессе выполнения задания АНПА и АНВА посредством модемной акустической связи поочередно обмениваются навигационными данными, на основе которых АНПА определяет свое местоположение, а АНВА отслеживает траекторию движения АНПА. Информационная посылка от АНВА содержит координаты гидроакустической антенны, рассчитанные с использованием данных от GPS (ГЛОНАСС или DGPS). Основными задачами АНВА в робототехническом комплексе являются навигационное обеспечение работы АНПА и организация связи между АНПА и наземным пунктом управления. Поскольку глубина АНПА может быть измерена непосредственно с достаточно высокой точностью при помощи датчика давления, то оценивать требуется только координаты АНПА в горизонтальной плоскости. ССП осуществляет счисление координат АНПА на основе данных от доплеровского лага и датчика курса в промежутках времени между моментами получения навигационных сигналов от гидроакустического маяка. Один из подходов, применяемых в системе для коррекции местоположения АНПА с использованием данных о дальностях между АНПА и АНВА, получаемых от СДБ ГАНС, основан на реализации расширенного фильтра Калмана. При этом координаты АНПА и степень точности их оценки описываются при помощи вектора состояния X и его ковариационной матрицы P. На этапе экстраполяции работы фильтра Калмана выполняется расчет предсказываемого вектора ~ состояния Xk и его ковариацион~ ной матрицы P k. Для этого используются полученные на предыдущем шаге оценки Xˆk–1 и Pˆk–1, а также 36

и измерения дистанции до маяка Dk формируются текущая апостериорная оценка местоположения АНПА в горизонтальной плоскости Xˆk = [xˆk, yˆk]T и ковариационная матрица Pˆk для данной оценки. Знание ковариационной матрицы ошибок для оценки вектора соНа этапе коррекции работы стояния позволяет контролировать дискретного фильтра Калмана сходимость и устойчивость проимеем: цесса оценивания. ~ ~ Другим подходом к получению Xˆk = Xk + Kk [Dk – d(Xk, zk)], (3) оценки местоположения АНПА ~ P k = Pˆk–1 + Nk , (4) является использование фильтра ~ где Dk и d(Xk, zk) – измеренная и частиц, в рамках которого распрерассчитанная (ожидаемая) дально- деление вероятностей возможного сти между маяком и АНПА на k-м местонахождения АНПА описывается при помощи набора точек такте работы алгоритма: {X1,...,XN} (так называемых чаd (X k , zk )  стиц), каждая из которых имеет некоторый вес ωi. 2 2 2   xk − xb    y k − yb    zk − zb  , Работа алгоритма состоит из нескольких шагов: (5) 1) инициализация. На основе (xb, yb, zb) – координаты маяка, zk – имеющейся априорной информаглубина нахождения АНПА в мо- ции генерируется набор из N чамент получения k‑го навигацион- стиц с равными весами, располоного сигнала, Kk – оптимальная по женных на плоскости случайным Калману матрица коэффициентов образом в области возможного наусиления, рассчитываемая в соот- хождения АНПА. Инициализация ветствии со следующим выраже- фильтра может быть произведена нием: разными способами: −1 •• точки с равными весами расK k  Pk H kT  H k Pk H kT  Rk  , (6) пределяются в некотором кольце,   где Rk – ковариационная матрица центр которого находится в точке ошибок измерений дальностей; нахождения гидроакустического Hk – матрица частных произво- маяка, средний радиус кольца содных функции измерения в точке ответствует горизонтальной даль~ ности от маяка до АНПА, а шиXk: рина кольца выбирается с учетом  ∂ d  X , zk   точности измерения дальности  Hk    при помощи ГАНС;  ∂ X  X  X •• точки с равными весами расk пределяются в некотором круге, 1  × 2 2 2 центр которого находится в точке  xk − xb    yk − yb    zk − zb  погружения АНПА, координаты которой фиксируются с помощью ×  xk − xb y k − yb  . приемника спутниковой навига(7) ции, а радиус круга выбирается с В результате двух шагов рабо- учетом возможного неконтролиты алгоритма на основе предыду- руемого дрейфа АНПА за время щей оценки координат АНПА Xˆk–1, погружения вследствие наличия ее ковариационной матрицы Pˆk–1 течений; счисленный вектор перемещения АНПА ΔXk и его ковариационная матрица Nk. Пересчет выполняется в соответствии со следующими выражениями: ~ (1) Xk = Xˆk–1 + ΔXk, ~ ˆ (2) P k = Pk–1 + Nk.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

2) обновление. На основе информации от бортовой системы счисления пути осуществляется перемещение облака точек с добавлением к вектору перемещения каждой частицы случайной ошибки; 3) коррекция. При получении измерения дальности до гидроакустического навигационного маяка осуществляется пересчет весов частиц, учитывающий их предыдущие веса и степень соответствия координат частиц полученным измерениям дальностей до них; 4) регенерация частиц. В процессе длительной работы фильтра лишь небольшое число частиц будет иметь существенно отличные от нуля веса: большинство частиц вырождаются (их веса уменьшаются и становятся пренебрежимо малыми). В связи с этим после каждого этапа коррекции определяется эффективное число частиц в соответствии с выражением: N eff 

1 N

∑ω

2 i

(8)

Если эффективное число частиц меньше заданного порога Nth, то необходимо производить процедуру регенерации частиц, состоящую в удалении вырожденных частиц и насыщении области наиболее вероятного положения АНПА новыми частицами. Частицы, имеющие малые веса, удаляются, и вместо них создаются новые частицы, которые распределяются в некоторой области вокруг оставшихся частиц пропорционально их весам. В качестве оценки местоположения подводного аппарата выбираются либо координаты частицы с максимальным весом, превышающим заданный порог, либо среднее взвешенное значение координат всех частиц: i 1

X  ∑ Xiωi .

i 1

(9)

В качестве показателя, характеризующего точность оценивания и формирующего эллипс ошибок, используется ковариационная матрица, рассчитываемая для имеющегося облака частиц в соответствии с выражением:  px P  pxy

pxy   py 

T  E  X − EX  X − EX      N

 ∑ ωi  Xi − X  Xi − X  .

(10)

Важным является вопрос формирования траектории движения АНВА относительно АНПА. Для обеспечения высокой точности навигации АНПА мобильному маяку на каждом такте работы ГАНС следует находиться в такой точке, которая бы позволяла значительно уменьшить эллипс неопределенности его местоположения. Максимальному уменьшению области неопределенности соответствует такой алгоритм формирования траектории движения мобильного маяка, при котором в каждый момент излучения навигационного сигнала он находится на большой оси эллипса ошибок. Для реализации данного алгоритма автономный необитаемый водный аппарат, транспортирующий гидроакустический маяк, периодически по гидроакустическому каналу связи должен получать от АНПА пакет данных, включающий оценку его координат, ковариационную матрицу ошибок координат, а также текущие курс и скорость движения АНПА. С использованием этих данных оценивается местоположение АНПА в момент времени, соответствующий следующему циклу ГАНС, а на основе полученных элементов ковариационной матрицы расi 1

считывается ориентация эллипса ошибок и вычисляется направление его большой оси. Используя оценку местоположения АНПА и направление большой оси эллипса ошибок, можно определить прямую, находясь на которой мобильный маяк позволит выполнить эффективное сжатие эллипса ошибок местонахождения АНПА в очередном цикле ГАНС [18].

4. Метод определения точности и результаты морских испытаний в составе автономного робототехнического комплекса, включающего АНПА и АНВА Морские исследования точности одномаяковой мобильной навигационной системы АНПА были выполнены в 2013–2014 годах в заливе Петра Великого Японского моря. Для оценки точности разработанной навигационной системы был использован робототехнический комплекс МАРК, включающий АНПА и АНВА. В процессе экспериментов организовывалось движение АНПА на глубине до 15 метров. На рис. 6 показан один из эпизодов испытаний. Скорость распространения звукового сигнала в воде оценивалась на основе показаний датчика давления, температуры и солености Citadel CTD (Teledyne RD Instruments, США), установленного на борту АНПА. На рис. 7 показан график изменения скорости звука в зависимости от глубины погружения АНПА в процессе выполнения одного из экспериментов. Местоположение АНВА определялось с помощью спутниковой навигационной системы высокой точности DGPS на базе приемников Trimble SPS 855 GNSS, входящих в базовую и мобильную (роверную) станции, работающие

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

Рис. 6. Определение местоположения АНПА с помощью АНВА, оснащенного гидроакустическим маяком и DGPS

в режиме RTK. Среднеквадратическая погрешность определения координат (3σ) для данной системы составляет около 6 см. Для описания местоположения АНПА и АНВА в рамках проведенных натурных экспериментов использовалась единая для обоих аппаратов локальная неподвижная прямоугольная система координат, начало которой располагалось в точке с географическими координатами 43° 01' 07,43'' северной широты, 131° 52' 16,40'' восточной долготы, а оси X, Y и Z направлены на север, восток и вертикально вниз соответственно. В рамках проведенных испытаний был выполнен ряд экспе-

риментов, связанных с решением следующих задач: •• оценка точности определения дальности на основе измерения времени распространения гидроакустического сигнала при помощи гидроакустических модемов EvoLogics S2C R 18/34 [20]; •• исследование точности работы гидроакустической навигационной системы АНПА, основанной на использовании одного мобильного гидроакустического маяка. Для оценки точности определения дистанции между АНПА и АНВА, транспортирующего гидроакустический маяк, использовалась следующая методика.

Рис. 7. График изменения скорости звука в зависимости от глубины погружения АНПА в процессе выполнения одной из миссий

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

АНПА закреплялся в подводном положении на краю пирса в точке, координаты которой были измерены с высокой точностью с помощью указанной DGPS. Затем АНВА, оснащенный роверной частью DGPS, выполнял движение по заданной траектории. Измерялись отклонения дальностей, полученных с помощью ГАНС, от рассчитанных на основе показаний DGPS. Эксперименты показали, что ошибка определения дальностей между АНПА и АНВА на дистанциях до 1 км составляет несколько десятков сантиметров, что соответствует около 10-3 от дальности между аппаратами. На рис. 8 показаны графики изменения дистанций между АНПА и АНВА по данным ГАНС и DGPS в процессе выполнения одной из миссий. В проведенных экспериментах учитывались следующие источники ошибок: •• разнесение по вертикали на 2,5 метра гидроакустической антенны и антенны приемника системы спутникового позиционирования на борту АНВА способно вносить несоответствие в дальности за счет качки на волнах по крену и дифференту; •• многолучевой характер распространения звукового сигнала и непостоянство скорости распространения звукового сигнала в воде вдоль всей траектории его распространения приводят к ошибкам в измерении дальности (при помощи CTD измеряется значение данного параметра лишь вблизи АНПА); •• колебания АНПА с гидро акустической антенной в подвод ном положении относительно заданной точки на краю пирса приводит к рассогласованию предполагаемой и фактической дальностей. При исследовании точности работы предложенной СДБ

модели, алгоритмы и программные средства

Рис. 8. Графики изменения дистанций между АНПА и АНВА по данным ГАНС и DGPS при выполнении одной из миссий (а – 5-секундный фрагмент, шаг сетки 0,5 м; б – 120-секундный фрагмент, шаг сетки 20 м)

ГАНС фактические точки старта (погружения) и точка финиша (всплытия) в процессе выполнения программы-задания АНПА измерялись с помощью DGPS, установленном на АНВА. Полученные координаты в локальной неподвижной системе координат сравнивались с результатами работы СДБ ГАНС. Если в момент окончания миссии в точке всплытия за основу брать координаты, полученные с помощью DGPS, то имеют место приведенные в табл. 3 ошибки определения координат АНПА для ССП, алгоритма на основе расширенного фильтра Калмана и алгоритма на основе фильтра частиц. На рис. 9 приведена траектория АНПА (в локальной неподвижной системе координат) по данным бортовой GPS при движе-

нии по поверхности (красная кривая) и на основе показаний ССП при движении под водой (синяя кривая), полученные в одном из экспериментов. Заключение

Полученные результаты морских испытаний подтверждают работоспособность и достаточно высокую точность разработанной ГАНС, сопоставимую с ДБ ГАНС средней точности. Продемонстрирована практическая работоспособность метода оценивания точности работы СДБ ГАНС АНПА с помощью АНВА с установленной на нем мобильной частью DGPS. Исследование выполнено при поддержке гранта ДВФУ и гранта РНФ 145000034 (экспериментальная часть исследования). Авторы

Таблица 3. Ошибки определения координат АНПА ССП Ошибка определения координат в момент окончания миссии

ΔX = 7,31 м; ΔY = 40,44 м

Расширенный Фильтр частиц фильтр Калмана ΔX = 0,3 м; ΔX = -0,35 м; ΔY = -2,19 м ΔY = -0,04 м

Рис. 9. Траектория АНПА в одном из запусков по данным бортового GPS при движении по поверхности (красная кривая) и по данным ССП при движении под водой (синяя кривая)

выражают свою признательность всем сотрудникам ИПМТ ДВО РАН и ДВФУ, принимавшим участие в подготовке и проведении морских испытаний с применением рассмотренного робототехнического комплекса. Литература 1. Агеев М.Д., Касаткин Б.А., Киселев Л.В. и др. Автоматические подводные аппараты. Л.: Судостроение, 1981. 224 с. 2. Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: Системы и технологии / под общ. ред. М.Д. Агеева. М.: Наука, 2005. 400 с. 3. Matos A., Cruz N. AUV Navigation and Guidance in a Moving Acoustic Network // Proc. of OCEANS’05 MTS/IEEE. Brest, France, 2005. 4. Curcio J., Leonard J., Vaganay J., Patrikalakis A., Bahr A., Battle D., Schmidt H., Grund M. Experiments in Moving Baseline Navigation using Autonomous Surface Craft // Proc. of OCEANS’05 MTS/ IEEE. Washington, USA, 2005. 5. Twiggs B., Kitts C., Ballou P. SelfPositioning Smart Buoys, The “Un-Buoy” Solution: Logistic Considerations using Autonomous Surface Craft Technology and Improved Communications Infrastructure // Proc. of OCEANS’06 MTS/IEEE. Boston, USA, 2006. 6. Santos N., Matos A., Cruz N. Navigation of an Autonomous Underwater Vehicle in a Mobile Network // Proc. of OCEANS’08 MTS/IEEE. Quebec, Canada, 2008. 7. Eustice R.M., Whitcomb L.L., Singh H., Grund M. Experimental Results in Synchronous-Clock One-Way-TravelTime Acoustic Navigation for Autonomous Underwater Vehicles. // Proc. of IEEE Int. Conference on Robotics and Automation. Rome, Italy, 2007. 8. Eustice R.M., Singh H., Whitcomb L.L. Synchronous-Clock One-Way-Travel-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

системы и технологии

Time Acoustic Navigation for Underwater Vehicles // Jorn. of Field Robotics: Special Issue on State of the Art in Maritime Autonomous Surface and Underwater Vehicles. 2011. Vol. 28, N 1. P. 121–136. 9. Ваулин Ю.В., Матвиенко Ю.В., Щербатюк А.Ф. Навигационное обеспечение автономного необитаемого подводного аппарата ММТ-3000 // XIV Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам: материалы докл. СПб., 2007. C. 251-256. 10. Hageh O.K. еt al. Underwater Transponder Positioning and Navigation of Autonomous Underwater Vehicles // Proc. of OCEANS’09 MTS/IEEE. Biloxi, USA, 2009. 11. Kalwa J., Carreiro-Silva M., Tempera F., Fontes J., Santos R.S., Fabri M-C, Brignone L., Ridao P., Birk A., Glotzbach T., Caccia M., Alves J., Pascoal A.. The MORPH Concept and Its Application in Marine Research. // Proc. of OCEANS'13 MTS/IEEE. Bergen, Norway, 2013. 12. Webster S.E., Eustice R.M., Singh H., Whitcomb L.L. Preliminary Deep Water

Results in Single Beacon One Way Travel Time Acoustic Navigation for Underwater Vehicles // Proc. of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). St. Louis, USA, 2009. 13. Webster S.E., Whitcomb L.L., Eustice R.M. Advances in Decentralized SingleBeacon Acoustic Navigation for Underwater Vehicles: Theory and Simulation // Proc. of IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles Conference. Monterey, USA, 2010. 14. Ferreira B., Matos A., Cruz N. Single Beacon Navigation: Localization and Control of the MARES AUV // Proc. of OCEANS’10 MTS/IEEE. Seattle, USA, 2010. 15. Jouffroy J., Reger J. An Algebraic Perspective to Single-Transponder Underwater Navigation // Proc. of IEEE 2006 Conference. Munich, Germany, 2006. 16. Morice C., Veres S. Geometric Bounding Techniques for Underwater Localisation using Range-Only Sensors // Systems and Control. 2010. 17. Scherbatyuk A.Ph. Algorithms of AUV MMT3000 Positioning Based on Use

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

of Towed Acoustic Transducer // Proc. of the 15th International Symposium on Unmanned Submersible Untethered Technology (UUST07). Durham, USA, 2007. 18. Scherbatyuk A.Ph., Dubrovin F.S. Some Algorithms of AUV Positioning Based on One Moving Beacon // Proceedings of the IFAC Workshop Navigation, Guidance and Control of Underwater Vehicles. Porto, Portugal, 2012. 19. Кушнерик А.А., Михайлов Д.Н., Сергеенко Н.С. и др. Морской робототехнический комплекс, включающий автономные необитаемые подводный и водный аппараты // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 3. С. 67–72. 20. Аврорин А.В., Айнутдинов В.М., Bannasch R. и др. Гидроакустическая система позиционирования экспериментального кластера нейтринного телескопа масштаба кубического километра на озере Байкал // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 4. С. 87–97.

модели, алгоритмы • и программные средства 1 УДК 681.883.67.001:621.396.677

Оптимизация характеристик направленности высокочастотного гидролокатора бокового обзора В.В. Золотарёв

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий1

При разработке высокочастотных гидролокаторов бокового обзора (ГБО) большое значение помимо главных параметров – дальности действия и разрешающей способности по углу и по дистанции – имеют свойства диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости. Для формирования диаграммы направленности при ГБО-съемке для расширения зоны обзора обычно используются главный лепесток диаграммы и один-два боковых лепестка. Глубокие «нули» диаграммы направленности, разделяющие главный лепесток и боковые лепестки, приводят к потере эхо-сигнала на небольших участках ближней зоны обзора. Визуально это проявляется на эхограмме в виде тёмных вертикальных полос, тянущихся вдоль донной линии. Расширение главного лепестка вертикальной ДН можно осуществить уменьшением поперечной апертуры антенны. Таким путем можно устранить «нули» ДН, однако при этом снижается дальность действия ГБО. Проблема может быть решена построением гидролокационных антенн со специфической формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости, в частности, «косекансных» антенн. По сравнению с радиолокационными разработками в гидролокации помимо законов обратного рассеяния необходимо учитывать гидрологические факторы. К ним относится прежде всего затухание звука в воде в зависимости от частоты и дистанции до цели. Для разработки антенн с требуемыми характеристиками используются методы численного моделирования. Модель антенны с диаграммой направленности, подобной «косекансной», выполнена в среде MATLAB. На основе модели изготовлен рабочий макет в виде экспериментальной антенной секции. Положительные результаты, полученные в процессе испытаний макета, могут быть положены в основу создания эффективных антенн ГБО.

1. Зависимость качества гидролокационного обзора от свойств диаграмм направленности антенн ГБО Наиболее ответственным узлом, определяющим характеристики гидролокатора бокового обзора, является приёмопередающая антенна. Она должна обладать специфической веерообразной диаграммой направленности с широким (до 90°) углом раскрыва φV в вертикальной плоскости, но очень узким (<1°) азимутальным углом раскрыва φA, который и определяет разрешающую способность ГБО. Антенна ГБО размещается на подвижном носителе таким образом, чтобы её

ДН пересекалась с поверхностью дна по линии, перпендикулярной примыкающей слева (или справа) к проекции траектории движения носителя. Узкий азимутальный угол раскрыва φA реализуется путём увеличения длины антенны ГБО. Сложнее получить 90‑градусную форму диаграммы направленности в вертикальной плоскости, и этому вопросу посвящено дальнейшее изложение. На рис. 1, а показана диаграмма направленности простой синфазной антенны высокочастотного (ВЧ) ГБО в вертикальной плоскости (далее – «вертикальная ДН»), в которой близкая к требуемой большая ширина раскрыва φV получена традиционным способом,

путём уменьшения ширины пьезоэлементов до величины λ/2 (где λ – длина звуковой волны в воде). На практике такая приёмопередающая антенна оказалась малопригодной, поскольку ГБО, построенный на её базе, обладал недостаточной дальностью действия (чувствительность антенны как в режиме приёма, так и в режиме излучения существенно зависит от массы использованной в её конструкции пьезокерамики). Увеличивая ширину керамики, удаётся повысить эффективность антенны и дальность действия ГБО. 690950, Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел/факс: (4232) 432416. E-mail: lab32imtp@ marine.febras.ru . 1

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

На рис. 1, б показана диаграмма направленности такой антенны. Дальность действия ГБО, построенного на базе этой антенны, оказалась приемлемой для практической работы при условии, что основным лепестком покрывалась дальняя и средняя зоны бокового обзора, в то время как обзор в самой ближней зоне, непосредственно под антенной, происхо дил за счёт боковых лепестков. ВЧ ГБО с такой антенной в целом обладал неплохими характеристиками, обеспечивая высокую разрешающую способность и достаточную дальность действия.

На рис. 2 показан образец эхограммы подобного ГБО. Однако в таких эхограммах наблюдаются тёмные почти вертикальные полосы в ближней зоне обзора, тянущиеся вблизи эхо-изображений линий дна. Это, безусловно, снижает общее визуальное восприятие эхо-изображения. Полосы обусловлены глубокими «нулями» диаграммы направленности антенны, и их не удаётся полностью устранить ни временными автоматическими регулировками усиления (ВАРУ), ни последующей вторичной обработкой.

Рис. 1. Нормированные ДН антенн ГБО в вертикальной плоскости: а – для керамики шириной ~ λ/2; б – для керамики шириной ~ λ

Рис. 2. Фрагмент эхограммы ВЧ ГБО. Боковой обзор на максимальных и средних дальностях обеспечивается главным лепестком ДН антенны. Обзор в ближней зоне и непосредственно под антенной реализуется за счёт боковых лепестков. Темные почти вертикальные полосы вблизи линий дна обусловлены глубокими «нулями», разделяющими лепестки ДН

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

2. Радиолокационные аналогии и варианты решения проблемы Попытки устранить «нули» диаграммы направленности, не потеряв при этом чувствительности, с неизбежностью ведут к усложнению конструкции антенн. В радиолокации удачным решением было создание т.н. «косекансных» антенн [1]. На рис. 3 пунктиром схематично показана идеализированная форма ДН косекансной антенны, а сплошной линией – форма ДН реальной микроволновой антенны. Аналогичные решения предлагались и для гидролокационных устройств [2]. «косеНесимметричность кансной» диаграммы направленности относительно её оси является важным достоинством. Эта диаграмма более выгодна в энергетическом отношении, поскольку она позволяет скомпенсировать зависимость мощности эхолокационного отклика от дальности до цели, увеличивая отклик от слабых дальних целей и устраняя перегрузку приёмного тракта сильными эхо-сигналами от ближних целей. Однако из-за особенностей распространения звука в морской среде проектирование гидролокационных антенн сложнее, чем радиолокационных.

Рис. 3. Типичная «косекансная» диаграмма направленности радиолокационной антенны. Сплошной линией показана ДН реальной антенны [1], пунктиром – более желательная идеализированная ДН

модели, алгоритмы и программные средства

3. Влияние гидрологических факторов Известна [4] гидролокационная зависимость интенсивности обратно-рассеянного эхосигнала Jэ от дальности до цели r, от излучаемой мощности Pa и от коэффициента осевой концентрации γ приёмопередающей антенны: Jэ 

Pa ⋅ γ ⋅ Rэ2 ⋅10−0 ,2 β ⋅r , 16π ⋅ r 4

(1)

где Rэ – определяемый экспериментально радиус некоторой эквивалентной (по отражающей способности) придонной цели. Множитель 10–0,2βr характеризует затухание звука в водной среде. Аналогичная радиолокационная формула не содержит подобного множителя ввиду практического отсутствия затухания радиоволн в воздухе. Между тем, этот множитель вносит сущест венное отличие в задачу проектирования гидролокационной антенны. На рис. 4 показаны обобщённые частотные зависимости коэффициента затухания звука в морской и пресной воде [3]. Точками обозначены экспериментальные данные для морской воды, полученные в различных местах океана. Кривая 1 аппроксимирует

Рис. 4. Зависимость коэффициента затухания звука в воде β от частоты f. Кривая 1 аппроксимирует многочисленные экспериментальные данные для морской воды [3]. Кривые 2–3 аппроксимируют результаты экспериментов для пресной воды

эти значения и хорошо соответствует известной полуэмпирической формуле Шулкина–Марша. Квадратиками и треугольниками с соответствующими линиями 2 и 3 обозначены данные, полученные для пресной воды с различной степенью загрязнения. Прямая 4 представляет собой чисто теоретическую зависимость коэффициента затухания β от частоты f при отсутствии объёмной вязкости. Анализируя эти зависимости с учётом особенностей геометрии бокового обзора становится очевидно, что наличие затухания, особенно сильно проявляющегося на высоких звуковых частотах, требует для «косекансной» гидролокационной антенны бóльшего сужения вертикальной диаграммы направленности, чем для антенны радиолокационой. Ещё один фактор, с которым приходится считаться при разработке антенн гидролокатора бокового обзора, связан с зависимостью силы обратного донного рассеяния от изменяющегося угла скольжения. Многочисленные эксперименты по изучению таких зависимостей для разных типов подводных грунтов на мелководье и в глубоком море выполнялись [5] преимущественно на частотах, не превышающих 100 кГц (рис. 5, а). Эти данные весьма полезны для разработки низкочастотных ГБО, но недостаточны для ГБО высокочастотого. Экспериментальных результатов для более высоких звуковых частот, представляющих особый интерес для проектирования ВЧ ГБО, немного. В [6] приведены зависимости силы обратного рассеяния звуковой волны, измеренные для частоты 0,5 мГц (рис. 5, б). Однако эти результаты были получены не для реальной поверхности морского дна, а в ходе лабораторных экспериментов и только для

песчаной поверхности двух типов. В целом они подтверждают общую тенденцию к значительному падению силы обратного рассеяния при уменьшении угла скольжения, многократно подтверждённую экспериментами на более низких частотах и с иными типами подводных грунтов [3, 5, 7, 8].

4. Требования к характеристикам направленности антенны ГБО Значительный разброс значений затухания (см. рис. 4), и особенно силы обратного рассеяния (рис. 5), не позволяет сформулировать однозначных (пригодных к любым условиям гидролокационной съёмки) требований к количественным характеристикам вертикальной составляющей ДН приемопередающей антенны ГБО. Однако некоторые очевидные требования качественного характера вырисовываются достаточно чётко. Перечислим их:

Рис. 5. Зависимость силы обратного рассеяния звуковой волны от угла скольжения для различных грунтов: а – рассеяние на частотах от 24 до 100 кГц для морского дна с илистыми, гравийными и скальными типами грунтов [5]; б – рассеяние на частоте 500 кГц для песчаной поверхности дна двух типов [6]

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

модели, алгоритмы и программные средства

1. В пределах полного диапазона дальностей действия ГБО (от зондирования ближних целей по нормали вниз до почти горизонтального бокового обзора для дальних целей) вертикальная составляющая диаграммы направленности антенны не должна содержать «нулей». 2. Форма вертикальной диаграммы направленности антенны ГБО должна быть существенно несимметричной, по возможности близкой к «косекансной». 3. Уровень боковых лепестков в верхней и задней полусферах должен быть минимальным. 4. Коэффициент концентрации приёмопередающей антенны ГБО в направлении дальней зоны обзора (условно – в «осевом» направлении) должен быть максимально возможным. 5. Чувствительность антенны в направлении по нормали вниз может принимать значения не более 5–10% от чувствительности в «осевом» направлении как в режиме передачи, так и в режиме приёма. 6. В соответствии с п.п. 2–5 и с учётом множителя 10–0,2βr в формуле (1) вертикальная диаграмма направленности антенны ГБО должна быть более узкой, чем ДН «косекансных» микроволновых антенн.

5. Моделирование вертикальной диаграммы направленности Исходя из перечисленных требований средствами пакета прикладных программ MATLAB была смоделирована антенна гидролокатора бокового обзора с диаграммой направленности, похожей на «косекансную». В основу модели лег метод подбора амплитуднофазового распределения давления по вертикальной апертуре антенны. Проводя аналогию с разложе44

Рис. 6. Результат численного моделирования вертикальной ДН антенны ВЧ ГБО

нием произвольной функции в ряд, любую наперёд заданную форму диаграммы направленности можно было бы составить путём суммирования множества элементарных составляющих, описываемых классическими фукциями типа sin(x)/x, каждая из которых представляет собой поле элементарного излучателя, например, простого пьезоэлектрического излучателя поршневого типа. Однако излишне большое число составляющих привело бы на стадии создания изделия к технологическим трудностям. Поэтому наибольшее внимание было уделено изучению возможности синтезировать приемлемую ДН из минимально необходимого количества элементарных составляющих. Двух составляющих оказалось недостаточно, но уже три дали ощутимый положительный эффект. На рис. 6 представлен результат численного моделирования вертикальной диаграммы направленности антенны высокочастотного ГБО для трёх элементарных слагаемых. На главной части рисунка все диаграммы направленности представлены в прямоугольных координатах. Синяя кривая иллюстрирует ДН, полученную в результате сложения полей от трёх элементарных источников.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Вклад каждого из них обозначен красной, чёрной и зелёной тонкими линиями. По оси абсцисс отложены углы от ‑90° до +50°, по оси ординат – парциальные «веса» каждого из элементарных компонентов в относительных единицах и результат суммирования. Вверху результат суммирования показан фрагментарно в виде двух диаграмм направленности, представленных в полярных координатах (справа – ДН в линейном масштабе, слева – она же в масштабе логарифмическом, причём для устранения неоднозначного восприятия за счёт наложения лепестков значения амплитуд ДН взяты по модулю).

6. Оценка результатов моделирования и макетирование антенны ГБО Главным достоинством полученного результата является полное отсутствие «нулей» вертикальной составляющей диаграммы направленности в диапазоне углов от ‑72° до +12° при вполне приемлемой неравномерности и очень небольших отклонениях от монотонности в этом же диапазоне углов. В верхней и задней полусферах суммарной ДН при-

модели, алгоритмы и программные средства

сутствуют боковые лепестки ДН, однако их уровень ниже уровня боковых лепестков, по крайней мере, первого слагаемого. На основе результатов моделирования был изготовлен макетный образец в виде укороченной экспериментальной антенной секции (рис. 7). Полная приёмопередающая антенна может быть составлена из нескольких таких секций. Секция состоит из трёх пьезоэлементов, каждый из которых выполнен и пространственно ориентирован таким образом, чтобы его вклад в дальнее поле соответствовал описанной численной модели как по фазе, так и по амплитуде. Экспериментальная секция была испытана в бассейне в эхолокационном режиме с использованием в качестве стенда прецизионного поворотного устройства, сопряженного с полуавтоматическим узлом регистрации данных. В процессе измерений использовалось вспомогательное акустическое зеркало в виде плоского алюминиевого листа толщиной λ/4, вывешенное в бассейне на подвесе строго вертикально и перпендикулярно направлению на испытываемую антенную секцию. Это позволило увеличить измерительную трассу вдвое и более строго выдержать условия дальнего поля при измерении вертикальной составляющей диаграммы направленности. Условия свободного пространства соблюдались выбором импульсного режима работы и надлежащим удалением от поверхности воды, стенок и дна бассейна как испытываемой антенной секции, так и акустического зеркала.

Рис. 7. Экспериментальная антенная секция в макетном исполнении

На рис. 8 показан результат измерения вертикальной составляющей диаграммы направленности экспериментальной антенной секции. Форма главного лепестка этой ДН во многом повторяет форму, изображённую на рис. 6, но при этом главный лепесток макета заметно шире главного лепестка модели, что в приложении к ГБО-обзору можно назвать недостатком. Несмотря на хорошую, близкую к «косекансной» асимметрию ДН для ближней зоны в направлении дальней зоны обзора степень асимметрии ДН экспери ментальной антенной секции явно недостаточна. В диаграммах направленности численной модели и испытанного макета несколько различаются угловые расположения локальных минимумов и максимумов в диапазоне углов 35–80°, но этот фактор был отмечен как несущественный. Вышеназванные недостатки численной модели, обусловленные наличием боковых лепестков в задней и верхней полусферах, свойственны и испытанному макету. При необходимости путём увеличения числа пьезоэлементов в антенне (т.е. числа элементарных

Рис. 8. Вертикальная составляющая ДН экспериментальной антенной секции

слагаемых, формирующих результирующее поле) уровень этих лепестков мог бы быть снижен. Однако на практике эта мера, скорее всего, избыточна, поскольку вредное влияние верхних боковых лепестков заметно лишь в процессе ГБО-съёмки на мелководье, но уже на глубинах более 20–30 метров их влияние становится незначи тельным. Влияние задних лепестков ДН может быть уменьшено путём рационального размещения антенн ГБО на корпусе АНПА или иного носителя благодаря экранирующему действию корпуса. Весьма серьёзным недостатком является почти двукратное снижение чувствительности испытанного макета по оси главного лепестка вертикальной диаграммы направленности. Сравнение чувствительности проводилось относительно макета ГБО-антенны более ранней разработки, в котором пьезоэлементы возбуждались синфазно, и при этом размеры активных частей обоих макетов (по пьезокерамике) были практически одинаковыми. ЛИТЕРАТУРА 1. Кюн Р. Микроволновые антенны / пер. с нем. под ред. М.П. Долуханова. Л.: Судостроение, 1967. 518 с. 2. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана / под ред. А.В. Богородского. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 264 с. 3. Акустика океана / под ред. Л.М. Бреховских. М.: Наука, 1974. 4. Тюрин А.М., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1966. 296 с. 5. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики: пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978. 448 с. 6. Nolle A.W., Hoyer W.A., Mifsud J.R., Runyan W.R., Ward М.B. Acoustical properties of water-filled sands // J. Acoust. Soc. America. l963. V. 35, N 9. P. 1394–1408. 7. Uricк R.J. Side scattering of sound in shallow water // J. Acoust. Soc. America. I960. V. 32, N 3. P. 351–355. 8. McKinney C. Mc., Anderson С.D. Measurements of backscattering of sound from the ocean bottom // J. Acoust. Soc. America. 1964. V. 36, N 1. P. 158–163.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

• средства и методы подводных исследований Векторная акустика УДК 534.23

ВИХРЕВОЙ ОСЦИЛЛЯТОР В ВОЛНОВОДЕ ПЕКЕРИСА Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина, С.Б. Касаткин, Д.В. Злобин, Г.В. Косарев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий ДВО РАН1

Обобщённая теория волновых процессов в слоистых средах прогнозирует генерацию мелкомасштабной вихревой составляющей (МВС) вектора интенсивности на горизонте источника, расположенного в волноводе Пекериса. Звуковое поле, соответствующее МВС, называется вихревым осциллятором. Вихревая составляющая, являясь составной частью медленной обобщённой волны, возбуждается комплексным угловым спектром модельного источника и поэтому отсутствует в классическом решении граничной задачи Пекериса, которое построено в классе аналитических функций на плоскости комплексного спектрального параметра с разрезом Ивинга–Жардецки–Пресс (EJP). Модельные расчеты показывают, что медленная обобщенная волна вносит заметный вклад в суммарное звуковое поле только на частотах, близких к первой критической. При дальнейшем увеличении частоты ее вклад в суммарное поле уменьшается и выделение вихревых структур на горизонте источника становится затруднительным. Верификация модельного описания мелкомасштабных вихревых структур проведена путём сравнения с экспериментальными данными, полученными ранее в условиях мелкого моря на низких частотах. Результаты теоретических оценок параметров вихревого осциллятора хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Введение Исследованию векторных приёмников и комбинированных приёмников на их основе посвящено достаточно большое количество работ, среди которых назовём только наиболее известные монографии [1–4]. Теоретическое и экспериментальное исследования векторных звуковых полей с использованием комбинированных приёмников наиболее подробно отражены в монографиях [3, 5], как правило, для случая глубокого моря. При исследовании векторных звуковых полей в мелком море была обнаружена наиболее яркая их особенность, которая заключается в наличии вихревых структур в поле вектора интенсивности с горизонтальной ориентацией ротора вектора интенсивности [6, 7]. Как показал дальнейший анализ вихревых структур, выполненный в работах [7, 8], вихревые структу46

ры делятся на крупномасштабные и мелкомасштабные, с периодом λ/2, причём именно мелкомасштабная вихревая составляющая (МВС) вектора интенсивности имеет максимальную амплитуду, соизмеримую с амплитудой потенциальной составляющей вектора интенсивности. По этой причине в суммарном поле вектора интенсивности возможны как компенсация, так и инверсия горизонтального потока мощности, когда горизонтальный поток мощности в локальном определении, представленный горизонтальной компонентой вектора интенсивности, меняя знак, будет направлен не от излучателя к приёмнику, а в обратном направлении [7]. Понятно, что такие локальные особенности поля вектора интенсивности не нарушают принцип причинности, а лишь подчёркивают особую роль мел-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

комасштабных вихревых структур в суммарном поле вектора интенсивности, который по своей природе не является потенциальным вектором в нерегулярных, неоднородных звуковых полях. Поскольку мелкомасштабные вихревые структуры с периодом λ/2 могут возникать только в поле встречных волн, образующих структуры типа стоячей волны, то их возникновение невозможно представить в рамках классической теории волновых процессов в слоистых средах [9], которая описывает суммарное звуковое поле в волноводе только системой расходящихся нормальных волн. Модельная постановка граничной задачи (граничной задачи Пекериса), в которой получено классическое решение [9], называется 1 690091, Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел./факс: (423) 243-25-78. E-mail: kasatkas@ marine.febras.ru.

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

самосопряжённой модельной постановкой. Несамосопряжённая модельная постановка используется в том случае, если звуковое поле описывается двумя независимыми типами волн, связанными эффектами трансформации. Такая ситуация имеет место при описании звуковых полей в твёрдых средах, в которых возможно существование продольных и поперечных звуковых волн. Хорошо известно, что граничная задача Пекериса, для которой получено классическое решение [9], сформулирована в рамках физической модели идеального жидкого слоистого волновода, звуковое поле в котором содержит только продольные волны. По этой причине классическое решение [9] традиционно считается единственно возможным при описании звуковых полей в жидких слоистых средах. Однако продольные волны также существуют в двух ипостасях: или в виде расходящихся, или в виде сходящихся волн отдачи, и только при их совместном вхождении в суммарное звуковое поле возможно формирование мелкомасштабных вихревых структур с периодом λ/2, наблюдаемых в экспериментальных работах [7, 8]. Ключевым моментом при переходе к несамосопряжённой модельной постановке граничной задачи Пекериса является допущение о возможной трансформации расходящихся волн в сходящиеся волны отдачи и наоборот. По этой причине для объяснения особенностей генерации и распространения МВС в звуковом поле мелкого моря нами была предложена обобщённая теория волновых процессов в слоистых средах [10, 11], построенная в несамосопряжённой модельной постановке. В соответствии с этой теорией звуковое поле в слоистых средах формируется не только си-

стемой расходящихся нормальных волн, которые вносят основной вклад в суммарное поле, но и системой сходящихся волн отдачи, которые возникают в результате трансформации расходящихся волн в сходящиеся волны и наоборот. Такая трансформация происходит либо на горизонтах полного внутреннего отражения для нормальных волн, захваченных волноводом, либо в поле вытекающих нормальных волн комплексного спектра собственных значений, либо на горизонте источника, когда к описанию звукового поля привлекаются составляющие комплексного углового спектра модельного источника. Последний случай наиболее интересен с точки зрения практического применения. По сути дела речь идёт не только об изменении модельной постановки классической граничной задачи Пекериса, которая с учётом возможных процессов трансформации становится несамосопряжённой, но и о расширенной трактовке самого модельного источника, которая подробно описана в работе [11]. В соответствии с этой трактовкой модельный источник приобретает двоякий смысл. С одной стороны, он задан скачком нормальной компоненты вектора колебательной скорости на самом источнике, и в этом смысле он, как и в классическом описании, является источником нулевого порядка и описывается в спектральном представлении вещественным угловым спектром. С другой стороны, он задан скачком волновой функции на горизонте источника, и в этом смысле он является источником первого порядка, т.е. дипольным источником с вертикальной ориентацией оси диполя, и для его описания в спектральной области необходимо использовать комплексный угловой спектр модельного источника,

который является неотъемлемой частью полного спектра. Такое обобщённое описание модельного источника лучше соответствует реальным источникам, которые формируют спектр шумоизлучения корпуса надводного судна или ПЛ за счёт вибрационных колебаний амортизаторов различного типа, которые по своей природе являются источниками дипольного типа. Принципиальная особенность обобщённого описания модельного источника заключается в том, что на самом горизонте источника обязательно возникает знакопеременная вертикальная компонента вектора интенсивности с периодом λ/2, амплитуда которой убывает по цилиндрическому закону. Если модельный источник помещен в свободное пространство, горизонтальные потоки мощности в поле вертикального диполя оказываются полностью скомпенсированными, а интегральный поток мощности в вертикальном направлении равен нулю. Иначе говоря, обобщённое описание модельного источника при его нахождении в свободном пространстве приводит только к появлению дополнительного виртуального звукового поля с нулевой мощностью, которое невозможно возбудить какимлибо образом и соответственно невозможно наблюдать в реальном эксперименте. Поскольку дополнительное виртуальное поле является по своей природе вихревым, будем называть его вихревым осциллятором, который аналогичен в некотором смысле простейшему осциллятору типа идеального резонансного контура. Однако ситуация принципиально меняется, когда модельный источник находится в слоистой среде любой степени сложности. В этом случае баланс горизонтальных потоков мощности будет

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

обязательно нарушен дополнительными граничными условиями, а вихревой осциллятор будет отдавать ненулевую мощность в слоистую среду. Другими словами, помещение модельного источника в слоистую среду инициирует излучение вихревого осциллятора в слоистую среду, а в суммарном звуковом поле должна появиться МВС вектора интенсивности, которую можно обнаружить экспериментально. По нашему мнению, именно такая МВС наблюдалась в экспериментах, описанных в работах [7, 8]. Сама же обобщённая теория волновых процессов в слоистых средах, более подробно изложенная в работах [12–14], является естественной основой для адекватного описания МВС вектора интенсивности и связанных с ней новых эффектов в векторном звуковом поле.

Обобщение модельного описания на векторные звуковые поля Векторные звуковые поля могут быть получены на основе модельного описания скалярного поля звукового давления путём применения операции пространственного дифференцирования, поэтому векторное поле называют производным от скалярного поля звукового давления или поля скалярного потенциала скорости. Полученное таким образом векторное поле является по определению потенциальным полем (полем потенциального вектора). К потенциальным векторным полям относятся, прежде всего, поле вектора колебательной скорости, а также связанные с ним поле колебательного смещения, поле колебательного ускорения, поле градиента давления. Более сложное поле вектора интенсивности в общем случае не является потенциальным векторным полем и содержит как 48

потенциальную, так и вихревую составляющие. Однако именно это поле представляет наибольший интерес для практического применения в связи с интенсивными разработками векторных приёмников и комбинированных приёмников на их основе. Достаточно подробное теоретическое исследование поля вектора интенсивности содержится в работе [5], тогда как экспериментальным исследованиям векторных звуковых полей с помощью комбинированных приёмников посвящены работы [1–4, 6–8]. Некоторые результаты моделирования векторных звуковых полей в слоистых средах, выполненные на основе обобщённой теории, приведены в работе [14] в сравнении с классическим описанием. Результаты экспериментальных исследований векторных звуковых полей, создаваемых подводным движущимся источником в условия мелкого моря, рассмотрены в работе [15]. Для последующего осмысленного поиска новых информативных параметров векторных звуковых полей и оценки потенциальных возможностей комбинированных приёмников целесообразно привести некоторые общие сведения из теории векторных звуковых полей на примере поля вектора интенсивности. В соответствии с результатами работы [5] имеют место следующие важные соотношения. Комплексный вектор интенсивности допускает представление I ( r,z )  I1( r,z )  iI 2 ( r,z ),

I1( r,z )  Re[ p( r,z )ν * ( r,z )];

(1)

Мнимая часть вектора интенсивности является потенциальным вектором, для которого выполняются соотношения rot I 2 ( r,z ) ≡ 0; div I 2 ( r,z ) 4ω [ Π(r,z ) − K(r,z )],

Π( r,z )

2 0

p (r,z ) 1 ; K  ρν 02 (r,z ); 2 4ρc 4

p( r,z )  p0 ( r,z )e

iΦ p ( r ,z )

;

ν ( r,z )  ν 0 ( r,z )eiΦν ( r ,z ) ,

(2)

где П(r,z) – плотность потенциальной энергии, K(r,z) – плотность кинетической энергии, ρ, c – плотность и скорость звука в водной среде. Для описания поля мнимой части вектора интенсивности достаточно ввести скалярный потенциал. Вещественная часть вектора интенсивности содержит, в общем случае, потенциальную и вихревую составляющие, а для описания поля вещественной части вектора интенсивности необходимо ввести скалярный и векторный потенциалы: I1( r,z )  grad A1  rot B1 , I 2 ( r,z )  grad A2 ,

где A1, B1–скалярный и векторный потенциалы, A2 – скалярный потенциал.

div I1( r,z )  0, rot I1( r,z )  1  ωρ Im[ν ( r,z ) ×ν *(r,z )] ≠ 0. 2 (3)

С учётом (2), (3) можно получить следующие уравнения для введённых скалярных и векторных потенциалов:

∆A2 ( r,z )  4ω( Π(r,z ) − K(r,z )), (4)

I 2 ( r,z )  Im[ p( r,z )ν * ( r,z )],

∆A1( r,z )  0,

где p(r, z), v–(r,z) – звуковое давление и вектор колебательной скорости, r, z – горизонтальная и вертикальная координаты.

К уравнениям (4) нужно добавить граничные условия для

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

1 ∆Β1(r,z )− ωρ Im[ν (r,z ) ×ν *(r,z )]. 2

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

вертикальной компоненты вектора интенсивности на горизонте источника (на горизонте скачка) и для компонент вектора интенсивности на свободной поверхности волновода, которые связывают скалярный и векторный потенциалы в единое звуковое поле, не допускающее в общем случае разделения на потенциальную и вихревую составляющие:

Поле вектора интенсивности, возбуждаемое нормальной компонентой вектора интенсивности, локализованной на горизонте источника (мелкомасштабная вихревая структура)

свидетельствует о корректности обобщенного решения. Больший интерес в суммарном поле нормальных волн представляет вторичное поле, порождённое самой сингулярностью. Для этого случая и в приближении N 0 ( x)J 0 ( x)

2  π  π cos  x −  sin  x −   πx  4   4 

Первая особенность обобщённого решения заключается в том,  − 1 cos( 2 x ) что оно содержит обобщённые πx z  z0 ; функции, разрывные на горизонI z ( z0 ,r ) 2 A02ωρ1α10 N 0 ( ξ 0 r )J 0 ( ξ 0 r ) , тах полного внутреннего отраже- можно записать: ния, и медленную обобщённую I z ( z0 ,r )  I 0 ( z0 ,r )cos( 2ξ 0 r ), ∂ B ∂A z  0; I1r ( 0 ,r )  0 , 1 − 1ψ  0 , нормальную волну нулевого по2 2 ∂r ∂z рядка (SGW), разрывную на го 2π i   sh(α10 z0 )  2ωρ1α10 I 0 ( z0 ,r ) , ∂A1 1 ∂    ризонте источника, которая возI1z ( 0 ,r )  0 ,  rB1ψ  0 ,  h   E0  ξ0 r ∂z r ∂r буждается комплексным угловым спектром источника [11]. Разрыв- где h – глубина волновода, E0 – 2 1 − c12 α10  ρ12 k1 , ность звукового поля по волно- нормирующий множитель мед1 − ρ122 вой функции нарушает условия ленной обобщенной нормальной ω ρ c локальной непрерывности по дав- волны нулевого порядка. k1  , c12  1 , ρ12  1 , (5) Такое вторичное поле вектора лению и нормальной компоненте ρ2 c1 c2 интенсивности, являясь вихревым вектора колебательной скорости где Iz - нормальная компонента при сохранении этой непрерыв- по своей природе, может быть найвектора интенсивности, I1z, I1r– ности в среднем, если размер дено из решения граничной задачи нормальная и радиальная компопространственного масштаба (4), (5). Это решение можно полуненты вещественной части вектоусреднения достаточно велик по чит в аналитическом виде только ра интенсивности, B1ψ – угловая сравнению с длиной волны. Как в приближении дальнего поля, докомпонента векторного потенследствие разрывности обобщён- пускающем асимптотику функций циала, A0 – амплитуда медленной ного решения на горизонте скач- Бесселя, в котором сохраняются обобщенной нормальной волны ка появляется отличная от нуля старшие члены разложения по об–1 нулевого порядка, ξ0– постоянная нормальная компонента вектора ратным степеням расстояния r : распространения медленной обобинтенсивности, которая имеет I ( z ,r ) щенной нормальной волны нулеe −2ξ0 z cos( 2ξ0 r ), осциллирующую зависимость от A1(r,z ) 0 0 вого порядка, α10– коэффициент 2ξ0 sh( 2ξ 0 z0 ) радиальной координаты. По этой затухания медленной обобщенной нормальной волны нулевого по ch( 2ξ 0 z )  z ≤ z0 I 0 ( z0 ,r )cth( 2ξ 0 z0 )  рядка, z0 – горизонт источника, ω – ch( 2ξ 0 z0 )  sin( 2ξ 0 r ), B1ψ ( r,z )    z ≥ z0 2ξ 0 круговая частота, c1, c2 – скорость  e −2ξ0 ( z − z0 )  звука в волноводе и полупространsh( 2ξ 0 z ) z ≤ z0  I ( z ,r )  стве, ρ1, ρ2 – плотность среды в I1z (r,z ) 0 0  −2ξ0 z −2ξ0 ( z − z0 )  cos( 2ξ 0 r ), (6) волноводе и полупространстве. z ≥ z0  ch( 2ξ 0 z0 )e sh( 2ξ 0 z0 )  −e  Уравнения (4) с граничными условиями (5) могут оказаться поsh( 2ξ 0 z ) z ≤ z0   I 0 ( z0 ,r )  −2ξ0 z  −  ξ I (r,z ) e sin( 2 r ),   1 0 r   ξ 2 − ( z − z ) 0 0 лезными для анализа пространz  z0 sh( 2ξ 0 z0 )   − ch( 2ξ 0 z0 )e   ственной структуры отдельных составляющих суммарного поля вектора интенсивности в некото- причине мощность, излучаемая Особенность решения (6) зарых частных случаях, допускаю- такой сингулярностью в окружаю- ключается в том, что вихревая сощее пространство, равнa нулю, что ставляющая вектора интенсивнощих приближённое описание. подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

сти, порождённая разрывностью обобщённого решения, локализована строго на горизонте источника, а её амплитуда убывает экспоненциально быстро при удалении от горизонта источника. Решение (6) описывает поле вихревого осциллятора, в котором усреднённые по пространству потоки мощности равны нулю. Такое поле является, по существу, аналогом поля стоячих волн с периодом λ/2, с той разницей, что в поле стоячих волн потоки мощности в математическом описании равны нулю тождественно. Другая особенность решения (6) заключается в том, что на свободной поверхности волновода естественное условие равенства нулю горизонтальной компоненты вектора интенсивности в потенциальном поле может выполняться только в среднем (по горизонтальной координате), тогда как вертикальная компонента вектора интенсивности на свободной поверхности волновода равна нулю тождественно (по горизонтальной координате). Еще одна особенность решения (6) состоит в том, что радиальная компонента вектора интенсивности является разрывной на горизонте источника, однако производное поле от поля вектора интенсивности (тензорное поле) будет описываться непрерывной функцией, регулярной на горизонте источника. Антисимметричная часть тензорного поля есть не что иное, как поле ротора вектора интенсивности, у которого отлична от нуля одна угловая компонента. В реальном звуковом поле разрывность поля горизонтальной компоненты вектора интенсивности устраняется путём учёта вязких потерь и перехода к несамосопряжённой модельной постановке, однако локализация максимума угловой компоненты ротора вектора интенсивности на горизонте источника сохраняется. 50

Моделирование поля горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности с использованием тензорного приёмника Один из способов формирования направленного в вертикальной плоскости приёма с целью локализации горизонта источника связан с использованием свойств медленной обобщённой волны (SGW) нулевого порядка, возбуждаемой комплексным угловым спектром источника [11]. В этой волне образуются структуры типа стоячих волн с периодом λ/2, локализованные на горизонте источника. В таких структурах, локализованных на горизонте источника, принимают максимальное значение не только вертикальная компонента вектора интенсивности и её горизонтальная производная, но и вертикальная производная горизонтальной компоненты вектора интенсивности. Эти составляющие в совокупности формируют вихревую составляющую вектора интенсивно-

сти, для которой отлична от нуля горизонтальная компонента ротора вектора интенсивности. Вихревые структуры принципиально отличаются от структур, формируемых на горизонте источника вещественным угловым спектром источника. Для этих структур на горизонте источника локализуется потенциальная составляющая вектора интенсивности, представленная его горизонтальной компонентой, а вихревая составляющая вектора интенсивности равна нулю. В реальном звуковом поле эти две составляющие взаимо связаны, и можно говорить лишь о квазипотенциальной и квазивихревой составляющих поля вектора интенсивности. Лучевая трактовка формирования на горизонте источника квазипотенциальной составляющей вектора интенсивности вещественным угловым спектром источника и квазивихревой составляющей вектора интенсивности комплексным угловым спектром источника поясняется рис. 1. квазипотенциального Для поля, формируемого, например

Рис. 1. Лучевая трактовка формирования на горизонте источника квазипотенциальной составляющей вектора интенсивности (а) и квазивихревой составляющей вектора интенсивности (б)

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

на оси подводного звукового канала, горизонтальная компонента вектора интенсивности продолжается через горизонт источника чётным образом, сохраняя знак, а вертикальная составляющая вектора интенсивности продолжается через горизонт источника нечётным образом, меняя знак. Сам квазипотенциальный поток мощности можно трактовать как локализованный в лучевой трубке переменного сечения. Синфазное суммирование вихревой и потенциальной составляющих потока мощности приводит к сужению лучевой трубки и увеличению горизонтальной компоненты вектора интенсивности. Противофазное суммирование вихревой и потенциальной составляющих потока мощности приводит к расширению лучевой трубки и уменьшению горизонтальной компоненты вектора интенсивности. Для квазивихревого поля, формируемого вихревым осциллятором, горизонтальная компонента вектора интенсивности продолжается через горизонт источника нечётным образом, меняя знак, а вертикальная составляющая вектора интенсивности продолжается через горизонт источника чётным образом, сохраняя знак. В случае формирования на горизонте источника квазивихревой составляющей вектора интенсивности на этом же горизонте формируются также цепочка узловых точек (r1, r3, r5…), в которых давление равно нулю, и цепочка седловых точек (r2, r4, r6…), в которых вектор интенсивности равен нулю, изображённых на рис.1, б). При учёте вязкости и соответственно сдвиговой упругости вязкой жидкости картина лучевых трубок в поле квазивихревой составляющей будет подобна картине потоков мощности в поле вязкого слоя, совершающего радиально-толщинные колебания изгибного типа.

Для моделирования поля ротора вектора интенсивности нужно учесть, что он является антисимметричной частью тензора второго ранга Hik, или псевдовектором (аксиальным вектором), который, в свою очередь, является производным от векторного поля, а именно, поля вектора интенсивности. Симметричная часть тензора Hik характеризует деформацию лучевых трубок и локализованных в них потоков мощности. Антисимметричная часть тензора Hik описывает замкнутые силовые линии, вдоль которых не происходит изменения потока мощности. В осесимметричном звуковом поле, создаваемом точечным источником в слоистой среде, отлична от нуля только угловая компонента ротора

Рис. 2. Схема четырёхэлементного измерителя (тензорного приёмника) угловой компоненты ротора вектора интенсивности

(SGW), разрывной на горизонте источника по волновой функции, следовательно, локально разрывной по давлению и нормальной компоненте колебательной скорости, и системой вытекающих нормальных волн. Локальная разрывность SGW нулевого порядка поясняется ∂I i ∂I r ∂I z H ik  , Hψ  − , рис.1, б. Именно эта особенность ∂xk ∂z ∂r является причиной появления вихревых структур, локализованных ( I  I ) − ( I r1  I r 2 ) Hψ  r 3 r 4 − на горизонте источника с перио2l3 дичностью λ/2. Вытекающие норλ λ ( I  I )−( I z1  I z 3 ) , l1 ≤ , l3 ≤ . мальные волны заметно маскируют − z2 z4 2l1 4 8 вихревые структуры, локализованДля практической реализации ные на горизонте источника, в некоторой ближней зоне и при его измерителя угловой компоненты приближении к донной поверхноротора вектора интенсивности сти (z01 = 0,7). можно использовать четырёхэлеПри увеличении частоты поментный набор комбинированных является первая пара нормальных приёмников, образующих в сововолн высшего порядка (k1h = 3,5), купности тензорный приёмник, увеличивается амплитуда SGW каждый из которых измеряет го- и вихревой компоненты соответризонтальную и вертикальную ственно при сохранении её локакомпоненты вектора интенсивно- лизации на горизонте источника. сти, а операцию пространственно- При дальнейшем увеличении чаго дифференцирования заменить стоты (k h = 5, k h = 6) число нор1 1 численным дифференцированием мальных волн, захваченных волпо разностной схеме, которая по- новодом, остаётся неизменным, казана на рис. 2. но уменьшается вклад SGW в Результаты моделирования суммарное поле. По этой причине угловой компоненты ротора пред- в случае k1h = 8 (h > λ) выделение ставлены на рис. 3 в низкочастот- вихревых структур на горизонте ном случае h ≤ λ. источника возможно только при В случае k1h = 2 (h < λ/2) звуко- его расположении в средней части вое поле в волноводе формируется волновода в некоторой дальней одной медленной обобщённой нор- зоне и становится затруднительмальной волной нулевого порядка ным в остальных случаях. подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

Рис. 3. Моделирование поля угловой компоненты ротора вектора интенсивности в поле SGW и её локализации на горизонте источника

Верификация модельного описания звуковых полей Проблема верификации того или иного модельного описания звукового поля непосредственно связана с процедурой акустической калибровки акватории, в которой размещаются стационарные гидроакустические системы (СГАС) с целью отработки алгоритмов обработки акустических сигналов, повышающих помехо 52

устойчивость гидроакустической системы. В качестве первичной информации, которая используется при акустической калибровке, выступает, как правило, информация о структуре поля звукового давления на горизонтальных разрезах при фиксированных горизонтах излучения и приёма на фиксированном наборе рабочих частот. В качестве искомых параметров выступают параметры физической модели волновода,

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

обеспечивающие наилучшее в некотором смысле согласие экспe риментальных результатов с результатами компьютерного моделирования. Очевидно, что при исследовании скалярно-векторной структуры звуковых полей объём первичной информации должен быть существенно расширен с одновременным расширением объёма информационных характеристик звукового поля в скалярно-векторном

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

описании, получаемых при компьютерном моделировании. Как следует из ранее опубликованных результатов исследования скалярно-векторной структуры звуковых полей, выполненных в работах [7, 8], определённый интерес представляют горизонтальные разрезы поля звукового давления, горизонтальной и вертикальной компонент вектора интенсивности, полученные в поле поверхностного или заглублённого источника звука на ряде рабочих частот. Однако наибольший интерес представляют производные от этих величин характеристики, такие как коэффициенты когерентности, которые могут быть получены при определённой нормировке самих компонент вектора интенсивности. Коэффициенты когерентности, представленные в качестве примера на рис. 4, являются относительными величинами и в наименьшей степени зависят от погрешностей эксперимента и от погрешностей задания параметров физической модели волновода. Для целей верификации большое значение имеют экспериментальные результаты, полученные на достаточно низких частотах, когда структура звукового поля оказывается наиболее простой и предсказуемой. В работе [7] описан эксперимент в мелком море глубиной 34 м (бухта Витязь), когда комбинированный приёмник находился на расстоянии 17 м от дна, а проходные характеристики вычислялись для спектральных составляющих 88 Гц и 108 Гц шумового сигнала, излучаемого проходящим судном. Проходные характеристики для нормированных горизонтальной и вертикальной компонент вектора интенсивности (коэффициентов когерентности Гx, Гz) приведены на рис. 4, взятом из этой работы.

На графиках отчетливо проявляется крупномасштабная интерференционная структура, которая формируется разностными пространственными частотами с периодом L>>λ, и мелкомасштабная интерференционная структура, которая формируется суммарными пространственными частотами с периодом стоячей волны λ/2. Именно эта структура соответствует решению (6) и подтверждает присутствие сходящихся волн отдачи в суммарном звуковом поле, подтверждая тем самым выводы обобщённой теории. Характеристики, представленные на рис. 4, соответствуют звуковому полю, которое содержит всего две нормальные волны в классическом описании. Эта пара нормальных волн формирует постоянную составляющую потока мощности в горизонтальном канале комбинированного приёмника, убывающую по цилиндрическому закону, и интерференционную составляющую, представленную разностной пространственной частотой с периодом интерференции порядка 200 м. В вертикальном канале векторного приёмника постоянная составляющая равна нулю, и искомый коэффициент когерентности должен описываться одной разностной пространственной ча-

стотой, т.е. чисто периодической функцией. Совершенно очевидно, что пространственная структура искомых коэффициентов, представленная рис. 4, значительно сложнее классического модельного описания. В обобщённой теории то же самое звуковое поле описывается медленной обобщённой нормальной волной нулевого порядка, локализованной на горизонте источника, и двумя парами нормальных волн высшего порядка. Такая совокупность нормальных волн формирует более сложную пространственную структуру, которая гораздо лучше соответствует экспериментальной структуре. Так, крупномасштабная интерференционная структура формируется не одной, а шестью разностными пространственными частотами, которым соответствует квазипериодическая структура коэффициента когерентности в вертикальном канале с характерными периодами интерференции 200–300 м. Кроме того, в пространственной структуре звукового поля появляются сходящиеся волны отдачи, формирующие стоячие волны с характерным периодом интерференции λ/2. Эта мелкомасштабная интерференционная структура хорошо видна на экспериментальных за-

Рис. 4. Зависимость от времени коэффициентов когерентности Re(Гz(f,t)) и Re(Гx(f,t)) для частоты f = 88±2 Гц, время усреднения 1 с подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

висимостях обоих коэффициентов когерентности. Результаты компьютерного моделирования коэффициентов когерентности для данных этого эксперимента поясняются рис. 5. Пространственный масштаб рис. 5 соответствует временному масштабу рис. 4, однако начало регистрации проходной характеристики, представленной на рис. 4, не синхронизировано с началом проходной характеристики, представленной на рис. 5.

При уменьшении рабочей частоты различие в классическом и обобщённом описании звукового поля увеличивается. Так, на частотах, больших первой резонансной частоты, но меньших второй резонансной частоты, в волноводе останутся одна пара нормальных волн высшего порядка и медленная обобщённая волна нулевого порядка. В таком звуковом поле крупномасштабная интерференционная структура будет фор-

мироваться одной разностной пространственной частотой, а мелкомасштабная – одной суммарной пространственной частотой. В вертикальном и горизонтальном каналах комбинированного приёмника будут наблюдаться обе пространственные частоты. Однако в классическом описании звуковое поле будет формироваться только одной нормальной волной. Вертикальная компонента вектора интенсивности в таком поле тождественно равна нулю, а горизонтальная компонента не содержит интерференционной составляющей. Этот случай показан на рис. 6 для звукового поля, соответствующего частотному параметру k1h = = 3,5 в обобщённом описании. Потеря интерференционной составляющей в классическом описании звукового поля на низких частотах означает, что само описание неадекватно экспериментальным результатам, а потому является менее информативным. При увеличении рабочей частоты различие в классическом и обобщённом описаниях звукового поля сохраняется в самом факте существования мелкомасштабной интерференционной структуры, характерной для обобщённого описания. В то же время различие в описании крупномасштабной интерференционной структуры, которая формируется разностными пространственными частотами, уменьшается и становится второстепенным. Выводы

Рис. 5. Коэффициенты когерентности Гr, Гz для вертикального и горизонтального каналов в обобщённом и классическом описаниях, k1h = 11,1

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

В рамках обобщённой теории волновых процессов в слоистых средах получено теоретическое описание генерации мелкомасштабной (с периодом λ/2) вихревой составляющей вектора интенсивности на горизонте источника

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

Рис. 6. Коэффициенты когерентности Гr, Гz для вертикального и горизонтального каналов в обобщённом описании, k1h = 3,5

в волноводе Пекериса. Соответствующее ей вихревое звуковое поле названо вихревым осциллятором. В рамках лучевых представлений описано формирование на горизонте источника системы

узловых и седловых точек, характерных для вихревого поля. Отмечено, что при учёте вязкости и соответственно сдвиговой упругости вязкой жидкости картина лучевых трубок в поле мелкомасштабной

вихревой составляющей будет подобна картине потоков мощности в поле вязкого слоя, совершающего радиально-толщинные колебания изгибного типа. Выполнены модельные расчёты поля угловой компоненты ротора вектора интенсивности и её локализации на горизонте источника в случае низких частот (h ≤ λ) в волноводе Пекериса. Выполнена верификация модельного описания мелкомасштабных вихревых структур путём сравнения с экспериментальными данными, полученными ранее в работах [7, 8]. Результаты сравнения подтверждают выводы теории. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение существования вихревого осциллятора в звуковом поле подводного движущегося источника имеет фундаментальное значение в общей системе знаний о структуре низкочастотных векторных звуковых полей в мелком море.

Литература 1. Гордиенко В.А., Ильичёв В.И., Захаров Л.Н. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Наука, 1989. 224 с. 2. Скребнёв Г.К. Комбинированные гидроакустические приёмники. СПб.: Элмор, 1997. 200 с. 3. Щуров В.А. Векторная акустика океана. Владивосток: Дальнаука, 2003. 308 с. 4. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 479 с. 5. Дзюба В.П. Скалярно-векторные методы в акустике. Владивосток: Дальнаука, 2006. 194 с. 6. Щуров В.А., Кулешов В.П., Черкасов А.В. Вихревые свойства вектора акустической интенсивности в мелком море // Акуст. журн. 2011. Т.57, № 6. С. 837–843. 7. Щуров В.А., Ляшков А.С., Щеглов С.Г., Ткаченко Е.С., Иванова Г.Ф., Черкасов А.В. Локальная структура интерференционного поля мелкого моря // Подводные исследования и робототехника. 2014. №1 (17). С. 58–67. 8. Щуров В.А. Сравнительная оценка интенсивностей крупно и мелкомасштабных акустических вихрей // Труды VI Всерос. науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения мирового океана». Владивосток: Дальнаука, 2015. С. 180–184. 9. Бреховских Л.М. О поле точечного излучателя в слоисто-неоднородной среде // Изв. АН СССР. Серия физич. 1949. Т.13, № 5. С. 505–545. 10. Щуров В.А., Черкасов А.В., Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Аномальные особенности структуры поля вектора интенсивности в акустических волноводах // Подводные исследования и робототехника. 2011. №2 (12). С. 4–17. 11. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Медленные обобщённые волны и генерация вихревых структур в акустике слоистых сред // Подводные исследования и робототехника. 2014. №2 (18). С. 37–51. 12. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред. М.: Наука, 2009. 496 с. 13. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Несамосопряжённая модельная постановка граничной задачи Пекериса // ДАН. 2010. Т. 434, № 4. С. 540– 543. 14. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Модельные задачи в акустике слоистых сред. Владивосток: Дальнаука, 2012. 256 с. 15. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г., Злобин Д.В. Экспериментальные и теоретические исследования скалярно-векторной структуры звуковых полей в заливе Посьета // Подводные исследования и робототехника. 2015. №1 (19). С. 40–50.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

Удк 551.46.077:629.584

ПОИСК АВАРИЙНО ЗАТОПЛЕННОГО РАДИОИЗОТОПНОГО ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ПО ТЕПЛОВОМУ ПОЛЮ В ПРИДОННОМ СЛОЕ МОРСКОЙ ВОДЫ А.А. Максимов, Д.В. Гичев, В.Л. Высоцкий, А.С. Филиппов, А.А. Тагильцев, М.Ю. Черанев, Р.А. Гончаров

ООО «ДВ Нуклид» 1 Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН2 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН3

Изложены вопросы подготовки и проведения комплексной экспедиции по поиску аварийно затопленного радиоизотопного термоэлектрогенератора (РИТЭГ) у мыса Низкий о-ва Сахалин в Охотском море. В лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН выполнено теоретическое обоснование, а на гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН – натурный эксперимент, подтверждающий применимость метода поиска РИТЭГ по его тепловому следу. В экспедиции для поиска РИТЭГ использовались разработанные в ТОИ ДВО РАН термоградиентометр и термогирлянда, а также оборудование, включающее морской буксируемый магнитометр, ST-профилограф, подводную видеокамеру и погружной гамма-радиометр. В экспедиции на акватории 75 км2 получены оценки стратификации температуры морской воды в узлах топографической сетки с шагом 500±50 м, выделены инверсные слои в придонном слое морской воды до 2–3 м над грунтом, выполнена классификация их на принадлежность к техногенному тепловому источнику, находящемуся на дне. Обнаружен участок, на котором устойчивая инверсия температуры в придонном слое проявлялась одновременно с реакцией магнитометра и который ввиду вероятности присутствия заиленного искомого объекта требует дообследования.

Введение История поиска радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ), аварийно затопленного 20.09.1987 г. (сброшен с внешней подвески вертолета при возникновении предаварийной ситуации) в районе м. Низкий на восточном побережье о-ва Сахалин, насчитывает несколько специальных морских экспедиций, которые периодически проводились с 1987 по 2014 г. В поисковых работах принимали участие: Гидрографическая служба ТОФ, Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Федеральное государственное учреждение «Аварийно-спасательная служба по проведению подводных работ специального назначения», Даль56

невосточный государственный технический университет, лаборатория радиационного контроля ООО «ДВ-Нуклид», специалисты Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. В состав экспедиции 2010 г. входили водолазы и спасатели, для поиска использовался автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) «Клавесин» [1]. Несмотря на предпринятые усилия, а также опыт успешного поиска и подъема аналогичного объекта в прибрежной полосе на севере о-ва Сахалин [2], до настоящего времени РИТЭГ в районе м. Низкий не обнаружен. Это является следствием крайне сложных гидрологических условий района, неопределенности

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

координат точки сброса, а также малозаметности самого объекта поиска ввиду его небольших габаритов (1,8×1,3×1,7 м, включая транспортную стальную раму, масса около 2,5 тонн) и малой контрастности создаваемых им радиационно-физических полей на уровне природного фона. Конструкция РИТЭГ включает закрытый источник тепла, созданный на основе 90Sr, активность его на 2014 г. соответствует 8,9 ПБк, тепловая мощность – 1100 Вт. Несмотря на отсутствие до настоя1 690018, Владивосток, ул. Вострецова, 2, кв. 22. Тел.: (423)234-55-63. E-mai: maxdv_ hyk@list.ru . 2 115191, г. Москва, Большая Тульская ул., д. 52. Тел.: (495)955-2261. E-mail: vvl@ibrae. 3 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43. Тел.: (495) 231-30-83. E-mail: poi61@poi. dvo.ru.

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

щего времени радиоактивного загрязнения воды, грунта, фауны и флоры радионуклидом 90Sr, определение места нахождения и подъем РИТЭГ, а также мониторинг экологического состояния района его вероятного падения остаются актуальными задачами, требующими своего разрешения. До настоящего времени район закрыт для рыболовства и других видов деятельности в связи с тем, что объект является потенциальным источником радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Условия поиска Район поиска удален от защищенных бухт, имеет линейные размеры 6(8)×12 км и включает прибрежную акваторию восточнее м. Низкий, открытую воздействию ветров и океанской зыби. Эрозия берегов, рыхлость берегового грунта, речной сток и течения приводят к ухудшению видимости в придонном слое с 5–6 до 0,2–0,5 м. Происходит постоянное перемещение песчаных донных отложений, что способствует быстрому заиливанию любых затопленных малоразмерных объектов (в 1998 г. специальный эксперимент с макетом РИТЭГ показал, что он заилился в течение 1 месяца [1]). Глубины у берега составляют 1–1,5 м, на внешней границе района – 50–70 м. Ввиду этого поисковые работы могут проводиться у берега только с малоразмерных плавсредств, а на удалении – с борта судна обеспечения или использованием подводных аппаратов. Одной из основных задач поисковых работ является надежная идентификация выявленных неоднородностей физических полей при невозможности визуального наблюдения объекта. Так, в экспедиции 2010 г. буксируемым магнитометром было получено большое

количество (несколько сотен) позиций потенциальных контактов, что потребовало для их анализа привлечения данных, полученных другими, независимыми методами [1]. При подготовке экспедиции 2014 г. было принято решение использовать методы и технические средства, позволяющие регистрировать не принимавшееся ранее во внимание тепловое поле в придонном слое морской воды. Решение обусловлено тем, что до настоящего времени РИТЭГ способен оказывать активное тепловое воздействие на морскую среду (воду, грунт, растительность), что подтверждено результатами обследования найденного у м. Мария и поднятого на поверхность в 2007 г. аналогичного РИТЭГ [2].

Обоснование применимости метода поиска. Моделирование Для получения представлений о пространственно-временных параметрах и динамике ожидаемого теплового поля вблизи РИТЭГ в придонном слое морской воды в лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН решалась задача, связанная с образованием и формированием теплового следа, образующегося от постоянно подогревающего ее источника, расположенного на дне моря. Для этого использовались методы вычислительной гидродинамики (CFD – Computational fluid dynamics), воплощённые в коммерческом CFD-коде ANSYS FLUENT. Основными условиями для моделирования являлись: источник имеет постоянную тепловую мощность 1000 Вт, поперечное сечение 1 м2, полностью заилен, кроме одной теплоизлучающей поверхности, находящейся на уровне грунта, температура воды по глубине соответствует устой-

чивой стратификации, придонное течение стационарное с линейно спадающим по высоте от 4 м до грунта профилем со скоростью от 0,2 до 0,01 м/с. Определены пространственновременные характеристики теплового следа для двух условий: первое – РИТЭГ при ударе о воду не разрушился, температура поверхности составляет 10 °С; второе – при ударе о воду разрушены радиаторы охлаждения, температура поверхности возросла до 50 °С (рис. 1, 2). Из расчётов следует, что в зоне непосредственно над неразрушенным заиленным РИТЭГ на высоте 1-10 см от грунта можно ожидать перепад температур до 0,5-1 °С, а на высоте 0,5-0,7 м радиусом 0,51,0 м от него – до 0,1 °С. Применительно к разрушенному РИТЭГ (без теплоотводящей оболочки) приведенные выше параметры становятся больше: на высоте 1-10 см от грунта можно ожидать перепад температур до 2-3 °С, на высоте 1-2 м радиусом 1-2 м от него – до 0,1 °С. Увеличение температуры излучающей поверхности источни-

Рис. 1. Нарушение стратифицированного теплового поля (°К – градус Кельвина) морской воды: а – температура излучающей поверхности источника 10 °С, высота теплового факела 0,5–0,7 м; б – температура поверхности 50 °С, высота теплового факела 1–2 м

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

Рис. 2. Температурный след, образующийся в морской воде над заиленным до уровня грунта РИТЭГ, на высоте 0,05–0,2 м при скорости течения 0,2 м/с (поток ламинарный)

ка до 50 °С в покоящейся среде незначительно увеличивает размеры тепловой аномалии, но повышает в 2-3 раза ее высоту и перепад температуры на внешней границе. При наличии течения поток у дна смещает тёплую воду, аномалия над источником уменьшает свои размеры. Соответственно образуется тепловой след либо квазисплошной структуры (при приближении к ламинарному типу потока), либо в виде различных размеров тепловых линз (аномалий), движущихся по направлению генерального течения с частичным подъемом над грунтом (в турбулентном потоке). Из расчетов следует, что поиск затопленного теплового источника по температурным возмущениям возможен при измерении температуры в придонном слое в непосредственной близости у дна в диапазоне от единиц до нескольких десятых-сотых долей градуса в ограниченном пространстве, локализованном в придонном слое морской воды. 58

Экспериментальная проверка На морской экспедиционной станции ТОИ ДВО РАН в б. Витязь (Японское море) в натурных условиях был проведен ряд экспериментов по регистрации изменения температурного поля морской воды в придонном слое от техногенного источника тепла [3]. Установлено, что тепловой источник, в качестве которого использовался предварительно разогретый на воздухе до ~ 130 °С чугунный груз диаметром 0,4 м, после погружения его на дно вплоть до полного своего охлаждения изменял исходную (фоновую) структуру температурного разреза, создавая на высоте до 0,5 м от дна инверсный слой с перепадом температуры от 0,6 до 0,15 °С. Этот эффект, а также образование в придонном слое над источником полусферической области повышенной на 0,1 °С теплой воды диаметром ~ 0,8 м, что в 2 раза больше размера самого источника, были устойчиво зафиксированы ST-профилографом «Sea-Bird» SBE37-SI MicroCAT

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

и термоградиентометром (2TDпрофилографом) (рис. 3). Экспериментально установлено, что тепловыделение от малоразмерного объекта диаметром 0,4 м, находящегося на дне, имеет нестационарный характер и может быть обнаружено в придонном слое морской воды существующими средствами измерения температуры, которые и были в дальнейшем применены при поиске РИТЭГ в Охотском море (табл. 1, рис. 4). Назначение измерительных средств: 1. ST-профилограф «Sea-Bird» SBE37-SI MicroCAT – определение профилей температуры и солености морской воды. Температурный датчик содержит компактный малоинерционный термистор с высокостабильным электронным интерфейсом (Wien-bridge-oscillator). В датчике электропроводности чувствительным элементом является ячейка измерения сопротивления. 2. Термоградиентометр (2TDпрофилограф) разработки ТОИ ДВО РАН – определение вертикального и горизонтального профилей температуры морской воды способом зондирования и буксировки. Прибор специально изготовлен для использования в поисковых работах, оснащен

Рис. 3. Динамика изменения температуры морской воды на высоте 0,5 м от точечного источника тепла, расположенного на дне залива, по мере его охлаждения при начальной температуре на воздухе 130 °С

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

Таблица 1. Сводные характеристики использовавшихся измерительных средств при поиске РИТЭГ у мыса Низкий в Охотском море по температурному и магнитному полям Параметр Температура: - диапазон - точность - цена разряда Давление: - диапазон - точность - цена разряда Электропроводность: - диапазон - точность -цена разряда Магнитная индукция: - диапазон - точность Частота опроса

«Sea-Bird» SBE37-SI

Термоградиентометр (2TD-профилограф)

Термогирлянда ТГА-22Д

-5 °С ÷ +35 °С 0,002 °С 0,0001 °С

-5 °С ÷ +35 °С 0,01 °С 0,002 °С

-5 °С ÷ +35 °С 0,1 °С 0,0625 °С

0 ÷ 100 кПа 0,1 кПа 0,02 кПа

1 Гц

3 кадра в мин

+/- 1 Гаусс 6,7 нТл 10 Гц

0 ÷ 7 См/м 0,0003 См/м 0,00001 См/м 2 Гц

двумя высокочувствительными малоинерционными датчиками температуры и датчиком глубины, может измерять температуру воды, а также работать в режиме термоградиентометра, что способствует снижению уровня помех и повышению чувствительности. Датчики: 2 датчика температуры

типа PT100, RES2k и термокомпенсированный датчик давления (глубины) Д-0,6. 3. Автономная термогирлянда ТГА-22Д разработки ТОИ ДВО РАН [4] – оперативное и долговременное измерение вертикального и горизонтального профилей температуры воды. Выполнена на базе

Рис. 4. Аппаратура обнаружения температурных и магнитных неоднородностей в морской среде в стационарных и динамических условиях поиска: а – ST-профилограф «Sea-Bird» SBE37-SI MicroCAT, б – термоградиентометр (2TD-профилограф), в – автономная термогирлянда ТГА-22Д, г – морской магнитометр SDM-4000 SharkMarine

Магнитометр SDM-4000

грузонесущего кабеля, включает 22 цифровых датчика температуры DS18B20 (DallasSemiconductor) и один – давления. Имеет автономные блок электропитания, управления, записи и передачи (скачивания при подключении интерфейса) данных, которые размещены в герметичном корпусе (включает микроконтроллер и энергонезависимую память). 4. Морской магнитометр SDM4000 SharkMarine – обнаружение магнитных неоднородностей (аномалий) в морской воде в стационарных условиях и в режиме буксировки. Датчик основан на магниторезистивном эффекте и выполнен на резисторной сборке (три взаимно перпендикулярных магниторезистора) фирмы «Honeywell». 5. Подводная цветная видеокамера. Разрешение 1024×768, 24 кадра/с, длина кабеля 50 м. 6. Полевой гамма-радиометр СРП-68-02 с погружным (до 25 м) сцинтилляционным детектором предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения и оценки радиационной обстановки на воздухе, в морской воде и на дне моря.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

Организация и выполнение риев обнаружения температурных поисковых работ аномалий от теплового источника, расположенного на дне (РИТЭГ и Экспедиция проведена в перипр.); од 10–30.09.2014 г. на МБС «Кали- выделение инверсных темнинградец» Дальневосточного фипературных слоев морской воды лиала МЧС г. Находки (рис. 5), в (температурных аномалий) в приприбрежном районе постановка и донном слое до 2–3 м от дна и сопобуксировка поискового оборудоваставление их координат с данными ния осуществлялись малоразмермагнитометрических измерений, ным плавсредством (рис. 6). Программа поисковых работ полученных в экспедиции 2010 г., с целью дообследования последпредусматривала: - определение стратификации них на предмет присутствия на температуры морской воды по вер- дне объектов, соответствующих тикали на контрольных станциях в РИТЭГ, а также для самостоятельрайоне поиска по сетке 500±50 м; ного поиска во всем обследуемом - формирование карт придон- районе; - разработка критериев обнаруных полей температуры на горижения РИТЭГ в реальных условизонтах 0,5/1,0/1,5/2,0 м от грунта и градиентов температуры между ях с использованием аппаратуры измерения температуры, магнитними (0,5–1,0/1,0–1,5/1,5–2,0); - выделение областей повы- ного и радиационных полей; - при обнаружении источника, шенных вариаций полей темпераотвечающего критериям обнарутуры и градиентов в районе поиска в интересах формирования крите- жения РИТЭГ, предусматривался

его визуальный допоиск, осмотр водолазами и проверка на соответствие радиоактивному источнику; - оценка радиационной обстановки вокруг обнаруженного объекта, фиксация его места нахождения и передача координат для последующего подъема; - для привязки обнаруженной температурой неоднородности к месту нахождения источника предусматривалось использовать термогирлянду ТГА-22Д, располагая ее горизонтально на дне. В интересах оценки радиационной обстановки в районе поиска периодически проводили контрольные радиометрические наблюдения гамма-радиометром СРП-68-02. С борта МБС «Калининградец» и малоразмерных плавсредств в прибрежной полосе и открытой части района измеряли МЭД, которая в зависимости от расстояния до берега изменялась в пределах 0,04–0,06 мкЗв/ч, в морской воде – от 0,01 до 0,02 мкЗв/ч и на дне в пределах 0,06–0,10 мкЗв/ч, что соответствует природному фону. Радиационная обстановка в районе поисковых работ характеризовалась как «нормальная», радиоактивного загрязнения внешней среды не обнаружено.

Картографирование Рис. 5. МБС «Калининградец» (а) и район поиска (б)

Рис. 6. Схема постановки и буксировки оборудования малоразмерным плавсредством

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

В соответствии с программойметодикой вся площадь района поиска (район №363) была покрыта сетью гидрологических станций преимущественно с шагом 500±50 м (рис. 7). Выполнено 416 гидрологических станций, включая подрайон допоиска температурной инверсии. Работы проводилась в два этапа: - при благоприятных погодных условиях измерения вели с борта малоразмерного плавсредства в прибрежном районе и в зоне вероятного падения РИТЭГ до глубин 10–12 м;

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

Рис. 7. Район, подрайоны поиска, расположение гидрологических Рис. 8. Поля температуры (а) на горизонте 0,5 м и положительного станций (а), и поле глубин в районе поиска (б) градиента температуры (б) между слоями 0,5–1,0 м от грунта в районе поиска

- при ухудшении погодных условий (недопустимости спуска на воду малоразмерного плавсредства) измерения вели с борта МБС «Калининградец» на глубинах от 10–12 м до 70 м. С учетом вероятного места падения и тепловой модели затопленного РИТЭГ в интересах оптимизации поиска основное внимание было уделено исследованию придонного слоя морской воды на 2–3 м от грунта. Из полученных на гидрологических станциях данных формировали выборки и рассчитывали градиенты температур в слоях 0,5–1,0, 1,0–1,5 и 1,5–2,0 м. В соответствии с руководством по картографированию физических полей, разработанному в ИБРАЭ РАН на основе пакета инженерной графики «Surfer 9.0», в морских условиях строили картограммы глубин, температуры и градиентов температур на каждом запланированном для анализа придонном слое морской воды. Анализ поля глубин (рис. 7) показал, что рельеф дна имеет неоднородную форму, которая влияет на формирование придонного поля температуры и его гра-

диентную структуру. В частности, перпендикулярно береговой черте располагается небольшая возвышенность, которая изменяет направления придонного течения и соответственно температуру, отделяет участки дна друг от друга, образуя северную и южную независимые гидрологические придонные области. У берега такая же особенность наблюдается в районе устья реки, где глубины варьируют от 0,5–1,0 м до 4–6 м. Эти особенности заметно проявляют себя на структуре поля температуры и положительного градиента температуры в придонном слое морской воды, вариации которых возрастают по мере приближения к береговой черте. В наибольших количествах они наблюдаются в подрайонах 1, 2 на подходе к маяку Низкий, где предположительно был аварийно сброшен РИТЭГ (рис. 8). В подрайоне 1 (вероятное место падения РИТЭГ) дополнительно наблюдалась временная неустойчивость состояния общего поля температуры, которая осложняла поиск и была связана с периодическим выходом холодных водных масс с глубоководной части района в мелководную (рис. 9).

Рис. 9. Изменение структуры поля температуры в подрайоне 1 на 0,5 м от дна в результате выхода холодной водной массы с глубин 14–22 м (наблюдения (а) 12.09 и (б) 15.09. 2014 г., прямоугольником отмечен один потенциальный район допоиска РИТЭГ, выделенный по данным магнитометрических наблюдений экспедиции 2010 г.)

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

В целом по всему району 363 поля температуры в придонном слое морской воды оказались крайне неоднородными и на 0,5–2,0 м от грунта имеют существенно различающуюся между собой структуру. Северная часть района отделена устойчивым температурным фронтом от южной и глубоководной частей и имеет индивидуальные особенности распределения в подрайонах 1 и 2. Анализ поля положительных градиентов температуры по району показывает, что наибольшие их количество и величины наблюдаются в южной части прибрежной зоны (градиенты составляют доли–единицы градусов), на подходе и частично в районе м. Низкий в подрайонах 1 и 2. В центральной части района поиска существуют протяженные области с нейтральным значением градиентов температуры, которые сохраняют эти показатели по всей толще воды от 0,5 м до 2,0 м над грунтом. К общей закономерности, присущей акватории всего района, можно отнести возрастание по мере удаления от дна количества природных температурных аномалий и их вариаций (градиентов). Градиенты с обратными значениями температур (–0,01 °С – тепловая инверсия в придонном слое) оказались крайне редким явлением (10 обнаружений на 386 гидрологических станциях), что не позволило построить аналогичные картограммы.

ны температурные профили на ст. 3 и 5 от 22.09 и 25.09.2014 г., подтверждающие наличие инверсного слоя на уровне десятые–сотые доли °С соответственно. В результате обобщения и анализа модельных и экспериментальных данных о пространственно-временной изменчивости поля температуры, вызванного воздействием точечного источника тепла, находящегося на дне, полей температуры и их градиентов в придонном слое морской воды, к критериям присутствия РИТЭГ были отнесены следующие условия. 1. Обнаружение инверсных слоев в режиме зондирования преимущественно на горизонтах до 1 м (предельно до 3 м) от дна и малоразмерных температурных аномалий (до 10 м) при буксировке измерительной аппаратуры на этих горизонтах. 2. Данные о наличии тепловой инверсии в придонном слое морской воды с отрицательными градиентами 1–3 °С у дна (0,5–1 м) и 0,01 °С на высоте до 3 м от грунта исходя из возможности аварийного состояния РИТЭГ. 3. Допускается принимать во внимание наличие автономных

инверсных температурных аномалий (неоднородностей) на горизонтах 2–4 м от грунта только при благоприятных гидрометеорологических условиях из предположения возможности всплытия подогретой РИТЭГ воды и образования температурного следа. 4. Наличие инверсных слоев должно быть устойчивым в пространстве (локализоваться в ограниченной области размерами от единиц–десятков до сотни метров) и во времени, допуская неоднократный выход на источник тепла в целях передачи контакта для допоиска и идентификации обнаруженной температурной неоднородности. В соответствии с принятыми критериями в районе поиска было обнаружено 10 точек с инверсными градиентами температуры в придонном слое морской воды на 1–3 м от грунта: - одна точка (вблизи ст. 15) оказалась в области вероятного падения РИТЭГ в подрайоне 1 на подходе (~ 3700 м) к м. Низкий и удалении ~ 800 м от берега; - две другие точки расположились в глубоководной части района восточнее ст. 15 на удалении

Критерии и достоверность обнаружения Одним из критериев, принятых для отнесения температурной неоднородности (аномалии) к признакам присутствия РИТЭГ, было обнаружение устойчивых инверсных слоев морской воды у дна с градиентами до –0,01 °С. В качестве примера на рис. 10 приведе62

Рис. 10. Обнаружение и подтверждение наличия инверсного слоя температуры у дна методом двойного профилирования (погружение-подъем) на станциях 3 (а) и 5 (б) 22.09. и 25.09.2014 г. соответственно

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

3300–4200 м и 3700–4600 м от берега и м. Низкий соответственно; - группа из семи точек оказалась сосредоточенной в северной части района на 4600–7200 м далее за м. Низкий на удалении 1800–2800 м от берега. В силу ограниченности по времени экспедиции и недостаточного количества дней с благоприятной погодой для работы с малоразмерного судна основное внимание было уделено детальному изучению поля температуры в придонном слое морской воды в районе ст. 15. Проверка достоверности обнаружения инверсного слоя на ст. 15 была выполнена методом двойного профилирования – сравнивались результаты измерений температуры на этапе погружения температурного зонда и при его подъеме. Кроме этого дополнительно к основному прибору (SBE) был прикреплен на 0,5 м выше него 2TD-зонд, что позволило получать профиль температуры двумя независимыми приборами и контролировать глубину погружения. Результаты двойного профилирования подтвердили устойчивые показания зонда SBE, наличие инверсного теплового слоя морской воды на глубине ~ 0,6 м от дна и отсутствие его выше этого уровня с помощью 2TD профилографа. Данный способ применялся в дальнейшем и на других гидрологических станциях с целью проверки достоверности обнаружения инверсных слоев морской воды у дна. Проведенное далее температурное дообследование придонной области морской воды с центром на ст.15 в радиусе 100 м от нее путем дополнительного зондирования в радиальных направлениях от ст.15 выявило семь дополнительных точек (станций) с

Рис. 11. Расположение тепловых аномалий (инверсных слоев) относительно ст.15 (в центре) по данным наблюдений 12– 25.09.2014 г. (размер ячейки 25×25 м), обнаруженных вертикальным зондированием с помощью ST-зонда (желтым цветом отмечена крестообразная зона размещения на дне термогирлянды, голубым – галс № 8 при буксировке магнитометра с термоградиентометром в придонном слое морской воды)

признаками придонной инверсии от 0,1 до 0,1 °С (рис. 11). Из данных, приведенных на рис. 11, видно, что основное количество аномалий (шесть из семи) локализуется в небольшой линейно протяженной области шириной 20–30 м и длиной до 100 м, что свидетельствует о присутствии в районе нахождения ст. 15 постоянно действующего теплового источника. С целью подтверждения факта обнаружения теплового источника с центром в районе ст. 15 дополнительно была использована термогирлянда ТГА-22Д, которую укладывали на грунт последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях: - с северо-востока на югозапад, время набора информации 46 минут; - с юго-востока на северозапад, время набора информации 15 минут. Принимая во внимание чувствительность датчиков температуры термогирлянды на уровне 0,1 °С предполагалось зарегистрировать ее изменение на грунте в районе ст. 15 на уровне до 0,4 °С,

что позволило бы уточнить местоположение теплового источника и приступить к его дообследованию. Однако последующий анализ полученных данных с помощью термогирлянды не выявил вариации поля температуры на дне, выходящий за пределы погрешности измерений, т. е. более 0,1 °С (источник тепла не был обнаружен термогирляндой). Причина могла состоять в том, что в момент установки термогирлянды не было известно точное место расположения температурной аномалии. Позднее обнаруженная при буксировке термоградиентометра тепловая аномалия действительно оказалась смещенной относительно места установки термогирлянды на 5–7 м в северном направлении. Дальнейшим шагом по уточнению возможного места положения теплового источника и идентификации его на принадлежность к РИТЭГ стало комплексное обследование квадрата акватории 100×100 м, в центре которого располагалась ст. 15 (рис. 12). Оно проводилось равномерными взаимно перпендикулярными галсами через 25 м каждый с применением магнитометра SDM-4000 на планере-заглубителе и расположенных на нем терморградиенто-

Рис. 12. Схема буксировки магнитометра, термоградиентометра и видеокамеры в квадрате 100×100 м, в центре которого находилась ст. 15 (25.09.2014 г., размер ячейки 25×25 м)

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

метре (2TD-профилографе) и видеокамеры. Во время буксировки было обнаружено 12 магнитных и 19 температурных аномалий. Последующая статистическая и корреляционная обработка результатов измерений позволила не принимать во внимание температурные аномалии, связанные с неравномерным перемещением термоградиентометра в горизонтальной плоскости, и отнести их к помехам. Также не рассматривались аномалии температуры, не имеющие синхронного по времени совпадения со срабатыванием

магнитометра (отнесены к естественным вариациями поля температуры на горизонте буксировки аппаратуры). В результате принятия такого решения только на одном из десяти галсов (галс № 8) была обнаружена температурная аномалия, не связанная с помехами и одновременно подтвержденная магнитометром, которая оказалась смещенной на 5–7 м севернее от ст. 15. На отметке 53–59 м (рис. 13) датчиком температуры зафиксированы две близко лежащие положительные малоразмерные неоднородности размерами 2–5 м с

превышением температуры над средним уровнем 0,12–0,23 °С. Одновременно было отмечено срабатывание магнитометра, которое полностью совпадает по длительности с изменением градиента температуры, который составил 0,2–0,3 °С (в это время аппаратура перемещалась по горизонту практически равномерно с вариациями глубины в пределах 8±0,05 м). Одновременно следует обратить внимание на наличие вблизи обсуждаемой предположительно техногенной температурной аномалии двух природных неоднородностей (на отметках 41 и 77 м) с градиентами температуры 0,05– 0,1 °С, которые по пространству не совпали с показаниями магнитометра и были отнесены к фоновым природным аномалиям. Обработка данных и приведение значений градиента температуры термоградиентометра к стационарным условиям движения аппаратуры на горизонте включала построение дисперсной функции вариации глубины и внесение соответствующих поправок в полученные результаты наблюдений при T2 > T1 (где T1 – показания датчика температуры №1, T2 – показания датчика температуры №2). Их величина оценивалась из следующих условий: T2i − T1i ,T2i ≤ T1i   , ∆Ti   Km T2i − T1i  ⋅ D ,T2i  T1i , i 

1 in / 2 ⋅ ∑ ( H i − H )2 − выбоn i−n / 2 рочная дисперсия ряда значений глубины в режиме «скользящего окна», i − индекс выборки, Km − коэффициент масштабирования, Hi −– значение глубины в выборке, H − выборочное среднее глубины, n − количество измерений в выборке. Условие T2 ≤ T1 соответствует нормальному распредегде Di 

Рис. 13. Фрагмент 8-го галса буксировки магнитометра и термоградиентометра в области предположительного падения РИТЭГ и обнаружения техногенной температурной аномалии в придонном слое морской воды в районе ст. 15 (а – фактические показания температуры двумя независимыми датчиками 2TD-профилографа, где синий – Т1 и красный – Т2; б – глубина перемещения измерительной аппаратуры, в – градиент температуры, г – показания магнитометра)

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

лению температуры и для случая аномалии температуры принимает вид T2 >T1. На протяжении всей экспедиции погодные условия не позволяли эффективно использовать подводную видеокамеру, поскольку видимость в придонном слое морской воды на удалении до 1 м от дна не превышала 20 см. По этой же причине визуальный осмотр, произведенный легководолазами экспедиционного гидрографического отряда 56 ГС ТОФ, оказался безрезультативным (обследование наощупь дна радиусом до 5 м от ст. 15 не дало положительных результатов). По причине неблагоприятных погодных условий и окончания срока проведения экспедиции, определенного программой, поисковая операция 2014 г. была завершена без физического подтверждения обнаружения объекта поиска. Выводы

1. На основании численного и натурного моделирования, а также результатов натурных исследований поля температуры в придонном слое морской воды в районе

363 выявлены признаки и разработаны критерии обнаружения малоразмерного теплового источника, находящегося на дне моря. 2. Выполнено картографирование района 363 по полю температуры и градиентам температур в придонном слое морской воды с шагом 0,5 м на глубинах от 0,5 до 2,0 м от грунта по всему району поиска по сетке 500×500 м. 3. Выделены 10 гидрологических станций, отвечающих признакам присутствия теплового источника, располагающегося на дне моря, из которых одна станция оказалась расположенной по маршруту пролета вертолета (на ~ 800 м удалена от берега) и вблизи района скопления магнитных аномалий, обнаруженных экспедицией 2010 г., что послужило основанием для ее детального изучения. 4. Техническими средствами в процессе буксировки поисковой аппаратуры вблизи ст. 15 на 5–7 м севернее от нее синхронно зарегистрированы магнитная и температурная аномалии, по своим параметрам не противоречащие основным признакам присутствия затопленного объекта, что требует ее обследования в будущем.

5. Впервые в реальных условиях с борта МБС «Калининградец» в Охотском море в режимах зондирования, буксировки и многосуточного непрерывного набора информации на буйковых станциях выполнено подробное картографирование поля температуры среды в районе, а также подтверждена практическая возможность применения для поиска малоразмерного теплового источника, расположенного на дне моря, с перепадами температур над ним от 0,01 до 0,1 °С, аппаратуры, разработанной в ТОИ ДВО РАН. 6. Для выполнения поисковых работ в обследуемом и подобных по сложности гидрологических условий районах необходима разработка более производительного поискового оборудования, включающего немагнитную буксируемую у дна (или телеуправляемую) широкозахватную базу с размещением на ней ряда независимых измерительных средств, синхронно регистрирующих разнородные физические поля: температуру, магнитные и электрические неоднородности, тормозное гаммаизлучение. Литература 1. Кузнецов О.Л., Матвиенко Ю.В., Рылов Н.И., Наумов Л.А. Опыт широкомасштабного поиска подводного потенциально опасного объекта в Охотском море // Подводные исследования и робототехника. 2010. №2(10). С. 36–43. 2. Москалев Н.Г. Подводный поиск утерянной радиоизотопной установки в сложном районе Охотского моря // Морские испытания. 2007. №2. С. 14–27. 3. Тагильцев А.А., Максимов А.А., Гичев Д.В., Высоцкий В.Л., Филиппов А.С., Черанев М.Ю., Гончаров Р.А. Обоснование применимости косвенных методов поиска опасных объектов в море // Девятый Всерос. симпозиум «Физика геосфер»: материалы докл. Владивосток: Дальнаука, 2015. С. 216–220. 4. Устройство для измерения профиля температуры: Полезная модель RU 139660 U1 / Тагильцев А.А., Черанев М.Ю., Гончаров Р.А.; заявл. 10.01.2014; опубл. 20.04.2014, Бюл. № 11.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

УДК 550.84: 549.905.

Газогеохимические исследования и робототехника в инженерном проектировании на морском дне А.И. Обжиров, А.В. Болобан, А.Л. Веникова

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН1

В процессе газогеохимических исследований, выполненных с 1985 по 2015 г. в Охотском море, было обращено внимание на участие потоков газа, газогидратов, зон разломов в нарушении поверхности дна. В воде и донных осадках определялись метан, тяжелые углеводороды (С2-С4), углекислый газ, кислород, азот, гелий и водород. По изменению концентраций газовых компонентов и их количества отмечено, что существуют периоды сейсмотектонической активизации и стабилизации. В Дальневосточном регионе сейсмическая активизация по газогеохимическим критериям началась с 1990 г., и она продолжается в настоящее время. В период с 1990 по 2015 г. в Охотском море возникло более 500 потоков пузырей метана в связи с сейсмотектонической активизацией. Именно в районе выходов пузырей газа (преимущественно метана) и газогидратов нарушается поверхность дна, появляются ямы, бугры ниже или выше поверхности дна на 10– 20 м, в осадке появляются слои и фрагменты газогидратов, карбонатные конкреции, поля бентоса и другие изменения. Кроме того, важно помнить, что потоки метана являются взрывоопасными (в смеси с воздухом около 9% метана). При инженерном проектировании эти особенности необходимо изучать и учитывать. В настоящее время все больше требуется выполнение инженерного проектирования строительства на морском дне: прокладка трубопроводов, установка буровых платформ, строительство прибрежных портов, терминалов и других сооружений. Для инженерного проектирования необходимо знать ряд геологических критериев, которые следует учитывать для выбора безопасного участка строительства на морском дне. В работе рассматриваются некоторые геологические, газогеохимические критерии – потоки пузырей метана, газогидраты, зоны разломов, землетрясения, которые требуется изучать при инженерном проектировании и строительстве на морском дне. Надежность и эффективность изучения морского дна заложена в выполнении комплекса исследований. Важными являются геофизические, газогеохимические, гидроакустические, батиметрические измерения. Обычно они выполняются на научно-исследовательских судах. Более детальные и точные характеристики дна можно получить с использованием робототехники. Совместные исследования геологическими и робототехническими методами дают возможность находить безопасные инженерные решения для проектирования строительных объектов.

Введение Лаборатория газогеохимии ТОИ ДВО РАН с 1984 года выполняет изучение распределения природных газов в воде и на морском дне в морях Мирового океана. Первоначально газогеохимические исследования проводились в Охотском море, главной целью которых было использование газогеохимических данных как индикаторов прогноза и поиска залежей углеводородов. К этому времени сейсмическими работами 66

на шельфе Сахалина в Охотском море было обнаружено несколько десятков структур, перспективных на поиски нефти и газа. Но успех поискового бурения на нефть и газ не превышал 50%, то есть половина скважин не открывала залежей углеводородов. Тогда трест «Дальморнефтегеофизика» в г. Южно-Сахалинске предложил лаборатории газогеохимии выполнить газогеохимическую съемку, чтобы использовать дополнительный критерий для повышения эффективности поиска залежей

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

углеводородов. Нами были сделаны тестовые измерения распределения углеводородных газов в воде и донных осадках в районе уже открытой нефтегазовой залежи на Одоптинской структуре. Аномалии метана, превышающие фоновые концентрации в 10–100 раз, были обнаружены в придонном слое воды и в донных осадках над этой структурой. Но в донных осадках трудно было от1 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43. E-mail: obzhirov@poi.dvo.ru.

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

Рис. 1. Потоки пузырей метана из донных отложений в воду (вертикальные стволы) в Охотском море. Гидроакустическая запись сделана А.С. Саломатиным [2]

личить подток метана из нефтегазосодержащих пород структуры от метана, который образуется в результате современного процесса метанобразующих бактерий. Поэтому придонный слой воды был выбран как основной индикаторный слой для прогноза перспективности структур на поиск нефти и газа. В придонном слое воды определялись углеводородные газы (метан, этан, пропан, бутан, их гомологи, углекислый газ, гелий, водород, кислород и азот) [1]. Газ из воды извлекался на дегазационной установке и анализировался на хроматографах. В результате совместного использования геологических, геофизических и газогеохимических исследований был увеличен успех открытия залежей углеводородов бурением – до 85 % и более. Кроме этого были обнаружены аномальные газогеохимические поля в районах, где еще не были выполнены детальные геофизические работы. В дальнейшем нефтегазопоисковые работы подтвердили перспективность этих площадей на поиски нефти и газа [1]. Важно отметить, что в процессе газогеохимических исследований в 1988 г. был обнаружен первый поток пузырей метана из донных отложений на Сахалинском склоне

Охотского моря на глубине 700 м. С каждым годом открывались новые потоки метана, и к 2015 г. их количество достигло 700, причем, как правило, дно в районе выходов пузырей метана нарушено (рис. 1). На многих площадях с потоками пузырей метана были обнаружены газогидраты. Эти открытия повысили интерес к газогеохимическим исследованиям в Охотском море и в других дальневосточных и арктических морях. В процессе исследований были обнаружены важные закономерности изменения поверхности морского дна в районе потоков газа (преимущественно метана) и газогидратов, знание которых является важным и необходимым для проектирования строительства сооружений на морском дне, в том числе буровых платформ, трубопроводов и других устройств.

Инженерно-геологические характеристики морского дна в районе аномальных полей газа и газогидратов После публикаций [4] открытия потоков пузырей метана из донных отложений в воду и газогидратов в верхнем слое осадков в Охотском море интерес к продолжению исследований по изучению

геологических условий формирования потоков газа и газогидратов в Охотском море возрос как у российских, так и зарубежных ученых. В 1998 году был подписан договор о сотрудничестве между ТОИ ДВО РАН и институтом ГЕОМАР (Геология морей) г. Киль, Германия. На основе договора был составлен международный Российско-Германский проект КОМЕКС 1998–2004 гг. В рамках проекта выполнялись международные экспедиции в Охотском море по поиску и выяснению условий формирования потоков метана и газогидратов. Применялся комплекс исследований, который включал следующие направления – геологическое, геофизическое, гидро акустическое, газогеохимическое, гидрологическое, батиметрическое, сонарная съемка дна [2]. Благодаря этому комплексу были обнаружены закономерности, которые показали, что нарушения поверхности морского дна происходят в районе распространения газогидратов, потоков пузырей метана из донных отложений в воду и зон разломов. В результате комплекса исследований было обнаружено следующее. 1. Поверхность дна нарушается в районе потока пузырей метана. На поверхности дна образуются ямы и бугры высотой и глубиной около 10–20 м (относительно линии поверхности дна) (рис. 2). Диаметр таких нарушений дна достигает 500–1000 м (рис. 3). Эти неровности дна хорошо зафиксированы сонарной съемкой (рис. 3) [2] и обитаемым подводным аппаратом «Мир» в районе потока метана на склоне о-ва Парамушир в Охотском море, изученным сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова, РАН. Как на Сахалинском, так и на

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

Рис. 2. Нарушение поверхности дна и нижележащих слоев осадков в районе потоков газа (метана) из недр к поверхности. На сейсмическом разрезе выделяются вертикальные стволы отсутствия отражений слоев, которые являются каналами миграции газа. Сейсмическая запись с использованием спаркера сделана В.Т. Прокудиным [2]

Парамуширском склоне Охотского моря, где обнаружены потоки пузырей метана и газогидраты, в верхних слоях донных осадков нарушается дно. 2. После завершения проекта КОМЕКС с институтом ГЕОМАР (г. Киль, Германия) поступило предложение от Технологического института (г. Китами, Япония) и Института полярных исследований (г. Инчхеон, Республика Корея) продолжить комплекс исследований в Охотском море по изучению закономерностей формирования потоков метана и газогидратов и разработке методов их поиска. В 2003 г. был подписан международный РоссийскоЯпонско-Корейский проект ХАОС (2003–2006) по изучению газогеохимических полей и газогидратов в

Рис. 3. Результат сканирования поверхности морского дна в Охотском море в районе выходов пузырей метана из донных отложений в воду. Белым цветом отражен район с нарушением поверхности дна в виде ямок и бугров с углублением и возвышением относительно поверхности дна на 10–20 м. Красные точки – станции отбора проб воды и осадков, в керне некоторых из которых обнаружены газогидраты. Диаметр нижнего круга с нарушением поверхности дна достигает 1 км [2]

Охотском море. По окончании этого проекта стороны решили продолжить исследования и подписали новый международный проект САХАЛИН (SSGH, Sakhalin Slope Gas Hydrate, 2007–2012), который был продлен до 2013–2017 гг. Каждый год в Охотском, а с 2012 года в Охотском и Японском морях выполнялись международные экспедиции, в которых использовался следующий комплекс исследований: •• гидроакустический метод позволял искать потоки пузырей метана и обнаруживать изменения поверхности дна; •• высокочастотная сейсмическая съемка (спаркер) способствовала изучению геологических структур до глубины 100–150 м от поверхности дна в районе потоков метана и газогидратов; •• газогеохимические измерения толщи воды и донных осадков позволяли оценить источники потока пузырей метана и участие газовой составляющей в геологических, биологических, экологических и инженерно-геологических процессах; •• батиметрическая съемка обнаруживала неровности поверхности дна; •• сонарная съемка сканировала дно и выявляла мелкие неровности дна, которые формируются в районе потоков газа, газогидртов и зон разломов. 3. Благодаря многолетним комплексным исследованиям в

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Охотском и Японском морях выяснилась очень важная закономерность. Потоки пузырей метана и газогидраты в основном приурочены к зонам разломов. Причем выяснено, что с 1988 г. в Охотском море стала увеличиваться сейсмотектоническая активность [3]. Результаты исследований показали, что сейсмическая активность возрастала до 1998 г., и в этот период произошло катастрофическое Нефтегорское землетрясение в 1995 г. Затем сейсмическая активность то возрастала, то стабилизировалась, но общий фон сейсмической активности увеличивался как в Охотском море, так и в других морях Дальневосточного региона. Особенно сильные землетрясения магнитудой около 7–8 по шкале Рихтера произошли в районе г. Невельск (2007 г.), Японское море, и в районе г. Тахото (АЭС «Фукусима», 2011 г.) на побережье Тихого океана Японии, которое сопровождалось катастрофическим цунами. В чем важность этой закономерности? Зоны разломов являются путями миграции газа из недр Земли к поверхности [4]. Сейсмическая активизация расширяла трещины в зонах разломов, что способствовало увеличению поступления газа (метана) из недр к поверхности. При наличии в осадочных отложениях нефтегазсодержащих пород они являются источниками метана, который по зонам разломов мигрирует к поверхности дна. При этом в зоне стабильности газогидратов при низкой температуре и высоком давлении на глубинах моря более 400 м в донных осадках формируются газогидраты (рис. 4). 4. Именно зоны разломов и сейсмические активизации являются важными характеристиками, требующими изучения при инженерно-геологических изы-

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

Рис. 4. Газогидрат в пульпе донных осадков. Донные осадки становятся неустойчивыми при разрушении газогидратов. Вверху – горит метан, который выделяется из газогидрата при температуре в лаборатории около 20 С°

Рис. 6. Структура западного склона Курильского бассейна Охотского моря (а), где обнаружен грязевый вулкан на глубине 2200 м (структура составлена на основе данных батиметрической съемки А. Коптевым [2]), и самый высокий в Мировом океане поток пузырей газа из дна в воду, высотой 2100 м в районе грязевого вулкана (б). Гидроакустическая запись сделана А.С. Саломатиным [2]

сканиях. При проектировании и строительстве инженерных сооружений на морском дне необходимо оценить возможные опасности разрушения инженерных построек. Чем зоны разломов опасны для строительства на суше и морском дне в зонах разломов геологам и инженерам известно. Но кроме общего понимания механического движения в зоне разломов есть еще важные факторы – сейсмические активизации и увеличение потоков пузырей газа (метана) в этих зонах. При этом потоки газа расширяют трещины, формируют воздушную подушку и способствуют резкому перемещению блоков земной коры относительно друг друга и возникновению землетрясений и цунами. В этих районах в донных осадках происходят нарушения верхних

осадочных слоев и пород. Образуются газогидраты, которые при формировании внедряются в осадок, поднимая слои к поверхности на высоту 10–20 м (рис. 5). При изменении условий стабильности газогидрата, увеличении температуры и (или) снижении давления происходит диссоциация газогидрата с выделением большого количества метана и других газов. В 1 см3 газогидрата содержится 160 см3 метана. При этом бугры становятся ямами глубиной 10– 20 м. В зоне разломов появляются не только потоки пузырей газа (в основном метана), но и структуры грязевых вулканов (рис. 6). Эти характеристики очень важно знать при проектировании и строительстве инженерных сооружений.

Рис. 5. Изменение поверхности дна в процессе формирования газогидратов. Слева – начальный этап образования газогидратов, карбонатов, бактериальных матов в районе потоков пузырей метана из донных отложений в воду, справа – нарушение (вспучивание) поверхности дна слоями газогидратов при внедрении их в осадок

В период повышения температуры и (или) уменьшения давления газогидраты разрушаются, превращаясь в газ и воду, а на поверхности дна образуются провалы, схожие с процессом оттаивания многолетней мерзлоты.

Использование робототехники при инженерно-геологических изысканиях в целях определения безопасного участка дна для строительства на морском дне В районах, где геологогеофизическим комплексом обнаружены активные процессы, влияющие на нарушение поверхности дна (потоки пузырей метана, газогидраты, зоны разломов), требуются более детальные инженерные исследования дна с использованием робототехнических средств. Для этих целей могут использоваться как обитаемые, так и автономные подводные аппараты. Например, использование подводного обитаемого аппарата «Мир» в изучении газогидратов на оз. Байкал дало возможность открыть газогидраты, которые залегали на поверхности склона, не прикрытые осадком, на глубине около 1400 м (рис. 7). Это открытие подтвердило, что поверхность осадка нарушается в районе обра-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

сре дства и мето ды подвод ны х иссле дований. векторная акустика

Рис. 7. Использование обитаемого подводного аппарата «Мир» при изучении газогидратов на дне озера Байкал: а – подготовка к погружению аппарата «Мир»; б – манипуляторы аппарата, которыми отбираются пробы газогидратов; в – тело газогидрата белого цвета с углублениями и буграми на поверхности (показаны стрелками)

зования газогидрата и может размываться, обнажая газогидрат. робототехниАвтономные ческие средства детально передают по телеканалу нарушения поверхности дна, состояние его поверхности, возможные оазисы бентосных организмов, например раковин калиптоген (рис. 8), которые быстро размножаются, используя метан как энергетический материал благодаря реакциям хемосинтеза и микробного потребления метана. В осадке наблюдается переслаивание слоев с ракушками и слоев илистых осадков общей мощности около 5 м. Это связано

Рис. 8. Оазис роста бентосных организмов в районе выходов пузырей метана из донных отложений в воду и газогидратов. Впадина Дерюгина, Охотское море, глубины 700–1100 м

с пульсационным режимом потока метана, когда поток прекращается, бентосные организмы погибают, происходит осаждение илистых осадков, затем снова активизируется поток метана и происходит рост бентоса [5]. В работе [6] подробно описывается необходимость использования робототехники для изучения состояния донной поверхности при инженерном проектировании строительства на дне. Для этих целей подводные роботы используются во многих странах Европы (Англия, Италия, Германия, Франция), а также в Японии, Австра-

Рис. 9. Подводный аппарат, изучающий поверхность дна и состояние трубопровода на дне

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Рис. 10. Принципиальная схема сбора газа под куполом (Патент № 2386015) [7]

лии. Основной задачей использования робота являлась проверка поверхности дна для прокладки трубопровода и наблюдения за его исправностью (рис. 9). Подводная робототехника нужна для постановки на морское дно устройств по отбору метана из потоков пузырей метана и газогидратов. Одним из методов извлечения метана из газогидратов является использование установки (рис. 10), предложенной в работе [7]. Заключение

Благодаря многолетнему периоду (1984–2015 гг.) выполнения комплекса геологического, геофизического, газогеохимического, гидроакустического, гидрологического, батиметрического, сонарного направлений исследований в Охотском и Японском морях, в том числе по международным проектам КОМЕКС (Россия-Гемания, 1998–2004), ХАОС и SSGH (Россия-Япония-Корея, 2003– 2006, 2007–2012–2017) стало возможным: •• определить закономерности формирования потоков пузырей метана из донных отложений в воду и частично в атмосферу; •• изучить процесс образования газогидратов; •• выполнить картирование зон разломов, которые являются

сре дства и мето ды по д во д н ы х иссле д ований. векторная акустика

путями миграции газов, в основном метана, из нефтегазсодержащих пород к поверхности. В этих зонах образуются газогидраты, которые формируют на поверхности дна в осадке бугры высотой 10–20 м. При повышении температуры и (или) уменьшении давления газогидраты разрушаются с выделением большого коли-

чества метана, и на поверхности дна образуются ямки глубиной 10–20 м. Эти характеристики являются важными критериями для безопасного выбора площадок под проектирование и строительство на морском дне. Детальные исследования поверхности дна, необходимые при инженерном проектировании строительства

на дне различных объектов, в том числе при прокладке трубопроводов, установке буровых платформ, научно-исследовательской аппаратуры, требуют использования робототехнических средств. Работа поддержана грантом РФФИ № 15-05-06638А и программы «Дальний Восток» 15-11-017

Литература 1. Obzhirov A.I. Method to search methane fluxes and gas hydrate in the Okhotsk sea // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. №4. Спец. вып. 13. С. 30–35. 2. Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate (SAKHALIN) Project 2011, R/V Akademik M.A. Lavrentiev Cruise 56 (2012) / H. Shoji, Y.K. Jin, A.Obzhirov and B. Baranov; New Energy Resources Research Center, Kitami Institute of Technology. Kitami, 2012. 140 p. 3. Обжиров А.И. Увеличение газовой составляющей при сейсмотектонической активизации участия газа в возникновении землетрясений (Охотское море) // Тихоокеанская геология. 2013. Т. 32, № 2 (2). С. 86–89. 4. Обжиров А.И., Казанский Б.А., Мельниченко Ю.И. Эффект звукорассеивания придонной воды в краевых частях Охотского моря // Тихо океанская геология. 1989. Т. 8, № 2. С. 119–121. 5. Обжиров А.И., Телегин Ю.А., Болобан А.В. Потоки метана и газогидраты в Охотском море // Подводные исследования и робототехника. 2015. № 1 (19). С. 56–63. 6. Schultheiss G.F. Development in underwater robots. GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Institut fur Anlagentechnik, Max-PlanckStrasse. D-2054 Geesthacht, Germany. 7. Технологический комплекс для разработки газогидратных залежей в открытом море: пат. 2386015 C1 Российская Федерация / А.И. Обжиров, А.А. Тагильцев. № З.2008149316; заявл. 15.12.2008; опубл. 2010.04.10, Бюл. № 10.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Рефераты УДК 551.46.07 Ключевые слова: вариации плотности воды, интеллектуальный подводный робот, регулирование плавучести и дифферента, управление движением, гидравлические насосы, натурные испытания. Гой В.А., Костенко В.В. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЛАВУЧЕСТИ И ДИФФЕРЕНТА АВТОНОМНОГО ПОДВОДНОГО РОБОТА // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 4–14. При создании автономного подводного робота, предназначенного для высокоточных измерений характеристик физических полей, решается задача построения системы динамического позиционирования с минимумом шумовых помех. В частности, это относится к синтезу системы регулирования плавучести и дифферента, обеспечивающей высокое качество управления (позиционирования) по глубине погружения при отсутствии шумов, влияющих на работу измерительных систем. При разработке такой системы был использован метод перекачивания рабочей жидкости из гидравлических контейнеров в емкости изменяемого объема. Целью исследований в данной работе является разработка конструктивного облика и алгоритмов управления системы, обеспечивающей экономное и бесшумное регулирование плавучести и угла дифферента подводного аппарата малого водоизмещения. При этом были определены требования к управляющим воздействиям на основе возможного разброса плотности воды и заданных диапазонов регулирования угла дифферента и скорости вертикального движения. Разработанная математическая модель системы учитывает экспериментальные характеристики привода и влияние глубины погружения на производительность насосов. Определены оптимальные характеристики электродвигателя и гидравлического насоса, соответствующих заданным значениям динамических параметров. Алгоритмы управления системой оперируют оценками перекачиваемых объемов рабочей жидкости в зависимости от числа оборотов насоса. Принятое конструкторское решение позволяет представить облик системы, интегрированной в структуру автономного подводного аппарата. Экспериментальный образец системы успешно прошел бассейновые и натурные испытания в составе АНПА, созданного в ИПМТ ДВО РАН в последние годы. В процессе этих испытаний выполнены калибро-

вочные измерения системы в бассейне и подтверждена возможность бесшумной стабилизации глубины погружения подводного аппарата в натурных условиях. УДК 629.5.083.2 Ключевые слова: телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА), освидетельствование корпуса судна, износ, дефектоскопия, неразрушающий контроль. Вельтищев В.В., Егоров С.А., Григорьев М.В., Гладкова О.И., Баскакова Е.В. РОБОТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЯ ПОДВОДНОЙ ЧАСТИ СУДНА // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 15–24. Важнейшим фактором безопасности плавания судов является поддержание исправного технического состояния подводных частей элементов их корпусов. Для присвоения, возобновления или подтверждения класса судна в соответствии с требованиями правил Российского морского регистра судоходства необходимо обязательное освидетельствование данного средства, которое включает обследование его подводной части. Такая инспекция может производиться при нахождении судна не только в сухом доке, но и на плаву. При этом на сегодняшний день переход на безлюдные технологии проведения периодического осмотра указанных подводных объектов становится все более актуальной задачей. Особенности проведения такого типа работ определяют необходимость выработки принципиально новых подходов к созданию специализированных робототехнических подводных средств. В статье сформулированы основные требования к процедуре освидетельствования судна на стадиях оценок износа корпусных конструкций и изменений первоначальной формы корпуса, определения нарушений целостности элементов корпуса и оценки технического состояния судовых устройств. Обоснована концепция создания телеуправляемых подводных средств для проведения сплошного осмотра с определением рационального способа движения и рассмотрением конструктивной схемы модульного аппарата. Описаны принципы построения диагностической аппаратуры, приведен пример функционального состава информационно-управляющей части подводного робототехнического комплекса. По результатам проведенных работ оценены достижимые точности испытанных навигационных систем, сделаны выводы о корректности реализованных алгоритмов, необходимости их совер-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

шенствования и внесении модификаций в состав аппаратуры разработанного прототипа подводного телеуправляемого комплекса. Выявлена существующая на сегодняшний день ограниченная практическая применимость роботизированной технологии освидетельствования подводной части судна на плаву и сформулировано необходимое условие для введения её в практику. УДК 621.31 Ключевые слова: Бесконтактная передача электроэнергии, автономный инвертор напряжения, последовательная резонансная цепь, высокочастотный трансформатор, снижение тока инвертора, уменьшение тепловых потерь транзисторов, повышение КПД, выбор конденсатора. Герасимов В.А., Красковский М.В., Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА АВТОНОМНЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 24–30. Рассмотрена структура системы энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата. Показана актуальность использования бесконтактного способа передачи электроэнергии. Отмечена особенность такого способа, связанная с применением высокочастотного трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого разделены немагнитным зазором, обусловливающего низкий коэффициент магнитной связи и значительный ток намагничивания. Исследованы проблемы снижения выходного тока инвертора и уменьшения тепловых потерь его транзисторных ключей. Предложен способ разгрузки силовых ключей автономного инвертора напряжения за счёт включения последовательной резонансной цепи параллельно первичной обмотке трансформатора. Это решение позволило снизить ток силовых ключей инвертора примерно в три раза и при этом сохранить уровень передаваемой мощности. Представлены результаты схемотехнического моделирования и экспериментального исследования режимов работы бесконтактной системы энергообеспечения автономного подводного аппарата с применением резонансной цепи, включённой на выходе автономного инвертора. Отмечено хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента. Проведён анализ зависимости мощностей реактивных

элементов резонансной цепи и инвертора от относительной резонансной частоты, определяемой отношением собственной частоты резонансной цепи к частоте коммутации ключей инвертора. Показан подход к формированию компромиссного решения, позволяющего определить значение относительной резонансной частоты и дать рекомендации по выбору конденсатора последовательной резонансной цепи. УДК 551.46.077:629.584 Ключевые слова: автономные необитаемые подводный и водный аппараты, навигация, мобильный гидроакустический маяк, гидроакустическая навигационная система с синтезированной длинной базой. Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. О методе оценивания точности работы одномаяковой мобильной навигационной системы подводного аппарата с помощью водного аппарата, оснащенного DGPS // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 31–40. Одним из основных элементов мобильного навигационного комплекса для автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) является гидроакустическая навигационная система с синтезированной длинной базой. Принцип действия данной системы основан на использовании одного навигационного маяка, буксируемого обеспечивающим судном или автономным необитаемым водным (движущимся по поверхности моря) аппаратом (АНВА). При работе системы с помощью модемной гидроакустической связи производится обмен пакетами навигационных данных между АНПА и мобильным маяком и измеряется время распространения акустического сигнала между ними. Навигационная привязка разработанной системы обеспечивается с помощью DGPS, мобильная часть которой установлена на АНВА. Для определения местоположения АНПА используются два вида навигационной информации: информация о дальности до мобильного гидроакустического маяка и данные системы счисления пути АНПА. Для оценки точности навигационного комплекса производится сравнение алгоритмов, основанных на расширенном фильтре Калмана и фильтре частиц. Результаты морских испытаний разработанной гидроакустической навигационной системы с синтезированной длинной базой в составе морского робототехнического комплекса

МАРК, включающего АНПА и АНВА, подтверждают ее работоспособность и демонстрируют достаточно высокую точность ее работы. УДК 681.883.67.001:621.396.677 Ключевые слова: гидролокаторы бокового обзора, диаграмма направленности, затухание звука, обратное рассеяние, численное моделирование. Золотарёв В.В. Оптимизация характеристик направленности высокочастотного гидролокатора бокового обзора // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 41–45. При разработке высокочастотных гидролокаторов бокового обзора (ГБО) большое значение помимо главных параметров – дальности действия и разрешающей способности по углу и по дистанции – имеют свойства диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости. Для формирования диаграммы направленности при ГБО-съемке для расширения зоны обзора обычно используются главный лепесток диаграммы и один-два боковых лепестка. Глубокие минимумы («нули») диаграммы направленности, разделяющие главный лепесток и боковые лепестки, приводят к потере эхо-сигнала на небольших участках ближней зоны обзора. Визуально это проявляется на эхограмме в виде тёмных вертикальных полос, тянущихся вдоль донной линии. Расширение главного лепестка вертикальной ДН, можно осуществить уменьшением поперечной апертуры антенны. Таким путем можно устранить «нули» ДН, однако при этом снижается дальность действия ГБО. Проблема может быть решена построением гидролокационных антенн со специфической формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости, в частности, «косекансных» антенн. По сравнению с радиолокационными разработками в гидролокации помимо законов обратного рассеяния необходимо учитывать гидрологические факторы. К ним относится прежде всего затухание звука в воде в зависимости от частоты и дистанции до цели. Для разработки антенн с требуемыми характеристиками используются методы численного моделирования. Модель антенны с диаграммой направленности, подобной «косекансной», выполнена в среде MATLAB. На основе модели изготовлен рабочий макет в виде экспериментальной антенной секции. Положительные результаты, полученные в процессе испытаний макета, могут быть

положены в основу создания эффективных антенн ГБО. УДК 534.23 Ключевые слова: векторное звуковое поле, обобщённое модельное решение, комбинированный гидроакустический приемник, низкочастотный источник звука, проходная характеристика, мелкомасштабные вихревые структуры, угловая компонента ротора вектора интенсивности. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б., Злобин Д.В., Косарев Г.В. ВИХРЕВОЙ ОСЦИЛЛЯТОР В ВОЛНОВОДЕ ПЕКЕРИСА // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 46–55. Обобщённая теория волновых процессов в слоистых средах прогнозирует генерацию мелкомасштабной вихревой составляющей (МВС) вектора интенсивности на горизонте источника, расположенного в волноводе Пекериса. Звуковое поле, соответствующее МВС, называется вихревым осциллятором. Вихревая составляющая, являясь составной частью медленной обобщённой волны, возбуждается комплексным угловым спектром модельного источника и поэтому отсутствует в классическом решении граничной задачи Пекериса, которое построено в классе аналитических функций на плоскости комплексного спектрального параметра с разрезом Ивинга–Жардецки–Пресс (EJP). Модельные расчеты показывают, что медленная обобщенная волна вносит заметный вклад в суммарное звуковое поле только на частотах, близких к первой критической. При дальнейшем увеличении частоты ее вклад в суммарное поле уменьшается и выделение вихревых структур на горизонте источника становится затруднительным. Верификация модельного описания мелкомасштабных вихревых структур проведена путём сравнения с экспериментальными данными, полученными ранее в условиях мелкого моря на низких частотах. Результаты теоретических оценок параметров вихревого осциллятора хорошо согласуются с экспериментальными данными. УДК 551.46.077:629.584 Ключевые слова: Температура, стратификация, инверсный слой, температурная аномалия, температурный след, тепловое поле, радиоизотопный термоэлектрогенератор, термоградиентометр, термогирлянда, магнитометр. Максимов А.А., Гичев Д.В., Высоцкий В.Л., Филиппов А.С., Тагильцев А.А.,

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Черанев М.Ю., Гончаров Р.А. ПОИСК АВАРИЙНО ЗАТОПЛЕННОГО РАДИОИЗОТОПНОГО ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ПО ТЕПЛОВОМУ ПОЛЮ В ПРИДОННОМ СЛОЕ МОРСКОЙ ВОДЫ // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 56–65. Изложены вопросы подготовки и проведения комплексной экспедиции по поиску аварийно затопленного радиоизотопного термоэлектрогенератора (РИТЭГ) у мыса Низкий о-ва Сахалин в Охотском море. В лаборатории прикладной механики сплошных сред ИБРАЭ РАН выполнено теоретическое обоснование, а на гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН – натурный эксперимент, подтверждающие применимость метода поиска РИТЭГ по его тепловому следу. В экспедиции для поиска РИТЭГ использовались разработанные в ТОИ ДВО РАН термоградиентометр и термогирлянда, а также оборудование, включающее морской буксируемый магнитометр, ST-профилограф, подводную видеокамеру и погружной гаммарадиометр. В экспедиции на акватории 75 км2 получены оценки стратификации температуры морской воды в узлах топографической сетки с шагом 500±50 м, выделены инверсные слои в придонном слое морской воды до 2–3 м над грунтом, выполнена классификация их на принадлежность к техногенному тепловому источнику, находящемуся на дне. Обнаружен участок, на котором устойчивая инверсия температуры в придонном слое проявлялась одновременно с реакцией магнитометра и который ввиду вероятности присутствия заиленного искомого объекта требует дообследования. УДК 550.84: 549.905. Ключевые слова: инженерное проектирование, строительство, морское дно, потоки пузырей метана, газогидраты, зоны разломов, робототехника. Обжиров А.И., Болобан А.В., Веникова А.Л. Газогеохимические исследования и робототехника в инженерном проектировании на морском дне // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1 (21). С. 66–71. В процессе газогеохимических исследований, выполненных с 1985 по 2015 г. в Охотском море, было обращено внимание на участие потоков газа, газогидратов, зон разломов в нарушении поверхности дна. В воде и донных осадках определялись метан, тяжелые углеводороды (С2-С4), углекислый газ, кислород, азот, гелий и водород. По изменению

концентраций газовых компонентов и их количества отмечено, что существуют периоды сейсмо-тектонической активизации и стабилизации. В Дальневосточном регионе сейсмическая активизация по газо-геохимическим критериям началась с 1990 г., и она продолжается в настоящее время. В период с 1990 по 2015 г. в Охотском море возникло более 500 потоков пузырей метана в связи с сейсмотектонической активизацией. Именно в районе выходов пузырей газа (преимущественно метана) и газогидратов нарушается поверхность дна, появляются ямы, бугры ниже или выше поверхности дна на 10–20 м, в осадке появляются слои и фрагменты газогидратов, карбонатные конкреции, поля бентоса и другие изменения. Кроме того, важно помнить, что потоки метана являются взрывоопасными (в смеси с воздухом около 9% метана). При инженерном проектировании эти особенности необходимо изучать и учитывать. В настоящее время все больше требуется выполнение инженерного проектирования строительства на морском дне: прокладка трубопроводов, установка буровых платформ, строительство прибрежных портов, терминалов и других сооружений. Для инженерного проектирования необходимо знать ряд геологических критериев, которые следует учитывать для выбора безопасного участка строительства на морском дне. В работе рассматриваются некоторые геологические, газогеохимические критерии – потоки пузырей метана, газогидраты, зоны разломов, землетрясения, которые требуется изучать при инженерном проектировании и строительстве на морском дне. Надежность и эффективность изучения морского дна заложена в выполнении комплекса исследований. Важными являются геофизические, газогеохимические, гидроакустические, батиметрические измерения. Обычно они выполняются на научно-исследовательских судах. Более детальные и точные характеристики дна можно получить с использованием робототехники. Совместные исследования геологическими и робототехническими методами дают возможность находить безопасные инженерные решения для проектирования строительных объектов.

Abstracts Keywords: variations in the density of water, intelligent AUV, buoyancy and trim control system, motion control, pressureexpenditure pump, simulation of movement, full-scale tests.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Goy V.A., Kostenko V.V. BUOYANCY AND TRIM CONTROL OF AUTONOMOUS UNDERWATER ROBOTS // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 4–14. When creating an autonomous underwater robot designed for high-precision measurements of physical fields characteristics, the problem of building a dynamic positioning system with a minimum of noise interference is being solved. This is particular true for synthesis of the regulatory system of buoyancy and trim. Such system provides high quality control (positioning) by depth of immersion in the absence of noise affecting the operation of measuring systems. When designing such a system, the method of working fluid pumping from hydraulic containers into variable volume containers was used. The aim of research in this paper is the development of a practical design and system control algorithms, providing an economical and silent adjustment of buoyancy and trim angle for small underwater vehicles. At the same time we identified the requirements to managing impacts on the basis of a possible change of the density of water and preset control range of the trim angle and vertical velocity. The developed mathematical model of the system takes into account the experimental drive performance and impact of the depth of immersion on the performance of pumps. The optimal characteristics of the electric motor and hydraulic pump corresponding to specified values of dynamic parameters were identified. Control algorithms operate the rated volume of pumped working fluid depending on the number of revolutions of the pump. Accepted design solution allows to represent appearance of the system integrated into the structure of an autonomous underwater vehicle. Experimental model system has successfully passed the tank and field tests as part of the AUV, created in IMTP FEB RAS in recent years. During these tests system calibration measurement were performed in the tank and the possibility of silent depths stabilizing of the underwater vehicle descending in natural conditions is confirmed. Keywords: remotely operated vehicle (ROV), inspection of the ship hull, deterioration, inspection, nondestructive testing (NDT). Veltishchev V.V., Egorov S.A., Grigorev M.V., Gladkova O.I., Baskakova E.V. UNDERWATER SURVEY OF VESSELS WITH ROBOTIC TECHNOLOGY // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 15–24. The most important factor of ship’s safety navigation is good technical condition

of the underwater parts of their hulls. For the assignment, renewal or confirmation of vessel class according to requirements of the Russian Maritime Register the mandatory certification must be given. It includes inspection of underwater part of the ship. Such an inspection can be carried out not only in dry dock but while the ship is afloat. Application of unmanned technology for periodic inspection of underwater objects is becoming an increasingly urgent problem now. The specific of the inspection efforts determines the need for a fundamentally new approach to the design of specialized robotic underwater vehicles. The article contains the basic requirements to the procedure of inspection of the vessel: deterioration assessment of hull structures, changes from the original shape of the hull, determination of violations in joints and evaluation of the technical condition of ship devices. Also the article explains the concept of development of a new class remotely operated vehicle (ROV) for continuous inspection. A rational way of movement, modular unit constructive scheme, the principles of diagnostic, an example of the functional scheme of the information and control system of underwater robotic, as well as the results of experimental tests of the developed prototype underwater remotely operated complex equipment were described. In conclusion a necessary condition of implementation of proposed technology into practice was formulated and explained why practical applicability of underwater survey of vessels with robotic technology is limited. Keywords: contactless transmission electricity, autonomous voltage inverter, serial resonance circuit, high frequency transformer, reducing current of the inverter, reduction of heat loss transistors, increase efficiency, capacitor selection. Gerasimov V.A., Kraskovskiy M.V., Kuvshinov G.E., Filozhenko A.Yu. IMPROVING THE EFFICIENCY OF CONTACTLESS ELECTRICITY TRANSMISSION ON AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 24–30. The structure of power supply system for autonomous underwater vehicle is analyzed. Topicality of the use of contactless electrical power transmission method is detailed. Specific character of this method is described. It is connected with the use of high-frequency transformer. Its primary and secondary windings are separated by non-magnetic clearance causing a low magnetic coupling ratio and significant magnetization current. The problems of inverter output current decrease and

heat loss reduction in its transistor switches are investigated. Unloading method of power switches of autonomous voltage inverter due to the inclusion of a serial resonance circuit in parallel with the primary winding of the transformer is proposed. This solution promoted for three-fold lowering of the current of inverter power switches and saving the transmission capacity. The results of circuit simulation and experimental research of operating modes of the contactless power supply system of autonomous underwater vehicle are presented. A resonant circuit connected at the output of autonomous inverter was used. Good agreement simulation and experimental results is observed. The relationship analysis between power of the reactive elements in the resonant circuit and inverter and the relative resonant frequency determined by the ratio of own frequency of the resonant circuit to the frequency of commutation of inverter switches is conducted. The approach to the formation of compromise solution that allows determining the relative value of the resonant frequency and giving recommendations on selection of the serial resonance circuit capacitor is proposed. Keywords: autonomous unmanned underwater and surface vehicles, navigation, mobile sonar beacon, acoustic positioning system with synthesized long base line. Dubrovin F.S., Scherbatyuk A.Ph. On the method to estimate operation of single mobile beacon positioning system of underwater vehicle with the help of surface vehicle equipped with DGPS // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 31–40. One of the main elements of the mobile navigation system for autonomous underwater vehicle (AUV) is a synthesized long baseline hydroacoustic navigation system. The principle of the system operation is based on using a navigation beacon transported by a support ship or autonomous surface vehicle (ASV), moving along the surface of the sea. During the operation of the system, a hydroacoustic modem communication is used for navigation data packages exchange between the AUV and the mobile beacon, and simultaneously the propagation time of the acoustic signal is measured. The navigation basis of the developed system is provided by the DGPS, whose mobile (rover) part is mounted on the ASV. Two types of navigation data are used for AUV positioning: the range measurements to the mobile hydroacoustic beacon and the data from the onboard autonomous (dead-reckoning) navigation system

of AUV. The comparison of the algorithms based on the extended Kalman filter and the particle filter is performed to evaluate the accuracy of the developed navigation system. The results of sea trials, executed by using the marine autonomous robotic complex MARC, consisting of AUV and ASV, confirm the efficiency and demonstrate a high enough accuracy of the developed synthesized long baseline hydroacoustic navigation system. Keywords: side-scan sonar, directivity pattern, sound attenuation, backscattering, numerical modeling. Zolotarev V.V. Optimization the directional characteristics of high-frequency side scan sonar // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 41–45. In designing of high-frequency sidescan sonars (SSS) the properties of the directional pattern in the vertical plane are of a great importance in addition to the main characteristics, such as operating range and angle/distance resolution. Primary beam and one or two side lobes are usually used to form directional pattern in SSS survey. Deep minimums (“zeros”) in a directional beam pattern separating main beam and side lobes lead to very weak echo-signals in small areas at near viewing zone of SSS. They are visually displayed on the echogram as dark vertical stripes that extend along the sea-bottom line. The main beam of the vertical directional pattern may be expanded by a simple reduction of the transverse aperture array. It eliminates such “zeros”, but leads to unacceptable reduction of sonar operating range. Creating a sonar transducer (antenna) with a specific form of the directional pattern in the vertical plane is a difficult task. One of the specific forms of antenna known in the field of radar technology is so-called “cosecant” antenna. Unlike radar developments, in the sonar technologies the specific hydrologic laws must be taken into account. They include backscattering of sound and especially attenuation of sound in water depending on the frequency and the distance to the target. Numerical modeling allows facilitating the task of developing the antennas with the required characteristics. The model of SSS transducer with the directional pattern, similar to cosecant form was performed in the “MATLAB” environment. The working prototype of SSS antenna was manufactured in the form of an experimental shortened transducer on the basis of this numerical model. The positive results achieved in the tests of working prototype may form the basis for creation of effective.

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

Keywords: vertical sound field, generalized model solution, combined sonar receiver, low-frequency sound source, transit pattern, small-scale vortical structures, angular component of rotor of intensity vector. Kasatkin B.A., Zlobina N.V., Kasat kin S.B., Zlobin D.V., Kosarev G.V. VORTICAL OSCILLATOR IN PEKERIS WAVEGUIDE. THEORY AND EXPERIMENT // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 46–55. Generalized theory of the wave processes in layered media predicts a generation of small-scale vortical component (SVC) of an intensity vector on horizon of a source located in the Pekeris wave guide. The sound field corresponding to SVC is called a vortical oscillator. The vortical component as a constituent part of slow generalized wave is excited by a complex angular spectrum of model source. Therefore it is absent in the classical solution of the Pekeris boundary problem, which is constructed in a class of analytic function on a plane of complex spectral parameter with Ewing–Jardetzky–Press cut (EJP). Model calculations show that slow generalized wave stands out in the total sound field only at frequencies near the first critical one. With further increase of frequency, its contribution to the total field decreases, and the allocation of vortex structures on the horizon of the source becomes difficult. The verification of model description of a small-scale vortex structures by comparison with experimental data obtained at the low frequencies in the shallow sea is carried out. The results of the theoretical estimation of the vertical oscillator parameters show good agreement with the experimental data. Keywords: temperature, stratification, inverse layer, temperature anomaly, thermal trace, thermal field, radioisotope thermoelectric generator, thermal-gradient meter, thermal string, magnetometer. Maksimov A.A., Gichev D.V., Vysotsky V.L., Filippov A.S., Tagiltsev A.A., Cheranev M.Yu., Goncharov R.A. THE SEARCH OF

THE EMERGENCY FLOODED RADIOISOTOPE THERMOELECTRIC GENERATOR BY TRACKING ITS THERMAL FIELD IN A SEABED // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 56–65. The problems of preparation and undertaking of a complex expedition on the emergency flooded radioisotope thermoelectric generator (RTG) near cape Nizkiy of Sakhalin Island in the Sea of Okhotsk are described. The theoretical justification was examined in the laboratory of applied mechanic of a continuum IBRAE RAS, and the experiment in natural environment was done in the hydrophysical test area of POI FEB RAS. The experiment approved an applicability of the method of RTG searching by tracking it thermal trace. Developed in POI FEBRAS thermal gradient meter, thermal string and equipment that include towed magnetometer, ST-profiler, underwater video camera and submersible gamma-radiometer were used in the expedition of RTG searching. In the expedition the estimates of a stratification of the sea water temperature in a node of a topographic grid with a step of 500±50 m were made on a water area of 75 km2. The inverse layers in near-bottom water column (2-3 m above bottom) were allocated and classified due to inhering to man-caused thermal source located on the bottom. The area was located where a stable inversion of temperature was occurred simultaneously with magnetometer reaction. Due to possibility of localization of searching object located under layer of silt the area needs to be additionally examined. Keywords: design engineering, construction, sea bottom, methane fluxes, gas hydrates, fault zones, robotics. Obzhirov A.I., Boloban A.V., Veniko va A.L. Gas geochemical surveys and robotics in design engineer-

подводные исследования и робототехника. 2016. № 1(21)

ing on sea bottom // Underwater Investigation and Robotics. 2016. № 1 (21). P. 66–71. In the course of gas geochemistry surveys carried out from 1985 till 2015 in the Okhotsk Sea attention was paid to gas fluxes, gas hydrates, and fault zones damaging sea bottom surface. Methane, heavy hydrocarbons (C2-C4), CO2, N2, He, and H2 were analyzed in bottom sediments and water. Based on changes in concentrations and quantity of gas components the periods of seismic-tectonic activity and stability periods were observed. In the Far-Eastern region this process started in 1990 and continues now. More than 500 methane fluxes originated in the Okhotsk Sea from 1990 till 2015 due to seismic-tectonic activity. In the places of methane fluxes and gas hydrate origination the seabed is damaged, wells and paps (valleys and mountains) 10-20 m deep are formed, layers and fragments of gas hydrates, carbonate concretions, benthos and other modification appear. It is important to remember that mixture of 9% methane with air is explosive. It must be taken into account in sea bottom projects engineering. Nowadays sea bottom engineering is much requested for pipelining, construction of oil-gas platforms, ports, terminals and other facilities. Geological criteria shall be taken into account in selection of safe sea bottom construction site. Some geological and gas geochemical characteristics are examined in the paper. These are gas fluxes, gas hydrates, fault zones, and earthquakes. Accuracy and efficiency of sea bottom surveys form the basis of suite of studies. Geology, geophysics, hydroacoustics and bathymetry characteristics are of a great importance. They are usually provided by research vessels. More detailed information may be received with the help of robotics. Joint investigations allow obtaining save engineering solutions to design construction facilities on sea bottom.