В статье представлена часть морской инженерной деятельности Института океанологии им. П.П. Ширшова, связанная с разработкой и эксплуатацией сложных технических устройств и методов их использования. Рассматриваются устройства: глубоководные обитаемые аппараты (ГОА) «Мир» «Мир», «Лендер» - автономная гидрохимическая донная станция, «Аквалог» - зонд, вертикально сканирующий водную толщу, «ГНОМ» - телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) класса мини, «Гидролокаторы» - различные виды гидролокаторов бокового обзора (ГБО) и акустические профилографы (АП), «Испытательная камера» - камера высокого давления (900атм) для испытания океанологических приборов и оборудования.
АППАРАТУРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В ГИДРОСФЕРЕ
УДК 551.46.077
АППАРАТУРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В ГИДРОСФЕРЕ
Розман Б.Я.,
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, e-mail: brozman@ocean.ru
Римский-Корсаков Н.А.
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, e-mail: nrk@ocean.ru
Ключевые слова: телеуправляемый необитаемый подводный аппарат, автономный аппарат, донная станция, гидролокатор, профилограф, тест-камера
EQUIPMENT COMPLEXES FOR REMOTELY OBSERVATIONS IN THE HYDROSPHERE
Rozman B.J.
Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow, e-mail: brozman@ocean.ru
Rimsky-Korsakov N.A.
Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow, e-mail: nrk@ocean.ru
Paper presents a part of marine engineering activities of P.P.Shirshov Institute of Oceanology concerning complicated underwater devices and methods of research. The discussed devices are: submersibles «Mir», «Lender» - the autonomous hydro chemical bottom instrument, «Aqualog» – water column vertical scanning profiler, «GNOM» – the mini ROV, «Sonar» - various types of side scan sonar and acoustic bottom profilers, «Test-chamber» - the device for deep water (9000m) testing of marine instruments and equipment.
Key words: remote-operated vehicle, autonomous unmanned vechicle, bottom instrument package, sonar, bottom profiler, test chamber
Существенная часть современной деятельности Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН (ИО РАН), связанна с разработкой и эксплуатацией сложных технических устройств, а также методов их использования в процессе подводных исследований. В последние годы в ИО РАН созданы и активно эксплуатируются при проведении океанологических исследованиях следующие образцы техники подводных исследований [2]:
- ГНОМ – телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА) класса мини,
- ГБО – гидролокационные буксируемые, в том числе глубоководные комплексы,
- ГБК (гипербарические комплексы) – средства симуляции условий высокого гидростатического давления для исследований физиологических способностей человека и испытаний образцов подводной техники.
- «Лендер» – автономная донная станция, оборудованная комплексом гидрохимических и гидрофизических приборов и отборников проб,
- «Аквалог» – автономный гидрофизический комплекс, осуществляющий вертикальное сканирование параметров среды,
Если ГБО, ТНПА и ГБК представляют традиционные направления разработок технических средств в ИО РАН, то «Лендер» и «Аквалог» являются сравнительно новыми приборами, созданными в процессе выполнения Подпрограммы «Исследование природы Мирового океана» ФЦП «Мировой океан» в середине двухтысячных годов.
Важнейшую составляющую технической океанологии представляют глубоководные обитаемые аппараты (ГОА) «Мир» [1], которые протяжении десятков лет являются брендом ИО РАН, и постоянно обеспечивают фундаментальные и прикладные океанологические исследования в океане и в глубоководных водоемах суши. ГОА «Мир» являются уникальной платформой для проведения глубоководных физических экспериментов и испытания новой техники. В настоящее время в России не существует других подводных средств, способных оперативно решать на предельных глубинах сложные нестандартные и экспериментальные задачи. Один из примеров уникальных экспериментов, осуществленных с помощью ГОА «Мир» - постановка донной станции «Лендер ИОРАН» на дно Байкала в 2009 году.
«Лендер ИО РАН» представляет собой гидрохимическую автономную донную станцию, предназначенную для исследований химических потоков вещества на границе вода-донный осадок [5]. Основным элементом лендера является донная камера (или бокс), частично внедренный в грунт открытой горловиной. Объем придонной воды внутри бокса защищен от обмена с окружающей средой стенками бокса. Обменные потоки вещества через донную поверхность влияют на изменение концентрации химических элементов, растворенных в объеме воды внутри бокса. В процессе донной постановки, длительностью до 3 суток, из объема придонной воды внутри бокса автоматически через фиксированные интервалы времени отбираются пробы воды, которые после подъема «лендера» обрабатываются в лаборатории. Дополнительно в автоматическом режиме внутри и снаружи бокса измеряются следующие параметры среды: электропроводность, плотность, температура, содержание кислорода и метана. Скорость и направление течения фиксируются в месте постановки лендера с помощью его бортового ADCP. Все данные автоматически собираются в цифровом виде на твердотельный накопитель и считываются в лабораторный компьютер после подъема станции.
Лендер может быть установлен на дно с борта судна или глубоководного аппарата.
На фотографии (рис.1) изображен ГОА «Мир-2» на палубе судна перед спуском в воду. В манипуляторах ГОА удерживается донная станция «Лендер ИО РАН» массой более
Рис.1. ГОА «Мир» на палубе судна перед спуском под воду. Манипуляторы ГОА удерживают «Лендер ИОРАН» (обведен белым контуром), предназначенный для установки на грунт
Другое устройство, разработанное в ИО РАН в середине двухтысячных годов и постоянно используемое в натурных экспериментах по исследованию состояния окружающей среды акваторий, - это профилограф (зонд) вертикальных изменений параметров океанской толщи, устанавливаемый на заякоренной станции [7]. Первоначально разработка профилографа «Аквалог» велась в интересах мониторинга гидрофизической структуры вод в океане и предупреждения потенциально опасных явлений.
В целом «Аквалог» является эффективным средством для полевых исследований вариаций биологических и гидрофизических параметров морской среды в пределах от нескольких часов до месяцев. Важным приложением «Аквалога» является регистрация климатических процессов влияющих на изменение многолетних серий океанографических данных получаемых в фиксированных точках на морских акваториях и крупных озерах. Для достижения этой цели важно получение регулярных непрерывных рядов наблюдений.
«Аквалог» (рис.2) представляет собой устройство, которое автоматически совершает проходы вверх и вниз по тросу, натянутому между донным якорем и притопленной плавучестью. В процессе движения и профилирования водной толщи «Аквалог» ведет измерения, собирает данные, а также передает информацию на береговую станцию. Трансляция данных ведется в следующем порядке: индуктивный модем SBE – несущий трос – притопленная плавучесть – кабель-трос – поверхностный буй – радиомодем DataRadio – судно или береговая станция. В дополнении к радиопередаче все получаемая информация собирается микроконтроллером «Аквалога» и сохраняется во флеш-памяти. Система позволяет пользователю получать периодические во времени серии океанографических данных с использованием стандартных океанографических измерителей, которые могут быть установлены на «Аквалоге». Движение носителя по тросу осуществляется с помощью электродвигателя постоянного тока с магнитной муфтой, который управляется микроконтроллером с использованием данных измерения давления с помощью датчика GE Druck. Последняя модель «Аквалога» несет CTD зонд FSI Excell 2'' и доплеровский измеритель скорости и направления течений Nortek Doppler 3D. Как опция на «Аквалоге» могут быть установлены дополнительно еще 4 датчика, например, флюориметр и прозрачномер.
Рис.2. Испытания «Аквалог» на Черном море осенью 2008 года в районе г.Геленджик.
Аквалог может быть использован: а) в оперативной океанографии, б) для изучения глобальных природных изменений, в) для мониторинга состояния окружающей среды, г) для измерений под сезонным ледовым покровом. «Аквалог» отрабатывался и испытывался в процессе полевых исследований в Черном и Каспийском морях в 2006-2008 годах.
Еще одна инновационная разработка, которая на протяжении многих лет успешно развивается в ИО РАН - это океанологические и экологические исследования и наблюдения с помощью необитаемых подводных телеуправляемых аппаратов-роботов (ТНПА или ROV-remotely operated vehicle). В настоящее время это направление представлено семейством ТНПА ГНОМ класса “мини” и “микро”, которые используются при проведении широкого спектра подводных работ и исследований. Серия аппаратов включает ТНПА ГНОМ-Микро, ГНОМ-Стандарт, ГНОМ-Супер и ГНОМ-СуперПро. Рабочие глубины аппаратов соответственно располагаются в диапазоне от 50 до 500м, а масса аппаратов изменяется в диапазоне от двух до
ТНПА ГНОМ класса “мини” [2] является основным рабочим инструментом плановых наблюдений и контроля состояния подводных объектов в экспедиционных работах ИО РАН на Черном Балтийском и в Карском морях. В составе ГНОМа имеется 3-6 винтомоторных агрегатов (в них использована магнитная муфта для передачи вращения с вала мотора на вал гребного винта) для обеспечения движения по вертикали и горизонтали, на аппарате установлены одна или две цветных видеокамер с четырьмя источниками заливающего света на базе светодиодных матриц. В составе базового аппаратурного комплекса имеется датчик глубины и курсоуказатель (компас), которые обеспечивают режимы удержания аппарата на заданном горизонте и стабилизацию движения по курсу (автоглубина и автопилот). Длина стандартного кабеля-связки, упрочненного кевларовыми нитями составляет 150м. Дополнительно ТНПА может быть оборудован схватом-манипулятором, гидролокатором кругового обзора типа Micron, гидроакустической системой позиционирования с ультракороткой базой (USBL) Tritech и кабелем длиной 500м. Аппаратурный комплекс ГНОМ включает сам подводный аппарат-робот, лебедку с кабелем и токосъемником, блок управления с аккумулятором, видеомонитор и записывающее устройство. Все элементы размещаются в двух водонепроницаемых чемоданах-контейнерах общим весом до
Рис. 3. Базовая модель подводного телеуправляемого аппарата «Гном-Супер».
ТНПА ГНОМ интенсивно использовались и используются для поиска и обследования затонувших судов в Российской части Черного моря в интересах МЧС России на предмет экологической безопасности, наличия захороненных нефтепродуктов и химических загрязнителей.
На протяжении уже почти 40 лет в Институте океанологии развивается такая отрасль морского приборостроения, как разработка и построение гидролокационных средств исследования морского дна и подводных объектов. За это время была создана полная технология проектирования и изготовления глубоководных буксируемых гидролокационных средств исследования морфологии рельефа дна, поиска и исследования подводных объектов, а также акустического зондирования донных отложений с целью изучения их стратификации и идентификации объектов, погребенных в толще осадков. Созданная технология включает, во первых, гидроакустические антенны с рабочими частотами от 5 до 70-450 кГц для гидролокаторов бокового обзора (ГБО) и – 4-15 кГц для акустических профилографов, во-вторых, глубоководные (до 6000м), шельфовые (до 300м) и мелководные носители гидроакустических антенн и подводной приемно-усилительной аппаратуры, в-третьих, средства и методы передачи гидроакустической информации по длинным линиям, представляющим собой коаксиальные и оптико-волоконные проводники в составе грузонесущих кабель-тросов длиной до
Рис. 4. Полутоновое изображение парохода Сакко и Ванцетти уничтоженного фашистской авиацией в Великою Отечественную воину на входе в Геленджикскую бухту, полученное с помощью гидролокатора бокового обзора (ГБО «СФ-ТМ» с рабочей частотой 240 кГц). Сетка графления - 25х25 м.
Важным аспектом деятельности направления по Морской технике ИО РАН является испытание образцов новой техники подводных исследований. В Южном отделении Института океанологии (ЮО ИО РАН) в г. Геленджике запущена в эксплуатацию барокамера для испытаний глубоководной техники. Эта камера была изготовлена в 70-х годах прошлого столетия на Уральском заводе химического машиностроения. В 80-х годах камера была установлена в бетонный колодец рядом с Гипербарическим комплексом ЮО ИО РАН в г. Геленджике. Основными работами, выполненными с использованием этой тест-камеры, были испытания узлов и систем строившегося в то время в ИО РАН обитаемого аппарата «Рифт» с рабочей глубиной
Рис.5. Фланец тест-камеры со шпильками и крышка перед закрытием.
Резюме.
Рассмотренные выше технологии и аппаратура разработаны в ИО РАН и находятся на мировом уровне, а в ряде случаях превосходят его. Они эффективно используются ИО РАН при проведении плановых экспедиционных исследований Института, а также и других институтов Российской Академии наук в интересах как фундаментальных так и прикладных наук, при выполнении хоздоговорных контрактов с такими Ведомствами как МЧС РФ, МО РФ, Минприроды РФ, а также с ведущими компаниями нефтегазового комплекса (Роснефть, Лукойл, Газпром) при обследовании и регулярном мониторинге подводных объектов естественного и искусственного происхождения и контроле состояния подводных продуктопроводов, кабелей и подводных потенциально опасных объектов.
Необходимо развивать уникальные технологии и аппаратуру, разработанную учеными и инженерами ИО РАН.
Список литературы.
1. Войтов Д.В. Подводные обитаемые аппараты. – М.: ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2002. – 303 с., [16]л. Ил.
2. Алексеев Ю.К. Введение в подводную робототехнику. Издательство ДВГТУ, Владивосток, 2008г. - с.100-107.
3. Елкин А.В. Черноморские катастрофы. – Тольятти: «ДИЛИТ», 2008г. – 182 с.: ил.
4. Римский-Корсаков Н.А., Г.А.Никитин. Гидролокационные технологии и средства исследования дна Мирового океана. В книге «Подводные технологии и средства освоения Мирового океана» под редакцией академика Н.Спасского.-М.: Издательский дом «Оружие и технологии», 2011, с.92-101, с.ил.
5 Римский-Корсаков Н.А., А.М.Сагалевич, А.В.Егоров, А.Г.Островский, А.В.Зарецкий, Б.Я.Розман, О.Н.Скалацкий. Автономные и телеуправляемые средства подводных исследований. - В сб. «Современные методы и средства океанологических исследований». Материалы XII Международной научно-технической конференции «МСОИ-2011»: в 2 т. – М.: АПР, 2011, ISBN 978-5-904761-21-9, т. 2, с. 11-18.
6. Egorov A.V., Nigmatulin R.I., Rozhkov A.N. Heat and mass transfer effects during displacement of deepwater methane hydrate to the surface of Lake Baikal. Импакт фактор журнала 1.577. Geo-Marine Letters, 2016, рр.223-233
7. Островский А.Г., Швоев Д.А. Разработка системы изменения плавучести профилирующих зондов и необитаемых подводных аппаратов . - В сб. «Современные методы и средства океанологических исследований». Материалы XIV Международной научно-технической конференции «МСОИ-2015»: М.: АПР, 2015, т.2, с. 127-130.