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 30 кг. С помощью ГОА «Мир» были выполнены погружения «Лендера» на рекордную глубину 1400 м на озере Байкал по программе исследования газогидратных залежей в 2008-2010 гг. [6].

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 30 кг.

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 30 кГ. . На рисунке 3 представлена базовая модель подводного телеуправляемого аппарата «Гном- Супер».

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 10000 м, в-четвертых, средства и методы передачи энергии и электропитания подводной электронной аппаратуры в составе глубоководных буксируемых носителей, в- пятых, программно-аппаратные комплексы для сбора, отображения и архивирования информации, получаемой с помощью глубоководной гидролокационной аппаратуры. Программы реального времени, управляющие работой всего комплекса с помощью ПЭВМ, осуществляют в реальном времени отображение или представление текущей гидролокационной информации (изображений дна) в виде движущегося окна, а также изображений разрезов осадочной толщи, получаемых с помощью акустического профилографа. Программная технология постобработки позволяет привязать каждую точки гидролокационного изображения через единое время к географическим  координатам, информация о которых содержится в специальных файлах, также синхронизированных с единым временем. Специальные опции программного обеспечения постобработки позволяют измерять по гидролокационному изображению высоту и линейные размеры зарегистрированных объектов, масштабировать изображения и разрезы и наносить на них сетки графления, а также получать отпечатки участков изображений дна в формате *.bmp. Надо отметить, что рассмотренная сквозная технология построения гидролокационной аппаратуры разработана в Институте океанологии и использует исключительно отечественные комплектующие для изготовления ключевых элементов, таких, как например гидроакустические антенны. С использованием гидролокаторов и акустических профилографов собственной конструкции Институт океанологии осуществил множество подводных операций, в том около двух десятков экспедиций по уточнению мест захоронений подводных потенциально опасных объектов (ППОО) в Черном, Балтийском и Карском морях в интересах МЧС России, ведущего реестр ППОО. На рисунке 4 приведено изображение ППОО – судна Сакко и Ванцетти, затонувшего в Геленджикской бухте в результате налета фашистской авиации. Судно причислено к ППОО, так как содержит боеприпасы времен Великой Отечественной войны.

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 4000 м. В 1990 г. тест-камера была законсервирована, а в середине 2000-х было предпринято ее восстановление. В 2008 году (рис.5) было проведено техническое освидетельствование, диагностика и получено разрешение на эксплуатацию. Основные технические характеристики камеры: а) рабочее давление - 900 кгс/см2; б) внутренний диаметр - 800 мм; в) длина внутренней рабочей части - 5000 мм; в) рабочая среда – вода; г) источник давления - насос НП-800; д) вес тест-камеры - 45 тс; е) вес крышки - 5 тс; ж) ориентация в пространстве - вертикальное. В верхней части камеры расположены четыре отверстия диаметром 150 мм, каждое из которых предназначено для монтажа в них электрических вводов, гидро- и пневмовводов, иллюминаторов и т.д. В 2011 году в камере были проведены первые крупные испытания: испытания движительного комплекса подводного спасательного аппарата «Бестер».

             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.