В ПНИПУ разрабатывают компактный и энергоэффективный 3D-печатный подводный аппарат

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета предложили новую 3D-печатную конструкцию малогабаритного подводного аппарата для работы в прибрежных водах. Она сможет работать дольше и при этом обойдется примерно в два-три раза дешевле аналогов.

Компоновочная схема: 1 – корпус; 2 – блок электроники; 3 – аккумулятор; 4 – контроллер; 5 – акселерометр; 6 – носовая балластная система; 7 – кормовая балластная система; 8 – асинхронный двигатель; 9 – рулевой шаговый двигатель; 10 – шаговые двигатели балластных систем

Автономные необитаемые подводные аппараты стали незаменимыми инструментами исследования морских акваторий. Они помогают осваивать континентальный шельф, контролировать экологию и развивать морскую навигацию. С их помощью можно картографировать рельеф дна, изучать экосистемы и проводить поисковые операции.

Не менее важны они и для диагностики подводных объектов. Газопроводы, портовые сооружения, мостовые переходы и кабели связи пролегают вдоль береговой линии и требуют постоянного контроля. Часто необитаемые аппараты становятся единственным решением для таких задач, поскольку могут работать подо льдом, при сильном загрязнении или течениях, то есть там, где работа водолаза невозможна или опасна.

В основном такие конструкции компактны и рассчитаны на глубину до пятидесяти-трехсот метров, то есть отлично подходят для прибрежных зон, но именно малые габариты создают главную проблему: внутри них нельзя разместить мощные двигатели и эффективные системы стабилизации. В результате они получаются неустойчивыми, их сносит даже слабым течением, и для удержания положения требуется постоянная ручная корректировка.

Это сказывается и на времени автономной работы. Небольшие конструкции функционируют всего тридцать-сорок минут и физически не успевают выполнять большие объемы работ. Если за отведенное время устройству не удается найти повреждение или провести полную съемку участка, приходится повторять погружение. В итоге на обследование одного объекта может уходить несколько дней, а стоимость работ растет.

Проблема в том, что попытки инженеров увеличить продолжительность погружения или улучшить устойчивость приводят к сильному усложнению и утяжелению конструкций, а значит они перестают быть удобными и компактными, что мешает эксплуатации в стесненных водных условиях. Сегодня этот технологический тупик остается нерешенным: не существует серийных моделей, которые были бы одновременно легкими, эффективными и недорогими.

Ученые Пермского политеха предложили новую конструкцию малогабаритного подводного аппарата. В отличие от существующих решений, он способен работать автономно не менее часа, при этом его вес и стоимость будут примерно в два-три раза ниже за счет использования 3D-печати вместо литья металлов. 

Чтобы сделать аппарат более функциональным, исследователи отказались от классической цилиндрической формы корпуса, используемой в большинстве подобных устройств, в пользу более обтекаемой. Такое решение снижает сопротивление воды и позволяет двигаться эффективнее.

Также вместо обычного винта исследователи внедрили водомет: вода засасывается внутрь и с силой выбрасывается назад через наконечник, который можно направлять в разные стороны. Благодаря этому аппарат может быстро менять курс, при этом водомет создает меньше сопротивления и позволяет экономить заряд аккумуляторов, увеличивая время автономной работы.

«В дополнение к новой конструкции мы разработали умную систему управления. Если устройство начинает наклоняться вперед, назад или в сторону, система возвращает его в ровное положение. Это поможет аппарату устойчиво держаться на глубине и не сбиваться с курса даже при сильном течении», — рассказал доцент кафедры информационных технологий и автоматизированных систем ПНИПУ Павел Кулешов.

Исследователи провели виртуальные испытания в условиях, максимально приближенных к реальным — с течением и гидродинамическими нагрузками, характерными для прибрежных зон. Конструкция рассчитана на глубины до пятидесяти метров, но расчеты проводились с запасом, на глубинах до ста метров, для проверки запаса прочности и сохранения управляемости при высоком давлении. Расчеты подтвердили, что аппарат устойчив в движении, а обтекаемая форма обеспечивает низкое сопротивление и равномерное распределение нагрузок, помогая предотвращать деформации и потерю герметичности.

«Вес готового аппарата по предварительным оценкам будет всего десять килограммов. Для сравнения, масса большинства существующих аналогов достигает тридцати-пятидесяти. При этом время автономной работы составит почти час, что также превосходит показатели других компактных моделей. Такой результат будет возможен в том числе благодаря применению 3D-печати полимерами. Обычно корпуса подводных аппаратов делают из стали или титановых сплавов, чтобы они выдерживали давление, однако современные композиты по прочности сопоставимы с металлами, но при этом значительно легче. Это позволит снизить стоимость устройства примерно в два-три раза без потери надежности», — рассказал Павел Кулешов.

Новая конструкция может найти применением в инспекциях подводных трубопроводов и портовых сооружений, картографии дна и экологическом мониторинге. Следующий этап — проведение физических испытаний в водоемах. Это позволит проверить работу всех систем в реальных условиях и улучшить конструкцию перед запуском в серийное производство.

Результаты исследования опубликованы в сборнике «Автоматизированные системы управления и информационные технологии».

Источник: Пермскоий национальный исследовательский политехнический университет