Плавающие подводные необитаемые аппараты

Темпы развития подводных телеуправляемых аппаратов общего назначения в настоящее время выше, чем всех остальных технических средств обеспечения работы человека под водой. Это определяется, главным образом, высокой эффективностью их работы, сравнительно низкой стоимостью и высоким уровнем безопасности (работой этого аппарата оператор управляет с судна обеспечения, не опускаясь под воду).

Опыт работ в бассейне Северного моря дает основание считать, что плавающие подводные необитаемые аппараты на нефтепромысле наиболее эффективны в процессе поиска подводных объектов, общего их осмотра (инспекции), выполнения несложных ремонтных работ. Создан целый ряд аппаратов, одни из которых в соответствии с назначением представляют, по существу, плавучие подводные телевизионные камеры; другие несут оборудование самого различного назначения; гидролокаторы, металлоискатели, магнитометры и пр., третьи снабжены для выполнения работ манипуляторами. Несмотря на различное назначение, структурно все плавающие необитаемые аппараты достаточно подобны.

К подводным аппаратам предъявляют следующие требования.

Телеуправляемый аппарат и вспомогательное оборудование постоянно круглогодично должны быть готовы к перемещению в район работ, автоматической проверке состояния и работоспособности систем и агрегатов с указанием места и характера неисправности.

Оборудование должно быть помещено в контейнеры, для погрузки и выгрузки которых не требуются специальные средства повышенной грузоподъемности, а перевозка может быть осуществлена любым видом транспорта. Размеры и масса контейнеров соответствуют размерам и массе стандартных крупнотоннажных контейнеров. Это позволяет установить комплекс подводного телеуправляемого аппарата практически на любом судне, вплоть до барж, и обеспечить работу аппарата независимо от систем и оборудования судна-носителя.

Практика показывает, что при нормальной эксплуатации аппарата в море он находится в отрыве от производственной базы месяцами. Это значит, что в рабочий комплект оборудования необходимо включать требуемое количество ремонтных наборов, диагностической аппаратуры, инструмента и пр.

Эффективность использования аппарата зависит от гидрометеорологических условий. В принципе спуск необитаемого аппарата массой 1—1,5 т на воду можно производить в гораздо большую волну, чем спуск обитаемого подводного аппарата массой 10 т и более. Кроме того, в случае невозможности подъема аппарата на борт судна по любым причинам кабель, соединяющий аппарат с судном, может быть отстыкован от установленных на судне пультов, загерметизирован и выброшен за борт с закрепленным на нем сигнальным буем. Затем (например, по окончании шторма) судно-носитель, вернувшись в район работ, по бую обнаруживает кабель, поднимает его на борт, после чего он вновь состыковывается с пультами управления аппаратом.

Для предотвращения аварий существуют системы поиска и индикации неисправности в самом аппарате. Специальное конструктивное взрывобезопасное оформление всех электрических цепей аппарата и вспомогательного оборудования обеспечивает возможность эксплуатации аппарата в районе работы нефтяных платформ, где возможны выбросы горючих и взрывоопасных газов.

Современный необитаемый аппарат — это лишь часть рабочего комплекса, в который помимо собственно аппарата входят спуско-подъемное устройство, пульт управления и энергоблок.

Осмотровые подводные телеуправляемые аппараты. Характерным примером осмотрового комплекса является семейство аппаратов РСВ фирмы «Хайдро продактс» (США).

Первый образец аппарта РСВ-225 является частью комплекса, включающего сам аппарат с рамой-носителем, спуско-подъемное устройство, пост управления.

Комплекс работает следующим образом. Используя спуско-подъемное устройство, под воду на заданную глубину опускают раму-носитель с закрепленным в ней аппаратом. После вывода рамы на рабочий горизонт по команде с пульта управления аппарат снимается со стопоров, сходит с рамы и подходит к объекту. После окончания работы аппарат возвращается в раму-носитель, закрепляется, рама с аппаратом поднимается на поверхность.

В корпус аппарата РСВ-225 вмонтированы сверхчувствительная телевизионная подводная установка, два галогенных светильника мощностью по 45 Вт и четыре двигателя с винтами. В собранном виде аппарат имеет форму сфероида диаметром 0,66 м, масса аппарата в воздухе 72 кг, рабочая глубина — 1800 м, расстояние, на которое он может отойти от рамы-носителя,— 120 м.

Установленная в корпусе аппарата телевизионная передающая камера может быть сфокусирована на расстояние от 5 см до 10 м, позволяя получить как общие планы, так и детали конструкции, например сварные швы. Специальный механизм позволяет изменить угловое положение камеры в вертикальной плоскости на ± 90%. Бортовые светильники аппарата обеспечивают дальность «видения» камеры при полном отсутствии естественного света на расстояниях до 10 м. Изображение, полученное телевизионной камерой, передается на видеоконтрольные устройства поста управления по кабелю. По этому же кабелю в аппарат подаются электроэнергия и команды управления. Потребляемая аппаратом мощность достигает 5 кВт.

Таблица 16
Состав оборудования подводных телеуправляемых аппаратов, использующихся на морском нефтегазопромысле (по данным 1979 г.)

Движение аппарата под водой вперед и назад и азимутальные развороты обеспечивают два бортовых винтовых движителя, а два других — погружение, всплытие и лаговые перемещения. Гребные винты аппарата приводятся во вращение электромоторами, погруженными в масло. Скорость движения вперед 1,7 уз, назад и лагового движения — 1,0 уз, вверх и вниз — 0,5 уз, скорость разворота 180°/мин.

Команды и информация о глубине и курсе аппарата поступают на мини-ЭВМ, вмонтированную в пульт управления. Машина в соответствии с положением ручек управления рассчитывает и задает режим работы электродвигателей аппарата с тем, чтобы обеспечить заданные глубину, скорость и направление движения.

Комплекс РСВ снабжен рамой-носителем. Рама соединена с судном-носителем бронированным кабелем, а аппарат с рамой — плавучим облегченным кабелем длиной 120 м, намотанным на специальную лебедку в нижней части рамы. Эта лебедка по командам с поста управления выдает аппарату кабель или подбирает его. Вся система спуска и подъема аппарата ДС выпускается в модификациях для рабочей глубины 300, 600 и 2000 м.

В целом комплекс РСВ оказался весьма удачным. В эксплуатации находится девять таких комплексов, и они доказали свою эффективность, особенно в процессе осмотра погруженной части свайных оснований, платформ и пр.

Поисковые подводные необитаемые аппараты. Эти аппараты осуществляют осмотр больших площадей (например, обследование дна при прокладке магистралей) и выявляют местоположение подводных объектов (оголовий скважин при повторной попытке бурения, замытых в грунт трубопроводов и кабелей и пр.). В силу этого поисковые аппараты снабжены развитой двигательной установкой, мощным бортовым навигационным оборудованием и специальной поисковой аппаратурой — гидролокаторами, магнитометрами, индикаторами напряженности электрического поля и пр.

Следует отметить, что и аппараты этого типа являются частью комплекса технических средств, включающего помимо аппарата вспомогательное оборудование, расположенное на борту судна-носителя.

Хорошую репутацию на нефтепромыслах Северного моря завоевала система КОНСАБ, созданная английской фирмой «Бритиш эйркрафт корпорейшн».

Аппарат КОНСАБ-2 состоит из самоходного телеуправляемого шасси-носителя, в грузовую раму которого может быть установлен один из типовых блоков аппаратуры: поисковый, включающий гидролокатор, устройство для взятия проб, фотоаппаратуру, или рабочий, несущий манипуляторы, захваты, различный инструмент, щетки, резаки, гидромониторы и пр.

Система управления аппаратом КОНСАБ-2 построена следующим образом. В центре аппарата на вращающейся платформе установлена передающая телевизионная камера. Оператор наводит камеру на объект или устанавливает ее в азимутальной плоскости в нужном направлении. Получив команду, аппарат выбирает направление движения, сохраняя азимутальную направленность телевизионной камеры.

В комплект оборудования КОНСАБ входит система подводной навигации СКАНТИЕ, измеряющая горизонтальную дальность и глубину и определяющая положение аппарата относительно судна-носителя. При этом используются компас и глубиномер подводного аппарата. Система СКАНТИЕ может также работать во взаимодействии с донными маяками.

Аппарат КОНСАБ-2 снабжен двумя электромоторами с гребными винтами в насадках, обеспечивающими горизонтальное движение, электродвигателями вертикальной и лаговой тяги. Электроэнергия аппарату КОНСАБ-2 подается с поверхности по кабелю длиной 1524 м. Мощность, потребляемая аппаратом и вспомогательным оборудованием, составляет 150 кВт.

Оборудование аппарата КОНСАБ-2 установлено на алюминиевой трубчатой раме, необходимую положительную плавучесть обеспечивают блоки плавучести из синтактика.

Прототип аппарата КОНСАБ-2 — КОНСАБ-1 эксплуатировался в течение двух лет в бассейне Северного моря. С его помощью производили осмотры трубопроводов и опор свайных оснований на глубинах до 109 м, а также геологическое исследование дна моря на глубинах до 189 м.

Телеуправляемый комплекс целевого назначения СКАРАБ, созданный для технического обслуживания подводных кабельных линий связи и энергопитания фирмой «Страза-аметек» (США), имеет рабочую глубину погружения до 1800 м.

В состав оборудования комплекса СКАРАБ входят собственно подводный аппарат, система управления и вспомогательное оборудование, включающее спуско-подъемное устройство с гидравлической П-образной рамой, эллинг для аппарата, блоки лебедок, управления, энергопитания. Все это делает систему полностью независимой от судна-носителя. Масса аппарата около 2,3 т при длине 3,3 м и ширине 1,8 м. Суммарная мощность, потребляемая его системами, составляет около 145 кВт. В блоке энергопитания предусмотрены два дизель-генератора мощностью по 145 кВт.

В состав бортового оборудования аппарата входят система удержания его на постоянном расстоянии от дна, эхолот, глубиномер, магнитометры для поиска кабеля, телевизионная аппаратура, фотокамера, навигационная система, два гидравлических манипулятора с различного рода захватами и кабелерубами. С помощью специальной насадки и помпы мощностью 25,74 кВт аппарат может обнажить за 15 мин 9 пог. м кабеля, зарытого на дне на глубину 1,2 м, или, используя гидромонитор, укрыть грунтом на глубину 0,6 м до 150 пог. м/ч кабеля даже на склонах до 30°.

Перемещение аппарата обеспечивают семь двигателей, причем аппарат сохраняет работоспособность при течении на поверхности до 3 уз и на глубинах до 1800 м до 0,5 уз, скорость погружения и всплытия может достигать 15 м/мин.

Положительная плавучесть аппарата в 222,61 Н (22,7 кгс) обеспечивает ему самостоятельное всплытие при обрыве кабеля. На случай аварии аппарат оснащен лампой-вспышкой с дальностью обнаружения 2 мили, радиомаяком с дальностью обнаружения 10 миль и гидроакустическим маяком. Время автономной работы вспышки и маяков 30 суток.

Стоимость комплекса СКАРАБ — 2,9 млн. долл.

Интересно отметить, что комплекс СКАРАБ представляет один из вариантов разработанной фирмой «Страза-аметек» базовой модели, на основе которой созданы аппараты: «Дип дрон», предназначенный для выполнения аварийно-спасательных операций и используемый ВМФ, и СКОРПИО, ориентированный на удовлетворение запросов морского нефтепромысла.

Аппарат СКОРПИО имеет меньшую массу и габариты, чем две другие модели, лучшие динамические характеристики, позволяющие ему работать на течении со скоростью до 3 уз, систему автоматической стабилизации глубины с точностью ± 0,3 м и систему удержания курса с точностью ± 1°. В состав бортового оборудования аппарата входят также гидролокатор, зона обзора которого может изменяться от горизонтальной вперед до вертикальной вниз, сканирующий гидролокатор с углами обзора ± 120° от оси аппарата, высокочувствительная телевизионная установка и манипулятор с четырьмя ступенями свободы. Дополнительно на аппарате могут быть установлены механизированный инструмент (щетки, пилы, гидромонитор и пр.), датчики физических характеристик воды, пробоотборники и фотоаппаратура.

Полностью укомплектованный аппарат СКОРПИО дает возможность производить осмотр дна и подводного оборудования, наблюдать за ходом выполнения подводных операций, открывать и закрывать клапаны, крепить и отдавать направляющие концы и подъемные тросы, производить обрубку тросов и кабелей и резку труб, отмывать из грунта и замывать в грунт кабели и трубопроводы, производить очистку подводных сооружений от морских обрастаний и коррозии и выполнять неразрушающие испытания степени коррозии металла и состояния сварных швов.

Рабочие подводные телеуправляемые аппараты. Эти аппараты предназначены для выполнения определенных операций на подводных объектах. В какой-то мере их функции могут выполнять и поисковые аппараты широкого профиля, подобные уже описан-ному аппарату СКОРПИО. Возможности универсальных рабочих органов — манипуляторов, установленных на этих аппаратах, ограничены. Примером подобной конструкции может служить созданный подводным центром американских ВМФ телеуправляемый комплекс РАВС, который способен эффективно решать целый ряд задач морского нефтегазопромысла. Комплекс РАВС рассчитан на рабочую глубину 6000 м. Он состоит из погружающейся части — телеуправляемого аппарата и блока первичной обработки информации, и судовой части — спуско-подъемного устройства, постов управления, энергопитания и пр.

Подводный телеуправляемый аппарат имеет массу около 2,3 т, длину 3,3 м, ширину 1,37 м и высоту 1,45 м; на его борту установлены подводная телевизионная система, светильники, манипулятор, движители. Для обеспечения нейтральной плавучести в конструкции аппарата использован синтетический плавучий материал. Блок первичной коммутации, спускаемый на несущем кабель-тросе, имеет в своем составе лебедку, на которую намотан кабель нейтральной плавучести, соединяющий аппарат с блоком коммутации. При спуске и подъеме аппарат жестко состыкован с блоком первичной коммутации. На рабочем горизонте он отстыковывается от блока и работает самостоятельно.

Основной частью необитаемого аппарата РАВС является рабочий орган — манипулятор. Это весьма совершенная система, к которой по характеристикам приближается только манипулятор фирмы «Дженерал электрик», установленный на рабочем снаряде АРМС.

Манипулятор РАВС «отслеживает» по положению с помощью привода с обратной связью движения командного органа. Каждым из трех угловых движений «запястья» управляют независимо от потенциометров, расположенных в «запястье» командного органа. В качестве датчиков положения манипуляторов используют потенциометры, помещенные в масляные ванны под давление, равное давлению окружающей среды. Сигналы потенциометров манипулятора сравниваются с сигналами потенциометров командного органа, и разность их подается на гидроклапаны, создающие в системе гидроприводов манипулятора давления, пропорциональные сигналу рассогласования потенциометров.

Привод «плеча» манипулятора обеспечивает азимутальное движение «плеча», движение «плеча» в вертикаьлной плоскости и сгиб «локтевого» шарнира. Эти три привода, работая в общем аналогично описанным выше приводам, имеют специальный канал, «отражающий» усилие, которое они в данный момент развивают на командном органе. Любая сила, действующая на манипулятор, воспроизводится на командном органе и ощущается оператором. Составляющая усилия, вызванного собственной массой манипулятора, компенсируется аналоговым вычислительным устройством и оператором не воспринимается.

Собственно захват имеет гидропривод без обратной связи по усилию. Тем не менее задающий орган снабжен пружиной, которая создает оператору видимость обратной связи по усилию с захватом манипулятора.

Кинематика манипулятора РАВС мало напоминает кинематику руки человека, и в отличие от задающего органа экзоскелетонного типа командный орган манипулятора не прикреплен к руке оператора. Так как подводные манипуляторы обычно крепятся «плечом» к одной точке корпуса носителя, то схема РАВС обеспечивает большую свободу перемещения и большую зону обслуживания, чем антропоморфная кинематика экзоскелетонного типа.

Испытания манипулятора РАВС показали, что при собственной массе 28,1 кг сила, развиваемая захватом, достигает 222,61 Н (22,7 кгс), грузоподъемность манипулятора 200,05 Н (20,4 кгс) на «плече» 130 см. Зона нечувствительности гидроприводов составляет 2%, что в угловом положении манипулятора соответствует + 1° по положению захвата и + 4° в его ориентации.

Статическое трение самого манипулятора и его командного органа предотвращает дрейф из-за наличия зоны нечувствительности гидроприводов. Максимальная скорость подъема захвата при «выпрямленном» манипуляторе составляет 127с (190 см/с), максимальная скорость вращения захвата—2227с.

Манипулятор РАВС не «чувствует» усилий, направленных вдоль его продольной оси, а при выбранной схеме отражения усилия собственные потери в манипуляторе (трение в шарнирах, моменты и пр.) ощущаются оператором как внешние силы, действующие на манипулятор.

Тем не менее система РАВС оказалась удобной в работе, и после небольшой тренировки оператор с ее помощью мог вставлять шрифт диаметром 2,5 см в гнездо, работать с такими хрупкими предметами, как стеклянные лампы или посуда.

Проведенное выше рассмотрение некоторых образцов необитаемых подводных аппаратов с их вспомогательными комплексами, конечно, не охватывает всего многообразия подводно-технических средств этого класса, однако дает достаточное представление о состоянии и уровне их развития. Анализ динамики развития телеуправляемых аппаратов дает возможность выявить некоторые тенденции, которые, по-видимому, найдут свое воплощение в будущем.

Основные тенденции развития подводных необитаемых аппаратов. Как уже отмечалось и, по-видимому, целесообразно подчеркнуть еще раз, современный необитаемый подводный аппарат представляет собой лишь часть более общего комплекса технических средств, проектируемых как единое целое.

На работающий под водой аппарат влияют масса кабеля, соединяющего аппарат с судном-носителем, изменение его положения под воздействием течений, в результате которого значительно снижаются динамические возможности аппарата и деформируются его рабочие зоны (рис. 31). Поэтому стремятся снизить гидродинамическое сопротивление и массу кабеля. Основной путь к этому — уплотнение каналов связи между аппаратом и судном, снижение энергопотребления аппаратом и повышение напряжения электросети. Это позволяет уменьшить сечение кабеля и, как следствие, его гидродинамическое сопротивление и массу. Рабочую зону аппарата можно расширить, используя плавучий кабель, непосредственно подходящий к аппарату. Все это, в целом, приводит к следующему решению: подводная часть телеуправляемого комплекса состоит из собственно аппарата, соединенного плавучим кабелем с вспомогательной жесткой конструкцией, спускаемой под воду на несущем кабель-тросе.

Вспомогательный блок может выполнять функции гаража-укрытия для аппарата на период подъема и спуска, блока уплотнения, мультиплицирования сигналов связи, лебедки для плавучего участка и, наконец, источника питания аппарата электроэнергией.

Процесс управления аппаратом стремятся максимально автоматизировать. В некоторых современных аппаратах оператор управляет лишь поворотом и наклоном телевизионных камер, а по сигналу начала движения или в процессе движения система управления аппаратом сама выбирает управляющие сигналы так, чтобы аппарат двигался по направлению оптической оси передающей камеры с учетом силы течения, углов сноса и пр. Практика эксплуатации аппаратов показала также, что весьма важным элементом в автоматических системах управления аппаратами являются контуры стабилизации глубины погружения аппарата или отстояния его от дна при движении над ним.

Для улучшения качества наблюдения под водой создают телевизионные сверхвысокочувствительные цветные стереосистемы, обеспечивающие наиболее приемлемую для оператора картину подводных объектов.

Повышение эффективности работы аппаратов на объекте также тесно связывают с совершенствованием манипуляторов. Разработ-чини стремятся создать копирующие манипуляторы с обратной связью по усилию и с тактильным очувствлением захватов, приближающимся к возможностям руки водолаза.

Есть все основания полагать, что именно подводные телеуправляемые комплексы будут развиваться в будущем все более ускоряющимися темпами.

Опубликовано:
4.04.12


Категория -

     

© Ilovediving.ru