Специальное оборудование подводных аппаратов

Основная задача экипажей подводных аппаратов, обслуживающих морской нефтегазопромысел,— определение и объективное документирование состояния объекта.

Для определения положения аппарата под водой используется ряд навигационных систем и систем связи аппарата с судном обеспечения, документирование состояния объекта обеспечивается аппаратурой фоторегистрации и видеозаписи, а также целым рядом приборов неразрушающего контроля за состоянием объекта.

Навигационное обеспечение подводных аппаратов. Навигационное обеспечение работы подводного аппарата решается с помощью комплексов аппаратуры двух типов: связи и навигации.

Аппаратура связи на борту подводных аппаратов обеспечивает два вида связи экипажа с судном обеспечения: подводную ультразвуковую и надводную радиосвязь.

Подводную ультразвуковую связь осуществляют путем амплитудной или частотной модуляции ультразвуковых волн, хорошо распространяющихся под водой. Существуют десятки различных типов подводных ультразвуковых телефонных станций (табл. 15). Ультразвуковая телефонная станция по принципу действия подобна радиостанции. Она имеет микрофон; генератор ультразвуковых колебаний; смеситель, в котором происходит модуляция ультразвуковых колебаний звуковыми колебаниями передаваемой речи, и излучатель, передающий сигналы в воду. В режиме приема, как и радиоприемник, ультразвуковая станция использует приемную антенну-гидрофон, серию усилителей принятых сигналов, блок выделения низкочастотной составляющей из принятых сигналов и преобразователь этой низкочастотной составляющей в речь.

Таблица 15
Технические характеристики ультразвуковых телефонных станций подводных аппаратов

Большинство ультразвуковых телефонов работает на несущей частоте 8 кГц, которая достаточно хорошо распространяется в воде. Так, батискаф «Триест», оборудованный работающей на этой частоте станцией, уверенно поддерживал с глубины 10 900 м связь с судами обеспечения.

В практике подводной связи принято ограничивать количество используемых слов и команд. Это связано с тем, что ультразвуковой канал в открытом море очень плохо защищен от помех, и разборчивость речи часто оставляет желать много лучшего. В большей степени это касается экипажа подводного аппарата, имеющего на борту маломощную телефонную станцию. В этом случае оператору-свя-зисту легче работать, если поступающее в искаженном виде кодовое сообщение заранее оговорено.

После всплытия на поверхность экипаж подводного аппарата переходит на радиосвязь с судами обеспечения. Это обусловлено тем, что при работе вблизи поверхности ультразвуковая передача сильно искажается, а дальность связи падает. Радиосвязь, напротив, более помехоустойчива и имеет большую дальность. Поэтому все подводные аппараты имеют на борту портативные, чаще ультракоротковолновые, приемопередающие радиостанции с радпусом действия несколько километров.

На случай потери судна обеспечения, что часто происходит ночью или в условиях волнения, подводный аппарат снабжен средствами сигнализации: сигнальными фальшфейерами и дымовыми шашками для использования днем, ракетами и проблесковыми лампами-вспышками для сигнализации ночью. Из этих средств наиболее часто применяют проблесковые электронные лампы-вспышки, поскольку для их использования нет необходимости открывать люк аппарата.

Проблема обеспечения нормальной навигации аппаратов в условиях больших глубин, ограниченной несколькими метрами видимости, пересеченного рельефа дна весьма сложна и надлежащим образом еще не решена. Однако существует целый ряд навигационных комплексов, обеспечивающих выход аппарата на объект.

Навигационное оборудование подводных аппаратов можно разделить на комплекс автономной навигации на необорудованной акватории; навигационный комплекс, использующий бортовую аппаратуру и гидроакустические маяки на дне или в придонной толще воды, и комплекс приборов, установленных на судне обеспечения, которые определяют относительное положение аппарата, необходимую траекторию его движения и выводят аппарат на цель.

Положение аппарата относительно начальной позиции с известными координатами определяется бортовыми средствами по курсу, скорости, времени и скорости дрейфа. Все эти данные вводятся в бортовой вычислитель и с него на графопостроитель, прорисовывающий траекторию движения аппарата.

Направление движения аппарата, его курс определяют с помощью магнитного и гироскопического компасов. Достоинством магнитного компаса является то, что его ошибка не зависит от времени. Недостаток магнитного компаса —низкая (сравнительно) точность и влияние на его показания магнитных масс самого аппарата и объектов, возле которых аппарат проходит, например свайных оснований.

Так, в Северном море бывали случаи, когда аппарат отворачивал на 180° от платформы, но через некоторое время оказывалось, что, сохраняя курс по компасу, он вновь движется по направлению к ней.

Гирокомпасы не реагируют на магнитное поле и имеют сравнительно высокую точность, однако и они не лишены недостатков. Во-первых, гироскоп нуждается при работе в постоянной подаче энергии. Если питание гироскопа отключить хотя бы и ненадолго, требуются часы на то, чтобы гирокомпас вошел в режим снова. Во-вторых, ошибка в показаниях гирокомпаса непрерывно растет со временем и требуются периодические коррекции его работы.

На ряде подводных аппаратов установлены гирокомпас как основной навигационный прибор, и магнитный компас как вспомогательный.

Скорость движения подводных аппаратов в толще воды определяется обычно лагами. Однако лаг не учитывает влияния течения на скорость аппарата, и поэтому часто отсчет скорости ведут относительно поверхности дна, а не толщи воды. Существует два способа определения скорости движения аппарата над дном: механический и ультразвуковой.

В механическом варианте скорость аппарате измеряют по скорости вращения специального мерного колеса (одометра), которое катится по поверхности дна, увлекаемое закрепленным за аппарат кабелем. Одометр в сочетании с гиро- и магнитным компасами представляет собой примитивный навигационный комплекс. С помощью этих двух приборов аппарат ПС-ЗБ прошел на показательных погружениях по треугольнику со стороной 183 м и вернулся в исходную точку с ошибкой 7,5 м. Тем не менее одометры обычно работают с большими погрешностями, особенно на пересеченных рельефах дна, и имеют ограниченное применение.

Ультразвуковые измерители скорости перемещения аппарата над дном обычно работают на эффекте Доплера. Суть эффекта состоит в том, что если с движущегося основания направить в сторону неподвижного дна ультразвуковую посылку определенной частоты, то отраженный сигнал придет к подводному аппарату, пославшему его, со сдвигом, изменением частоты. Этот сдвиг зависит от скорости движения аппарата и тем больше, чем выше скорость. Обычно доплеровские навигационные комплексы (рис. 30, а, б). имеют две пары антенн, формирующих ДЕе пары ультразвуковых посылок с углом расхождения каждой на 3°. Две посылки направляются в диаметральной плоскости аппарата вперед и назад, а две — перпендикулярно диаметральной плоскости вправо и влево. Такая система позволяет определить не только скорость, но и направление движения аппарата, а влияние кренов и дифферентов подводного аппарата на показания приборов исключается.

Доплеровский навигационный комплекс, объединенный с двух-координатным графопостроителем, работающим в реальном времени, дает возможность построения на планшете истинной траектории движения аппарата. Один из навигационных комплексов, прибор фирмы «Сперри ранд корпорейшен» марки СРД-101, установлен на подводном аппарате «Джонсон си линк». Прибор работает на частоте 400 кГц при отстоянии аппарата от дна от 75 до 1,2 м, точность работы прибора (как и любого другого доплеровского навигационного комплекса) зависит от точности работы включенного в его состав гироскопического или магнитного компаса. Для точности + 0,5% самого навигационного комплекса требуется точность работы компаса ± 0,25%. В настоящее время лучшие компасы на подводных аппаратах (магнитные) имеют точность ± 1°, а гироскопы малогабаритных гирокомпасов уходят от истинного меридиана на 8—9° за 2 ч работы.

Рис. 30. Схемы работы навигационных комплексов подводных аппаратов:
а — по установленным на дне гидроакустическим маякам; б — с помощью навигационного комплекса судна-носителя

Тем не менее доплеровские навигационные комплексы — лучшее, что имеется на сегодняшний день для обеспечения автономного плавания подводного аппарата над необорудованным дном.

В тех случаях, когда требуется более высокая точность определения места аппарата, используют установленные на дне или в толще воды гидроакустические маяки. На подводном аппарате расположен гидроакустический прибор, определяющий направление на маяки и передающий эти данные на бортовой вычислитель, который рассчитывает по азимутам положение аппарата относительно маяков и наносит полученное место на двухкоординат-ный планшет. Серия периодических определений места во время плавания дает возможность построить истинную траекторию движения аппарата. Система навигации по донным маякам имеет два достоинства, делающие ее весьма перспективной. Во-первых, эта система позволяет рассчитывать положение аппарата непрерывно и с большой точностью. И, во-вторых, имея на курсографе или в памяти вычислителя траекторию движения, можно вернуться в любую точку траектории через любое время с точностью до 10 м, т. е. с точностью, допускающей визуальный поиск цели. Естественно, что положение гидроакустических маяков должно быть заранее известно и неизменно.

Навигация по гидроакустическим маякам допускает использование самых разных сочетаний гидроакустических маяков и пеленгаторов. В качестве примера можно привести эксплуатируемую в настоящее время навигационную систему ПА-11. На борту аппарата расположены вычислительный блок, блок отображения данных (дисплей) и забортный блок приема—передачи. Вычислительный блок системы имеет размеры 210 X 245 X 460 мм, массу 7 кг; на лицевую панель вычислителя выведена в цифровом виде информация, необходимая оператору: положение маяков по координатам х и у, скорость звука, положение аппарата над плоскостью маяков и пр. Блок отображения информации имеет размеры 210 X 240 X 480 мм, массу 15 кг, площадь экрана электроннолучевой трубки 100 X 80 мм. На экране дисплея отображены положения маяков, линии равных отстояний от маяков и положение аппарата. Приемопередатчик имеет форму цилиндра диаметром 110 мм, длиной 600 мм, массой 5,5 кг. Акустический уровень излучаемой посылки-запроса 96 дБ при частоте 16 кГц, длительности посылки 10 мс и периоде посылок 10 с. В режиме приема уровень звуковой мощности сигнала составляет 96 дБ, принимаемые частоты 9—9,5—10—10,5—11—11,5—12 кГц. Диапазон рабочих температур блоков системы от 0 до 50° С. При работе гидроакустические маяки могут отстоять друг от друга на расстоянии до 7000 м. Система предусматривает использование минимум трех маяков, возможна работа системы по семи независимым каналам.

Уже было отмечено, что точную навигацию по гидроакустическим маякам можно обеспечить лишь в тех случаях, когда положение маяков заранее известно. Определить положение маяков и самого аппарата можно с помощью гидроакустического оборудования судна-носителя, обеспечивающего работу подводного аппарата. В этом случае на судне устанавливают две системы определения положения маяков и аппарата относительно судна и систему определения географических координат судна. Примером подобного оборудования могут быть навигационные комплексы судна океанографического управления ВМС США «Мизар», которое имеет четыре встроенных в днище гидрофона с точно выверенной между ними базой. Гидроакустическая посылка, отправленная с подводного аппарата или маяка, приходит к гидрофонам судна с некоторым сдвигом по фазе, что дает возможность рассчитать глубину, расстояние до подводного аппарата и его координаты. Система имеет ряд достоинств: экипаж подводного аппарата не занят ее обслуживанием, система может обрабатывать одновременно данные нескольких аппаратов, не имеет «теневых» зон в районе работы. И, наконец, эта система — одна из наиболее точных систем вычисления положения подводных объектов, она может быть установлена и на дистанционно управляемых аппаратах. Недостатки системы заключаются в необходимости использовать большое судно, ее размерах и стоимости (более 0,5 млн. долл.).

Как видим, каждый вариант навигационной системы имеет свои достоинства и недостатки. По-видимому, оптимальным будет сочетание этих систем в том или ином варианте. Например, с судна определяют положение аппарата с помощью бортовых гидроакустических средств, а с аппарата — с помощью инерциальной системы определяют свое положение и перемещение относительно начальной точки.

Практика выполнения подводными аппаратами работ на морском нефтегазопромысле показала, что надежное обеспечение навигации и связи подводных аппаратов — одно из основных условий их эффективной работы.

Навесные орудия труда. Эффективность работы подводного аппарата в значительной степени определяют навесные орудия труда, предназначенные для выполнения подводно-технических работ и оценки состояния объекта.

Одно из основных средств оценки состояния объекта — сбор визуальной информации путем стереофотосъемки. Существует много конструктивных вариантов стереокомплексов, и приведенные ниже характеристики системы ЕГиГ Мод. 207 в общем достаточно типичны для этого рода устройств. Установка ЕГиГ Мод. 207 обеспечивает съемку 3300 стереопар без перезарядки при диафрагмах, изменяющихся в пределах //4,5—/У22, и экспозициях от 1/10 до 1/200, интервалах между снимками 4, 6, 8, 10, 12 и 24 с, а также ручную съемку.

Следует отметить, что в последние годы все более широко используют телевизионную аппаратуру для осмотра объекта и производят видеомагнитофонную запись изображения на борту аппарата. Видеозапись обычно обеспечивает не только фиксацию самого изображения, передаваемого телевизионной камерой, но имеет несколько каналов для параллельной регистрации, например, текущих координат и времени с навигационного комплекса, комментариев экипажа аппарата и пр.

Для осмотра и фиксации состояния поверхности дна используют сканирующие гидролокаторы бокового обзора и акустические профилографы. Эти приборы имеют достаточно широкую полосу захвата, превышающую расстояние прямой видимости под водой. Так, сканирующий гидролокатор бокового обзора обеспечивает просмотр и фиксацию рельефа поверхности дна и находящихся на дне объектов в полосе шириной 75, 150 или 300 м с разрешающей способностью 1/250 от шкалы.

Для собственно выполнения работ на борту подводного аппарата предусмотрены манипуляторы и ряд сменных исполнительных устройств. Как правило, подводные аппараты имеют пару манипуляторов. Один из них мощный силовой с ограниченным числом степеней свободы (до трех) предназначен для удержания аппарата на объекте. Второй манипулятор имеет обычно шесть степеней свободы и предназначен для достаточно точных координированных работ. С помощью сменного инструмента, устанавливаемого в захвате рабочего манипулятора, можно сверлить отверстия в металле, рубить тросы и арматуру, производить электродуговую резку металлоконструкций, размывать траншеи на дне (одна из наиболее часто выполняемых операций) и пр.

Подводные аппараты типа «Пайсис» оборудованы специальной системой. Она состоит из водяного насоса с приводом мощностью 3,67 кВт, прокачивающего воду через шланг и сопло-насадку, зажатое в захвате манипулятора. Манипулятор и зажатое в нем сопло-насадка имеют шесть степеней свободы, и из-за часто меняющихся условий размыва грунта все шесть степеней свободы оказываются в той или иной мере необходимыми. Нужда в навесном исполнительном оборудовании на морском нефтепромысле настолько велика, что фирма «Перри ошеанографикс инкорпорейтид» наладила выпуск комплектов сменных рабочих органов, которые могут быть установлены практически на любом аппарате. Комплект имеет рабочую глубину 450 м (в перспективе до 900 м), массу 272 кг. В него входят гидравлическая насосная станция производительностью 5 г/мин при давлении 7,551 МПа (77 кгс/смг), кнопочный переносный пульт управления, установленный в отсеке управления аппаратом; манипулятор с грузоподъемностью 666,85 Н (68 кгс) на полном плече; сменный инструмент: ударный гайковерт, абразивный круг, цепная пила, тросоруб и насос гидромонитора.

Опубликовано:
4.04.12


Категория -

     

© Ilovediving.ru