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Moby Dick还是Red October?

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三米长的菱形波浪滑翔机有点像冲浪板,部分是皮划艇。 它漂浮在海洋表面,利用波浪和太阳的能量为其混合动力供电系统和运动,而在长途旅行中,设备收集和处理数据


很久了 历史 航海人类已经找到了几种从环境中提取能量并补充其稀缺储备的方法,以增加航行范围并发现新的土地,尽管有时会带来悲剧性结果。

几千年的风帆,桨和肌肉力量仍然是至关重要的导航技术,而且最近才出现蒸汽帮助,内燃机出现,其次是核能,从根本上改变了航行的本质。 然而,现代无人水下和水面滑翔机(滑翔机)分别使用浮力和波浪能量的变化,以便以低速移动数月。 这允许人类解决许多紧迫问题,使用以前无法访问的工具获取信息和数据。 尽管由于波浪能和浮力变化引起的运动技术已经使用多年,但它们仍然鲜为人知,而且对于普通大众而言并不常见,因此在开始研究各个平台及其执行的任务之前,有必要简要介绍一下他们的工作原理。

运动的浮力

浮标滑翔机是一种自主水下航行器(AUV),它使用所谓的残余浮力变化模块 - 鱼泡的类似物 - 在残余浮力的交替变化的作用下移动。 浮力的变化导致装置在水柱中上升或下降,而机翼升力矢量使装置缓慢且经济地(经验法则是每半节点半瓦[0,9 km / h])沿“锯齿”路径向前移动。 虽然它们中的一些配备有流体动力转向舵,但通常仅通过移动重型电池舱来执行转向:从一侧到另一侧以产生期望的侧倾角,并来回以改变车辆在纵向平面中的倾斜度。

有效载荷通常包括传感器CTD(电导率,温度和深度;水盐度,温度和深度),其输出数据被发送到所谓的声速曲线SSP(声速曲线),这是构建局部声速的图形相对深度。 这使您可以获得非常有价值的信息,用于计算其他平台用于对抗潜艇和地雷的声纳参数。 使用升力浮子的水下滑翔机主要限于低数据速率通信系统,包括声学调制解调器和卫星信道。 它们定期上升到表面,以便下载任务数据,服务数据并使用其卫星通信天线接收新指令。


Liquid Robotics的Wave Glider设备已准备好部署。 这些可靠的波浪滑翔机执行各种任务,包括使用声学调制解调器和卫星通信作为水下系统与世界其他地方之间的网关。

来自海浪的所有力量

使用波浪能或波浪滑翔机的遥控地面设备是一种特殊的装置,用于将波浪能转换成由于自由旋转的鳍片移动器(机翼)而向前平移的能量。 翅膀利用迎面而来的波浪的能量,将水下部分向前移动,将其背后的表面部分拉开。

例如,来自Boeing / Liquid Robotics公司的波浪滑翔机Wave Glider具有两部分结构。 冲浪板,类似于冲浪板,带有锂离子电池和太阳能电池板,通过8长米电缆连接到水下转向模块。 模块的翼(一组平面)绕水平轴自由旋转,利用波浪的能量,使振动运动并使表面部分的速度达到2 km / h的量级 此外,Wave Glider可以使用Thrudder装置,它是喷气发动机和方向舵的组合,可在非常低的海域产生额外的受控推力,无论是在赤道平静区还是非常强的水流。 如有必要,Thrudder会为Wave Glider滑翔机的速度增加约半个节点。


Seaglider机器沉浸其中并开始其使命。 传感器套件包括Sea Bird氧气分析仪和WET Labs荧光仪 - 光学反向散射反射仪。 采样率可能因传感器和深度而异。

浮动滑翔机的起源

根据圣地亚哥大学的Gerald Dispeyn的说法,浮动滑翔机的积极开发始于早期的90,当时美国海洋研究管理局为此分配了资金。 他补充说,这些平台,例如斯克里普斯海洋研究所的喷雾滑翔机,华盛顿大学应用物理实验室的Seaglider,以及最初由伍兹霍尔海洋研究所开发的Slocum滑翔机,可以由两个人手动部署。 在过去十年中,它们已成为美国联邦和地方组织的通用数据收集系统,如国家海洋和大气管理局以及石油和天然气行业。 目前,它们配备了各种小型传感器和低功耗传感器,以及使用独立算法的小型计算机,可以根据板载传感器收集的信息做出独立决策。

根据海军气象和海洋学办公室的代表,浮动滑翔机的主要海洋应用主要是海洋学。 在过去十年中,这种设备的普及程度的增长得益于实时数据传输系统的进步,传感器范围的小型化和扩展以及任务持续时间的增加。 美国海军拥有世界上最大的滑翔机队,超过100车辆,主要由Teledyne Marine生产。

除了提供水声声学站(GAS)的CTD(盐度 - 温度 - 深度)传感器进行海洋监测外,美国海军气象和海洋学部门还使用滑翔机收集环境数据并改进其建模,以便更好地了解海洋的结构和确保海上作业。 该办公室的一位代表指出:“我们愿意研究任何可能有助于提高任务绩效质量的滑翔机或机载传感器的使用。” 滑翔机必须非常节能才能长时间保持性能,这也适用于推进系统和车载设备。 “现代板载传感器消耗的能量非常少。 他继续说,位移系统改变浮力,它是滑翔机能量的主要消耗者,它限制了装置的潜水次数,它能够在一个出口处进行。 “我们在军事海洋学中使用的滑翔机Slocum的感官系统非常有效。 与传统的船舶取样方法相比,这种高效的能源管理能够以极低的成本分析样品。“ Dyspein指出,降低滑翔机的能量消耗大体上是它们缓慢的结果。 他指出,对于任何移动平台,每单位时间消耗的能量随着速度立方体的增加而增加,同时考虑到该平台移动的环境。 换句话说,使水下航行器的速度加倍需要将能量消耗增加八倍。 “考虑到每单位时间的能量消耗,滑翔机在水下的运动是如此有效,因为它在这种环境中移动相当缓慢。”

推进效率的更相关的度量是每单位行进距离消耗的能量,其量直接取决于流体动力系数。 “飞翼的概念使这个因素最大化,因此基于它的滑翔机每个水平距离消耗的能量比同等尺寸的任何其他滑翔机消耗的能量更少,以相当的速度移动。” 使用这些原理的新型滑翔机在实际条件下进行了测试。 滑翔机“飞翼”比以前的版本更大更快,它针对更长的距离和更长的任务进行了优化。 “其更大的尺寸(仪表6,1机翼的跨度)也可以提高流体动力效率,提高速度,目标载荷和有效载荷。”

Moby Dick还是Red October?

Seaglider滑翔机由应用物理实验室及其海洋学院开发,具有流线型形状和尾翼,增加了巡航范围,尾部安装了卫星天线和CTD传感器

能量积累

“与其他自主水下航行器的情况一样,能量积累和消耗的进展有望增加持续时间和范围,并为机载传感器提供更多能量,尽管在准备实际运行之前仍有许多工作要做,” Dan Radnik是加州大学圣地亚哥分校的教授,他开发了喷雾式滑翔机。 - 当然,正在开发使用替代能源的系统,例如海洋温度下降和水激活电池。 我不会对已经开发的技术专家进行分类。“ 反过来,Dispeyn给出了具有可变相状态的石蜡的实例,其成功地用于证明在某些条件下具有可变浮力的平台的能力,以使用随深度变化的温度来移动。

他回顾了斯克里普斯和喷气推进实验室的联合工作,以展示潜水浮标的工作,该浮标在海上航行了一年多。 它实施了一个由热力发动机驱动的可变浮力系统,该技术由Webb Research(现为Teledyne Marine的一部分)Doug Webb的创始人开发,当时他还在Woods Hole工作。 “这项技术的成熟可以证明市场上有这种带有热力发动机的滑翔机的可用性。” 需要注意的一点是相变材料,它从温度差异中提取能量,如石蜡,它们在凝固过程中体积减小,在熔化时膨胀,这是它们直接使用的错误方向。浮子推进。 “当发动机在潜水周期中下降时,发动机应该增加滑翔机的体积,并在顶部减小它。 因此,热滑翔机应该具有能量存储系统,该系统可以确保从下一个半周期的相变中提取的能量的可用性。 例如,当为车载电池充电时,这种相变能量可以用作额外的能量。“

Radnick解释说,根据船上传感器的设置,运动通常从60到加州大学开发的滑翔机能量平衡的70%。 “也就是说,我们的传感器消耗更少的电力(通常从20到30%),但通常它们决定了航行的持续时间,因为我们更频繁地改变它们,而运动的能量保持不变。” 剩余的大约10百分比用于其他系统,包括计算机,通信和导航。 大学正在研究在滑翔机中积累更多能量的方法,包括最简单的方法。 “增加能量容量的最简单方法是让滑翔机更大,我们研究。 另一种方法是改善电池,“Radnik教授补充道。


喷雾滑翔机的布局显示了主要内部模块的位置。 两个电池组改变了重心,尾部的气缸和泵改变了浮力

反潜防御

对滑翔机的兴趣一直比科学海洋学更广泛,并且,正如Dispane指出的那样,随着滑翔机向战斗舰队过渡的开始,这一细分市场有望增长。 2016年XNUMX月,美国海军宣布准备从其驱逐舰上部署滑翔机,以提供 海军 新的机会。 在太平洋地区成功进行试验后,美国海军司令部批准了使用一两个滑翔机武装Arly Burke级驱逐舰的武装。 APA将为驱逐舰上的GAS操作员提供实时数据。 数据最有可能来自CTD传感器,并将用于更新“声速-深度”图,以校准地面和空中平台上的HAS。

虽然它们直接用于探测潜艇,例如使用被动声纳,但很明显,这不是车队公开谈论的内容。 但是,他们愿意讨论检测,跟踪和研究其他水下实体的活动。 正如迪斯皮恩所解释的那样,“美国海军有兴趣更好地了解海洋哺乳动物,濒危物种和其他海洋生物的分布和行为,以尽量减少其活动对海洋环境的影响。” 对于带有声学传感器的更大,更大的滑翔机来说,这是一个挑战。 自主飞翼滑翔机配备了沿机翼前缘安装的多元声纳接收天线,以及额外的水声传感器,可安静地收听和确定海洋声源的方向。 也就是说,这些滑翔机非常适合检测,定位和跟踪发出声音的动物。“

当跟踪单个海洋哺乳动物的一个滑翔机时,动物必须经常发出声音,即可能与之相关的某种声音序列。 只有这样,滑翔机才能确定每次哭泣的方向,并为所需动物制定运动路线。 “例如,如果带有螺旋桨的推进系统不断产生声音,那么某些海洋哺乳动物通常不会发出声音,以至于它们可以创造出一条路线。 其他物种聚集在紧密的群体中并经常发出声音(例如,海豚群体),几乎不可能跟踪群体中的个体。“ Dispeyn指出,飞翼滑翔机可能是唯一具有足够有效载荷的平台,能够在船上携带大型天线阵列。 作为替代方案,您可以拖曳这样的天线,但还有其他困难。 “跟踪发出尖叫声的海洋哺乳动物群体可以通过一组分布在太空中的滑翔机来实现,其中每个滑翔机”倾听“并确定是否存在感兴趣的特定个体。”

任务

使用波浪能的自动地面车辆,例如Wave Glider,可以提供更长的使用寿命,因为它们可以用太阳能电池为电池充电,并且当它漂浮在地面上时,它们可以不断地保持连接并接收来自全球导航卫星的更新坐标全球定位系统。 Liquid Robotics称其Wave Glider是一种“可以帮助建造数字海洋的转型技术”,这意味着它非常适合作为从海底到外太空的通信网关,允许潜水设备,包括浮动滑翔机,配备声学调制解调器,无需上升即可在海洋中的任何地方进行通信。 正如该公司所述,“我们是连接可居住和无人居住平台的更大系统系统的一部分。 需要这个重要的基础设施来帮助开放尚未研究过的海洋中的95百分比,并帮助解决一些世界上最复杂的问题。“

据该公司报道,Wave Glider滑翔机超过1,1万海里(2,1百万公里)进入大海。 尽管这些设备已经很成熟,但该公司仍积极参与其改进。 这适用于电力和能源,传感器套件和通信,耐用性和软件,特别强调自治。 Liquid Robotics公司认为,根据要执行的任务,Wave Glider可以在几个月到一年内保持在海上。 限制因素是海洋生物或设备本身的壳体及其传感器,海浪和可用太阳能量的污染。 这些因素在很大程度上取决于滑翔机部署的时间,传感器的位置和类型。 例如,墨西哥湾夏季贝壳的快速增长会影响传感器的运行,以至于需要定期清洁滑翔机。 操作人员在特殊液体的帮助下解决了这个问题,其中更换滑动器的滑动器被清洗; 长满的滑翔机回家清洁。

无论是态势感知还是长期观测,反潜战主要包括海上任务,这些任务决定了基本气象和声学传感器的安装。 与其他APA开发人员一样,Liquid Robotics和波音公司定期参加演习和战斗实验,例如,在2016秋季在英国海岸发生的UNMANNED WARRIOR实验中,Wave Glider滑翔机展示了他们在反潜战中的能力 - 收集和地理空间情报数据分布。


根据与华盛顿大学创新中心CoMotion达成的协议,Kongsberg开发了Seaglider,用于浅水的Oculus滑翔机和Seaglider M-6变体

这些车辆还参与了由英国国家海洋学中心领导的地理空间情报MASSMO(海洋自然系统支持海洋观测)的若干演习。 在进行MASSMO练习时,他们收集了公司所描述的有关困难海况的水温,水流和其他现象的有价值且一致的信息。 “我们还演示了如何将来自多个Wave Glider的数据集成到第三方系统中,例如波音提供的简化操作决策的系统。”

展望可见的未来,美国海军气象学和海洋学部预计,主要的发展方向应该是滑翔机的持续时间和传感器范围的扩大。 “所收集的信息对车队非常有用,这些数据有助于建立海洋模型。 舰队中的滑翔机的前景是显而易见的, - 他的代表说。 “我认为最重要的方向是简化滑翔机的工作,非专业人员的可达性,这对于增加海洋上空滑翔机的数量非常重要。” 浮动和波浪自主设备代表了一种具有巨大研究潜力的年轻技术。 技术,未来的潜艇艇员将非常重视。

使用的材料:
www.shephardmedia.com
www.liquid-robotics.com
stories.kongsberg.com
robotrends.ru
www.whoi.edu
simrad.com
www.marinebuzz.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
7 评论
信息
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  1. Vard
    Vard 26 March 2018 06:46
    +1
    剑和盔甲...在这种情况下,是最简单的斗争手段...相对较小的炸药破坏了...所有被动检测工具一次都停滞了...
  2. taskha
    taskha 26 March 2018 06:52
    +2
    我会补充一下 眨眼
    https://topwar.ru/115436-wave-glider-morskoy-besp
    ilotnik.html
  3. 什锦蛋
    什锦蛋 26 March 2018 06:54
    +1
    不幸的是,俄罗斯在这一领域非常落后。 扎绳
  4. Nablyudatel2014
    Nablyudatel2014 26 March 2018 10:23
    +2
    等等,这个话题很快就会引起西方版读者的注意,“波塞冬”很好,至少在某种程度上您需要抓住它。
  5. san4es
    san4es 26 March 2018 10:30
    +1
    ...执行各种任务,包括充当潜艇系统与世界其他地方之间的门户

  6. 君主制
    君主制 26 March 2018 13:09
    0
    杰克·伦敦和好莱坞电影在哪里?
  7. 什锦蛋
    什锦蛋 27 March 2018 16:21
    0
    我想是的。
    首先,杰克·伦敦与它无关。 美国作家赫尔曼·梅尔维尔(Herman Melville)在1851年撰写了《白鲸》。
    其次,文章的作者可能希望通过标题表明滑翔机既可以追踪鲸鱼等海洋哺乳动物,因此可以追踪“ Moby Dick”的名称,也可以追踪敌方的潜艇,在本例中为“ Red October”的名称。 仔细阅读,这篇文章包含了所有内容...