Морские роботизированные системы. Подводные боевые роботы и средства доставки ядерного боеприпаса. Построение математической модели

С.А. Половко, П.К. Шубин, В.И. Юдин Санкт-Петербург, Россия

концептуальные вопросы роботизации морской техники

S.A. Polovko, P.K. Shubin, V.I. Yudin

St.-Petersburg, Russia

a conceptual issues robotization marine engineering

Рассмотрены научно обоснованные концепции настоятельной необходимости роботизации всех работ, связанных с морской техникой, призванной вывести человека из зоны повышенного риска, повысить функциональные возможности, оперативность и производительность морской техники, а также разрешить стратегический конфликт между усложнением и интенсификацией процессов управления и обслуживания техники и ограниченными возможностями человека.

МОРСКАЯ ТЕХНИКА. РОБОТЫ. РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ. РОБОТИЗАЦИЯ. ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПРОГРАММА.

The article describes the concept of evidence-based robotics urgent need of all work related to marine technology, designed to bring people from high-risk areas, to improve the functionality, flexibility and performance marine applications and enable strategic conflict between complexity and intensification of management and maintenance of equipment and disabled person.

MARINE ENGINEERING. ROBOT. ROBOT SYSTEMS. ROBOTIZATION. STATE PROGRAM.

В качестве принципиальных, концептуальных вопросов научно обоснованной роботизации морской техники (МТ) целесообразно рассмотреть прежде всего вопросы, непосредственно вытекающие из причин необходимости роботизации. То есть причин, по которым объекты МТ становятся объектами внедрения роботов, робототех-нических комплексов (РТК) и систем. Здесь и в дальнейшем под РТК понимается совокупность робота и пульта управления им, а под робототех-нической системой - совокупность РТК и объекта его носителя.

Роботы, как свидетельствует опыт их создания и применения, внедряются в первую очередь там, где труд человека и его жизнедеятельность затруднены, невозможны или сопряжены с угрозой для жизни и здоровья. Например, это имеет место в зонах радиоактивного или химического загрязнения, в условиях боевых действий, при проведении подводных или космических исследований, работ и т. п.

Применительно к морской деятельности это прежде всего:

глубоководные исследования;

водолазные работы на больших глубинах; подводно-технические работы; аварийно-спасательные работы; поисково-спасательные работы в неблагоприятных гидрометеоусловиях (ГМУ);

добыча сырья и полезных ископаемых на шельфе.

Применительно к военной области: противоминная и противодиверсионная оборона;

разведка, поиск и слежение; участие в боевых действиях и их обеспечение.

Таким образом, практически весь спектр объектов: от подводной МТ (водолазная техника, обитаемые подводные аппараты - ОПА, подводные лодки - ПЛПЛ, техника освоения шельфо-вой зоны мирового океана), надводной (корабли, суда, катера) до воздушной МТ (летательные аппараты - ЛА) являются объектами роботизации, т. е. представляют собой объекты, подлежащие внедрению на них роботов, РТК и систем.

Причем с той или иной степенью риска для жизни человека сопряжена не только работа вне

объекта МТ, за бортом, на глубине (водолазный труд), но и работа непосредственно на морском объекте . Очевидно, что очередность роботизации должна быть напрямую связана с величиной риска для жизни персонала (членов экипажа). Количественно величина риска может быть измерена статистической или прогнозной (расчетной) вероятностью смерти человека в зависимости от вида деятельности в год [год-1], как это показано в на основе статистических данных и данных литературных источников.

Примем к рассмотрению три уровня риска, представленные на рисунке, в зависимости от вида деятельности и источника риска по данным . Чем выше величина риска, тем ближе данный вид деятельности человека (и соответствующий ему вид техники) к началу очереди на роботизацию. Имеется в виду первоочередное создание роботизированных зон как вне, так и внутри объектов МТ, зон функционирования роботов, с целью удалить человека из зоны повышенного риска.

Пусть п. - порядковый номер в очереди на роботизацию данного (/-го) объекта МТ, а т. - соответственно, вероятность гибели членов экипажа /-го объекта МТ в год. Тогда для оценки очередности роботизации можем получить:

п1 =1+|(г); /(1Л (1)

где |(т.) - ступенчатая функция от величины риска:

|(т.) = 0, при г. > ГНУР =10-3 год-1;

|(т) = 1 при тНур > г. > ГПДУ = 10-4 год-1;

|(т) = 2 при тпду > г, > гппу = 10-6 год-1;

|(Т) = 3, Г1 < гппу.

Оценивая требуемую степень роботизации /-го объекта МТ $1"), необходимо ориентироваться прежде всего на степень сокращения численности персонала в зоне деятельности с повышенным риском, которая полагается пропорциональной степени превышения т. над гПдУ в следующем виде:

5." = 1 - тПДУ т(2)

Оценка доли персонала от общей исходной численности его (Ж) на /-м объекте морской техники, остающейся после внедрения РТК, будет иметь следующий вид:

№б = [(1 - яд]. (3)

Степень роботизации, т. е. степень внедрения РТК с целью замены персонала /-го объекта МТ,

можно оценивать в процентном отношении в следующем виде:

5 . =(Ж - №б)Ж-1- 100 %.

Из (2) очевидно следует, что при т. > гНУр ^ 5т > 90,0 %. То есть практически весь персонал должен быть удален с данного объекта (из данной зоны) и заменен РТК.

Принцип замены человеческого труда на роботизированный в зонах повышенной опасности является безусловно главенствующим, что подтверждается активным внедрением подводных роботов - необитаемых подводных аппаратов (НПА). Однако он не исчерпывает всех потребностей во внедрении РТК в морское дело.

Следующими по степени значимости необходимо признать принципы расширения функциональных возможностей морской техники, роста оперативности и производительности работ за счет внедрения морских роботов (МР), РТК и систем. Так, при замене тяжелого водолазного труда, например, в случае осмотра, обследования или ремонта объектов под водой (на грунте) подводным роботом, расширяются функциональные возможности, растет оперативность и производительность работ . Использование автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) в качестве спутников ПЛ существенно расширяет боевые возможности и повышает боевую устойчивость ПЛ . Активная разработка и применение безэкипажных катеров (БК) и судов (БС), а также беспилотных ЛА (БПЛА) за рубежом, также свидетельствует о перспективности роботизированной МТ. Действительно, даже при прочих равных условиях исключается риск потери экипажа объекта МТ при работе в сложных ГМУ. В целом можно говорить о сравнительно высокой эффективности (полезности) морских роботов (НПА, БК, БС, БПЛА) при сравнительно невысокой стоимости .

Следующим концептуальным вопросом в проблеме научно обоснованной роботизации объектов МТ является классификация морской робототехники, которая не только фиксирует существующее состояние дел и опыт разработки и применения роботов, но также позволяет прогнозировать основные тенденции и перспективные направления дальнейшего развития при решении задач внешней роботизации.

Наиболее обоснованный подход к классификации морской подводной робототехники

представлен в . Под морской робототехникой будем понимать собственно роботов, робототех-нические комплексы и системы. Разнообразие созданных в мире НПА затрудняет их строгую классификацию. Чаще всего в качестве классификационных признаков морских РТК (НПА) используют массу, габариты, автономность, способ передвижения, наличие плавучести, рабочую глубину, схему развертывания, назначение, функциональные и конструктивные особенности, стоимость и некоторые др.

Классификация по массогабаритным характеристикам:

микроПА (ПМА), масса (сухая) < 20 кг, дальность плавания менее 1-2 морских миль, оперативная (рабочая) глубина до 150 м;

мини-ПА, масса 20-100 кг, дальность плавания от 0,5 до 4000 морских миль, оперативная глубина до 2000 м;

малые НПА, масса 100-500 кг. В настоящее время ПА этого класса составляют 15-20 % и находят широкое применение при решении различных задач на глубинах до 1500 м;

средние НПА, масса более 500 кг, но менее 2000 кг;

большие НПА, масса > 2000 кг. Классификация по особенностям формы несущей конструкции:

классической формы (цилиндрической, конической и сферической);

бионические (плавающего и ползающего типов);

Подводные (водолазные)

работы _2 -^ 10

Служба на ПЛПЛ ВМФ -

Освоение шельфа

Автотранспорт

Рыболовство

Морской флот

Стихийные бедствия -

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ РИСК СМЕРТИ (г в год)

ОБЛАСТЬ НЕПРИЕМЛЕМОГО РИСКА

ОБЛАСТЬ ЧРЕЗМЕРНОГО РИСКА

ОБЛАСТЬ ПРИЕМЛЕМОГО РИСКА

Уровни риска смерти человека (вероятность - г в год) в зависимости от вида деятельности и источника риска,

а также принятая классификация уровней риска: ППУ - предельно пренебрежимый уровень риска; ПДУ - предельно допустимый уровень риска;

НУР - неприемлемый уровень риска

планерной (самолетной) формы;

с солнечной панелью на верхней части корпуса (плоские формы);

ползающие НПА на гусеничной базе.

Классификация морских РТК (НПА) по степени автономности. АНПА должен отвечать трем основным условиям автономности: механической, энергетической и информационной.

Механическая автономность предполагает отсутствие какой-либо механической связи в виде кабеля, троса или шланга, связывающих ПА с судном-носителем либо с донной станцией или береговой базой.

Энергетическая автономность предполагает наличие на борту ПА источника питания в виде, например, аккумуляторных батарей, топливных элементов, ядерного реактора, двигателя внутреннего сгорания с замкнутым рабочим циклом и т. п.

Информационная автономность НПА предполагает отсутствие информационного обмена между аппаратом и судном-носителем, либо донной станцией или береговой базой. При этом НПА должен иметь и автономную инерциальную навигационную систему.

Классификация морских РТК (НПА) по информационному принципу для соответствующего поколения НПА.

Морские автономные РТК ВН (АНПА) первого поколения функционируют по заранее заданной жесткой неизменяемой программе.

Дистанционно управляемые (ДУ) НПА первого поколения управляются по разомкнутому контуру. В этих простейших устройствах команды управления подаются непосредственно в движи-тельный комплекс без использования автоматических обратных связей.

АНПА второго поколения имеют разветвленную сенсорную систему.

Второе поколение ДУНПА предполагает наличие автоматических обратных связей по координатам состояния объекта управления: высоте над дном, глубине погружения, скорости, угловым координатам и т. п. Эти очередные координаты сравниваются в автопилоте с заданными, определяемыми оператором.

АНПА третьего поколения будут обладать элементами искусственного интеллекта: возможностью самостоятельного принятия несложных решений в рамках общей поставленной перед ними задачи; элементами искусственного зрения

с возможностью автоматического распознавания простых образов; возможностью к элементарному самообучению с пополнением собственной базы знаний.

ДУНПА третьего поколения управляются оператором в интерактивном режиме. Система супервизорного управления предполагает уже некую иерархию, состоящую из верхнего уровня, реализуемого в ЭВМ судна-носителя, и нижнего уровня, реализуемого на борту подводного модуля.

В зависимости от глубины погружения обычно рассматривают: мелководные ПТПА с рабочей глубиной погружения до 100 м, ПТПА для работ на шельфе (300-600 м), аппараты средних глубин (до 2000 м) и ПТПА больших и предельных глубин (6000 м и более).

В зависимости от типа движительной установки можно различать НПА с традиционной винторулевой группой, МР с движительной установкой на бионических принципах и АНПА -планеры с движительной системой, использующей изменение дифферента и плавучести.

Современные робототехнические системы находят применение практически во всех областях подводно-технических работ. Однако главной областью их применения была и остается военная . Уже произошло включение в состав ВМС ведущих индустриальных государств боевых НПА, БПЛА, которые могут стать высокоэффективным и скрытым компонентом системы средств вооруженной борьбы на океанских и морских театрах военных действий. Вследствие относительно невысокой стоимости производство НПА может быть крупносерийным, а их применение -широкомасштабным.

В плане создания НПА, БПЛА и БС военного назначения особенно показательны усилия США. Например, АНПА придаются каждой многоцелевой и ракетной ПЛ. Каждой тактической группе надводных кораблей придаются два таких АНПА. Развертывание АНПА с ПЛ предполагается проводить через торпедные аппараты, пусковые ракетные шахты или со специально оборудованных для них мест снаружи прочного корпуса ПЛ . Чрезвычайно перспективным оказалось использование НПА и БПЛА в борьбе с минной опасностью. Их применение привело к созданию новой концепции «охоты на мины», включающей обнаружение, классификацию, идентификацию и нейтрализацию (уничтожение) мин. Противомин-

ные НПА, дистанционно управляемые с корабля, позволяют выполнять противоминные операции с большей эффективностью, а также увеличить глубины районов противоминных действий, сократить время на проведение идентификации и уничтожения . В планах Пентагона главный упор в будущих сетецентрических войнах делается на широкомасштабное использование боевых роботов, непилотируемых летательных аппаратов и необитаемых подводных аппаратов. Пентагон рассчитывает к 2020 г. роботизировать треть всех боевых средств, создавая полностью автономные роботизированные соединения и другие формирования .

Развитие отечественных морских робототех-нических систем и комплексов специального назначения необходимо проводить в соответствии с Морской доктриной Российской Федерации на период до 2020 г. , с учетом результата анализа тенденций развития мировой робототехники, а также в связи с переходом экономики России на инновационный путь развития.

При этом учитываются результаты выполнения федеральной целевой программы «Мировой океан», проводимого на постоянной основе анализа состояния и тенденций развития морской деятельности в Российской Федерации и в мире в целом, а также системных исследований по вопросам, касающимся обеспечения национальной безопасности Российской Федерации в сфере изучения, освоения и использования Мирового океана. Эффективность внедрения полученных в ФЦП результатов определяется широким использованием технологий двойного применения и модульными принципами проектирования.

Цель развития морской робототехники - повышение эффективности использования специальных систем и вооружений ВМФ, специальных систем ведомств, эксплуатирующих морские ресурсы, расширение их функциональных возможностей, обеспечение безопасности деятельности экипажей ЛА, НК, ПЛ, подводных аппаратов и выполнения специальных, подводно-технических и аварийно-спасательных работ.

Достижение цели обеспечивается реализацией следующих принципов развития в части конструирования, создания и применения морской робототехники:

унификация и модульное построение;

миниатюризация и интеллектуализация;

сочетание автоматического, автоматизиро-

ванного и группового управления;

информационная поддержка управления ро-бототехническими системами;

гибридизация по комплексированию разнородных мехатронных модулей в составе комплексов и систем;

распределенная инфраструктура сопровождения в сочетании с бортовыми системами информационной поддержки морских операций.

Основные направления развития морской робототехники должны обеспечивать решение ряда стратегических проблем усложнения и интенсификации военной техники, связанных с взаимодействием в системе «человек-техника» .

Внутреннее направление, нацеленное на обеспечение роботизации энергонасыщенных герметичных отсеков НК, ПЛ и ОПА. К нему относятся внутриотсечные робототехнические средства (в т. ч. подвижные малогабаритные средства мониторинга), комплексы и системы предупреждения о наступлении опасных (аварийных) ситуаций и принятия мер по их устранению .

Внешнее направление, в обеспечение роботизации водолазных и специальных морских работ, включая мониторинг состояния потенциально опасных объектов, а также аварийно-спасательные работы. К нему относятся БПЛА, БПС, МРС, АНПА, беспилотные обитаемые подводные аппараты (БОПА), морские робототехни-ческие комплексы и системы .

Основными задачами развития морской робототехники являются функциональные, технологические, сервисные и организационные.

Перспективные функциональные задачи морской робототехники в рамках внутрикорабельной деятельности:

ведение мониторинга состояния механизмов и систем, параметров внутриотсечной среды;

проведение отдельных опасных и особо опасных работ внутри и снаружи отсеков и помещений;

технологические и транспортные операции; обеспечение выполнения функций экипажа в период беспилотного функционирования НК, ПЛ или ЛА;

предупреждение о наступлении аварийных ситуаций и принятие мер по их устранению.

Перспективные функциональные задачи морской робототехники в рамках функционирования на поверхности объекта, над водой, под водой и на дне:

мониторинг и техническое обслуживание НК, ПЛ и ОПА (включая сбор и передачу информации о состоянии ОПА);

выполнение технологических операций и обеспечение научных исследований;

выполнение задач разведки, наблюдения, ведения определенных боевых действий самостоятельно;

разминирование, работы с потенциально опасными объектами;

работы в составе навигационных систем и систем гидрологического и экологического мониторинга.

Основные перспективные технологические задачи в области создания морской робототехники:

создание гибридных модульных автономных МРС с оперативной модификацией собственной структуры для различных функциональных назначений;

разработка способов группового управления роботами и организация их взаимодействия;

создание систем телеуправления с объемной визуализацией, в т. ч. в масштабе реального времени;

управление МРС с использованием информационно-сетевых технологий, включая самодиагностику и самообучение;

интеграция МРС в системы более высокого уровня, включающие средства доставки в район их применения и всестороннее обеспечение функционирования;

организация человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего автоматическое, автоматизированное, супервизорное и групповое управление МР.

Основными сервисными задачами при эксплуатации морской робототехники являются:

развитие наземной и бортовой инфраструктуры для отработки поддержки и сопровождения МРС;

разработка ситуационных имитационно-моделирующих комплексов и тренажеров, специального оборудования и оснастки для обучения, обслуживания и поддержки МРС;

обеспечение ремонтопригодности и возможности утилизации конструкций оборудования, приборов и систем.

В составе основных организационных задач и мероприятий создания и внедрения морской робототехники целесообразно предусмотреть:

разработку комплексной целевой программы (КЦП) развития морской робототехники (роботизации МТ);

создание рабочего органа для обоснования и формирования КЦП роботизации МТ, включая планирование мероприятий, формирование перечня конкурсных заданий, экспертизу, отбор предлагаемых проектов и возможных решений;

проведение мероприятий по организационно-штатному, кадровому и материальному обеспечению испытаний и эксплуатации морской робототехники на флоте.

В качестве показателей и критериев эффективности разработки и внедрения морской робототехники целесообразно рассмотреть следующие основные:

1) степень замены персонала объекта;

2) военно-экономическую эффективность (критерий эффективности - стоимость);

3) степень универсальности (возможность двойного использования);

4) степень стандартизации и унификации (конструктивно-технологический критерий);

5) степень соответствия функциональному назначению (критерий технического совершенства, возможности дальнейшей модернизации, модификации, усовершенствования и интегрирования в другие системы).

Основным условием для разработки и внедрения РТК, систем и их элементов является успешное решение экономических и организационных задач, прежде всего задач разработки и реализации КЦП роботизации МТ и федеральных программ закупок РТК.

Одним из самых сложных и трудоемких процессов при разработке КЦП предполагается составление перечня работ и технологических карт их выполнения (каталогизация работ) для решения задач, в которых необходимо использование робототехнических средств. Каждая типовая операция, проводимая силами ВМФ и других заинтересованных ведомств, должна быть представлена в виде алгоритма, либо набора типовых действий или сценариев. Из полученного набора сценариев должны быть вычленены те, где необходимо использование робототехнических средств. Выбранные сценарии (отдельные операции) должны быть сведены в единый пополняемый реестр работ, предусматривающих использование робо-тотехнических средств. Данный перечень должен иметь строгую иерархическую структуру, отра-

жающую степень важности (первоочередности) данных работ, информацию о частоте или повторяемости их проведения, оценки затрат на разработку и изготовление робототехнических средств для их проведения. Разработанный перечень должен стать исходной информацией для последующего принятия решения о разработке необходимых средств в рамках КЦП.

Концептуальное значение имеет уже известный тезис: многие важные задачи флота могут быть успешно решены, если ориентироваться на групповое использование взаимодействующих относительно недорогих, портативных, малогабаритных роботов, не требующих развитой инфра-

структуры и высококвалифицированного обслуживающего персонала, вместо меньшего числа больших, дорогостоящих, требующих специальных носителей, и тем более обитаемых, подводных, надводных и летательных аппаратов.

Таким образом, роботизация морской техники призвана вывести человека из зоны повышенного риска, повысить функциональные возможности, оперативность и производительность морской техники а также разрешить стратегический конфликт между усложнением и интенсификацией процессов управления и обслуживания техники, и ограниченными возможностями человека.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров, М.Н. Безопасность человека на море [Текст] / М.Н. Александров. -Л.: Судостроение, 1983.

2. Шубин, П.К. Проблема внедрения безлюдных технологий на морские объекты [Текст] / П.К. Шубин // Экстремальная робототехника. Матер. XIII науч.-технич. конф. -СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003. -С. 139-149.

3. Шубин, П.К. Повышение безопасности энергонасыщенных объектов ВМФ средствами робототехники. Актуальные проблемы защиты и безопасности [Текст] / П.К. Шубин // Экстремальная робототехника. Тр. XIV Всерос. науч.-практич. конф. -СПб.: НПО Специальных материалов, 2011. -Т. 5. -С. 127-138.

4. Агеев, М.Д. Автономные подводные роботы. Системы и технологии [Текст] / М.Д. Агеев, Л.В. Киселев, Ю.В. Матвиенко [и др.]; Под. ред. М.Д. Агеева. -М.: Наука, 2005. -398 с.

5. Агеев, М.Д. Необитаемые подводные аппараты военного назначения: Монография [Текст] / М.Д. Агеев, Л.А. Наумов, Г.Ю. Илларионов [и др.]; Под. ред.

М.Д. Агеева. -Владивосток: Дальнаука, 2005. -168 с.

6. Алексеев, Ю.К. Состояние и перспективы развития подводной робототехники. Ч. 1 [Текст] / Ю.К. Алексеев, Е.В. Макаров, В.Ф. Филаретов // Меха-троника. -2002. -№ 2. -С. 16-26.

7. Илларионов, Г.Ю. Угроза из глубины: XXI век [Текст] / Г.Ю. Илларионов, К.С. Сиденко, Л.Ю. Бочаров. -Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 2011. -304 с.

8. Баулин, В. Реализация концепции «Сетецен-трическая война» в ВМС США [Текст] / В. Баулин,

A. Кондратьев // Зарубежное военное обозрение. -2009. -№ 6. -С. 61-67.

9. Морская доктрина Российской Федерации на период до 2020 года (утв. Президентом РФ В.В. Путиным 27 июля 2001 г № Пр-1387).

10. Лопота, В.А. О путях решения некоторых стратегических проблем военной техники [Текст] /

B.А. Лопота, Е.И. Юревич // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. -М., 2003. -Вып. 9-10. -С. 7-9.

Список сокращений.

Введение.

1. Вопросы терминологии и классификации.

2. Исторический экскурс.

2.1. Развитие МРТ за рубежом.

2.2. Развитие отечественной МРТ.

3. Особенности и перспективы применяемых технологий.

3.1. Связь и взаимодействие.

3.2. Навигация.

3.3. Движители.

4. Применение МРТ в военных целях.

5. Применение МРТ при работах на шельфе.

6. Беспроводные сенсорные сети и их применение в море.

7. Сообщества взаимодействующих роботов

8. Морская робототехника + дополненная реальность.

Заключение.

Литература.

Приложения. Приложение 1. «Каталог отечественных и зарубежных ТНПА». Приложение 2. «Каталог отечественных и зарубежных АНПА».

Список сокращений.

АНПА – автономный необитаемый подводный аппарат

ТНПА – телеуправляемый необитаемый подводный аппарат

ИНС – инерциальная навигационная система

ГАНС – гидроакустическая навигационная система

ГАНС ДБ – ГАНС с длинной базой

ГАНС КБ – ГАНС с короткой базой

ГАНС УКБ – ГАНС с ультракороткой базой

НПА – необитаемый подводный аппарат

ППА – приемо-передающая антенна

ОПА – обитаемый подводный аппарат

AR (augmented reality) – дополненная реальность

AUV (autonomous underwater vehicle) – автономный подводный аппарат

ROV (remotely operated vehicle) – дистанционно управляемый аппарат (двигающийся)

SAUV (sun autonomous underwater vehicle) – АНПА на солнечной батарее

UUV (Unmanned Underwater Vehicle) – необитаемый подводный аппарат

USV (Unmanned Surface Vehicle) – необитаемый надводный аппарат

UXV (Unmanned Generic Vehicle) – необитаемый аппарат общего (любого) класса

Введение

Если в детстве вы потеряли иголку в стоге сена, то найдете ее, в лучшем случае, к моменту выхода на пенсию. Но если на решение этой задачи мобилизовать обитателей ближайшего муравейника, то иглу вам принесут через две минуты. Проверено не раз. Если же с муравьями договориться не удалось, то можно привлечь студентов технического вуза, увлеченных робототехникой. Им вполне по силам создать группу миниатюрных устройств, оснащенных магнитными датчиками, способных передвигаться и взаимодействовать друг с другом. Создание роботов, способных взаимодействовать друг с другом в целях наиболее эффективного решения поставленной задачи - это новое направление в развитии робототехники, названное «стайные роботы», апологеты которого обещают прямо таки революцию в решении множества трудоемких задач. О стайных роботах речь пойдет в предпоследней главе нашего обзора. Кстати, если стайных роботов лишить возможности передвигаться, то мы перейдем к другой, тоже перспективной, но предшествующей им по времени, научно-практической теме - к теме беспроводных сенсорных сетей.

На этом направлении уже достигнуты интересные практические результаты. Принципы построения и примеры реализации сетей мы представим в 6-й главе обзора.

Тем временем, пора вспомнить, что наш обзор посвящен применению робототехники именно в море, а не на суше или в поднебесье, т.е. придется представить себе поиск иголки не в стоге сена, а на плантации водорослей, что покажется задачей более трудоемкой. В воде практически не работает Wi-Fi, крайне затруднено распространение электромагнитных волн, сложно использовать оптический канал, т.е. вопросы связи, взаимодействия, навигации, наблюдения и пр. приобретают свою, сугубо морскую специфику. Особенностям реализации связи, взаимодействия, навигации, движителей, сенсоров и манипуляторов в морских роботах посвящена 3-я глава обзора.

Современные робототехнические системы находят применение практически во всех областях подводно-технических работ. Однако главными сферами их применения являются: военная, работы по добыче и транспортировке топливно-сырьевых ресурсов, поисково-спасательные работы и океанологические исследования. С особенностями их использования в этих областях и примерами применения можно ознакомиться в 4 – 5 главах обзора. Именно в этих областях в последние годы достигнут наибольший прогресс в части применения новых технологий связи и навигации подводных аппаратов, оснащения новыми датчиками и манипуляторами, повышения эффективности управления и технического обслуживания. В Приложении представлен каталог современных ТНПА и АНПА.

Так почему же мы не видим на полях страны роботов, ищущих иглы в стогах? Да потому, что никто не ставил перед ними таких задач. Видимо иглы перестали теряться. А если говорить серьезно, то постановка задач, выработка сценариев по использованию робототехники в решении практических проблем, в том числе и с учетом перспектив развития этого направления, является важнейшей организационной задачей. Недаром, в планах Пентагона на ближайшие годы проектам по выработке концепций применения робототехники в армии придается такая же важность, как и проектам по разработке самих роботов. Более того, они имеют приоритет, так как способны придать стимул и определить направление проектирования роботизированных систем. Свои предложения по этому вопросу и другим проблемам развития морской робототехники (МРТ) в России мы представим в Заключении к данному обзору.

Освоение глубин Мирового океана – задача не менее сложная и опасная, чем освоение космического пространства. А по экономической и экологической важности даже более приоритетная. В решении этой задачи морская робототехника призвана играть роль не просто помощника человека, а полноправного участника, так как должна не просто сделать глубины океана более доступными и безопасными для человека, но взвалить на свои плечи основной объем работ по их изучению и освоению.

1. Вопросы терминологии и классификации.

В области морской робототехники пока не выработано единой общепризнанной терминологии. Некоторые специалисты используют словосочетания, где базовым является слово «робот», например: морские роботы, морская робототехника, робототехнические комплексы или системы и пр. Другие стремятся обойтись без термина «робот», упирая на более этимологически внятные словосочетания, например «необитаемый подводный аппарат» (НПА). В данном обзоре мы будем придерживаться терминологии, вышедшей из трудов М.Д Агеева и его коллег по Институту проблем морских технологий ДВО РАН, который он возглавлял с 1988 по 2005г., отдавая дань их вкладу в развитие отечественной морской робототехники. Это такие термины, как «необитаемый подводный аппарат» (НПА), «телеуправляемый необитаемый подводный аппарат» (ТНПА), «автономный необитаемый подводный аппарат» (АНПА) и ряд других. Вместе с тем, в тексте вы встретите и всевозможные «роботизированные» термины, дабы не искажать идей и выводов авторов, использовавших их в своих работах. Как бы там ни было, мы не видим здесь большого противоречия, ведь НПА – это всего лишь аппарат, работающий под водой (или на поверхности моря, или даже над водной гладью – морской беспилотник), а роботизированный комплекс или система – это уже и судно поддержки и м.б. система навигационных маяков, без которых аппарат не может обойтись для выполнения своей миссии. Так что разнообразие в терминологии, мы надеемся, никого не введет в смущение. Все должно быть ясно из контекста.

В зарубежных источниках по данной теме также не наблюдается единообразия. Чаще других используется термин ROV (remotely operated vehicle) – дистанционно управляемый аппарат (двигающийся) или вместо vehicle – vessel, т.е. судно. Используются также такие аббревиатуры, как UUV (Unmanned Underwater Vehicle) – необитаемый подводный аппарат, USV (Unmanned Surface Vehicle) – необитаемый надводный аппарат, UXV (Unmanned Generic Vehicle) – необитаемый аппарат общего (любого) класса и пр. При этом авторами допускается весьма вольное толкование этих терминов, особенно ROV. Встречаются и другие, близкие по семантике, термины и аббревиатуры, на которых мы не будем сейчас заострять внимание. В любом случае вы всегда сможете воспользоваться разделом «Список сокращений» данного обзора.

Классификация.

Классификация в любом научном направлении является концептуальным вопросом как в части взаимодействия специалистов, так и в плане развития этого направления. Разнообразие созданных в мире НПА затрудняет их строгую классификацию. Тем не менее, предложены некоторые классификационные схемы, на которые можно опираться.

Во-первых, общеизвестно разделение подводных аппаратов на обитаемые и необитаемые – ОПА и НПА. Обитаемые аппараты могут быть гипербарическими и нормобарическими (прочный корпус защищает гидронавтов от давления воды). Далее эти две подгруппы делятся на автономные и привязные.

Необитаемые аппараты, в первую очередь разделяются на телеуправляемые и автономные.

Чаще всего в качестве классификационных признаков морских РТК (НПА) используют массу, габариты, автономность, способ передвижения, наличие плавучести, рабочую глубину, схему развертывания, назначение, функциональные и конструктивные особенности, стоимость и некоторые другие .

Классификация по массогабаритным характеристикам:

  • - микроПА (ПМА), масса (сухая) - мини-ПА, масса 20–100 кг, дальность плавания от 0,5 до 4000 морских миль, оперативная глубина до 2000 м;
  • - малые НПА, масса 100–500 кг. В настоящее время ПА этого класса составляют 15–20 % и находят широкое применение при решении различных задач на глубинах до 1500 м;
  • - средние НПА, масса более 500 кг, но менее 2000 кг;
  • - большие НПА, масса > 2000 кг.

Классификация по особенностям формы несущей конструкции:

  • - классической формы (цилиндрической, конической и сферической);
  • - бионические (плавающего и ползающего типов);
  • - планерной (самолетной) формы;
  • - с солнечной панелью на верхней части корпуса (плоские формы);
  • - ползающие НПА на гусеничной базе;
  • - змеевидной формы.

Классификация морских РТК (НПА) по степени автономности.

АНПА должен отвечать трем основным условиям автономности: механической, энергетической и информационной.

Механическая автономность предполагает отсутствие какой-либо механической связи в виде кабеля, троса или шланга, связывающих ПА с судном-носителем либо с донной станцией или береговой базой.

Энергетическая автономность предполагает наличие на борту ПА источника питания в виде, например, аккумуляторных батарей, топливных элементов, ядерного реактора, двигателя внутреннего сгорания с замкнутым рабочим циклом и т. п.

Информационная автономность НПА предполагает отсутствие информационного обмена между аппаратом и судном-носителем, либо донной станцией или береговой базой. При этом НПА должен иметь и автономную инерциальную навигационную систему.

Классификация морских РТК (НПА) по информационному принципу для соответствующего поколения НПА.

Морские автономные РТК ВН (АНПА) первого поколения функционируют по заранее заданной жесткой неизменяемой программе. Дистанционно управляемые (ДУ) НПА первого поколения управляются по разомкнутому контуру. В этих простейших устройствах команды управления подаются непосредственно в движительный комплекс без использования автоматических обратных связей.

АНПА второго поколения имеют разветвленную сенсорную систему. Второе поколение ДУНПА предполагает наличие автоматических обратных связей по координатам состояния объекта управления: высоте над дном, глубине погружения, скорости, угловым координатам и т. п. Эти очередные координаты сравниваются в автопилоте с заданными, определяемыми оператором.

АНПА третьего поколения будут обладать элементами искусственного интеллекта: возможностью самостоятельного принятия несложных решений в рамках общей поставленной перед ними задачи; элементами скусственного зрения с возможностью автоматического распознавания простых образов; возможностью к элементарному самообучению с пополнением собственной базы знаний. ДУНПА третьего поколения управляются оператором в интерактивном режиме. Система супервизорного управления предполагает уже некую иерархию, состоящую из верхнего уровня, реализуемого в ЭВМ судна-носителя, и нижнего уровня, реализуемого на борту подводного модуля.

В зависимости от глубины погружения обычно рассматривают: мелководные НПА с рабочей глубиной погружения до 100 м, НПА для работ на шельфе (300–600 м), аппараты средних глубин (до 2000 м) и НПА больших и предельных глубин (6000 м и более).

В зависимости от типа движительной установки можно различать НПА с традиционной винторулевой группой, НПА с движительной установкой на бионических принципах, с водометными движителями и АНПА – планеры с движительной системой, использующей изменение дифферента и плавучести . В свою очередь, винторулевые НПА разделяются на электрические и электрогидравлические. Особенности различных движителей рассмотрены в разделе 3.3.

Кроме того в ряде работ НПА разделяют на осмотровые и рабочие. В первую очередь это относится к ТНПА. Под осмотровыми ТНПА подразумевают легкие и средние аппараты, предназначенные для осмотра, подводной съемки, исследований с помощью различных датчиков, а под рабочими – тяжелые, весом до нескольких тонн, ТНПА, предназначенные для выполнения работ с помощью манипуляторов и различных инструментов, а также для подъема грузов. В работе приводится следующая классификационная таблица ТНПА.

В этой классификации никак не отражены новые веяния в части бесконтактных сенсорных сетей («умный планктон») и стайных роботов, но это, видимо, дело ближайшего будущего. Когда появятся примеры воплощения этих технологий в реальных морских проектах, тогда и классификация сумеет подстроиться.

В настоящем обзоре мы в равной степени уделяем внимание ТНПА и АНПА. У каждого из этих видов морской робототехники есть своя специфическая сфера применения, что напрямую связано с характерными для каждого вида достоинствами и недостатками. Главное достоинство ТНПА в том, что он связан кабелем с судном поддержки, т.е. энергетически и информационно полностью обеспечен. Он может работать под водой сколь угодно долго, оперативно управляться оператором с борта несущего судна, и нести на себе большой груз – инструменты, мощные манипуляторы, осветительную аппаратуру. По сути ТНПА можно отнести к робототехнике только с большой натяжкой, скорее, это дистанционно управляемый инструментальный комплекс. ТНПА выполняют наибольший объем осмотрово-поисковых, спасательных, ремонтных и строительных работ. Вместе с тем, жесткая привязка к судну-носителю является и главным недостатком ТНПА, не позволяющим им выполнять функции, связанные с автономной работой, например, скрытная разведка, диверсии, проникновение в пространства, где внешний кабель стал бы помехой. Да и сеть датчиков или подвижных аппаратов для работы на больших площадях из ТНПА не построишь. Поэтому и у АНПА есть своя довольно обширная сфера деятельности. К сожалению, у АНПА есть, как минимум два серьезных недостатка. Это подводная связь и ограниченный энергетический ресурс, да и подводная навигация оставляет желать лучшего. Научные работы по решению этих проблем ведутся достаточно активно, о чем будет рассказано в соответствующих разделах обзора, и если они принесут практические результаты, то это придаст мощный дополнительный стимул развитию морской робототехнике.

2. Исторический экскурс.

2.1. Развитие МРТ за рубежом.

Началом производства и использования необитаемых подводных аппаратов за рубежом можно считать конец 50-х, начало 60-х годов прошлого века, когда ВМС США всерьез взялись за развитие данного направления.

Так в начале 60-х годов была создана очень удачная модель ТНПА, которую можно считать прообразом всех современных привязных подводных аппаратов. Аппарат назывался Cable-Controlled Underwater Research Vehicle (CURV) и имел трубчатую раму с четырьмя торпедообразными плавучестями и общей длиной 3,3 м, шириной и высотой по 1,2 м. Движительный комплекс состоял из трех двигателей мощностью по 10 л.с. На борту находились: гидролокатор и гидрофон, ТВ-камера и светильники, а также фотокамера под пленку 35 мм. CURV был оборудован 7-функциональным манипулятором со схватом, позволяющим захватить крупные предметы цилиндрической формы. Все приводы, в том числе и двигателей, были гидравлическими . Глубина погружения CURV составляла 600 м. В последствии были созданы модификации CURV II и CURV III с глубиной погружения до 6000 м. CURV и его модификации подняли со дна сотни торпед, участвовали в поисково-спасательных операциях. Одна из таких операция состояла в поиске и подъеме водородной бомбы с глубины 869 м в районе Паломареса (Испания) в 1966г.

В 70-е годы к созданию необитаемых подводных аппаратов активно подключились Великобритания и Франция, а с конца 70-х и особенно в 80-е годы в гонку активно включились Германия, Норвегия, Канада, Япония, Голландия, Швеция. И если изначально производство НПА финансировалось государством, а использование ограничивалось, в основном, военной сферой, то уже в 80-е годы основной объем их производства стал приходиться на коммерческие компании, а сфера применения распространилась в область бизнеса и науки. Это было связано, в первую очередь, с интенсивным освоением шельфовых месторождений нефти и газа.

В 90-е годы НПА перешли барьер глубины в 6000 м. Японский ТНПА JAMSTEC Kaiko достиг в Марианской впадине глубины 10 909 м. В 2008г. военно-морской флот США начал замену спасательных систем, управляемых пилотом, на модульные системы, основанные на необитаемых дистанционно управляемых аппаратах.

Появление на рынке большого разнообразия моделей НПА привело к активному поиску новых сфер их применения, а это, в свою очередь, нашло отклик со стороны разработчиков и производителей НПА. Такой взаимообразный процесс, стимулирующий развитие данного направления, происходит и сейчас. В настоящее время на зарубежном рынке морской робототехники функционирует более 500 компаний-производителей НПА из самых разных стран, включая даже такие, как Исландия, Иран и Хорватия.

2.2. Развитие отечественной МРТ.

В нашей стране создание необитаемых подводных аппаратов началось примерно в те же годы, что и за рубежом. В Институте океанологии в 1963г. началась разработка, а в 1968г. появились ТНПА «КРАБ» и «Манта 0,2», оснащенные телекамерой и манипулятором.

Существенный вклад в развитие морской робототехники в разное время внесли такие организации, как:

  • - Институт проблем морских технологий ДВО РАН (ИПМТ ДВО РАН);
  • - Институт океанологии РАН им. Ширшова;
  • - МВТУ им. Баумана;
  • - Институт механики МГУ;
  • - ЦНИИ «Гидроприбор»;
  • - Ленинградский политехнический институт;
  • - Инженерный центр «Глубина»;
  • - ЗАО «Интершельф-СТМ»;
  • - ГНЦ «Южморгеология»;
  • - ООО «Индэл-Партнер»;
  • - ФГУП «ОКБ Океанологической техники РАН».

В настоящее время активно работает на российском рынке ОАО «Тетис Про», предоставляющее российским потребителям продукцию ведущих зарубежных производителей, осуществляющее их локализацию и техническую поддержку.

Институт проблем морских технологий ДВО РАН был создан в 1988г. на базе отдела подводных технических средств ИАПУ ДВНЦ АН СССР.

В разное время в институте были созданы АНПА «Скат», «Скат-гео», «Л-1», «Л-2», «МТ-88», «Тифлонус», «ОКРО-6000», «CR-01А», «Клавесин», малогабаритный «Пилигрим», АНПА на солнечных батареях (САНПА); ТНПА серии «МАКС» (малогабаритный аппарат с кабельной связью). Всего за период 1974-2010гг. было создано более 20 необитаемых подводных аппаратов различного назначения.

Аппараты, созданные в институте, использовались в спасательных операциях, для поиска затонувших объектов, обследования подводных сооружений: трубопроводов, опор платформ и причальных сооружений. Уникальная операция в Саргасовом море по поиску и обследованию атомной ПЛ «К-219», затонувшей в 1987г. на глубине 5500 м, была первой в мире глубоководной операцией, осуществленной исключительно автономным необитаемым подводным аппаратом («Л-2»). Созданный робототехнический комплекс использовался для обследования района гибели АПЛ "К-8" в северной Атлантике и при поиске пассажирского южно-корейского самолета в районе о. Сахалин. В 1989 г. аппарат "Л-2" участвовал в проведении поисково-спасательных работ в Норвежском море в районе аварии АПЛ "К-287" ("Комсомолец").

В 1990г. АНПА «МТ-88» получил в Сан-Диего (США) международный диплом INTERVENTION/ROV"90 первой степени за лучшую работу года и вклад в прогресс мировой подводной робототехники.

В институте океанологии , как уже было сказано выше были созданы первые отечественные ТНПА серий «КРАБ» и «Манта».

В МВТУ им. Баумана исследования по созданию подводной техники начались еще в конце 60-х годов на кафедре СМ-7. И по сей день кафедры «Океанотехника» и «Подводные роботы и аппараты» готовят специалистов по разработке подводных аппаратов. В инженерном центре «Глубина» совместно с преподавателями и студентами кафедры «Подводные роботы и аппараты» был создан многофункциональный ТНПА «Калан». Кстати, Инженерный центр «Глубина» в начале 90-х разработал еще один малогабаритный осмотровый ТНПА «Белёк».

ЦНИИ «Гидроприбор» отметился разработкой ТНПА «ТПА-150», «ТПА-200» и «Рапан». Однако, в процессе эксплуатации в «Рапане» был выявлен ряд недостатков и его использование было прекращено.

В 1990г. на рынке появилась ленинградская фирма ЗАО «Интершельф-СТМ» со своими разработками ТНПА, которыми в последствии были оснащены суда «Экопатруль». В 1998г. эта организация по заказу компании Exxon выполнила работы по исследованию больших участков дна в рамках проекта разработки шельфовых нефтегазовых месторождений.

ГНЦ «Южморгеология» базируется на побережье Черного моря, в 40 км от Новороссийска. Эта организация является разработчиком и обладателем трех ТНПА «RT-1000 PLI», «PTM 500» и «PT 6000M».

С помощью этих аппаратов был выполнен целый ряд подводно-технических работ: поиск захоронений химического и бактериологического оружия в Балтийском море, осмотр нефтяных трубопроводов, осмотр выпускных коллекторов очистных сооружений и пирсовых сооружений порта в Черном море, работа на затонувших объектах - «Адмирал Нахимов» и АПРК «Курск», осмотр прибрежной части подводного трубопровода «Голубой поток», поиск и подъем черных ящиков аэробуса А-320, потерпевшего катастрофу под г.Сочи и ряд других работ.

ООО «Индэл-Партнер» , образованное в 2001г. хорошо известно, благодаря своим миниатюрным и недорогим (3-7 тыс. долл.) ТНПА осмотрового класса серий ГНОМ и «Обзор». Эти аппараты широко используются для подводных съемок, наблюдения за рыбами и обитателями дна, осмотра затонувших судов и поиска различных объектов. ГНОМы закуплены и успешно эксплуатируются службами МЧС РФ, Генпрокуратуры РФ, Росэнергоатома, крупными нефтяными и газовыми компаниями, водолазами и дайверами.

ФГУП «ОКБ Океанологической техники РАН» - еще один известный производитель разнообразной подводной техники, в 2006г. разработал и произвел многоцелевой ТНПА рабочего класса ROSUB 6000 с глубиной погружения до 6000 м. Вес аппарата -2500 кг, полезная нагрузка -150 кг.

ОАО «Тетис Про» . В 2010 году спасательные силы Черноморского флота России приняли на вооружение новый телеуправляемый автономный необитаемый подводный аппарат "Обзор-600", созданный российской компанией "Тетис-ПРО". Ранее российский флот использовал АНПА британского производства. Речь идет об аппаратах Tiger и Pantera+ производства компании Seaeye Marine. "Обзор-600" относится к классу малых АНПА и способен работать на глубине до 600 метров. Масса аппарата составляет 15 килограммов. "Обзор-600" оснащен манипуляторами, которые позволяют осуществлять захват груза массой до 20 килограммов. Благодаря небольшим размерам, АНПА может проникать в сложные или узкие конструкции под водой.

3. Особенности и перспективы применяемых технологий.

3.1. Связь и взаимодействие.

Очевидно, что в данном разделе речь пойдет исключительно о связи и взаимодействии автономных подводных аппаратов (АНПА), т.к. ТНПА связаны с судном поддержки по кабелю, а поверхностные аппараты - по радиоканалу. В связи с тем, что электромагнитные волны в воде быстро затухают, связь по радиоканалу в диапазоне КВ и УКВ возможна частично только на перископной глубине. Подводным роботам, призванным к работе на глубине это не интересно. Исследования, проводившиеся, в первую очередь, в интересах военного подводного флота, показали, что из известных в природе физических полей наибольший интерес для решения проблемы связи с подводными объектами представляют:

  • - акустические волны;
  • - электромагнитные поля в диапазоне сверхнизких (СНЧ) и крайне низких частот (КНЧ), иногда их именуют чрезвычайно низкими частотами (ЧНЧ);
  • - сейсмические волны;
  • - оптическое (лазерное) излучение (в сине-зеленом диапазоне);
  • - нейтринные пучки и гравитационные поля.

Было решено, что резервная связь с ПЛ, находящимися под водой в любой точке мирового океана наиболее реальна с помощью антенн, излучающих сверхдлинные волны . Были построены многокилометровые антенны в США, в районе Великих озер и у нас на Кольском полуострове.

В диапазоне КНЧ возможна односторонняя посылка сообщения и его прием в любой точке океана, но … одного короткого слова в течение … 5-20 минут. Понятно, что такая односторонняя связь может использоваться только как резервная, для передачи, например, экстренной команды «всплыть и связаться с центром любым доступным образом».

Поэтому на сегодняшний день единственным способом связи НПА с поверхностью или с другими подводными аппаратами является акустическая связь в низкочастотном диапазоне. В качестве примера можно привести акустический приёмо/передающий модем LinkQuest UWM 4000 для подводной связи фирмы LinkQuest.

На сегодняшний день это одно из наиболее совершенных и востребованных изделий, благодаря: усовершенствованной схеме модуляции для улучшения отношения сигнал-шум; стабилизации канала связи для борьбы с множественным переотражением сигнала; кодированию с коррекцией ошибок; автоматической адаптации скорости передачи для борьбы с изменяющейся шумовой обстановкой в окружающей среде.

Однако, и на такой скорости невозможно передавать значительные объемы информации. Можно только передавать команды или обмениваться небольшими файлами. Чтобы передать фото- или видеоизображение, или перекачать в центр обработки массив накопленных данных, АНПА необходимо всплыть и воспользоваться радио или спутниковой связью. Для этого на борту большинства современных аппаратов (кроме специализированных донных сетевых датчиков) имеются необходимые средства связи.

Так, например, в АНПА Gavia модуль связи и управления обладает следующими возможностями:

  • - беспроводная локальная вычислительная сеть
  • (Wi-Fi IEEE 802.11g) дальность действия - 300м (оптимальная дальность - 150 м);
  • - спутниковая связь: Iridium;
  • - гидроакустическая система связи для получения статусных сообщений системы, дальность действия - 1200 м;
  • - извлечение данных: проводная локальная вычислительная сеть (Ethernet) или беспроводная локальная вычислительная Wi-Fi.

Подводная оптическая связь.

По сравнению с воздухом, вода непрозрачна для большей части спектра электромагнитных волн, за исключением видимого диапазона. Более того, в самых чистых водах свет проникает вглубь лишь на несколько сотен метров. Поэтому в настоящее время под водой используется акустическая связь. Акустические системы передают информацию на достаточно большие расстояния, но все же отстают по времени передачи из-за относительно малой скорости распространения звука в воде.

Ученые и инженеры из Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) разработали оптическую систему передачи информации, которая компонуется с уже существующей акустической системой. Такой способ позволит передавать данные со скоростью до 10-20 мегабит в секунду на расстояние 100 метров, используя маломощную батарею и недорогие приемник и передатчик. Изобретение позволит подводным аппаратам, оборудованным всеми необходимыми для этого устройствами, передавать на поверхность воды мгновенные сообщения и видео в режиме реального времени. Отчет компании был представлен 23 февраля 2010 года на собрании Ocean Sciences Meeting в Портленде (Portland Ore). Когда же судно уходит на такую глубину, когда оптическая система уже не работает, вступает акустика.

Материал о результатах испытаний этой технологии появился на сайте WHOI только в июле 2012 года. Видимо, создатели так долго решали какие-то коммерческие вопросы или вопросы авторских прав. Сообщалось, что в оптическом модеме использовался голубой свет, т.к. другие световые волны хуже распространяются в воде, и была осуществлена передача видео изображения со дна моря в режиме, «близком к реальному времени», на расстояние до 200 метров. Также сообщалось, что создатели технологии образовали альянс с компанией Sonardyne для коммерческого продвижения своего продукта, который назвали BlueComm .

Для справки приведем основные базовые сведения по беспроводной оптической связи в воздухе.

Технология беспроводной оптики (Free Space Optics-- FSO) известна достаточно давно: первые эксперименты по передаче данных с помощью беспроводных оптических устройств были проведены более 30 лет назад. Однако ее быстрое развитие началось с начала 1990-х гг. с появлением широкополосных сетей передачи данных. Первые системы производства компаний A.T.Schindler, Jolt и SilCom обеспечивали передачу данных на расстояния до 500 м и использовали инфракрасные полупроводниковые диоды. Прогресс подобных систем сдерживался в основном из-за отсутствия надежных, мощных и "скорострельных" источников излучения.

В настоящее время такие источники появились. Современная технология FSO поддерживает соединения до уровня ОС-48 (2,5 Гбит/c) с максимальной дальностью до 10 км, а некоторые производители заявляют о скорости передачи данных до 10 Гбит/с и расстояниях до 50 км. При этом на показатель реальной максимальной дальности оказывает влияние доступности канала, то есть процента времени, когда канал работает.

Скорости передачи данных, обеспечиваемые системами FSO, примерно такие же, как и у волоконно-оптических сетей, поэтому они наиболее востребованы в широкополосных приложениях на участке "последней мили". Беспроводные оптические системы используют диапазон инфракрасного излучения от 400 до 1400 нм.

Идеология построения систем беспроводной оптики основана на том, что оптический канал связи имитирует отрезок кабеля. Такой подход не требует дополнительных протоколов связи или их модификации

Оптическим системам присущи определенные характеристики, которые делают их довольно востребованными на рынке:

  • хорошая защищенность канала от несанкционированного доступа. Несанкционированный съем передаваемой информации возможен только тогда, когда приемник сигнала размещается непосредственно перед передатчиком, что неизбежно приводит к перерывам связи в основном канале и регистрации такой попытки. Оптические системы можно использовать при организации канала для приложений, требующих высокого уровня безопасности (в военные целях, в банковской сфере и.т.д.);
  • значительные информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с) обеспечивают возможность устойчивого криптографирования с высоким уровнем избыточности;
  • высокая помехозащищенность канала. В отличие от радиоустройств и модемов для выделенных линий оптические системы не восприимчивы к помехам и электромагнитному шуму; для организации канала не требуется получение разрешений на частоту, что существенно удешевляет и ускоряет создание сети. Для применения таких устройств достаточно гигиенического сертификата, а в случае их использования в сетях общего пользования -- еще и сертификата системы "Электросвязь".

Построение всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Следует отметить, что с ужесточением требований к качеству канала дальность связи снижается. Вторые обеспечивают существенно меньшую дальность передачи, хотя по мере развития технологии дальность и скорость связи возрастают. .

3.2. Средства навигации.

История морской навигации уходит в глубь веков. Еще древние мореплаватели ориентировались по береговым маркерам, а вдали от берега - по звездам. Да, так можно найти путь домой, но для поисковых работ, где требуется точное позиционирование как объекта поиска на дне моря, так и своих собственных координат под водой, нужны принципиально иные методы навигации. Несмотря на технический прогресс, еще совсем недавно, полвека назад, средства навигации не обеспечивали необходимой точности позиционирования под водой. Из воспоминаний американских специалистов - поисковиков известно о трудностях, с которыми они столкнулись в 1963 году, когда на глубине 2560 м. затонула американская подлодка «Трешер», а в 1966 году у берегов Испании была потеряна водородная бомба. Точность подводного позиционирования не могла обеспечить точного повторного выхода к затонувшему объекту. Именно эти и подобные им инциденты привели к активному исследованию и разработке методов гидроакустического позиционирования. В дальнейшем, появление спутниковых навигационных систем еще больше усилили возможности навигации на море.

В настоящее время навигационные комплексы НПА включают:

  • - спутниковые системы;
  • - гидроакустические;
  • - бортовые автономные.

Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS (+ в перспективе Galileo) обеспечивают возможность быстрого и высокоточного определения координат морского объекта, синхронизации в пространстве взаимного положения различных объектов, определения скорости и направления движения объектов в реальном времени. С учетом широкозонных дополнений, таких как американская WAAS, европейская EGNOS, японская MSAS, точность позиционирования на поверхности моря может достигать 1-2 м. Однако, когда НПА погружается под воду, связь со спутником прекращается. Тогда положение НПА определяется методом «счисления пути» посредством бортовых навигационных средств (компаса, датчиков скорости, датчика глубины, гироскопов), либо с помощью гидроакустического позиционирования.

Гидроакустическая навигационная система позиционирования (ГАНС) представляет собой систему, состоящую из нескольких стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне и сопровождающем судне, маяка-ответчика на НПА и узла обработки информации. Впрочем, используются и другие способы размещения маяков. В зависимости от этого различают ГАНС с длинной базой (ГАНС ДБ), ГАНС с короткой базой (ГАНС КБ), ГАНС с ультракороткой базой (ГАНС УКБ), их комбинации и комбинации со спутниковой навигацией.

ГАНС ДБ используют несколько маяков (транспондеров) с установленными на них акустическими приемопередатчиками. Эти маяки, расположенные в местах с известными географическими координатами, излучают звуковые волны, позволяя НПА определять дистанцию до них. Для работы системы в заданном районе необходимо использовать как минимум три акустических маяка. НПА производит триангуляцию для вычисления собственного положения относительно них. Для построения ГАНС ДБ используются три или более маяков, стационарно устанавливаемых на морском дне, на расстоянии примерно 500 метров друг от друга. Достоинства таких систем - высокая точность определения координат (субметровая точность), отсутствие влияния на точность волнения моря, неограниченная глубина использования. Недостатки - необходимость точной выставки маяков на морском дне, необходимость подъема их по окончании работ. Основное применение ГАНС ДБ - длительные работы по обследованию каких-либо подводных объектов, строительство и эксплуатация нефтедобывающих платформ, прокладка трубопроводов.

ГАНС УКБ работает на принципе определения координат маяка - ответчика по дистанции и углу. Дальность действия таких систем доходит до 4000 м. Обычно при работах до 1000 м точность определения координат не хуже 10 м. Этого достаточно для определения местоположения НПА, однако недостаточно для выполнения сложных подводных работ по бурению или строительству.

К достоинствам таких систем относят их сравнительно небольшую стоимость и мобильность. Их можно использовать практически на любом судне, вплоть до резиновой лодки, крепя приемо-передающую антенну (ППА) на штанге. К недостаткам относится высокая степень влияния качки на точность и работоспособность системы.

Примером ГАНС УКБ может служить ГАНС TrackLink 1500 американской компании LinkQuest, которая представляет собой портативную переносную систему, способную работать с любых типов судов-носителей и небольших катеров. Несколько десятков приёмо-передающих элементов конструктивно объединены в едином корпусе, который может опускаться в воду непосредственно с борта судна-носителя. Такое построение, с одной стороны, позволяет достичь высокой точности позиционирования, а с другой стороны, снизить массогабаритные размеры системы и время подготовки её к работе, что является немаловажным при проведении поисково-спасательных операций. При выполнении подводных работ, требующих высокоточного позиционирования, например прокладке и обследовании трубопроводов, строительстве гидротехнических сооружений и нефтяных платформ и т.п., рекомендуется стационарно закреплять ППА на специальной штанге для спуска с борта или монтировать выдвижную штангу в корпусе судна. Такой способ крепления обеспечивает стабильное положение ППА относительно судна-носителя, особенно при работе на сильном волнении и течениях.

Для установки на подводные объекты в состав ГАНС входят различные типы маяков-ответчиков, унифицированные по массогабаритным размерам и времени непрерывной работы. Питание маяков осуществляется от встроенных аккумуляторов или от бортовой сети подводных объектов. Использование современных технологии в производстве аккумуляторов питания обеспечивает длительную работу маяков-ответчиков в активном режиме. При длительном отсутствии сигналов-запросов с ППА маяк-ответчик автоматически переходит в режим ожидания для экономии ресурса аккумуляторов. Такой алгоритм работы обеспечивает длительное (до нескольких месяцев) нахождение маяка-ответчика под водой.

Обработка всех сигналов с ППА производится в надводном блоке управления и отображения, который представляет собой стационарный компьютер или ноутбук. В отличие от большинства аналогичных систем, предлагаемых на рынке, кабель данных с ППА подсоединяется непосредственно к последовательному порту компьютера (ноутбука). Математическая и графическая обработка данных осуществляется с помощью специального программного обеспечения. На экране монитора в реальном масштабе времени выводятся текущие координаты подводных объектов, параметры и траектория их движения относительно судна-носителя. Программное обеспечение имеет возможность дополнительно обрабатывать и выводить на монитор данные с навигационной системы GPS и внешнего датчика качки. Данные приборы подключаются к ноутбуку через последовательный порт или блок сопряжения.

Компания-производитель LinkQuest предлагает специальную модификацию ГАНС TrackLink 1500LC для работы с миниатюрными телеуправляемыми подводными аппаратами типа «СиБотикс». Такая система имеет специальную гидроакустическую антенну с защитой от поверхностных шумов способную работать с малых катеров или лодок и небольшой маяк-ответчик (вес в воде менее 200 г). Технические возможности системы позволяют осуществлять позиционирование подводного аппарата во всём диапазоне рабочих глубин.

В состав комплекта ГАНС TrackLink 1500 входит:

  • гидроакустическая антенна с кабелем 20 метров;
  • маяк-ответчик (в зависимости от типа подводного объекта) с зарядным устройством;
  • ноутбук с установленным программным обеспечением;
  • транспортировочный кейс;
  • комплект ЗИП.

Дополнительно могут поставляться:

  • до 8-ми маяков-ответчиков;
  • навигационная система GPS (DGPS);
  • внешний датчик качки.

Системы с короткой базой (ГАНС КБ) имеют несколько разнесенных друг от друга гидрофонов, расположенных в нижней части судна-носителя. Блок обработки, используя гидроакустические сигналы дистанции маяка-ответчика, выдает координаты подводного объекта в реальном масштабе времени. Достоинства такой системы - мобильность и достаточно высокая точность (около метра). Рабочая глубина ограничена 1000 м. Недостатки - требования к минимальной длине судна-носителя. Необходимость точной калибровки системы, большая чувствительность к волнению моря. В последнее время эти системы вытесняются более простыми и совершенными УКБ системами.

В последние годы на рынке систем позиционирования появилась принципиально новая гибридная система, которая использует принципы построения ГАНС ДБ и КБ типа с одновременным сопоставлением координат по сигналам от DGPS (дифференциальной GPS). Рассмотрим такую систему на примере.

Система гидроакустического позиционирования «GIB» (от английского GPS Intelligent Buoys) французской компании «ACSA» предназначена для определения текущих координат подводных объектов с большой точностью. В основе работы системы используется принцип определения координат подводного объекта относительно нескольких надводных плавающих буёв, местоположение которых в свою очередь определяется с помощью системы глобального позиционирования GPS или ГЛОНАСС. Плавающий буй состоит из гидроакустического приёмника (гидрофона) и приёмника GPS. На подводном аппарате устанавливается гидроакустический маяк с определённой частотой сигнала. Каждый буй определяет с помощью гидрофона пеленг и дистанцию до гидроакустического маяка. Одновременно, в строгой синхронизации по времени, полученным значениям приписываются текущие географические координаты буя. Все полученные данные в реальном масштабе времени пересылаются по радиомодему на пост слежения, расположенный на борту судна или на берегу. Специальное программное обеспечение с помощью математической обработки вычисляет реальные географические координаты подводного объекта, скорость и направление его движения. Все исходные и рассчитанные параметры сохраняются для последующей обработки, одновременно на экране монитора поста слежения выводится местоположение и траектория движения подводного объекта или объектов, судна-носителя и плавающих буев. Параметры и траектории движения могут отображаться либо в относительных координатах, например, относительно судна-носителя, либо в абсолютных географических координатах с нанесением непосредственно на электронную карту района проведения подводных работ. При выполнении работ по обнаружению и подъёму фрагментов затонувших объектов гидрофоны, установленные на буях определяют также пеленг и дистанцию до гидроакустического маяка, затонувшего объекта. Координаты и глубина маяка отображаются на электронной карте поста слежения, и оператор может направлять подводные аппараты или водолазов к объекту, ориентируясь по данным, выводимым на мониторе. - http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3469HYPERLINK "http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3469&tbl=02.04"&HYPERLINK "http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3469&tbl=02.04"tbl=02.04

Благодаря своей мобильности, высокой скорости развертывания и нетребовательности к типу судна обеспечения, такая система идеальна для выполнения спасательных и поисковых работ. Специальный модуль, прилагаемый к данной системе, позволяет пеленговать акустические сигналы с черных ящиков потерпевших аварию самолетов или вертолетов и осуществлять вывод на них водолазов или подводных аппаратов.

Бортовые автономные средства навигации включают в себя: навигационно-пилотажные датчики (глубиномер, магнитный и гироскопический компасы, датчики крена и дифферента, измерители относительной и абсолютной скорости - индукционный и доплеровский лаги, датчики угловых скоростей) и инерциальную навигационную систему (ИНС), построенную на основе акселерометров и лазерных или оптоволоконных гироскопов. ИНС измеряет перемещения и ускорения НПА по трем осям и формирует данные для определения его географических координат, угловой ориентации, линейных и угловых скоростей.

В заключение приведем пример навигационной системы автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) GAVIA . Навигационный комплекс состоит из бортовой, гидроакустической, спутниковой навигационных систем:

- DGPS приемник с приемом поправок WAAS / EGNOS

- 3-осевой индукционный компас, датчик ориентации с углом охвата 360°, датчики ускорений

- ИНС с доплеровским лагом

- Гидроакустическая навигационная система с длинной и ультракороткой базой.

Бортовая система представляет собой комплексированную доплер-инерциальную систему, состоящую из высокоточной бесплатформенной инерциальной навигационной системы (ИНС) с лазерными гироскопами. ИНС корректируется данными доплеровского лага, который измеряет скорость аппарата над грунтом или относительно воды.

Использование данных о высоте над грунтом, предоставляемых доплеровским лагом, позволяет АНПА выдерживать глубины, необходимые для выполнения съемки ГБО или фотографической съемки. Для получения позиции в надводном положении используется приемник DGPS. Гидроакустическая навигационная система обеспечивает определение АНПА с установленным маяком-ответчиком относительно приемо-передающей антенны, либо относительно установленных на дне маяков, излучающих сигналы в окружающую среду.

В ближайшие годы, по нашему мнению, вполне вероятно появление нового метода навигации, основанного на применении технологии «дополненной реальности». Средства, реализующие данный метод, могут быть очень эффективными при позиционировании АНПА в условиях закрытых пространств, таких как интерьер затонувших судов, трубопроводов, бассейнов, а также в условиях сложных рельефов дна, расщелин, фьордов, гавань. Об этом методе вы можете прочитать в разделе 8. «Морская робототехника + доп. реальность».

Статью "20.07.2013. Развитие морской робототехники в России и за рубежом" Вы можете обсудить на

Подводные боевые роботы и средства доставки ядерного боеприпаса

С появлением беспилотных воздушных разведчиков стали развиваться беспилотные ударные комплексы. По этому же пути идет развитие автономных подводных систем роботов, станций и торпед.

Военный эксперт Дмитрий Литовкин заявил, что Минобороны активно внедряет : «Морские роботы внедряются в войска наряду с сухопутными и воздушными. Сейчас главная задача подводных аппаратов заключается в разведке, передаче сигнала для нанесения ударов по выявленным целям».

ЦКБ «Рубин» разработал концепт-проект роботизированного комплекса «Суррогат» для ВМС России, передает ТАСС. Как рассказал генеральный директор ЦКБ «Рубин» Игорь Вильнит, длина «безэкипажной» лодки составляет 17 метров, а водоизмещение - около 40 тонн. Сравнительно большие размеры и возможность нести буксируемые антенны различного назначения позволят реалистично воспроизвести физические поля подлодки, имитируя тем самым присутствие реальной БПЛ. В новом устройстве предусмотрены также функции картографирования местности и разведки.

Новый аппарат снизит стоимость учений, которые проводит ВМФ с боевыми субмаринами, а также позволит эффективнее проводить мероприятия дезинформации потенциального противника. Предполагается, что аппарат сможет преодолевать 600 миль (1,1 тыс. километров) при скорости в 5 узлов (9 км/ч). Модульная конструкция беспилотника позволит менять его функциональность: “Суррогат” сможет имитировать как неатомную, так и атомную подводную лодку. Максимальная скорость робота должна превышать 24 узла (44 км/ч), а предельная глубина погружения составит 600 метров. ВМФ планирует закупить подобную технику в большом количестве.

«Суррогат» продолжает линейку роботов, среди которых хорошо зарекомендовало себя изделие «Клавесин»

Аппарат «Клавесин» различных модификаций уже более пяти лет стоит на вооружении ВМФ и используется в исследовательских и разведывательных целях, включая съемку и картографирование морского дна, поиск затонувших объектов.

Этот комплекс внешне напоминает торпеду. Длина «Клавесина-1Р» составляет 5,8 метра, масса в воздухе - 2,5 тонны, глубина погружения - 6 тыс. метров. Аккумуляторные батареи робота позволяют без использования дополнительных ресурсов пройти расстояние до 300 километров, а с использованием опциальных источников питания увеличить это расстояние в несколько раз.

В ближайшие месяцы завершаются испытания робота «Клавесин-2Р-ПМ», который значительно мощнее предыдущей модели (длина - 6,5 метра, масса - 3,7 тонны). Одна из конкретных целей изделия – обеспечить контроль вод Северного Ледовитого океана, где средняя глубина составляет 1,2 тыс. метров.

Робот-беспилотник «Юнона». Фото ЦКБ «Рубин»

Легкая модель линейки ЦКБ «Рубин» – робот-беспилотник «Юнона» с глубиной погружения до 1 тыс. метров и дальностью действия – 50-60 километров. «Юнона» предназначена для оперативной разведки в ближайшей от корабля морской зоне, поэтому гораздо компактнее и легче (длина - 2,9 метра, масса - 82 кг).

«Крайне важно мониторить состояние морского дна»

– считает член-корреспондент Российской академии ракетных и артиллерийских наук Константин Сивков. По его словам, гидроакустическая аппаратура подвержена помехам и не всегда верно отражает изменение рельефа морского дна. Это может привести к возникновению проблем для движения судов или к их повреждению. Сивков уверен, что автономные морские комплексы позволят решать широкий круг задач. «Особенно в зонах, которые представляют угрозу для наших сил, в зонах противолодочной обороны противника», - добавил аналитик.

Если в области беспилотных летательных аппаратов лидирует США, то по производству подводных беспилотников лидирует Россия

Наиболее уязвимой стороной современной военной доктриной США является оборона побережья. В отличии от России, США очень уязвимы именно со стороны океана. Использование подводных дает возможность создать эффективные средства сдерживания непомерных амбиций.

Общая концепция такова. Мозг выносить натовцам будут группы роботов-беспилотников «Суррогат», «Шило», «Клавесин» и «Юнона», запускаемые как с кораблей ВМФ, так и с торговых судов, танкеров, яхт, катеров и т.п. Такие роботы могут работать как автономно в режиме молчания, так и группами, решая задачи во взаимодействии, как единый комплекс с централизированной системой анализа и обмена информации. Стая из 5-15 таких роботов, действуя вблизи военно-морских баз потенциального противника, способна дезориентировать систему защиты, парализовать оборону побережья и создать условия для гарантированного применения изделий .

Мы все помним недавнюю “утечку” через телесюжет на НТВ и Первом канале информации об «Океанской многоцелевой системе «Статус-6». Снятый телекамерой со спины участник совещания в военной форме держал документ содержит рисунки предмета, который выглядит как торпеда или автономный необитаемый подводный аппарат.

Хорошо был виден текст документа:

«Поражение важных объектов экономики противника в районе побережья и нанесение гарантированного неприемлемого ущерба территории страны путем создания зон обширного радиоактивного заражения, непригодных для осуществления в этих зонах военной, хозяйственно-экономической и иной деятельности в течение длительного времени».

Вопрос, который волнует аналитиков НАТО: “а вдруг у русских уже есть необитаемый робот-доставщик ядерной бомбы?!”

Нужно заметить, что некоторые схемы работы подводных роботов давно апробированы у побережья Европы. Имеются ввиду разработки трех конструкторских бюро - “Рубин”, “Малахит” и ЦКБ-16. Именно на них ляжет весь груз ответственности за создание стратегического подводного оружия пятого поколения после 2020 года.

Ранее «Рубин» анонсировал планы по созданию линейки модульных подводных аппаратов. Конструкторы намерены разработать роботы боевого и гражданского назначения разных классов (малые, средние и тяжелые), которые будут выполнять задачи под водой и на поверхности моря. Эти разработки ориентированы как на потребности Минобороны, так и российских добывающих компаний, которые ведут работы в Арктическом регионе.

Подводный ядерный взрыв в бухте Черная, Новая Земля

Пентагон уже выражал озабоченность российскими разработками подводных беспилотников, которые могут нести боеголовки мощностью десятки мегатонн

О ведении подобных исследований сообщил генеральный директор Центрального научно-исследовательского института “Курс” Лев Клячко. По данным издания, американские эксперты дали российской разработке кодовое имя “Каньон”.

Этот проект, как утверждает The Washington Free Beacon, является частью модернизации стратегических ядерных сил России. “Этот подводный беспилотник будет иметь высокую скорость и будет способен преодолевать дальние расстояния”. “Каньон”, как утверждает издание, по своим характеристикам сможет атаковать ключевые базы американских подводных лодок.

Военно-морской аналитик Норман Полмар полагает, что “Каньон” может основываться на советской ядерной торпеде Т-15, о которой он ранее написал одну из своих книг. “Российский флот и его предшественник, флот СССР, были новаторами в сфере подводных систем и оружия”, - отметил Полмар.

Размещение стационарных подводных ракетных комплексов на больших глубинах делает авианосцы и целые эскадры кораблей удобной, фактически незащищенной целью

Какие требования предъявляют к строительству лодок нового поколения военно-морские силы НАТО? Это повышение скрытности, увеличение скорости хода при максимальной малошумности, совершенствование средств связи и управления, а также увеличение глубины погружения. Все как всегда.

Развитие подводного флота России предусматривает отказ от традиционной доктрины и оснащение ВМФ роботами, исключающими прямое столкновение с кораблями противника. Заявление главкома ВМФ России не оставляет в этом сомнений.

«Мы четко осознаем и понимаем, что повышение боевых возможностей многоцелевых атомных и неатомных подводных лодок будет обеспечиваться за счет интеграции в состав их вооружения перспективных роботизированных комплексов», – заявлял адмирал Виктор Чирков.

Речь идет о строительство подводных кораблей нового поколения на базе унифицированных подводных платформ модульного типа. Центральное конструкторское бюро морской техники (ЦКБ МТ) “Рубин”, которое сейчас возглавляет Игорь Вильнит, сопровождает проекты 955 “Борей” (генеральный конструктор Сергей Суханов) и 677 “Лада” (генеральный конструктор Юрий Кормилицин). В то же время, как считают конструкторы БПЛ, термин “подводные лодки” может вообще уйти в историю.

Предусмотрено создание многоцелевых боевых платформ, способных превращаться в стратегические и наоборот, для чего будет необходимо лишь поставить соответствующий модуль («Статус» или «Статус-T», ракетные комплексы, модули квантовых технологий, автономные разведкомплексы и др.). Задача ближайшего времени – создание линейки подводных боевых роботов по проектам КБ “Рубин” и “Малахит” и налаживание серийного производства модулей на базе разработок ЦКБ-16.

2018-03-02T19:29:21+05:00 Alex Zarubin Защита Отечества оборона,Россия,США,ядерное оружие Подводные боевые роботы и средства доставки ядерного боеприпаса С появлением беспилотных воздушных разведчиков стали развиваться беспилотные ударные комплексы. По этому же пути идет развитие автономных подводных систем роботов, станций и торпед. Военный эксперт Дмитрий Литовкин заявил, что Минобороны активно внедряет роботизированные беспилотные системы управления и комплексы боевого применения: «Морские роботы внедряются в войска наряду с сухопутными и воздушными. Сейчас... Alex Zarubin Alex Zarubin [email protected] Author Посреди России

Принято делить беспилотные (необитаемые) аппараты, используемые на флотах (военно-морскими силами) по среде применения на надводные и подводные, а также на телеуправляемые и автономные. Также на обитаемых кораблях могут использоваться различные роботизированные системы.
Разработаны абордажные роботы, торпеды, способные автоматически атаковать корабли заданного типа, поисковые катера, противолодочные, дроны-мишени для обучения экипажей кораблей стрельбам или испытаний систем автоматического вооружения, средства разминирования и т.д. Разнообразие подводных аппаратов вскоре, как ожидается, пополнят подводные робокапсулы с различной полезной нагрузкой - от дронов до ракет.

Классификация, история, тренды

В зависимости от основого назначения морские военные аппараты делятся на следующие категории:

Поисковые и разведывательные устройства для обследования морского дна и других объектов. Могут действовать автономно или в режиме телеуправления. Одна из основных задач - противодействие минированию, обнаружение, классификация и локализация мин.

Ударные подводные роботы. Предназначены для борьбы с вражескими кораблями и подлодками и т.п.

Подводные "закладки" - робокапсулы, находящиеся под водой на дежурстве в течение многих недель или лет, которые по сигналу всплывают и активируют ту или иную полезную нагрузку.

Надводные устройства для патрулирования и обнаружения надводной враждебной активности в контролируемых водах

Надводные устройства для автоматического выявления и сопровождения подлодок

Автоматизированные огневые системы для борьбы с быстролетящими целяями.

Устройства для борьба с пиратами, контрабандистами и террористами. При обнаружении любой из опасных ситуаций такой робот может дать сигнал в центр управления. Если робот несет на себе вооружение, то получив сигнал командного центра, он может применить по цели бортовые системы вооружения.

Абордажные роботы, способные обеспечить быстрое попадание специальных подразделений на борт корабля

Роботизированные торпеды, способные автоматически распознавать тип корбаля определенного вида и атаковать его по команде оператора или без нее.

По форм-фактору морские роботы можно разделить на:

Роботизированные телеуправляемые катера

Роботизированные автономные надводные устройства различных конструкций

Подводные телеуправляемые необитаемые устройства

Подводные автономные необитаемые устройства

Абордажные роботы

Робокапсулы для сохранения полезной нагрузке на позиции под водой в готовом к эксплуатации режиме

Дроны-мишени для тренировки экипажей

Роботизированные торпеды

Гибридные конструкции, способные работать как подводная лодка и как надводный катер

История, тренды

2017

2005

PMS 325 USV Sweep System - разработка для ВМС США, как поддержка для кораблей прибрежной зоны.

Разрабатываются высокоскоростные надводные беспилотники на воздушных крыльях USSV-HS и низкоскоростные - USSV-LS.

2004

С 2004 года действует система корабельная система противоракетной обороны Aegis, способная автоматически обнаруживать и контратаковать направляющиеся к кораблям ракеты.

2003

В США начали использовать автономных роботов для поиска подводных мин.

Выпущены телеуправляемые катера Owl MK II, Navtek Inc. для использования в системах обеспечения безопасности порта.

Разработан телеуправляемый катер Spartan, совместно разработчиками из США, Франции и Сингапура для проверки технологий. Выпущено две версии - 7 м и 11 м. Модульные, многоцелевые, реконфигурируемые под текущую задачу.

Анонсирован беспилотный катер Radix Odyssey, дальнейшей информации о нем не встречается.

1990-е

В США появляется надводная телеуправляемая цель, запускаемая с борта корабля, SDST. Позднее она будет переименована в Roboski.

1980-е

На кораблях ВМС США с 80-х годов используются автоматические зенитно-артиллерийские комплексы Mark 15 Phalanx - многоствольные роботизированные орудия, наводящиеся по сигналу радара.

Флоты США Нидерландов, Объединенного Королевства, Дании, Швеции используют телеуправляемые катера для разминирования.

1950-е

В 1954 году создан удачный Высокоскоростной маневренный морской минный трал в США. Известны проекты мобильных беспилотных целей - QST-33, QST-34, QST-35/35A Septar и HSMST (High-speed maneuverable seaborne target), США.

1940-е

В 1944 году были созданы радиоуправляемые бранедры Ferngelenkte Sprenboote в Германии. Разработки радиуправляемых торпед Comox шли в Канаде, аналогичные работы проводили Франция и США.

1930-е

Появление в РСФСР телеуправляемых по радио катеров Вольт и Вольт-Р. Разработка Особого технического бюро под руководством Владимира Ивановича Бекаури (1882-1938). Радиостанция "У", электромеханический рулевой "элемру". Недостатком было отсутствие обратной связи - катера не передавали центру управления каких-либо сигналов, наведение их на цель осуществлялось визуально, дистанционно.

В 1935 году появился торпедный катер Г-5 советского производства.

1920-е

Под руководством А. Туполева в конце 20-х годов в РСФСР прошлого века были созданы радиоуправляемые торпедные катера Ш-4 с двумя торпедами на борту, дюралевые, без кают и кубриков. Радиоаппаратурой занимался А.Шорин. Выпускались дивизионами. Позднее катерами стали управлять с гидросамолетов МБР-2, летящих на высоте 2 тысячи метров.

1898

Известна "торпедная лодка" Николы Тесла, которую изобретатель называл "теле-автоматом". Прототип катера управлялся дистанционно по-радио, модель приводилась в движение электродвигателем. Аппарат демонстрировали на Electrical Show в Нью-Йорке. Проект финансировал Морган, разработкой конструкции лодки занимался архитектор Stanford White, Тесла руководил проектом и обеспечивал всю "электрику" и "радио" изделия. Длина лодки-прототипа 1.8 м. Полезной нагрузкой должна была быть взрывчатка. Идея не была востребована военным министерством США. У Тесла был патент под названием "Методы контроля и управляющие устройства для радиоуправляемых плавательных средств и колесных экипажей".

еще ранее

Прообразом беспилотных военных морских средств были брандеры - плавающие средства, загруженные горючими материалами, подожженые и направленные в сторону неприятельского флота с целью вызвать загорание или взрывы вражеских кораблей. До изобретения радио, они были неуправляемыми.

Известные проблемы

Стабильность платформ

Стандартизация полезной нагрузки

Стандартные интерфейсы с судами-матками

Юридические проблемы (Оттавская конвенция, брошенные суда)

Создание с нуля, как беспилотника или переделки обитаемых средств в беспилотные

В современной робототехники роботы определяются как класс технических систем, которые в своих действиях воспроизводят двигательные и интеллектуальные функции человека.

От обычной автоматической системы робот отличается многоцелевым назначением, большой универсальностью, возможностью перестройки на выполнение разнообразных функций.

Роботы классифицируются:

По областям применения – промышленные, военные, исследовательские;

По среде применения(эксплуатаций) – наземные, подземные, надводные, подводные, воздушные, космические;

По степени подвижности – стационарные, мобильные, смешанные; - по типу системы управления – программные, адаптивные, интеллектуальные.

Многообразие устройств, относящихся к классу промышленных роботов и предназначенных для автоматизации ручного, тяжелого, вредного, опасного или монотонного труда, можно классифицировать по:

назначению;

степени универсальности;

кинематическим, геометрическим, энергетическим параметрам;

методам управления (степени участия человека в программировании работы робота).

По назначению известные в настоящее время роботы могут быть укрупненно распределены на следующие три группы: для научных целей, для военных целей, для использования в производстве, в сфере обслуживания.

К человеку все чаще и чаще предъявляются требования, выполнение которых ограничено его биологическими возможностями (в условиях космоса, повышенной радиации, больших глубин, химически активных сред и т. п.).

При обследовании планет и других космических тел транспортные средства должны быть оснащены манипуляторами для связи экипажа с внешним миром. Если же аппарат не обитаем, то манипуляторы должны иметь телеуправление с Земли. В таких автоматических аппаратах «руки» телеоператора - важнейшее средство активного взаимодействия с окружающей средой.

Не менее обширное применение телеоператоры и роботы нашли при различных работах на больших глубинах морей и океанов. Раньше человек опускался на глубину в специальном аппарате и был несколько пассивным наблюдателем, теперь построенные в последнее время подводные аппараты оснащены «руками», которыми управляет человек, находящийся внутри глубоководного аппарата.

Телеоператоры и роботы применяются для прокладки кабеля на глубине, поиска и подъема затонувших кораблей и грузов, для различных исследований недоступных морских глубин.

Автономный необитаемый подводный аппарат - АНПА (англ. autonomous underwater vehicle - AUV) подводный робот чем-то напоминающий торпеду или подводную лодку, перемещающийся под водой с целью сбора информации о рельефе дна, о строении верхнего слоя осадков, о наличии на дне предметов и препятствий. Питание аппарата осуществляется от аккумуляторов или другого типа батарей. Некоторые разновидности АНПА способны погружаться до глубины 6000 м. АНПА используются для площадных съёмок, для мониторинга подводных объектов, например трубопроводов, поиска и обезвреживания подводных мин.

Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) (англ. Remotely operated underwater vehicle (ROV)) - это подводный аппарат, часто называемый роботом, который управляется оператором или группой операторов (пилот, навигатор и др.) с борта судна. Аппарат связан с судном сложным кабелем, через который на аппарат поступают сигналы управления и электропитание, а обратно передаются показания датчиков и видео сигналы. ТНПА используются для осмотровых работ, для спасательных операций, для остропки и извлечения крупных предметов со дна, для работ по обеспечиванию объектов нефтегазового комплекса (поддержка бурения, осмотр трасс газопроводов, осмотр структур на наличие поломок, выполнение операций с вентилями и задвижками), для операций по разминированию, для научных приложений, для поддержки водолазных работ, для работ по поддержанию рыбных ферм, для археологических изысканий, для осмотра городских коммуникаций, для осмотра судов на наличие контрабандных товаров, прикреплённых снаружи к борту и др. Круг решаемых задач постоянно расширяется и парк аппаратов стремительно растёт. Работа аппаратом намного дешевле дорогостоящих водолазных работ несмотря на то, что первоначальные вложения достаточно велики, хотя работа аппаратом не может заменить весь спектр водолазных работ.

Кроме перечисленных областей применения в опасных условиях телеоператоры и роботы используются при ремонте и замене ядерных двигателей, во время работ в зараженных зонах, в шахтах.

Ведутся работы по созданию специального робота для добычи угля. По задумке Korea Coal Corp, робот будет не только добывать уголь, но и собирать его, а затем помещать его на конвейерную ленту, которая и доставит породу наверх. Контролировать работу будут механики, находящиеся на поверхности.

Современные роботы-пожарники имею возможности:

Разведка и мониторинг местности в зоне возникновения ЧС;

Пожаротушение в условиях современных техногенных аварий, сопровождаемых повышенным уровнем радиации, наличием отравляющих и сильнодействующих веществ в зоне работ, осколочно-взрывным поражением; с использованием водопенных средств пожаротушения;

Проведение аварийно-спасательных работ на месте пожара и чрезвычайной ситуации;

Разборка завалов для доступа в зону горения и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

При соответствующем переоснащении возможно проведение пожаротушения с использованием порошков и сжиженных газов.

Например роботы "Ель-4", "Ель-10" и "Луф-60", предназначенные для тушения техногенных пожаров без участия человека, приняли участие в тушение лесного пожара 2010г вокруг ядерного центра в Сарове.

Многие виды производства требуют применения роботов. Использование их освобождает рабочего от труда в изнурительных и тяжелых условиях. В кузнечном цехе для перемещения и установки на молот тяжелых раскаленных заготовок можно поставить робот. Роботы могут окрашивать изделия, освобождая человека от пребывания в помещении с распыленной краской. Наиболее опасными и вредными являются операции с радиоактивными веществами и атомным оборудованием. Такие работы давно выполняют «руками» телеоператоров.

Для работы с ядерными реакторами и радиоактивными установками разработаны подвижные телеоператоры, у которых герметичная кабина снабжена защитными стенками для работы в радиоактивной среде.

Примеров использования роботов и телеоператоров на вредных и тяжелых работах можно привести множество. Роботы рационально применять на однообразных повторяющихся операциях, например, установка заготовок и деталей на станок. Робот может брать и перемещать хрупкие стеклянные и мелкие детали.

Следует также отметить еще одно направление в технике - это создание специальных усилителей физических возможностей человека - так называемый экзоскелет (от греч. внешний скелет) - устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в Японии и США. Экзоскелет может быть интегрирован в скафандр.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340кг, её вес составлял три четверти тонны, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

По степени универсальности все роботы можно разделить на три группы:

Специальные, например, манипулятор для переворачивания и установки в вакууме кинескопов или манипулятор для установки заготовок в специальный штамп. Как правило, эти устройства обладают одной-тремя степенями свободы и работают по строго зафиксированной программе, выполняя простую операцию;

Специализированные, область применения которых ограничена определенными условиями и пространством. Например, роботы, имеющие регулируемую длину рук и несколько степеней свободы в пространстве для выполнения только «горячих» работ - литья или термообработки;

Универсальные устройства, перемещающиеся в пространстве, например, роботы с большим количеством степеней свободы и регулируемой длиной функционирующих конечностей, способные выполнять самые разнообразные операции с широкой номенклатурой деталей. Универсальный промышленный робот общего назначения можно переключить на другую работу и быстро перепрограммировать для выполнения любого в пределах технических возможностей цикла.

По кинематическим, геометрическим и энергетическим параметрам устройства подразделяются следующим образом.

По кинематическим параметрам роботы можно классифицировать в зависимости от количества степеней свободы, возможных вариантов действия и перемещения функциональных органов, а также по скорости их движения.

По геометрическим параметрам как классификационному признаку роботы подразделяют в зависимости от размеров функционирующих органов и диапазонов их линейных и угловых перемещений.

По энергетическим параметрам роботы делят на группы по грузоподъемности и развиваемой мощности.

По методам управления промышленные роботы первых поколений можно разделить на роботы:

Управляемые от систем числового программного управления;

с цикловыми системами управления;

Автономные, управляемые от ЭВМ (управляющих машин, способных собирать и анализировать информацию в процессе действия, реагировать на эту информацию, соответственно изменяя программу).

Разработаны телевизионные системы дистанционного управления, обеспечивающую стереоскопическое изображение зоны действия. Применяются в медицине (робот da Vinci) и системах телеприсутствия.

В системах ЧПУ роботов записанная программа многократно повторяется.

Изменение характера движений робота может быть достигнуто только вследствие ввода новой программы. Программирование работы таких роботов несложно и является простейшим видом их «обучения». В этом случае человек осуществляет только периодический контроль за работой робота и смену программы.

Роботы, управляемые от ЭВМ, обладают системой управления, способной собирать необходимую информацию в процессе выполнения работы, перерабатывать ее с помощью электронного «мозга» и вносить необходимые изменения в заранее введенную программу.