Read the book: «Подводные роботы. От торпеды к робо-рыбе»

Вступление

Подводная робототехника долгое время развивалась по довольно понятной логике. Инженеры брали форму, хорошо зарекомендовавшую себя в торпедах и подводных лодках, устанавливали внутрь аккумуляторы, навигационное оборудование, сонары и компьютер, а затем постепенно увеличивали автономность аппарата. Так появились автономные подводные аппараты — Autonomous Underwater Vehicle (AUV), способные самостоятельно проходить десятки и сотни километров, строить карты дна, обследовать трубопроводы, искать объекты и выполнять научные измерения без постоянного управления с поверхности.

Такой подход оказался чрезвычайно успешным, и отказываться от него никто не собирается. Торпедообразный корпус хорошо обтекается водой, гребной винт остаётся простым и эффективным движителем, а жёсткая конструкция позволяет разместить значительную полезную нагрузку. Однако по мере развития подводной робототехники стало всё очевиднее, что не каждая задача требует именно такого аппарата. Если робот должен быстро пройти большое расстояние, классический AUV почти идеален. Но если ему необходимо медленно двигаться возле сложного объекта, работать среди кабелей, кораллов, сетей или морских животных, долго находиться на одной глубине, слушать океан, не заглушая собственными механизмами слабые сигналы, требования становятся совсем другими.

Именно здесь инженеры всё чаще начинают смотреть не на подводную лодку, а на рыбу.

На первый взгляд это кажется почти очевидным. Рыбы существуют в воде сотни миллионов лет и за это время приобрели огромное разнообразие способов движения, стабилизации и восприятия окружающей среды. Одни используют почти всё тело как гибкий движитель, другие концентрируют работу в хвостовой части, третьи управляют водой широкими грудными плавниками. Они способны резко менять направление, зависать возле препятствий, использовать вихри, чувствовать движение воды кожей и сохранять положение без постоянной работы мощных двигателей.

Однако биомиметика начинается не с того, что металлическому аппарату приделывают хвост и придают форму тунца. Простое копирование внешности почти ничего не даёт. Гораздо интереснее понять, какие физические принципы позволяют живой системе столь эффективно взаимодействовать с водой, а затем использовать эти принципы в инженерной конструкции.

Именно поэтому эта книга называется «Подводные роботы: от торпеды к робо-рыбе». Речь идёт не о замене одного типа машины другим, а об изменении инженерного мышления. Классический AUV рассматривает воду главным образом как среду, сопротивление которой необходимо преодолеть. Биомиметический аппарат пытается использовать свойства самой воды — её давление, течение, вихри, подъёмную силу и взаимодействие с гибким телом.

Одним из наиболее интересных примеров такого подхода является плавательный пузырь. Для биолога это привычный орган многих костистых рыб, помогающий регулировать плавучесть. Для инженера газовая полость внутри подводного аппарата обычно выглядит скорее как источник неприятностей, потому что газ сжимается с увеличением глубины. Из-за этого меняется объём аппарата, нарушается нейтральная плавучесть, смещается центр плавучести и может возникнуть неустойчивость.

Но именно здесь появляется центральная идея книги. То, что в традиционной конструкции считается недостатком, иногда можно превратить в часть системы управления. Если изменение объёма газовой камеры вызывает не только изменение плавучести, но и определённый момент относительно центра масс, а движущийся корпус при этом создаёт гидродинамическую подъёмную силу, возникает возможность пассивной стабилизации глубины. Часть работы, которую обычно выполняют насосы, рули и контроллер, начинает выполнять сама механика аппарата.

Это не означает появления «вечного» или полностью пассивного робота. Энергия всё равно необходима для движения, вычислений, связи, работы сенсоров и коррекции траектории. Однако принцип принципиально важен: хорошая подводная машина не должна постоянно бороться с собственной физикой. Конструкция может быть устроена так, чтобы естественные силы сами помогали сохранять устойчивое состояние.

Та же идея проходит через всю книгу. Мягкий хвост способен использовать собственную упругость вместо того, чтобы каждый его сегмент жёстко контролировался отдельным приводом. Гибкий плавник может одновременно создавать тягу, управлять направлением движения и смягчать контакт с препятствием. Искусственная боковая линия позволяет воспринимать локальное движение воды без постоянного использования активного сонара. Центральный генератор ритма может управлять периодическим движением значительно проще, чем система, рассчитывающая положение каждого элемента корпуса в каждую миллисекунду.

Постепенно подводный робот перестаёт быть просто герметичным контейнером с мотором и компьютером. Его форма, материал, распределение массы, плавучесть и упругость сами становятся частью алгоритма управления. В современной робототехнике такой подход иногда называют морфологическими вычислениями: часть задачи решается не программой, а физическими свойствами тела.

Однако одной хорошей механики недостаточно. Аппарат должен понимать, где он находится, куда движется и что происходит вокруг него. Под водой исчезает привычная для наземной техники инфраструктура. Спутниковая навигация недоступна на глубине, радио работает крайне плохо, акустическая связь имеет небольшую скорость и значительную задержку. Поэтому подводная машина вынуждена быть гораздо самостоятельнее воздушного беспилотника или наземного робота.

Особое значение здесь приобретает навигация. Инерциальная система способна работать полностью автономно, но её ошибка постепенно накапливается. Доплеровский измеритель скорости DVL (Doppler Velocity Log) определяет скорость аппарата относительно морского дна по отражённым акустическим сигналам и позволяет существенно уменьшить накопление навигационной ошибки. Сонар помогает сопоставлять окружающий рельеф с картой, акустические маяки дают внешнюю коррекцию, а при периодическом всплытии аппарат может определить абсолютные координаты с помощью глобальной навигационной спутниковой системы GNSS (Global Navigation Satellite System), включающей GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou.

В ближайшие годы к этому набору всё активнее будут добавляться квантовые технологии — атомные акселерометры, гироскопы и сверхстабильные часы. Они не создадут магическую систему, которая всегда знает точные координаты, но могут значительно уменьшить дрейф автономной навигации там, где спутниковый сигнал принципиально недоступен.

Для океана это особенно важно. Автономный аппарат может работать подо льдом, на большой глубине или вдали от судов, где ошибка положения в несколько процентов от пройденного пути постепенно превращается в километры. Чем дольше миссия, тем ценнее становится любой способ сохранить точность без внешних ориентиров.

В книге будет рассмотрена и ещё одна задача, которая обычно остаётся в тени научных и инспекционных миссий, — перевозка важных грузов. Под водой редко требуется перевозить тонны груза с высокой скоростью, однако существуют совершенно другие сценарии: доставка датчика на удалённую станцию, транспортировка образца, запасного модуля, элемента оборудования или небольшого дорогого контейнера. В такой задаче на первый план выходит не максимальная скорость, а вероятность того, что аппарат действительно достигнет точки назначения, не потеряет навигацию, сохранит энергетический резерв и сможет выполнить точную стыковку.

Эта логика естественным образом приводит нас от отдельного робота к подводной инфраструктуре. Если аппарат может самостоятельно приходить к станции, заряжаться, передавать данные и получать новую задачу, необходимость регулярно поднимать его на корабль исчезает. Появляются резидентные AUV, способные месяцами находиться в рабочем районе. Затем возникают сети станций, между которыми могут перемещаться аппараты и грузы. Несколько роботов начинают помогать друг другу с навигацией и распределять задачи, а поверхность превращается лишь в один из уровней большой системы связи.

Поэтому финальная часть книги посвящена уже не отдельной робо-рыбе, а целому океану автономных машин. В нём будут работать разные аппараты: быстрые винтовые AUV, медленные глайдеры, манёвренные робо-рыбы, стационарные станции и надводные ретрансляторы. Вероятно, ни одна конструкция не победит все остальные. Наоборот, подводная робототехника станет всё более разнообразной, а наиболее эффективные системы будут использовать разные типы машин для разных фаз одной миссии.

Есть в книге и более необычная линия рассуждений. Иногда автономная система может встретить объект или явление, которое она не способна классифицировать. Это может быть неизвестный аппарат, редкое животное, необычный акустический источник, ошибка сенсора или природный процесс. В качестве крайнего мысленного эксперимента можно даже представить встречу с неизвестной технологической системой, существование которой сегодня ничем достоверно не подтверждено.

Здесь важна не фантастическая гипотеза сама по себе, а инженерный принцип. Хороший робот должен уметь работать с неопределённостью. Он не должен автоматически превращать неизвестный объект во врага или насильно относить его к ближайшему известному классу. Намного правильнее сохранить исходные данные, подтвердить наблюдение несколькими независимыми сенсорами, увеличить дистанцию и сообщить человеку, что система столкнулась с тем, чего не понимает.

Такой подход полезен даже в совершенно обычной миссии. Неожиданное поведение датчика, новый объект на трассе трубопровода или неизвестный источник звука требуют той же научной осторожности: сначала измерение, затем проверка и только после этого объяснение.

В конечном счёте эта книга посвящена не механической рыбе как эффектной технической игрушке. Она посвящена более широкому переходу — от машины, которая вынуждена постоянно бороться с океаном, к машине, конструкция которой начинает использовать свойства океана себе на пользу. От жёсткого корпуса — к управляемой гибкости, от постоянной тяги — к энергетически экономным режимам, от одного датчика — к распределённому восприятию, от дистанционного управления — к автономности, а от одиночного аппарата — к подводной роботизированной инфраструктуре.

Этот переход уже начался. Пока разные его элементы существуют в отдельных экспериментальных машинах, исследовательских проектах и промышленных системах. Но постепенно они складываются в общую картину.

И если развитие продолжится в том же направлении, робо-рыба окажется не конечной точкой эволюции подводного робота. Она станет только промежуточным этапом на пути к машинам, которые смогут годами жить и работать в океане практически без постоянного присутствия человека.

Глава 1. Роботы уходят под воду

Океан занимает большую часть поверхности Земли, но в инженерном смысле остаётся одним из наименее освоенных пространств планеты. В 2026 году современными методами было картографировано лишь около 28,7 % мирового океанского дна. И это при том, что спутники давно позволяют подробно наблюдать сушу, космические аппараты исследуют другие планеты, а беспилотные автомобили способны самостоятельно двигаться по городским улицам.

Причина такого парадокса проста: под водой перестают нормально работать многие технологии, к которым человек привык на поверхности. Радиоволны быстро затухают. Спутниковая навигация становится недоступной. Давление растёт примерно на одну атмосферу каждые десять метров глубины. Свет исчезает уже в верхних слоях океана, а на больших глубинах царит почти абсолютная темнота. Любая ошибка в герметизации корпуса может за считанные секунды уничтожить дорогостоящую электронику.

Даже передача информации превращается в проблему. На поверхности беспилотник может отправлять оператору видео в реальном времени по радиоканалу. Подводный робот зачастую вынужден либо тянуть за собой кабель, либо пользоваться медленной акустической связью, либо вообще хранить собранные данные внутри себя до возвращения на поверхность. Поэтому история подводной робототехники — это не просто история уменьшения электроники и совершенствования программного обеспечения. Это история постепенного отказа от привычных технических решений и поиска машин, приспособленных именно к подводному миру. Первоначально инженеры пытались сделать под водой примерно то же, что делали на поверхности: построить прочный корпус, установить двигатель, винт, рули и систему дистанционного управления. Позднее появились автономные аппараты, способные самостоятельно выполнять заранее заданную программу. Затем инженеры научились использовать изменение плавучести вместо постоянной работы двигателя. А сегодня всё чаще возникает ещё более радикальная идея: вместо того чтобы заставлять обычную машину бороться с водой, можно попытаться построить машину, которая использует свойства воды примерно так же, как это делают живые организмы.

Так подводная робототехника постепенно движется от механической торпеды к робо-рыбе.

Человек под водой

Первые этапы освоения глубин были непосредственно связаны с человеком. Водолазные костюмы, батисферы и пилотируемые подводные аппараты позволили исследователям увидеть мир, который прежде был недоступен. Одним из наиболее известных научных аппаратов стал американский Alvin, введённый в эксплуатацию в 1964 году. Он участвовал в исследованиях гидротермальных источников, глубоководных экосистем и в изучении обломков Titanic. Пилотируемый аппарат имеет очевидное преимущество: исследователь находится непосредственно возле объекта. Человек видит окружающее пространство, способен оценить необычную ситуацию и мгновенно изменить программу работ. Даже очень совершенная автоматика далеко не всегда способна заменить такую гибкость.

Но за это приходится платить. Для человека необходимо создавать прочную герметичную сферу, системы жизнеобеспечения, аварийные устройства, средства связи и спасения. Каждая дополнительная система увеличивает массу и стоимость аппарата. При погружении на километры давление воды становится огромным, поэтому корпус должен выдерживать колоссальные нагрузки. Кроме того, любой пилотируемый аппарат неизбежно ограничен требованиями безопасности экипажа. Логичным следующим шагом стало удаление человека из самого аппарата.

Робот на кабеле

Так появились дистанционно управляемые подводные аппараты — ROV, от английского Remotely Operated Vehicle. ROV не обязан перевозить человека. Оператор остаётся на судне, а под воду опускается машина с камерами, прожекторами, двигателями, датчиками и, при необходимости, манипуляторами. Главная особенность ROV — кабель, соединяющий аппарат с судном. Через него можно передавать электрическую энергию, команды управления, телевизионное изображение и данные измерительных приборов. Благодаря этому аппарат способен работать под водой часами и даже сутками, не беспокоясь о разряде собственной батареи. Современный ROV напоминает не столько подводную лодку, сколько летающую платформу, только находящуюся в воде. Несколько электрических движителей позволяют перемещаться вперёд, назад, вверх, вниз и в стороны, зависать возле объекта и точно удерживать положение.

На аппарате можно установить роботизированные руки, резаки, пробоотборники, камеры высокого разрешения, сонары и научные приборы. Именно ROV стали одним из главных рабочих инструментов морской нефтегазовой отрасли. Они способны обследовать трубопроводы, клапаны и подводные конструкции, выполнять простые ремонтные операции и работать там, куда отправлять водолаза слишком опасно. В океанографии такие аппараты позволяют исследователям видеть глубоководный мир практически в реальном времени. Кабель передаёт изображение на судно, а оператор управляет аппаратом с помощью джойстика. Одним из известных научных ROV стал Jason, созданный в Woods Hole Oceanographic Institution. Работы над системой начались в 1980-х годах. Прототип Jason Jr. участвовал в исследовании Titanic в 1986 году, а полноразмерный Jason впервые вышел в море в 1988 году.

ROV доказали, что человек вовсе не обязан физически находиться на глубине, чтобы выполнять там сложную научную и техническую работу. Но у этой идеи оказался серьёзный недостаток. Кабель одновременно является главным преимуществом и главным ограничением ROV.

Пуповина подводного робота

В технической литературе кабель, связывающий аппарат с судном, часто называют tether или umbilical — буквально «пуповиной». Название очень точное. Пока эта пуповина существует, робот практически не ограничен в энергии и постоянно связан с оператором. Но одновременно он остаётся привязанным к кораблю. Кабель имеет массу и гидродинамическое сопротивление. На большой глубине его длина может составлять несколько километров. Течения тянут его в сторону. Движение судна передаётся вниз. Возникает опасность зацепиться за скалу, металлическую конструкцию, затонувшее судно или другой объект.

Для уменьшения этих воздействий применяют сложные кабельные системы и промежуточные аппараты, но полностью избавиться от проблемы невозможно. Есть и другое ограничение: ROV почти всегда требует судна обеспечения. А океанографическое судно — дорогая машина. Ему необходим экипаж, топливо, техническое обслуживание. В результате каждый день работы глубоководного робота может фактически означать ещё и день работы большого корабля. Возникла очевидная мечта: а что, если убрать кабель? Тогда робот перестанет быть дистанционной рукой оператора и станет самостоятельной машиной. Так появился AUV — Autonomous Underwater Vehicle, автономный необитаемый подводный аппарат.

Свобода без кабеля

AUV принципиально отличается от ROV. У него нет постоянной физической связи с оператором. Аппарат несёт источник энергии, компьютер, навигационные приборы и полезную нагрузку внутри собственного корпуса. Перед погружением ему задают район работы, маршрут и программу действий. Затем он уходит под воду самостоятельно.

На первый взгляд это кажется идеальным решением. Нет кабеля — нет сопротивления кабеля. Нет кабеля — нет опасности запутаться. Нет необходимости постоянно держать над аппаратом судно. Один корабль может выпустить AUV, заняться другими работами, а через несколько часов или суток принять его обратно. Но исчезновение кабеля немедленно создаёт целую группу новых проблем. Первая — энергия. ROV можно питать с поверхности. AUV должен везти весь запас энергии с собой. Вторая — связь. Передать огромный поток видео по обычному радио из-под воды нельзя. Третья — навигация. GPS работает только тогда, когда антенна может принимать сигналы спутников. После погружения робот должен определять своё положение другими средствами.

Четвёртая — автономность принятия решений. Если ROV неожиданно увидит препятствие, человек повернёт джойстик. Если то же самое произойдёт с автономным аппаратом, решение должен принять его компьютер. Таким образом, удалив один кабель, инженеры получили сразу несколько фундаментальных задач. Именно они определили развитие подводной робототехники на десятилетия вперёд.

Подводная торпеда с компьютером

Большинство классических AUV внешне действительно напоминают торпеду. Такой корпус выбран не из эстетических соображений. При движении в воде сопротивление становится одним из главных потребителей энергии. Обтекаемая вытянутая форма позволяет уменьшить потери и увеличить дальность хода. Внутри корпуса располагаются аккумуляторы, бортовой компьютер, навигационная система, датчики и электроника. В корме установлен электрический двигатель с гребным винтом. Рули позволяют изменять курс и глубину. Фактически перед нами маленькая автоматическая подводная лодка. Одним из известных семейств таких аппаратов стал REMUS, разработанный в Woods Hole Oceanographic Institution. Концепция начала формироваться в 1993 году, а первый аппарат был построен в 1995-м. Первые REMUS использовали акустические маяки, датчики течений, гидрологические приборы и гидролокатор бокового обзора. Позднее в систему вошли инерциальная навигация, GPS для работы на поверхности, спутниковая и беспроводная связь.

Подобная архитектура оказалась чрезвычайно успешной. AUV может двигаться над дном по параллельным маршрутам, подобно тому как сельскохозяйственная машина проходит поле полоса за полосой. Сонар постепенно строит карту рельефа. Камера фотографирует поверхность. Магнитометр ищет металлические объекты. Другие датчики измеряют температуру, солёность, концентрацию кислорода и химический состав воды.

Но торпедообразный AUV оптимален прежде всего тогда, когда он движется. Если требуется медленно обследовать сложную конструкцию, развернуться почти на месте или долго зависать возле одного объекта, достоинства такой схемы начинают превращаться в ограничения. Для этого приходится добавлять подруливающие двигатели. А каждый двигатель означает дополнительную массу, электронику, энергопотребление и шум.

Почему под водой так дорога энергия

Энергетика — одна из центральных проблем автономной подводной машины. На суше электромобиль сравнительно легко может остановиться и зарядиться. Беспилотник возвращается на аэродром. Подводный робот может находиться в сотнях километров от базы и на глубине нескольких километров. Поэтому каждый ватт становится ценным. Основные потребители энергии AUV хорошо известны:

маршевый двигатель;

подруливающие устройства;

гидролокаторы;

бортовой компьютер;

камеры и освещение;

навигационная система;

связь;

насосы и приводы систем регулирования плавучести.

Особенно интересен первый пункт. Сопротивление воды быстро растёт с увеличением скорости. Поэтому попытка заставить аппарат двигаться значительно быстрее приводит к резкому увеличению требуемой мощности. Возникает неприятное противоречие. Большая скорость позволяет быстрее обследовать территорию, но быстрее разряжает батарею. Малая скорость экономит энергию, однако некоторые системы управления начинают работать менее эффективно, а время выполнения миссии растёт. Инженеры начали искать способы двигаться под водой, тратя меньше энергии на постоянную работу двигателя. Одно из самых необычных решений оказалось удивительно простым: иногда винт вообще не нужен.

Подводный планер

Так возникли подводные глайдеры. Их принцип сильно отличается от обычного AUV. Глайдер изменяет собственную плавучесть. Став немного тяжелее вытесняемой воды, он начинает медленно погружаться. Крылья преобразуют часть вертикального движения в горизонтальное. Затем аппарат изменяет объём или перераспределяет внутреннюю жидкость, становится немного легче воды и начинает подниматься. Крылья снова превращают вертикальное движение в поступательное.

В результате траектория напоминает длинную пилу: вниз и вперёд; вверх и вперёд; снова вниз и вперёд. Маршевый винт при этом может вообще отсутствовать. Такой аппарат чрезвычайно медленный, но ему не нужно непрерывно вращать мощный гребной винт. Именно поэтому глайдеры способны выполнять очень длительные океанографические миссии. Здесь впервые особенно ярко проявился принцип, который станет одним из главных для всей этой книги: не обязательно преодолевать физику среды силой — иногда выгоднее заставить саму физику выполнять часть работы. Глайдер использует плавучесть и гидродинамическую подъёмную силу вместо постоянной тяги двигателя. Это уже шаг от традиционной машины к конструкции, в которой окружающая вода становится частью механизма движения.

Под водой нет

GPS

Энергия — не единственная проблема AUV. Не менее сложна навигация. На поверхности аппарат может всплыть, принять сигнал спутников и точно определить координаты. Под водой спутниковый сигнал недоступен. Поэтому используются несколько методов одновременно. Инерциальная навигационная система измеряет ускорения и угловые движения аппарата и на их основе рассчитывает изменение координат. Но даже небольшие ошибки датчиков постепенно накапливаются. DVL — Doppler Velocity Log измеряет скорость аппарата относительно морского дна с помощью эффекта Доплера. Глубиномер определяет давление и позволяет оценивать глубину. Магнитометр помогает определить направление относительно магнитного поля Земли.

Акустические маяки позволяют вычислять положение аппарата по времени прохождения звукового сигнала. На небольших расстояниях может применяться навигация относительно объектов дна. Современные системы объединяют данные нескольких датчиков. Бортовой компьютер непрерывно вычисляет наиболее вероятное положение машины. Но ошибка полностью не исчезает. Чем дольше аппарат находится под водой без внешней коррекции, тем сложнее точно знать, где именно он оказался. Для подводного робота вопрос «где я?» гораздо труднее, чем для автомобиля или воздушного беспилотника.

И связь тоже почти исчезает

Вторая фундаментальная особенность подводного мира — трудность связи. Обычные радиосистемы, мобильные сети и Wi-Fi под водой практически неприменимы на значительных расстояниях. Поэтому для дальней связи используют звук. Акустический модем может передавать команды и данные через толщу воды. Но возможности такого канала несопоставимы с привычными наземными сетями. Скорость передачи невелика, задержки велики, качество связи зависит от температуры, солёности, глубины, рельефа дна и множества других факторов. Передать несколько команд возможно. Передавать непрерывный поток видео высокого разрешения уже гораздо сложнее.

Поэтому настоящий автономный робот должен уметь работать без постоянного разговора с человеком. Это принципиальное отличие от многих наземных беспилотников, которые формально могут называться автономными, но фактически почти непрерывно остаются частью большой радиосети. Под водой сети может не быть. Робот остаётся один.

Когда аппарат должен думать сам

Представим простую миссию. AUV должен пройти вдоль подводного кабеля и проверить его состояние. На карте указан маршрут. Компьютер знает начальные координаты. Сонар обнаруживает кабель. Но затем ситуация меняется. Часть кабеля скрылась под осадком. Возникло сильное течение. Перед аппаратом появилась скала. Один из датчиков начал выдавать сомнительные значения. Запас энергии оказался меньше расчётного. ROV в такой ситуации спасает оператор. AUV должен решить проблему самостоятельно. Он может изменить маршрут. Снизить скорость. Перейти на другой датчик. Прервать миссию. Начать всплытие. Или попытаться продолжить обследование.

Именно здесь понятие «робот» становится намного важнее понятия «подводный аппарат». Автономность означает не просто отсутствие кабеля. Она означает способность машины оценивать ситуацию и выбирать действия. По мере развития вычислительной техники это различие становится всё более заметным. Ранний AUV в основном выполнял заранее записанную программу: пройти до точки A, затем до точки B, повернуть, пройти следующую линию и всплыть. Современный аппарат постепенно превращается в систему, способную анализировать данные непосредственно во время миссии.

Например, робот может обнаружить необычный объект на сонарном изображении и самостоятельно изменить маршрут, чтобы рассмотреть его подробнее. В перспективе такие системы должны научиться действовать почти так же, как опытный исследователь: не только выполнять план, но и понимать, когда обнаружено нечто, ради чего стоит от этого плана отклониться.

Четыре семейства подводных машин

К началу XXI века сформировалось несколько основных типов подводных аппаратов.

Ни один тип не является абсолютной заменой остальных. ROV превосходен для ремонта оборудования. AUV удобен для картографирования. Глайдер незаменим для длительного мониторинга больших районов океана. Пилотируемый аппарат остаётся важным инструментом сложных исследований, где непосредственное восприятие человеком имеет особую ценность. Но одновременно всё заметнее становится ещё одно направление. Оно пока не укладывается полностью ни в одну из традиционных категорий.

Почему торпеда — не идеальная рыба

Большинство AUV создавались по логике подводной лодки или торпеды. Прочный корпус. Электрический двигатель. Гребной винт. Рули. Аккумулятор. Эта архитектура прекрасно работает и ещё долго будет использоваться. Но если посмотреть на живой океан, возникает очевидный вопрос. Почему почти ни одно быстро плавающее морское животное не использует вращающийся винт? Рыба изгибает тело. Тунец работает хвостом. Скат создаёт волну огромными грудными плавниками. Угорь заставляет изгиб проходить вдоль всего тела. Медуза периодически изменяет форму своего купола. Природа решает задачу движения в воде совсем иначе. Это не означает, что природа автоматически создаёт лучший механизм для любой инженерной задачи. Гребной винт чрезвычайно эффективен и технологичен.

Но живая система обладает качествами, которые особенно интересны для автономной робототехники. Она может быть тихой. Она способна резко менять направление. Гибкое тело лучше переносит столкновения. Плавники одновременно создают тягу и управляют движением. Нет открытого быстро вращающегося винта, на который могут намотаться водоросли, леска или сеть. Наконец, животное использует не один отдельный движитель, а взаимодействие всего тела с окружающей водой. Именно поэтому исследователи всё чаще обращаются к биомиметике — созданию технических систем, использующих принципы, найденные в живой природе.

Не копировать рыбу, а понять её

Слово «биомиметика» иногда создаёт неправильное впечатление. Кажется, будто инженер должен внимательно рассмотреть рыбу и изготовить её механическую копию. На самом деле задача гораздо интереснее. Роботу совершенно не обязательно иметь чешую, жабры или точно повторять скелет животного. Важно понять принцип. Почему определённая форма тела уменьшает сопротивление? Как изгиб хвоста создаёт тягу? Почему положение плавников обеспечивает устойчивость? Как рыба сохраняет глубину? Как она воспринимает движение воды? Какие функции выполняет плавательный пузырь? После этого биологический механизм можно реализовать совершенно другими техническими средствами.

Мышцу заменит электропривод. Нервную систему — микроконтроллер. Органы чувств — набор электронных датчиков. Хрящ — эластичный полимер. Но физический принцип взаимодействия с водой может остаться тем же. Так появляется не механическая копия животного, а новая инженерная машина.

Главный враг — собственный шум

Особенно привлекательна биомиметика для задач, где робот должен не просто находиться под водой, а слушать океан. Обычный электродвигатель создаёт вибрации. Редуктор создаёт вибрации. Насос создаёт вибрации. Гребной винт возбуждает воду и при определённых режимах может создавать кавитационный шум. Для многих инженерных задач это не критично. Но представим аппарат, задача которого — регистрировать слабые сигналы китообразных, наблюдать за поведением рыб или работать в составе чувствительной гидроакустической системы. Тогда робот начинает слышать прежде всего самого себя. Получается почти анекдотическая ситуация: мы отправляем машину слушать океан и снабжаем её набором механизмов, которые мешают ей слушать.

Отсюда возникает идея максимально тихого аппарата. Убрать редукторы. Уменьшить число насосов. Отказаться от постоянно работающих подруливающих винтов. Использовать плавные деформации гибкого корпуса и плавников. Но здесь инженеры сталкиваются с новой трудностью. Обычная рыба — не просто хорошо обтекаемый объект с хвостом. Это сложная динамическая система.

Плавательный пузырь как инженерная загадка

Особое место в этой системе занимает плавательный пузырь костистых рыб. На первый взгляд идея кажется почти идеальной для робота. Внутри корпуса имеется газовая полость. Изменяя её объём, можно изменять среднюю плотность аппарата и тем самым регулировать плавучесть. Не нужно постоянно тратить энергию на вертикальную тягу. Робот словно превращается в маленький подводный аэростат. Но именно здесь обнаруживается физический парадокс. С увеличением глубины давление растёт. Газ сжимается. Объём пузыря уменьшается. Вытесняется меньше воды. Сила Архимеда уменьшается. Аппарат начинает тонуть ещё сильнее. При подъёме происходит обратное. Давление падает.

Газ расширяется. Плавучесть увеличивается. Аппарат начинает всплывать ещё быстрее. Простая газовая полость оказывается не стабилизатором, а потенциальным источником неустойчивости. Живая рыба имеет сложные физиологические механизмы, позволяющие управлять количеством газа. Механический робот такими возможностями от природы не обладает. Поэтому долгое время инженерный подход был очевиден: если естественная система нестабильна, нужно добавить насос, клапан, балластную камеру и электронный регулятор. То есть снова компенсировать физику активным устройством. Но существует и другой путь. Не бороться с изменением объёма пузыря. Использовать его.

Когда недостаток становится частью управления

Представим, что изменение объёма газовой полости не только меняет плавучесть, но и немного изменяет положение аппарата. При погружении робот наклоняет нос вверх. При подъёме — вниз. Если аппарат при этом движется вперёд, изменение угла атаки создаёт гидродинамическую силу. При слишком большом погружении эта сила направляет машину вверх. При избыточном подъёме — вниз. Получается необычная система: глубина изменяет давление; давление изменяет объём; объём изменяет дифферент; дифферент изменяет угол атаки; набегающий поток создаёт корректирующую силу. То, что первоначально выглядело источником неустойчивости, при правильной конструкции может стать частью обратной связи.

Для классического инженера подобная идея выглядит почти подозрительно. В системе нет мощного исполнительного механизма, который непрерывно измеряет ошибку и силой возвращает аппарат на заданную глубину. Часть регулирования выполняет сама механика аппарата во взаимодействии с водой. Именно эта идея станет центральной темой следующих глав.

От машины к искусственному организму

История подводной робототехники показывает любопытную последовательность. Сначала человек погружался под воду сам. Затем оставил своё тело на поверхности, но сохранил кабель управления. Потом разрезал кабель и передал машине простую программу. Затем научил её самостоятельно ориентироваться. Следующим шагом стало использование плавучести вместо непрерывной работы двигателя. Теперь начинается новый этап: сама конструкция робота постепенно становится частью системы управления. Гибкое тело может менять гидродинамику. Плавник становится одновременно движителем и рулём. Эластичная полость реагирует на давление. Материал конструкции способен накапливать и возвращать энергию деформации.

Датчики перестают быть отдельными приборами и могут распределяться по всей поверхности корпуса. Программное управление всё теснее соединяется с механическими свойствами машины. Граница между корпусом, движителем, датчиком и регулятором начинает размываться. Это уже совсем другая инженерная философия. Классическая подводная машина старается заставить воду подчиниться работе механизмов. Биомиметическая машина пытается сделать свойства воды частью собственного устройства. И именно поэтому путь от ROV и торпедообразного AUV к робо-рыбе — не просто изменение внешнего вида. Это переход от одной архитектуры к другой. От аппарата, который существует вопреки среде, к аппарату, который работает вместе со средой.

В следующей главе мы разберём физику этого взаимодействия: плавучесть, давление, центр масс, центр плавучести, гидродинамическое сопротивление, крен и дифферент. Без этих понятий невозможно понять, почему подводный робот сохраняет равновесие — или внезапно его теряет.

Глава 2. Физика подводного робота

В первой главе мы подошли к важной мысли: подводная машина отличается от наземной не только герметичным корпусом. Вода заставляет инженера по-другому решать почти все основные задачи — движение, устойчивость, энергетику, навигацию и управление. Автомобиль стоит на дороге и опирается на неё колёсами. Самолёт удерживается в воздухе только благодаря создаваемой крылом подъёмной силе. Подводный аппарат занимает промежуточное и в каком-то смысле более сложное положение. Его масса почти полностью компенсируется силой Архимеда, но малейшее нарушение этого равновесия заставляет машину всплывать или погружаться. При этом вода примерно в тысячу раз плотнее воздуха, поэтому даже сравнительно небольшая скорость создаёт значительные гидродинамические силы.

Для подводного робота вода одновременно является опорой, средой движения, источником сопротивления и частью системы управления. Чтобы понять, почему одни аппараты устойчиво идут на заданной глубине, а другие начинают раскачиваться, почему увеличение скорости так быстро разряжает батарею и почему несколько килограммов неправильно размещённого груза способны нарушить управление большой машиной, необходимо разобраться в нескольких базовых физических принципах.

Давление: главный спутник глубины

На поверхности на любой объект действует атмосферное давление. Под водой к нему добавляется давление столба жидкости. В простейшем приближении гидростатическое давление определяется выражением

где

— абсолютное давление на заданной глубине;

— атмосферное давление на поверхности;

— плотность воды;

— ускорение свободного падения;

— глубина.

Для морской воды часто используют ориентировочную плотность около

. Точное значение зависит от температуры, солёности и давления, но для первоначальных инженерных оценок этого достаточно. Из формулы видно, что давление растёт практически линейно с глубиной. Приближённое правило хорошо известно морякам и океанографам: каждые 10 метров глубины добавляют примерно одну атмосферу давления. На глубине 10 метров вода создаёт почти одну дополнительную атмосферу. Вместе с давлением воздуха абсолютное давление составляет около двух атмосфер. На 100 метрах — около 11 атмосфер. На 1000 метрах — примерно 100 атмосфер плюс давление атмосферы на поверхности. На глубинах порядка 4000 метров давление достигает примерно 40 МПа, то есть около 400 атмосфер.

В наиболее глубоких океанских впадинах счёт идёт уже более чем на тысячу атмосфер. Для человека такие числа выглядят почти фантастическими. Однако сама по себе величина давления ещё не говорит о том, что объект обязательно будет разрушен. Главное — разность давления между наружной и внутренней сторонами конструкции.

Почему глубоководная рыба не превращается в лепёшку

Если внутри герметичного пустого корпуса находится воздух под давлением в одну атмосферу, а снаружи действует давление в сотни атмосфер, стенки корпуса должны выдерживать огромную разность сил. Именно поэтому традиционные глубоководные аппараты используют прочные сферические или близкие к сферическим камеры. Но у многих глубоководных организмов нет больших жёстких полостей, заполненных газом. Значительная часть тела состоит из воды и жидкостей, давление которых практически уравновешивает внешнее. Это важнейший инженерный принцип. Не всегда необходимо строить чрезвычайно прочную сухую капсулу вокруг всей электроники. Некоторые компоненты можно размещать в среде, где внешнее давление передаётся внутрь через масло или другую практически несжимаемую жидкость.

Так создают pressure-tolerant, то есть допускающие внешнее давление, конструкции. Вместо того чтобы победить давление прочностью стенки, инженер иногда просто устраняет большую разность давлений. Эта идея очень характерна для подводной техники: лучший способ борьбы с физическим фактором иногда заключается в том, чтобы перестать с ним бороться.

Почему форма корпуса имеет значение

Представим герметичный прямоугольный ящик. Если внешнее давление велико, его плоские стенки начинают изгибаться внутрь. Чем больше площадь панели, тем сложнее обеспечить её жёсткость. Сфера принципиально выгоднее. Давление действует на неё со всех направлений, а нагрузка распределяется по оболочке значительно равномернее. Поэтому внутренние обитаемые камеры глубоководных аппаратов часто имеют сферическую форму. Но робот должен не только выдерживать давление. Ему ещё нужно двигаться. Сфера прочна, но обладает большим гидродинамическим сопротивлением. Для быстрого движения значительно выгоднее вытянутый обтекаемый корпус.

В результате конструктор сталкивается с компромиссом: прочность требует одной геометрии, гидродинамика — другой. Поэтому внешний обтекатель AUV может иметь форму торпеды, а внутри него размещаются отдельные цилиндрические или сферические герметичные отсеки. В биомиметическом аппарате задача становится ещё интереснее: часть корпуса может быть мягкой и деформируемой, тогда как электроника и аккумуляторы заключены в локальные прочные модули.

Архимед против Ньютона

На любой подводный аппарат одновременно действуют две особенно важные вертикальные силы. Первая — сила тяжести:

. Она направлена вниз. Вторая — сила Архимеда:

, где

— объём вытесненной воды. Она направлена вверх. Если

, аппарат имеет отрицательную плавучесть и стремится погружаться. Если

, плавучесть положительная и аппарат стремится к поверхности. Если же

, получается нейтральная плавучесть. Именно нейтральное состояние особенно интересно для автономного подводного робота. В идеальном случае ему не требуется непрерывно тратить энергию ни на то, чтобы не утонуть, ни на то, чтобы не всплыть. Он как бы «висит» внутри воды.

Один литр решает больше, чем кажется

Посмотрим на простую оценку. Один литр — это

. Один литр морской воды имеет массу примерно 1,025 кг. Следовательно, дополнительный герметичный объём всего в один литр создаёт подъёмную силу, эквивалентную весу примерно одного килограмма массы. Для большого корабля это ничтожная величина. Для небольшого подводного робота — уже серьёзная. Допустим, аппарат имеет объём

то есть 100 литров. В морской воде он вытесняет примерно 102,5 кг воды. Поэтому для нейтральной плавучести его полная масса должна быть близка к этому значению. Если добавить пятилитровый герметичный контейнер, не изменив соответствующим образом массу или балласт, равновесие заметно изменится. Именно поэтому подводная машина чувствительна не только к крупным изменениям конструкции, но даже к замене отдельных приборов. Установили новую камеру. Поменяли аккумулятор. Добавили защитный кожух. Закрепили груз. Всё это приходится учитывать при балансировке.

Нейтральная плавучесть не означает устойчивость

Здесь легко сделать ошибочный вывод. Если сила тяжести равна силе Архимеда, кажется, что аппарат автоматически находится в идеальном равновесии. Но важно не только равенство сил. Не менее важно, где именно они приложены. Сила тяжести условно приложена в центре масс. Сила Архимеда — в центре плавучести, то есть в геометрическом центре вытесняемого объёма с учётом формы корпуса. Если эти точки совпадают, аппарат может оказаться безразличным к небольшому повороту. Если центр масс расположен ниже центра плавучести, возникает естественная способность возвращаться в исходное положение. Это похоже на подвешенный груз. При наклоне направления сил перестают проходить по одной линии и возникает восстанавливающий момент. Такой аппарат стремится снова занять устойчивое положение.

Центр масс и центр плавучести

Обозначим центр масс как CG — Center of Gravity, а центр плавучести как CB — Center of Buoyancy. Для многих подводных аппаратов выгодно сделать так, чтобы CG находился немного ниже CB. Тяжёлые элементы — аккумуляторы, силовая электроника, металлические детали — размещают ниже. Лёгкие объёмы плавучести — выше. Если робот наклонится вправо, сила тяжести и сила Архимеда создадут пару сил, стремящуюся вернуть его обратно. Чем больше расстояние между CG и CB, тем сильнее этот эффект.

Но слишком большая устойчивость тоже не всегда полезна. Если аппарат должен активно выполнять резкие манёвры, системе управления придётся постоянно преодолевать собственный восстанавливающий момент. Поэтому конструктор снова ищет компромисс. Для медленно движущегося инспекционного аппарата высокая пассивная устойчивость может быть преимуществом. Для робо-рыбы, который должен быстро изгибаться и менять ориентацию, чрезмерная статическая устойчивость способна мешать.

Момент, который возвращает машину

Предположим, нейтрально плавучий аппарат вытесняет 100 литров морской воды. Сила Архимеда составляет примерно

. Если расстояние между центром плавучести и центром масс равно всего 2 сантиметрам, максимальный характерный восстанавливающий момент имеет порядок

, то есть

. Два сантиметра кажутся почти незначительными. Но для небольшого аппарата это уже вполне ощутимый момент. Именно поэтому размещение аккумулятора на несколько сантиметров выше или ниже может заметно изменить поведение машины. Подводная робототехника особенно наглядно показывает: расположение массы иногда важнее самой массы.

Что происходит, когда робот везёт груз

Этот вопрос становится принципиальным, если подводный аппарат используется не только для измерений, но и для перевозки оборудования или важных грузов. Предположим, робот тщательно сбалансирован. В его центре находится контейнер массой 20 кг. Если контейнер переместить на 30 сантиметров вперёд, общий центр масс аппарата также сместится вперёд. Робот получит постоянный дифферент на нос. Автоматика сможет компенсировать его рулями или подруливающими устройствами, но за это придётся платить энергией. Если груз внутри контейнера способен перемещаться, ситуация становится хуже. Особенно опасны жидкости и сыпучие материалы. Их центр масс может изменяться непосредственно во время манёвра. Поэтому транспортный подводный робот должен рассматривать груз не как пассивное содержимое отсека, а как часть собственной динамической системы. Для перевозки особо важных грузов необходимы:

жёсткая фиксация груза;

контроль его массы и положения;

известные координаты центра тяжести;

компенсация изменения массы после выгрузки;

резерв управления на случай смещения груза;

контроль герметичности грузового отсека.

Особенно интересен момент выгрузки. Если нейтрально плавучий аппарат сбросит тяжёлый груз, его масса уменьшится, но вытесняемый объём корпуса практически не изменится. Машина немедленно приобретёт положительную плавучесть. Если это заранее не компенсировать балластом или изменением собственного объёма, робот начнёт неконтролируемо всплывать. Для транспортного аппарата физика доставки заканчивается не тогда, когда груз доставлен, а тогда, когда машина после разгрузки снова стала управляемой.

Шесть движений подводной машины

В пространстве твёрдое тело имеет шесть степеней свободы. Подводная техника использует для них традиционные названия. Три поступательных движения:

surge — движение вперёд и назад;

sway — движение вправо и влево;

heave — движение вверх и вниз.

И три вращательных:

roll — крен;

pitch — тангаж или дифферент;

yaw — рыскание по курсу.

У автомобиля активно используются в основном движение вперёд и поворот вокруг вертикальной оси. Самолёт работает практически со всеми шестью степенями свободы. Подводный робот тоже должен учитывать все шесть. Причём вода связывает эти движения между собой. Например, аппарат наклонил нос вниз. Если он движется вперёд, гидродинамические силы заставят его одновременно погружаться. Изменение глубины повлияет на давление. Если внутри имеется сжимаемый газовый объём, изменится плавучесть. Она, в свою очередь, снова изменит положение аппарата. Возникает связанная динамическая система. Именно поэтому управление подводным роботом невозможно свести к шести независимым регуляторам.

Вода сопротивляется движению

Теперь рассмотрим горизонтальное движение. При перемещении корпуса относительно воды возникает гидродинамическое сопротивление. В инженерном приближении его часто оценивают выражением

где

— сила сопротивления;

— коэффициент сопротивления;

— плотность воды;

— характерная площадь;

— скорость аппарата относительно воды.

Самая важная часть этой формулы — квадрат скорости:

. Если скорость увеличить в два раза, сопротивление при прочих равных условиях возрастёт примерно в четыре раза. Это уже неприятно. Но для автономного аппарата существует ещё более серьёзное следствие.

Почему двойная скорость может потребовать в восемь раз больше мощности

Механическая мощность, необходимая только для преодоления сопротивления, приблизительно равна

. Поскольку

, получаем

. То есть при сохранении режима обтекания двукратное увеличение скорости может потребовать примерно восьмикратного увеличения механической мощности. Рассмотрим условный пример. Пусть

, характерная площадь

, а плотность воды

. При скорости 1 м/с сопротивление составит примерно

, а механическая мощность на его преодоление —

. При скорости 2 м/с сопротивление возрастёт примерно до

, а мощность —

. Скорость выросла всего в два раза. Мощность — примерно в восемь. Реальный аппарат дополнительно имеет потери в двигателе, преобразователе и винте, поэтому электрическая мощность аккумулятора будет ещё выше. Отсюда становится понятно, почему для дальнего автономного плавания выгоднее двигаться медленно. Подводный робот очень дорого платит за скорость.

Скорость относительно воды, а не относительно дна

Есть ещё одна тонкость. Гидродинамическое сопротивление определяется скоростью аппарата относительно окружающей воды. Предположим, робот хочет двигаться относительно дна со скоростью 1 м/с. Если попутное течение имеет скорость 0,5 м/с, относительно воды аппарату достаточно двигаться со скоростью около 0,5 м/с. Если течение встречное 0,5 м/с, относительная скорость корпуса в воде становится уже около 1,5 м/с. Для аппарата это совершенно разные энергетические режимы, хотя оператор на карте в обоих случаях может видеть одну и ту же скорость относительно грунта.

Поэтому современный AUV должен учитывать не только собственную траекторию, но и поле течений. Иногда самый короткий геометрический маршрут оказывается не самым экономичным. В перспективе автономный робот может выбирать путь примерно так же, как мореплаватель использует течения: не бороться с ними, а включать их в энергетическую стратегию.

Обтекаемая форма — это запас энергии

Раз коэффициент сопротивления

входит непосредственно в формулу силы сопротивления, форма корпуса становится частью энергетической системы. Обтекаемый аппарат экономит не только мощность двигателя. Он фактически увеличивает дальность хода без добавления новых аккумуляторов. Именно поэтому классические AUV имеют вытянутую торпедообразную форму. Но уменьшение сопротивления — сложнее, чем просто сделать нос острым. Важны:

форма носовой части;

плавность изменения сечения;

отношение длины к диаметру;

качество поверхности;

выступающие датчики;

винты;

рули;

соединения секций;

кабели и антенны.

Даже небольшой выступ может создать локальное возмущение потока. Для робо-рыбы задача становится ещё сложнее: его корпус постоянно меняет форму. Зато эта же деформация может использоваться для создания тяги.

Пограничный слой

Вода непосредственно у поверхности корпуса ведёт себя иначе, чем основной поток. Из-за вязкости скорость жидкости непосредственно на поверхности практически совпадает со скоростью самой поверхности. Чуть дальше вода уже движется относительно корпуса. Так возникает пограничный слой. Его состояние сильно влияет на сопротивление. Поток может быть относительно упорядоченным — ламинарным — или хаотичным и перемешанным — турбулентным. Полностью сохранить ламинарное обтекание на реальном подводном аппарате трудно. Шероховатость поверхности, соединения, вибрации и внешние возмущения способствуют переходу к турбулентности. Но сам характер этого перехода принципиально важен. Поэтому инженер, проектирующий корпус, думает не только о его общей форме, но и о том, как вода движется вдоль поверхности.

Число Рейнольдса

Для оценки характера течения используется безразмерное число Рейнольдса:

где

— плотность жидкости;

— характерная скорость;

— характерный размер объекта;

— динамическая вязкость.

Число Рейнольдса показывает соотношение между инерционными и вязкими эффектами. Для большой быстро движущейся машины обычно велико. Для очень маленького медленного робота вязкость становится относительно более значимой. Это приводит к одному из важнейших ограничений биомиметики. Нельзя просто сделать точную уменьшенную копию рыбы и ожидать, что она будет плавать точно так же. Если размеры уменьшить в сто раз, режим взаимодействия с водой изменится. То, что прекрасно работает для тунца длиной два метра, не обязательно будет столь же эффективно для робота длиной два сантиметра. И наоборот. Поэтому биомиметика копирует не форму сама по себе, а физический принцип с учётом масштаба.

У воды есть «добавочная масса»

На суше при разгоне тележки двигатель в основном ускоряет саму тележку и её груз. Под водой ситуация сложнее. Когда корпус начинает двигаться, он должен разгонять ещё и часть окружающей воды. Поэтому динамически аппарат ведёт себя так, словно его масса стала больше. Это явление называют присоединённой массой — added mass. Она особенно заметна при резких манёврах. Аппарат может иметь собственную массу 100 кг, но при быстром боковом ускорении его двигатель фактически должен преодолеть инерцию не только этих 100 кг, но и некоторого объёма воды, вовлечённого в движение. Величина присоединённой массы зависит от формы корпуса и направления движения.

Для вытянутого аппарата сопротивление разгону вдоль продольной оси и поперёк неё сильно различается. Это одна из причин, почему длинный AUV охотно движется вперёд, но не любит резко смещаться боком. А дискообразный робот, похожий на ската, будет иметь совсем другую динамику.

Инерция воды остаётся после команды

Представим, что система управления дала подруливающему двигателю короткий импульс вправо. На воздухе небольшой дрон почти мгновенно меняет движение. Под водой двигатель сначала разгоняет сам аппарат и окружающую воду. Затем двигатель выключается. Но вода уже движется. Возникают вихри, инерционные потоки и запаздывание реакции. Поэтому управление подводным аппаратом часто имеет более выраженную динамическую «память». Команда закончилась, а её последствия ещё продолжаются. Для точного позиционирования возле кабеля, подводной станции или хрупкого объекта это крайне важно. Особенно сложной становится ситуация для мягкого робота: деформируется не только окружающая вода, но и сам корпус.

Подъёмная сила существует и под водой

Слово «подъёмная сила» обычно связывают с самолётом. Но тот же физический принцип работает и в воде. Если крыло или плавник движется относительно жидкости под определённым углом, возникает сила, имеющая компоненту поперёк набегающего потока. Её можно оценивать формулой

где

— коэффициент подъёмной силы. Именно этим пользуются:

рули глубины подводной лодки;

крылья глайдера;

грудные плавники роботизированной рыбы;

гидродинамические поверхности AUV.

Очень важно, что такая сила существует только при наличии относительного движения воды. Стоящий на месте аппарат не может рассчитывать на обычное гидродинамическое крыло как на источник постоянной силы. Это станет принципиальным ограничением для системы «умного пузыря», которую мы подробно рассмотрим позже.

Угол атаки

Угол между направлением набегающего потока и характерной линией крыла или корпуса называют углом атаки. Небольшое изменение угла способно заметно изменить подъёмную силу. Для подводного робота это особенно интересно. Предположим, аппарат имеет почти нейтральную плавучесть и движется вперёд. Если нос слегка поднять, корпус или плавники могут создать вертикальную составляющую гидродинамической силы. Робот начинает подниматься, хотя его средняя плотность не изменилась. Если нос опустить — возникает движение вниз. Получается, глубиной можно управлять двумя принципиально различными способами:

гидростатически — изменяя плавучесть;

гидродинамически — изменяя ориентацию относительно потока.

Классический AUV чаще активно сочетает оба подхода. Глайдер делает изменение плавучести главным источником вертикального движения, а крылья преобразуют его в горизонтальное. Робот с «умным пузырём» идёт ещё дальше: изменение плавучести само создаёт изменение ориентации, а ориентация вызывает гидродинамическую коррекцию.

Статическая и динамическая устойчивость

Устойчивость бывает разной. Статическая устойчивость отвечает на вопрос: если аппарат немного отклонить и отпустить, возникнет ли сила или момент, стремящиеся вернуть его назад? Пример — центр масс ниже центра плавучести. Динамическая устойчивость отвечает на другой вопрос: что произойдёт с отклонением во времени? Аппарат может возвращаться в исходное положение, но каждый раз перелетать его и раскачиваться всё сильнее. Формально восстанавливающая сила существует, но система динамически неудовлетворительна. Для хорошего поведения необходимо ещё и демпфирование. Вода сама создаёт гидродинамическое демпфирование, однако его величина зависит от формы, скорости и направления движения.

Поэтому два аппарата с одинаковым положением центра масс могут вести себя совершенно по-разному. Один после возмущения плавно вернётся в горизонтальное положение. Другой сделает несколько колебаний. Третий войдёт в устойчивую раскачку. А при неудачной конструкции автоматика может начать бороться с пассивной механикой аппарата и ещё сильнее возбуждать колебания.

Когда автоматика мешает физике

Представим аппарат, который слегка опустил нос. Пассивная гидродинамика уже начинает возвращать его в исходное положение. Но датчик обнаруживает ошибку, а контроллер немедленно даёт сильную команду на рули. Пока привод сработал, естественная реакция корпуса уже изменила движение. Активная коррекция приходит с запозданием и оказывается чрезмерной. Нос проходит горизонтальное положение и поднимается слишком высоко. Контроллер даёт обратную команду. Возникают автоколебания. Подобная проблема хорошо известна в теории управления: система должна учитывать динамику самого объекта, а не просто измерять ошибку. В биомиметической робототехнике это особенно важно, потому что механика тела становится частью регулятора. Иногда правильно спроектированная машина требует меньше управления, а не более сложного управления.

Сжимаемый газ — особый случай

До сих пор мы рассматривали аппарат так, словно его объём почти не меняется с глубиной. Для жёсткого корпуса это разумное приближение. Но газовая полость ведёт себя иначе. В простейшем изотермическом приближении используется закон Бойля—Мариотта:

Если давление увеличилось в два раза, объём газа примерно уменьшится в два раза. На поверхности мягкий пузырь имеет определённый объём. На глубине около 10 метров абсолютное давление приблизительно удваивается, поэтому при идеализированных условиях объём газа может уменьшиться примерно вдвое. На глубине около 100 метров абсолютное давление приблизительно в 11 раз выше поверхностного, поэтому свободный газовый объём стремился бы уменьшиться примерно до одной одиннадцатой исходного. Реальная эластичная оболочка, температура, свойства материала и ограничения конструкции усложняют картину, но основной эффект остаётся. И именно здесь начинается парадокс искусственного плавательного пузыря.

Почему обычный пузырь не держит глубину

Пусть робот настроен на нейтральную плавучесть на некоторой глубине. Случайное возмущение заставило его опуститься немного ниже. Давление увеличилось. Газовая камера сжалась. Общий вытесняемый объём уменьшился. Сила Архимеда стала меньше. Аппарат получил отрицательную плавучесть и начал погружаться ещё сильнее. Возникла положительная обратная связь. При случайном движении вверх происходит обратное. Давление уменьшается. Газ расширяется. Сила Архимеда увеличивается. Робот всплывает ещё быстрее.

Поэтому свободный сжимаемый пузырь сам по себе не является простым стабилизатором глубины. Наоборот, без дополнительных механизмов он способен создавать неустойчивость. Живая рыба решает эту задачу физиологически. Технический аппарат может использовать насосы, клапаны, жёсткие резервуары или совершенно иной принцип, который мы разберём в отдельной главе.

Температура и солёность тоже меняют плавучесть

Плотность морской воды не постоянна. Она зависит прежде всего от температуры, солёности и давления. Поэтому аппарат, идеально сбалансированный в одном районе океана, в другом может получить небольшую положительную или отрицательную плавучесть. Особенно интересны границы водных масс. Робот проходит через термоклин — слой, где температура достаточно быстро меняется с глубиной. Плотность воды меняется. Меняется и сила Архимеда. Для большого тяжёлого корабля относительный эффект может быть невелик. Для высокоэкономичного глайдера или аппарата с очень тонкой регулировкой плавучести он уже заметен. Получается ещё один важный принцип: нейтральная плавучесть — не постоянное свойство аппарата; это состояние системы «аппарат + окружающая вода».

Волна, течение и турбулентность

Лабораторный бассейн позволяет получить красивую повторяемую траекторию. Океан — нет. Реальный аппарат сталкивается с:

горизонтальными течениями;

вертикальными потоками;

волновым движением;

турбулентными вихрями;

неоднородностью температуры;

изменениями плотности;

взаимодействием с рельефом дна.

Поэтому устойчивость, рассчитанная для спокойной воды, ещё не гарантирует устойчивости в море. Особенно это относится к биомиметическим аппаратам. Гибкий хвост может прекрасно работать в равномерном набегающем потоке и совершенно иначе реагировать на вихрь. Плавник, который в модели создаёт требуемую силу, в турбулентной воде может получать переменный угол атаки. Эластичная оболочка может деформироваться с задержкой. Так возникает знаменитый разрыв между симуляцией и реальностью — Sim2Real gap. В подводной робототехнике он особенно велик, потому что окружающая среда сама является активной частью динамики машины.

Рядом с дном всё меняется

При движении высоко над ровным дном аппарат можно приблизительно рассматривать как тело в свободном потоке. Но при приближении к поверхности грунта течение вокруг корпуса изменяется. Струи подруливающих винтов отражаются от дна. Поднимается осадок. Сонар может получать дополнительные отражения. Камера внезапно оказывается в облаке ила. Гидродинамические силы также меняются. Особенно неприятна ситуация для инспекционного робота, который должен пройти в десятках сантиметров от кабеля, трубы или корпуса затонувшего судна. На открытой воде ошибка в 20 сантиметров почти ничего не значит. В узком пространстве те же 20 сантиметров могут закончиться столкновением. Поэтому хороший подводный робот должен уметь менять стиль управления в зависимости от среды. Дальний переход и точная инспекция — фактически два разных режима движения.

Почему зависание так дорого

Для мультироторного воздушного дрона зависание — естественный режим, хотя и энергозатратный. Для подводного аппарата с нейтральной плавучестью вертикальная поддержка веса почти не требуется. На первый взгляд кажется, что зависать должно быть очень легко. Но удерживать точное положение в реальном течении намного труднее. Если поток пытается унести аппарат в сторону, подруливающие двигатели должны непрерывно создавать компенсирующую силу. То же относится к курсу и ориентации.

Поэтому аппарат может быть нейтрально плавучим и при этом тратить значительную энергию на station keeping — удержание точки. Для многомесячной автономной миссии это роскошь. Гораздо выгоднее спроектировать задачу так, чтобы аппарат большую часть времени двигался в энергетически выгодном режиме и лишь кратковременно переходил к точному зависанию. Живые организмы часто делают именно так.

Почему рыба не борется с каждой ошибкой

Рыба не представляет собой абсолютно жёсткий корпус, который компьютер каждую миллисекунду удерживает в математически идеальном положении. Тело деформируется. Плавники отклоняются. Вихри воздействуют на поверхность. Часть возмущений просто поглощается механической податливостью. Именно эта идея становится всё важнее в современной робототехнике. Если конструкция способна пассивно адаптироваться к потоку, не каждое воздействие требует отдельной команды двигателя. Гибкость может выполнять ту работу, которую в классической машине пришлось бы возложить на датчик, контроллер и привод.

Но гибкость нельзя считать автоматически полезной. Слишком мягкий корпус теряет форму. Слишком жёсткий — не использует преимущества биомиметики. Поэтому задача заключается не в максимальной мягкости, а в правильно распределённой жёсткости. Одни части должны оставаться почти неподвижными. Другие — изгибаться. Третьи — изменять свойства в зависимости от режима движения.

Подводный робот как система сил и моментов

Теперь можно свести основные физические воздействия в единую картину. На аппарат действуют:

сила тяжести;

сила Архимеда;

гидродинамическое сопротивление;

подъёмные силы;

тяга движителей;

силы течения;

инерционные эффекты;

присоединённая масса;

гидродинамическое демпфирование.

Одновременно относительно центра масс возникают моменты:

от несовпадения центра масс и центра плавучести;

от рулей и плавников;

от движителей;

от асимметричного сопротивления;

от перемещения груза;

от деформации корпуса.

Именно результат их совместного действия определяет движение. Поэтому даже очень простой внешне подводный робот на самом деле является сложной многосвязной механической системой.

Идеальный аппарат почти ничего не делает

Из всей этой физики можно сделать неожиданное заключение. Наиболее энергоэффективный подводный робот — не обязательно тот, у которого самый совершенный двигатель. Возможно, это аппарат, которому двигатель приходится использовать реже. Если масса правильно распределена, часть устойчивости возникает пассивно. Если корпус обтекаем, уменьшается сопротивление. Если используются течения, снижается требуемая тяга. Если плавучесть близка к нейтральной, не нужно непрерывно компенсировать вес. Если гибкий плавник взаимодействует с водой оптимальным образом, часть энергии возвращается упругими элементами. Если изменение давления используется как сигнал механической обратной связи, некоторые функции автоматики может выполнять сама конструкция.

Так постепенно появляется совершенно другая философия проектирования. Не спрашивать: «Какой двигатель поставить, чтобы преодолеть эту силу?» А сначала спросить: «Можно ли сделать так, чтобы эта сила работала на нас?» Именно этот вопрос отличает обычный подводный аппарат от машины, которая начинает использовать принципы живой природы.

От физики к конструкции

Теперь у нас есть необходимые понятия. Мы знаем, что глубина определяет давление. Давление особенно опасно для газовых и сухих полостей. Плавучесть определяется массой вытесненной воды. Положение центра масс и центра плавучести формирует пассивную устойчивость. Сопротивление приблизительно растёт как квадрат скорости, а требуемая для его преодоления мощность — как куб скорости. Окружающая вода увеличивает эффективную инерцию аппарата. Крылья и плавники создают гидродинамическую силу только при движении относительно воды. Газовая полость изменяет объём с глубиной и сама по себе способна сделать равновесие неустойчивым. А значит, классический AUV постоянно находится между двумя противоположными требованиями.

Он должен быть достаточно жёстким, чтобы выдерживать давление, и достаточно лёгким, чтобы иметь полезную нагрузку. Достаточно устойчивым, чтобы не раскачиваться, и достаточно манёвренным, чтобы менять ориентацию. Достаточно быстрым, чтобы выполнять миссию за разумное время, и достаточно медленным, чтобы не разрядить батарею. В следующей главе мы посмотрим, как инженеры десятилетиями решали эти противоречия в классическом автономном аппарате — фактически в подводной торпеде с компьютером: с прочным корпусом, аккумуляторами, гребным винтом, рулями, подруливающими устройствами и системой регулирования плавучести. И именно после этого станет особенно хорошо видно, почему часть исследователей решила отказаться от дальнейшего усложнения традиционной схемы и посмотреть на устройство рыбы.

Глава 3. Классический

AUV

: подводная торпеда с компьютером

В предыдущей главе мы разобрали силы, которые действуют на подводный аппарат. Теперь можно посмотреть, как инженеры собрали из этих физических принципов наиболее распространённую конструкцию автономного подводного робота. Если снять с классического AUV внешние обтекатели, его устройство окажется удивительно знакомым: прочный корпус, аккумуляторы, электродвигатель с гребным винтом, рули, навигационные датчики, бортовой компьютер и полезная нагрузка. По существу перед нами небольшая беспилотная подводная лодка, максимально упрощённая и оптимизированная под автономную работу.

Именно такая схема десятилетиями оставалась основной для аппаратов, которым требовалось быстро и точно обследовать большие участки морского дна. Она оказалась настолько удачной, что современные AUV всё ещё внешне напоминают торпеды, хотя электроника внутри изменилась радикально. Однако внешняя простота обманчива. Торпедообразный AUV — это результат множества компромиссов. Чтобы получить большую дальность, приходится экономить каждый ватт. Чтобы получить точные сонарные данные, приходится бороться с собственным шумом. Чтобы увеличить глубину, необходимо усиливать или менять конструкцию корпуса. Чтобы добавить новый прибор или груз, приходится заново проверять плавучесть и центровку. И чем больше возможностей пытаются поместить внутрь такого аппарата, тем отчётливее становятся ограничения самой классической архитектуры.

Почему победила торпеда

Для машины, которая большую часть времени движется вперёд, вытянутая обтекаемая форма почти неизбежна. Вода значительно плотнее воздуха. Поэтому корпус, который выглядит вполне обтекаемым для автомобиля, под водой может создавать огромные энергетические потери. Инженеру выгодно уменьшить лобовую площадь, сгладить переходы между секциями и по возможности убрать всё, что выступает наружу. Так появляется характерный цилиндрический корпус с округлым носом и сужающейся кормовой частью. Форма напоминает торпеду не потому, что каждый AUV создаётся как оружие. Просто торпеда ещё раньше решила ту же гидродинамическую задачу: как перемещать компактный объект через плотную жидкость с минимальным сопротивлением.

Для исследовательского аппарата это особенно важно. Экономия сопротивления непосредственно превращается в дальность. Если хороший обтекатель позволяет уменьшить необходимую тягу хотя бы на несколько процентов, это означает либо более длительную миссию с тем же аккумулятором, либо возможность уменьшить батарею и освободить место для полезной нагрузки. Поэтому форма корпуса является частью энергетической установки не меньше, чем двигатель.

Внешний корпус и внутренний аппарат

Торпедообразный силуэт создаёт впечатление, что весь AUV представляет собой единую герметичную трубу. Это не обязательно так. Внешняя оболочка может выполнять прежде всего гидродинамическую функцию. Внутри располагаются отдельные отсеки с электроникой, аккумуляторами, датчиками и другими системами. Для небольших и среднеглубинных аппаратов часто используются цилиндрические герметичные корпуса. Для очень больших глубин проблема становится значительно сложнее. Чем глубже аппарат, тем больше давление и тем тяжелее получается традиционный сухой корпус.

Поэтому глубоководные аппараты часто сочетают прочные локальные контейнеры с плавучим материалом. Один из важнейших материалов здесь — синтактическая пена. Она состоит из полимерной матрицы с большим количеством полых микросфер. Материал получается значительно легче воды, но способен выдерживать большое внешнее давление. Такая пена выполняет роль своеобразного твёрдого поплавка. Она не содержит большой единой газовой полости, которая резко сжалась бы на глубине. Вместо этого огромное количество микроскопических полостей распределено внутри прочной структуры.

В результате конструктор получает необходимую плавучесть без огромного пустого резервуара. Это ещё один пример того, как глубоководная техника постепенно отказывается от привычной логики корабля с большим внутренним воздушным объёмом.

Модульность вместо монолита

Одно из важнейших преимуществ классического AUV — возможность модульной сборки. Носовая секция может содержать сонар. За ней располагается навигационный блок. Дальше — аккумуляторная секция. Следом — научная аппаратура или другой полезный груз. В корме — двигатель и рулевые приводы. Конкретное расположение отличается у разных моделей, но сама идея остаётся одной и той же: аппарат собирается из функциональных блоков. Это позволяет использовать одну и ту же платформу для различных задач. Сегодня аппарат измеряет солёность и температуру воды. Завтра на него устанавливают гидролокатор бокового обзора. Затем — камеру. Потом — магнитометр. Или оборудование для обследования трубопроводов.

Модульность особенно важна потому, что сам робот обычно значительно дороже отдельных научных датчиков. Гораздо выгоднее иметь одну универсальную платформу и менять полезную нагрузку, чем строить отдельный аппарат для каждого эксперимента. Но любой новый модуль изменяет массу, положение центра тяжести, энергопотребление и иногда внешнюю гидродинамику. Поэтому слово «модульный» вовсе не означает «можно прикрутить что угодно и сразу отправить в океан». После изменения конфигурации аппарат снова приходится балансировать и проверять.

Полезная нагрузка определяет машину

В беспилотной авиации часто говорят о полезной нагрузке. Для AUV это понятие ещё важнее. Сам по себе робот почти никогда не представляет конечной ценности. Его задача — доставить датчик туда, где этот датчик должен работать. Поэтому архитектура аппарата во многом определяется тем, что именно он несёт. Для картографирования нужен многолучевой эхолот. Для поиска объектов — гидролокатор бокового обзора или синтезированной апертуры. Для геологии — профилограф донных отложений. Для биологии — камеры и гидрофоны. Для океанографии — CTD-датчики, измеряющие электропроводность, температуру и глубину, а также приборы определения кислорода, флуоресценции и других параметров воды.

Для инспекции инфраструктуры требуется уже другой набор: высокочастотный сонар, камеры, лазерные измерители, магнитные датчики. Именно поэтому правильнее воспринимать AUV не как подводную машину с датчиками, а как мобильную платформу для полезной нагрузки.

От научного прибора к грузовому роботу

Та же логика позволяет сделать следующий шаг. Если вместо научного прибора внутри модульной секции находится контейнер, AUV превращается в подводное транспортное средство. Сегодня основное применение автономных аппаратов связано с измерениями, разведкой и инспекцией. Но конструктивно ничто не запрещает использовать аналогичную платформу для перевозки сравнительно компактных грузов. Это могут быть:

научные образцы;

инструменты;

запасные части;

датчики для подводных станций;

аварийные комплекты;

элементы оборудования морских энергетических установок;

герметичные контейнеры с особо ценным содержимым.

Для важных грузов подводный маршрут обладает необычным преимуществом: аппарат может двигаться скрытно от погодных условий поверхности и не зависит от дорог, портов и аэродромов на значительной части маршрута. Но транспортная задача значительно усложняет конструкцию. Научный датчик остаётся внутри аппарата всю миссию. Груз предполагается выгрузить. А после выгрузки масса машины изменится. Это означает, что транспортный AUV должен иметь специальную систему компенсации плавучести и центровки. В противном случае идеальная машина, прибывшая к цели в нейтральном состоянии, после передачи груза может внезапно получить сильную положительную плавучесть и начать всплывать.

Таким образом, транспортный AUV — это уже не просто торпеда с пустым отсеком. Это аппарат, который должен уметь изменять собственное физическое состояние в зависимости от наличия груза.

Аккумулятор — главный топливный бак

У классического автономного аппарата почти всегда есть одна фундаментальная граница — запас энергии. ROV получает питание по кабелю. AUV всё везёт с собой. Наиболее распространённым источником энергии стали аккумуляторные батареи. Исторически использовались разные электрохимические системы, а современные аппараты всё чаще используют литиевые аккумуляторы благодаря высокой удельной энергии. Но фраза «поставим батарею побольше» быстро упирается в ограничения. Большая батарея:

увеличивает массу;

занимает внутренний объём;

требует дополнительной плавучести;

усложняет тепловой режим;

повышает стоимость;

требует развитой системы управления и защиты.

Поэтому аккумулятор подводного робота — не отдельная коробка, которую можно бесконечно увеличивать. Он является частью всей конструкции.

Энергетический бюджет миссии

Перед запуском AUV инженеры фактически составляют энергетический бюджет так же, как бухгалтер составляет финансовый. Общий запас энергии можно условно записать как

Самым большим потребителем часто оказывается движение, но это зависит от типа миссии. Мощный сонар тоже может потреблять заметную энергию. Камеры требуют освещения, а в глубоководной темноте освещение зачастую потребляет больше, чем сама камера. Бортовой компьютер и навигационная электроника работают практически непрерывно. Нельзя использовать всю энергию до последнего ватт-часа. Должен оставаться резерв на непредвиденную ситуацию. Аппарат может встретить встречное течение. Миссия может занять больше времени. Потребуется изменить маршрут. Придётся некоторое время удерживать положение. И наконец, после завершения задачи нужно ещё вернуться в район подъёма и обеспечить связь на поверхности. Поэтому реальная автономность всегда меньше простой арифметики «ёмкость аккумулятора, делённая на среднюю мощность».

Почему один

AUV

работает сутки, а другой — недели

На первый взгляд сравнение разных аппаратов может удивлять. Одни работают десятки часов. Другие — несколько суток. Некоторые современные крупные системы заявляют уже многодневные и даже двухнедельные миссии. Причина не только в размере батареи. Различаются:

скорость;

масса;

гидродинамика;

тип двигательной установки;

энергопотребление полезной нагрузки;

режим работы датчиков;

глубина;

требования к вычислениям;

стратегия навигации.

Хорошим примером служит семейство REMUS. REMUS 600 имеет массу порядка 240 кг и рассчитан на глубину до 600 метров. Его продолжительность миссии может приближаться к 70 часам, а дальность — к сотням морских миль. REMUS 6000 — уже значительно более крупная глубоководная машина. Масса составляет около 862 кг, рабочая глубина достигает 6000 метров, а аккумуляторный запас энергии — около 11 кВт·ч. При этом типичная максимальная длительность миссии составляет порядка 22 часов. На первый взгляд более крупный аппарат должен обязательно работать дольше.

Но REMUS 6000 несёт глубоководную конструкцию, мощную аппаратуру и совершенно другой набор задач. Ещё дальше пошли современные крупные AUV типа HUGIN Endurance. Для них заявляются миссии до 15 суток и дальность порядка 2200 км. Это уже не просто автономный прибор, выпущенный рядом с исследовательским кораблём. Такой аппарат начинает превращаться в самостоятельное морское транспортно-измерительное средство.

Электродвигатель: просто, но не совсем

Классический движитель AUV кажется предельно простым. Электродвигатель вращает гребной винт. Но каждый элемент здесь критичен. В подводной технике широко применяются бесщёточные электродвигатели. Они имеют высокий ресурс и позволяют отказаться от механического коллектора. Желательно также избежать лишнего редуктора. Редуктор означает:

дополнительные потери;

массу;

механический износ;

вибрацию;

шум.

Поэтому для малошумных аппаратов особенно привлекателен прямой привод, когда двигатель непосредственно вращает винт. Например, глубоководный REMUS 6000 использует бесщёточный двигатель прямого привода с открытым двухлопастным винтом. С инженерной точки зрения это очень чистое решение. Но сам винт создаёт новый набор проблем.

Почему винт так эффективен

Гребной винт используется уже более века не случайно. Он способен с высокой эффективностью преобразовывать вращение двигателя в поступательную тягу. Конструкция относительно компактна. Тягой легко управлять изменением скорости вращения. Механизм хорошо изучен. Современные винты тщательно рассчитываются под конкретный диапазон скоростей и оборотов. Для торпедообразного AUV, который большую часть времени идёт вперёд, такое решение почти идеально. Именно слово «почти» станет для нас важным. Потому что эффективность — не единственный параметр подводного робота.

Что слышит сам робот

Электродвигатель создаёт электромагнитные и механические вибрации. Подшипники создают вибрации. Винт взаимодействует с неоднородным набегающим потоком. Пульсации давления передаются на корпус. Корпус передаёт их воде. В результате аппарат создаёт собственное акустическое поле. Для обычного картографирования это может быть терпимо. Но чем чувствительнее гидроакустическая аппаратура, тем серьёзнее проблема. Получается противоречие: мы устанавливаем на робот дорогой сонар или гидрофон, а затем размещаем рядом двигатель, который загрязняет акустическую среду. Поэтому в хорошей конструкции приходится:

механически развязывать источники вибрации;

выбирать режимы вращения;

размещать гидрофоны дальше от движителя;

улучшать форму винта;

уменьшать турбулентность корпуса;

тщательно выбирать время работы отдельных приборов.

Для пассивного акустического мониторинга собственный шум становится одним из главных ограничений классической схемы.

Кавитация

При вращении винта давление на отдельных участках лопасти может сильно падать. Если локальное давление становится достаточно низким, вода начинает образовывать паровые полости — кавитационные пузырьки. Затем эти пузырьки попадают в область более высокого давления и схлопываются. Кавитация нежелательна сразу по нескольким причинам. Она:

создаёт сильный шум;

ухудшает эффективность винта;

вызывает вибрацию;

при длительной работе способна повреждать поверхность лопастей.

Для большого корабля кавитация — известная проблема эффективности и ресурса. Для подводного робота добавляется ещё один аспект: акустическая заметность. Поэтому малошумный аппарат старается работать в режимах, где кавитация не возникает. Это одна из причин, почему невозможно бесконечно увеличивать обороты небольшого винта в попытке получить больше скорости. В какой-то момент гидродинамика начинает жестоко наказывать за такую попытку.

Большой медленный винт или маленький быстрый

Если нужно создать определённую тягу, её можно получить разными способами. Можно вращать сравнительно небольшой винт очень быстро. Можно использовать винт большего диаметра с меньшими оборотами. Второй вариант часто оказывается интереснее с точки зрения эффективности и шума, но большой винт труднее вписать в компактный аппарат. Он увеличивает габариты. Его легче повредить. Повышается риск контакта с объектами. Винт может наматывать водоросли, сети, леску и другие длинные предметы. Для открытого океана это не всегда критично. Для работы возле аквакультурных сетей, кабелей, затонувших конструкций или растительности становится серьёзной проблемой. Именно здесь биомиметический движитель начинает выглядеть особенно привлекательным. У него нет непрерывно вращающейся открытой детали. Но до этой темы мы ещё дойдём.

Рули работают только в движении

Классический торпедообразный AUV управляется примерно так же, как маленькая подводная лодка. На корме находятся гидродинамические рули. Они отклоняют поток и создают управляющие силы. Преимущество очевидно. Руль почти не потребляет энергии сам по себе. Небольшой сервопривод устанавливает угол поверхности, а основную работу выполняет набегающая вода. Но здесь есть важное ограничение: нет набегающего потока — почти нет управляющей силы. На скорости несколько узлов рули работают прекрасно. На очень малой скорости их эффективность резко падает. В полном покое обычный руль практически бесполезен. Поэтому классический AUV любит двигаться. Для него поступательное движение — не только способ добраться до цели, но и условие нормального управления.

Минимальная скорость управления

У каждого аппарата существует диапазон скоростей, в котором его гидродинамические органы управления наиболее эффективны. Если скорость падает слишком сильно:

руль курса слабо меняет направление;

рули глубины теряют эффективность;

аппарат хуже компенсирует возмущения;

устойчивость может измениться.

В результате торпедообразная машина нередко вынуждена продолжать движение даже тогда, когда с точки зрения задачи было бы удобнее просто остановиться. Это фундаментальное отличие от ROV с несколькими подруливающими движителями. ROV способен зависнуть и развернуться почти на месте. Классический AUV предпочитает описать дугу.

Подруливающие двигатели: свобода за энергию

Чтобы получить возможность маневрировать на малой скорости, в аппарат можно добавить подруливающие двигатели. Вертикальный движитель помогает менять глубину. Поперечный — смещаться вбок. Несколько движителей позволяют почти полностью управлять шестью степенями свободы. Но бесплатных возможностей не бывает. Каждый дополнительный двигатель требует:

электрической мощности;

драйвера;

проводки;

герметичного ввода;

места;

конструктивного крепления;

системы управления.

Он создаёт дополнительный шум и сопротивление даже тогда, когда не используется. Поэтому хороший AUV не обязательно имеет много движителей. Наоборот, для дальнего маршрута минималистичная схема «один маршевый винт плюс рули» может быть энергетически намного выгоднее.

Два разных типа машины в одном корпусе

Отсюда возникает фундаментальная проблема. Для дальнего перехода нужен аппарат, похожий на торпеду: узкий, обтекаемый, быстрый, с одним эффективным движителем. Для инспекции сложного объекта нужен аппарат, похожий на ROV: медленный, способный зависать, двигаться боком и поворачиваться почти на месте. Объединить обе способности в одной машине можно. Но приходится платить массой, сложностью и энергией. Поэтому в современной подводной робототехнике постоянно появляются гибридные конструкции. Они пытаются совместить экономичный маршевый режим с высокоманёвренным рабочим режимом. Этот компромисс станет ещё важнее, когда речь пойдёт о робо-рыбах.

Как

AUV

меняет глубину

Торпедообразному аппарату не обязательно изменять собственную плавучесть, чтобы погружаться. Если он имеет почти нейтральную плавучесть и движется вперёд, достаточно отклонить рули глубины. Возникнет гидродинамическая сила, направленная вниз. Аппарат получит отрицательный тангаж и начнёт погружаться. При подъёме процесс меняется на обратный. Это очень экономично: энергия двигателя всё равно расходуется на движение вперёд, а рули лишь меняют направление результирующей силы.

Но такой метод работает только в движении. Если необходимо медленно изменить глубину почти без поступательной скорости, приходится использовать вертикальный движитель или регулирование плавучести.

Система переменной плавучести

Variable Buoyancy System — VBS — позволяет изменить результирующую плавучесть аппарата. Существует несколько технических способов. Можно принимать или выталкивать воду. Можно перекачивать масло из внутреннего резервуара во внешнюю эластичную камеру. Можно изменять внешний объём с помощью поршня. С точки зрения физики есть два основных подхода:

изменить массу аппарата при почти неизменном объёме;

изменить вытесняемый объём при почти неизменной массе.

В обоих случаях меняется разность между весом машины и силой Архимеда. Для обычного AUV VBS не является обязательной системой. Многие торпедообразные аппараты прекрасно работают с почти фиксированной плавучестью и гидродинамическими рулями. Но регулируемая плавучесть становится особенно полезной для:

точной балансировки;

очень медленных режимов;

экономичного изменения глубины;

компенсации изменения полезной нагрузки;

транспортных задач;

аварийного всплытия.

Однако насос, клапаны и рабочая жидкость снова добавляют массу, сложность и потребление энергии.

Почему насос плавучести не бесплатен

Может показаться, что изменение плавучести — почти энергетически бесплатный способ двигаться вертикально. Это верно лишь частично. Чтобы вытеснить жидкость наружу на большой глубине, насос должен работать против огромного внешнего давления. Чем глубже аппарат, тем тяжелее эта задача. Кроме того, операция требует времени. Системы переменного балласта глубоководных аппаратов могут быть достаточно массивными и сложными. У пилотируемого Alvin, например, регулируемый балласт позволяет изменять плавучесть, но сама система включает насосы, клапаны и прочную гидравлическую аппаратуру. WHOI прямо отмечает, что частые изменения балласта требуют времени и энергии.

Для автономного аппарата, где каждый ватт-час на счету, это особенно чувствительно. Именно поэтому идея пассивно использовать давление и гидродинамику, а не постоянно перекачивать жидкость, выглядит столь заманчиво.

Трим — ещё не плавучесть

Есть ещё одна система, которую легко перепутать с регулированием плавучести. Это трим, то есть управление продольной центровкой. Если тяжёлый аккумулятор или другой внутренний груз переместить вперёд, центр масс сместится к носу. Аппарат наклонится носом вниз. Если груз переместить назад — нос поднимется. Некоторые глайдеры и AUV используют перемещение внутренней массы именно для управления тангажом. Энергии для этого требуется значительно меньше, чем для постоянного создания внешней силы.

Но трим не обязательно меняет суммарную плавучесть. Он изменяет прежде всего ориентацию машины. Это важное различие. Подводный робот может оставаться нейтрально плавучим и при этом активно изменять угол наклона за счёт внутреннего перемещения массы.

Навигация: торпеда должна знать, где она

Без кабеля AUV самостоятельно определяет своё положение. Классическая система обычно объединяет несколько источников информации. Инерциальная навигационная система измеряет ускорения и угловые движения. DVL определяет скорость относительно дна или водной массы по доплеровскому сдвигу акустических сигналов. Датчик давления даёт глубину. Магнитометр помогает определить курс. Акустическая навигация позволяет периодически уточнять координаты относительно внешних маяков или судна. На поверхности включается спутниковая навигация GNSS. Компьютер объединяет эти данные и непрерывно уточняет оценку положения. Чем лучше эта система, тем реже аппарату приходится всплывать. А это принципиально важно для скрытных, дальних и подлёдных миссий.

Почему инерциальная система всё равно ошибается

Инерциальная навигация привлекательна тем, что ей не нужен внешний сигнал. В идеальном мире достаточно измерять все ускорения и вращения, а затем вычислять перемещение. В реальности любой датчик имеет ошибку. Пусть акселерометр ошибается совсем немного. Ошибка интегрируется во времени. Из ошибки скорости получается ошибка координаты. Через несколько часов небольшая погрешность может превратиться в значительное отклонение.

Поэтому классическая INS нуждается в коррекции. DVL значительно улучшает ситуацию, когда видит дно. Акустические системы дают внешние опорные точки. GNSS полностью обновляет положение после всплытия. Подводная навигация остаётся искусством объединения нескольких несовершенных измерений.

Где здесь появится квантовая навигация

Именно ограничения инерциальной навигации делают подводные аппараты одним из наиболее интересных потенциальных применений квантовых датчиков. Атомные интерферометры и другие квантовые инерциальные технологии рассматриваются как путь к созданию акселерометров и гироскопов с чрезвычайно малым дрейфом. Если подобные системы станут достаточно компактными, прочными и экономичными, AUV сможет значительно дольше определять своё положение без всплытия, спутникового сигнала или внешней акустической инфраструктуры. Особенно ценным это будет для:

подлёдных миссий;

дальних автономных переходов;

глубоководных исследований;

скрытных аппаратов;

транспортировки важных грузов.

Но важно провести границу между перспективой и существующей техникой. Сегодня стандартный промышленный AUV опирается прежде всего на высококачественную инерциальную систему, DVL, датчик глубины, акустическую коррекцию и GNSS на поверхности. Квантовая навигация пока должна рассматриваться как одно из перспективных направлений развития, а не как обычный штатный элемент большинства подводных роботов. К этой теме мы ещё вернёмся отдельно.

Сонар вместо глаз

Свет под водой быстро поглощается и рассеивается. Поэтому главным дальним «органом чувств» подводной машины является звук. Сонар посылает акустический импульс и принимает отражение. По времени прихода сигнала определяется расстояние. По направлению — положение объекта. Современный AUV может нести несколько совершенно разных акустических систем. Многолучевой эхолот строит рельеф дна. Гидролокатор бокового обзора создаёт изображение большой полосы грунта. Сонар синтезированной апертуры обеспечивает особенно высокое разрешение за счёт обработки последовательности измерений при движении аппарата. Профилограф позволяет исследовать слои донных отложений.

Сонар предотвращения столкновений смотрит вперёд. В этом смысле AUV действительно похож на летучую мышь или дельфина: значительную часть окружающего пространства он воспринимает акустически.

Почему стабильность так важна для сонара

Чем сложнее акустический прибор, тем более стабильную платформу он любит. Если аппарат постоянно рыщет по курсу, меняет крен и высоту над дном, геометрия измерения усложняется. Для высокоточного картографирования желательно двигаться:

с известной скоростью;

по ровной траектории;

на стабильной высоте;

с минимальным креном;

с хорошо известной ориентацией.

Именно здесь торпедообразный корпус проявляет свою сильную сторону. На маршевой скорости он является очень стабильной платформой. Современные HUGIN прямо позиционируются как стабильные и малошумные носители гидроакустической полезной нагрузки. То есть классическая архитектура великолепно подходит для одной конкретной задачи: долго и ровно нести точный датчик через воду.

Компьютер вместо пилота

Ранний AUV выполнял заранее заданную последовательность команд. Современный аппарат гораздо сложнее. Бортовой компьютер одновременно:

поддерживает глубину;

управляет курсом;

следит за энергией;

контролирует датчики;

обрабатывает навигацию;

проверяет исправность систем;

регистрирует данные;

обнаруживает препятствия;

решает, когда прекратить миссию.

По сути, компьютер заменяет сразу несколько членов экипажа небольшой подводной лодки. Но автономность имеет уровни. Один аппарат просто идёт по точкам. Другой умеет изменять маршрут при препятствии. Третий самостоятельно выбирает высоту над дном. Четвёртый анализирует полученные данные и решает, что подозрительный объект следует обследовать ещё раз. Чем больше решений передаётся машине, тем меньше она зависит от связи с поверхностью.

Акустический «поводок»

Интересно, что полностью автономный AUV не обязательно полностью теряет связь с оператором. Некоторые системы используют периодическую акустическую связь. Через неё можно передать короткую команду. Изменить часть миссии. Запросить состояние. Приказать всплыть. Но пропускная способность такой связи невелика. Поэтому она не превращает AUV обратно в ROV. Оператор не управляет каждым движением машины. Скорее он даёт ей редкие высокоуровневые указания. Так возникает любопытный промежуточный режим — своего рода акустический поводок. Робот свободен физически, но время от времени слышит хозяина.

Что происходит при отказе

Подводная машина должна предполагать, что связь может исчезнуть полностью. Поэтому важнейшая часть архитектуры AUV — аварийная логика. Компьютер следит за:

напряжением батареи;

утечкой воды;

глубиной;

состоянием навигации;

температурой электроники;

работой двигателей;

временем миссии.

Если параметры выходят за допустимые пределы, аппарат может перейти в аварийный режим. Самое желательное состояние аварийного AUV — поверхность. На поверхности его можно увидеть, обнаружить по радио или спутниковому каналу и забрать. Поэтому конструкции часто предусматривают способы гарантированного всплытия. Например, аппарат может сбросить тяжёлый аварийный груз. Масса уменьшится. Плавучесть станет положительной. Даже при полном отказе основного двигателя машина начнёт подниматься. У REMUS 6000 в аварийном оснащении предусмотрен сбрасываемый груз, а после выхода на поверхность используются GPS и спутниковая связь. Это хороший пример принципа fail-safe: отказ должен переводить машину в более безопасное физическое состояние.

Потерянный робот — дорогой робот

Для океанографического оборудования проблема возврата часто недооценивается. Аппарат успешно выполнил научную программу. Собрал уникальные данные. Но не всплыл. С практической точки зрения миссия может считаться потерянной. Причём стоимость данных иногда значительно превышает стоимость самой машины. Поэтому система возврата является не вспомогательной, а основной частью конструкции. На поверхности используют:

спутниковые передатчики;

радиомаяки;

проблесковые огни;

акустические транспондеры;

GNSS;

яркую окраску корпуса.

В спокойную погоду найти несколько метров аппарата несложно. В волнах, ночью и при плохой видимости задача становится намного неприятнее.

Запуск и подъём — самые человеческие моменты

Парадокс автономного AUV заключается в том, что наиболее опасная для него часть миссии часто происходит не на глубине, а рядом с людьми. Аппарат необходимо спустить с судна. Затем после миссии поймать. При волнении многосоткилограммовая машина превращается в тяжёлый объект, который перемещается относительно борта. Неудачный удар способен повредить и аппарат, и судно, и людей. Поэтому launch and recovery system — система спуска и подъёма — становится важной частью всей технологии. Чем крупнее AUV, тем сложнее операция. Это одна из причин, почему дальние аппараты нового поколения пытаются переходить к концепции shore-to-shore: выйти из защищённого района самостоятельно, выполнить миссию и самостоятельно вернуться, уменьшив зависимость от специализированного судна.

Чем больше автономность, тем меньше нужен корабль

Исследовательское судно чрезвычайно дорого. Если AUV требует, чтобы корабль всё время следовал за ним, часть экономического смысла автономности теряется. Поэтому развитие идёт к увеличению независимости. Сначала аппарат работал несколько часов рядом с судном. Потом сутки. Потом несколько суток. Теперь крупные системы претендуют на миссии продолжительностью до нескольких недель. Если робот способен пройти сотни или тысячи километров, корабль обеспечения перестаёт быть обязательным постоянным спутником. Это меняет не только технику, но и экономику исследования океана. Один автономный аппарат может выполнять работу там, где раньше требовалось держать большое судно с десятками людей.

От 37 килограммов до почти тонны

Интересно сравнить масштабы семейства REMUS. Небольшие варианты имеют диаметр порядка двух десятков сантиметров и могут переноситься небольшой группой людей. REMUS 600 уже весит около 240 кг. REMUS 6000 — около 862 кг. При этом общий принцип остаётся узнаваемым: вытянутый корпус; винт сзади; рулевые поверхности; автономная навигация; сменная полезная нагрузка. Это показывает удивительную жизнеспособность классической архитектуры. Её можно масштабировать почти от «большой трубы, которую несут двое» до аппарата массой около тонны. Но при дальнейшем увеличении размеров машина всё сильнее приближается к беспилотной подводной лодке.

Большой

AUV

и маленькая субмарина

Граница между AUV и необитаемой подводной лодкой постепенно становится условной. Если аппарат имеет:

многодневную автономность;

большую дальность;

мощную энергетику;

развитую навигацию;

объёмные грузовые секции;

многочисленные датчики;

сложную систему принятия решений,

то по функциям он начинает напоминать традиционную подводную лодку без экипажа. Отсутствие людей полностью меняет конструкцию. Не нужны:

каюты;

воздух для дыхания;

пища;

санитарные системы;

спасательные средства экипажа;

комфортная температура;

рабочие помещения.

Освободившиеся масса и объём могут быть отданы батареям и полезной нагрузке. Поэтому крупные беспилотные аппараты потенциально способны иметь чрезвычайно высокую долю полезного объёма. Это особенно интересно для транспортных задач.

Подводный курьер

Представим аппарат, созданный не для съёмки дна, а для доставки. Он выходит из порта или с подводной базы. На борту находится герметичный контейнер. Большую часть маршрута машина идёт на экономичной скорости. Навигация работает без внешнего радиосигнала. На поверхности аппарат может вообще не появляться. У конечной точки он входит в зону локальной навигации, подходит к приёмной станции, передаёт контейнер, компенсирует изменение массы и возвращается. Технически многие элементы такой системы уже существуют отдельно:

автономное движение;

точная инерциальная навигация;

акустические маяки;

стыковочные станции;

управление плавучестью;

автоматическая диагностика.

Главной задачей становится объединение их в надёжный транспортный комплекс. Для особо важных грузов это открывает необычный класс логистики — подводный автономный курьер.

Почему такой курьер всё равно будет уязвим

Подводный путь нельзя считать автоматически невидимым. Аппарат создаёт акустический шум. Активный сонар сам излучает сигнал. Винт возбуждает воду. При всплытии появляется радиосвязь. Маршрут может проходить через известные гидроакустические сети. То есть классический AUV лишь снижает некоторые виды заметности, но не исчезает. Чем тише должен работать аппарат, тем сильнее проявляется противоречие между традиционным движителем и задачей скрытности. Именно здесь снова появляется интерес к биомиметике. Машина, которая движется более похожим на животное способом, потенциально может иметь совершенно другой акустический портрет.

Двойное назначение

Почти любая развитая подводная робототехника имеет двойное назначение. Сонар может искать археологические объекты. Тот же сонар может обследовать миноподобные предметы. AUV может картографировать геологию. Та же машина способна обследовать морскую инфраструктуру. Она может искать повреждение гражданского кабеля. Или просто фиксировать расположение подводных объектов. Это не делает саму технологию военной или гражданской. Назначение определяется полезной нагрузкой и программой миссии. Именно поэтому развитие AUV одновременно интересует океанографов, нефтегазовую промышленность, энергетические компании и военно-морские силы.

Кто принимает решение под водой

Чем дольше аппарат работает без связи, тем более серьёзные решения приходится передавать автоматике. Для научной миссии ошибка может означать потерю данных. Для транспортировки важного груза — потерю самого груза. Для работы возле критической инфраструктуры — повреждение объекта. Поэтому автономность должна включать не только способность двигаться к цели, но и способность отказаться от задачи. Иногда лучший автономный алгоритм — тот, который понимает: «Я не уверен. Нужно прекратить миссию и вернуться». Это особенно важно для систем, способных неделями работать вне прямого человеческого контроля.

Если в океане появится неизвестный участник

Пока подводный робот сталкивается с рыбами, китами, судами, сетями и другими известными объектами, инженер может заранее задать приблизительные правила поведения. Но массовое распространение автономных аппаратов заставляет поставить более общий вопрос. Что должен делать робот, если обнаружит объект, которого нет в его классификаторе? Сегодня такой вопрос имеет вполне практический смысл: это может быть неизвестный аппарат другого оператора, новая конструкция, необычное животное или обломок. В более далёком сценарии проблема становится философской. Если человечество когда-либо столкнётся в океане с неизвестной технологической системой — вплоть до гипотетической разумной подводной цивилизации, — первый контакт вполне может произойти не между людьми, а между автономными машинами.

И тогда обычная логика «неизвестный объект — препятствие» окажется потенциально опасной. Эту тему мы подробно оставим для заключительной части книги. Здесь важно только отметить: чем автономнее становятся подводные роботы, тем важнее правила их поведения при встрече с неизвестным разумным или потенциально разумным агентом. Автономность — это уже не только инженерная способность выполнить маршрут. Это ещё и ответственность за решение, которое машина примет вдали от человека.

Почему классический

AUV

так хорош

После перечисления всех недостатков может возникнуть ощущение, что торпедообразная схема устарела. Это неверно. Она остаётся чрезвычайно эффективной. Классический AUV имеет сразу несколько сильных сторон:

хорошую гидродинамику;

высокую маршевую эффективность;

предсказуемое управление;

отработанную конструкцию;

простую компоновку;

возможность модульной полезной нагрузки;

высокую скорость по сравнению с глайдерами;

отличные условия для картографирования;

возможность работать на километровых глубинах.

Если задача заключается в том, чтобы пройти сотни километров над морским дном и получить точную сонарную карту, трудно предложить принципиально более очевидную архитектуру. Поэтому торпедообразный AUV никуда не исчезнет. Так же как самолёт не исчез после появления вертолёта. Разные машины решают разные задачи.

И почему всё-таки ищут замену

Проблемы начинаются, когда от одной платформы хотят одновременно получить всё. Очень большую дальность. Очень малый шум. Зависание. Маневрирование среди препятствий. Работу возле сетей и кабелей. Многомесячную автономность. Минимальное энергопотребление. Изменение глубины без мощных насосов. Безопасную работу рядом с живыми организмами. Классическая схема может выполнить почти каждый из этих пунктов отдельно. Но каждый новый пункт требует дополнительной системы. Нужна манёвренность — добавляем подруливающие двигатели. Нужна регулируемая плавучесть — добавляем насос и балласт. Нужна большая дальность — добавляем аккумуляторы. Нужна точная навигация — добавляем новые датчики.

Нужно меньше шума — усложняем механическую развязку. В какой-то момент аппарат начинает бороться с последствиями собственных решений. Именно тогда инженер может задать другой вопрос: а обязательно ли подводный робот вообще должен быть маленькой торпедой?

Следующий шаг — отказаться от постоянной тяги

Самый большой потребитель энергии классического AUV — движение. Пока гребной винт вращается, батарея разряжается. Если аппарат должен пройти очень большое расстояние, логичным кажется увеличить аккумулятор. Но можно поставить вопрос иначе. Что если большую часть пути вообще не использовать маршевый двигатель? Что если заставить аппарат двигаться за счёт медленного изменения плавучести и гидродинамической подъёмной силы? Так появляется подводный глайдер. Он значительно медленнее классического AUV. Он хуже маневрирует. Он не способен выполнять многие задачи торпедообразного аппарата. Зато он демонстрирует совершенно другую философию энергетики.

В классическом AUV батарея непрерывно создаёт тягу. В глайдере небольшой запас энергии лишь время от времени изменяет состояние машины, а затем гравитация, плавучесть и крылья выполняют основную часть движения. Это первый большой шаг от силового управления средой к использованию самой среды как части двигателя. И именно подводному глайдеру будет посвящена следующая глава.

Глава 4. Подводные глайдеры: тысячи километров почти без двигателя

В конце предыдущей главы мы подошли к парадоксальной идее. Если главный потребитель энергии классического AUV — маршевый двигатель, то самый радикальный способ увеличить автономность заключается не в том, чтобы установить аккумулятор побольше. Можно попытаться почти отказаться от двигателя. На первый взгляд это звучит странно. Подводному аппарату необходимо двигаться, преодолевать сопротивление воды, менять глубину и курс. Кажется очевидным, что без гребного винта такая машина просто остановится.

Но подводный глайдер показывает обратное. Он способен месяцами двигаться через океан, используя электроприводы лишь эпизодически — не для постоянного создания тяги, а для изменения собственного состояния. Небольшой насос меняет плавучесть, внутренний груз изменяет наклон корпуса, а крылья преобразуют вертикальное движение в горизонтальное; после этого основную работу выполняют гравитация, сила Архимеда и гидродинамика. Глайдер не столько «плывёт», сколько медленно погружается и всплывает, каждый раз превращая часть вертикального перемещения в движение вперёд. Его траектория напоминает огромную пилу: вниз и вперёд, затем вверх и вперёд, после чего цикл повторяется. Такая машина проигрывает обычному AUV в скорости, но выигрывает в параметре, который для дальних автономных миссий часто важнее всего, — во времени работы.

Подводный планёр

Само слово glider означает «планёр». Воздушный планёр не имеет двигателя или использует его лишь вспомогательно. Он летит благодаря тому, что постепенно теряет высоту, а крыло преобразует часть движения вниз в движение вперёд. Подводный глайдер использует очень похожий принцип. Разница заключается в том, что воздушный планёр после потери высоты не может сам вернуть её без восходящего потока или двигателя. Подводная машина может. Достаточно изменить среднюю плотность аппарата. Если глайдер становится немного тяжелее окружающей воды, он начинает погружаться. Если затем становится немного легче воды, начинает всплывать. Крылья в обоих случаях создают горизонтальную составляющую движения.

Поэтому один и тот же аппарат способен многократно повторять цикл: погружение → подъём → погружение → подъём. В идеализированном виде двигатель, непосредственно вращающий винт, вообще не требуется.

Двигатель, который почти ничего не вращает

Термин «без двигателя» условен. Внутри глайдера есть электрические приводы. Нужно приводить насос. Нужно перемещать внутреннюю массу. Нужно управлять рулём, если он предусмотрен. Работает компьютер. Работают датчики. Используется спутниковая связь. Но принципиальное отличие заключается в другом. В классическом AUV двигатель должен создавать тягу практически всё время, пока аппарат движется. Глайдер тратит энергию короткими импульсами. Он изменил плавучесть — и затем несколько часов движется за счёт полученного состояния. Таким образом, электроэнергия расходуется не на каждый метр пути, а преимущественно на переход между двумя режимами плавучести. Это и создаёт огромную разницу в автономности.

Как изменить плавучесть, не набирая воду

Существует несколько конструкций подводных глайдеров, но одна из самых распространённых использует рабочую жидкость — обычно масло — и внешнюю эластичную камеру. Внутри прочного корпуса находится резервуар. Снаружи — гибкая камера. Когда насос перекачивает масло из внутреннего резервуара во внешнюю камеру, наружный объём аппарата немного увеличивается. Масса практически не меняется. Но аппарат вытесняет больше воды. Сила Архимеда возрастает. Глайдер начинает всплывать. Для погружения масло возвращают внутрь. Наружный объём уменьшается. Вытесняется меньше воды. Средняя плотность аппарата увеличивается. Глайдер начинает тонуть. Изменение объёма может составлять всего несколько сотен миллилитров или несколько литров.

Для машины массой в десятки или сотни килограммов этого достаточно. Мы уже видели в предыдущей главе, насколько чувствителен нейтрально сбалансированный аппарат к небольшому изменению вытесняемого объёма. Глайдер превращает эту чувствительность в основной движитель.

Один насос вместо постоянного винта

Представим условный аппарат массой 60 кг. В нейтральном состоянии его вес почти полностью компенсирован силой Архимеда. Чтобы заставить такую машину погружаться, не требуется создавать вниз силу, эквивалентную весу всех 60 кг. Нужно лишь слегка нарушить равновесие. Например, изменить эффективную плавучесть на несколько сотен граммов. После этого гравитация начинает делать работу постоянно. Глайдер медленно ускоряется вниз, пока гидродинамическое сопротивление не установит устойчивую скорость. При всплытии ситуация зеркальная. Насос снова изменяет объём. Теперь небольшой избыток силы Архимеда непрерывно тянет аппарат вверх. То есть электрическая система не поднимает весь аппарат напрямую. Она всего лишь переключает знак небольшого дисбаланса сил. Это чрезвычайно эффективная идея.

Но как из движения вниз получается движение вперёд

Без крыльев аппарат просто опустился бы вниз, а затем поднялся почти в той же точке. Крылья полностью меняют ситуацию. При погружении корпус устанавливается под углом к горизонту. Набегающий поток создаёт гидродинамическую подъёмную силу, направленную не строго вверх, а таким образом, что появляется горизонтальная составляющая скорости. Глайдер идёт вниз и вперёд. При всплытии угол корпуса меняется. Теперь машина идёт вверх и снова вперёд. В профиль траектория становится пилообразной. Если глубина погружения составляет, например, тысячу метров, один полный цикл способен переместить аппарат на несколько километров по горизонтали. Затем всё повторяется.

Почему глайдер такой медленный

Типичная скорость классического подводного глайдера очень невелика. Она может быть порядка четверти или трети метра в секунду. Это примерно скорость спокойно плывущего человека. Для обычного транспорта подобная скорость выглядит почти абсурдной. Автомобиль за это время прошёл бы сотни километров. Самолёт пересёк бы страну. Даже классический AUV значительно быстрее. Но для океанографического прибора скорость не всегда является главным параметром. Если задача заключается в том, чтобы три месяца непрерывно измерять температуру, солёность, кислород и движение воды, медленное движение превращается из недостатка в преимущество. Аппарат получает чрезвычайно плотный профиль данных. И главное — расходует очень мало энергии.

Куб скорости возвращается

Во второй главе мы получили важное приближение:

. Требуемая для преодоления гидродинамического сопротивления мощность быстро растёт со скоростью. Глайдер пользуется этим законом в свою пользу. Он не пытается идти быстро. Если скорость уменьшена в несколько раз, энергетические требования к движению падают очень резко. Разумеется, реальная система сложнее простой кубической зависимости. Насосы, электроника и датчики имеют собственное энергопотребление. Но общий принцип сохраняется: медленный подводный аппарат может быть несравнимо экономичнее быстрого. Именно поэтому глайдер способен обменять скорость на продолжительность миссии.

Несколько тысяч километров на одной батарее

Современные глайдеры демонстрируют дальность, которая кажется почти невероятной для аппарата массой всего в несколько десятков килограммов. Seaglider Университета Вашингтона имеет массу около 52 кг. Для него указывается максимальная глубина порядка 1000 метров, типичная скорость около 0,25 м/с и расчётная дальность до нескольких тысяч километров. Серийные Slocum также рассчитаны на 1000-метровый класс глубины. В зависимости от типа батарей, полезной нагрузки и режима измерений дальность может составлять от сотен до многих тысяч километров, а продолжительность миссии — от недель до многих месяцев. Смысл этих цифр не в соревновании моделей. Они показывают фундаментальное преимущество архитектуры.

Аппарат размером примерно с человека способен самостоятельно пройти расстояние, сравнимое с шириной океана. Не потому, что внутри спрятан фантастический аккумулятор. А потому, что большую часть времени аккумулятор почти не используется для непосредственного создания тяги.

Seaglider

: корпус, который сжимается вместе с океаном

Seaglider интересен ещё одной инженерной особенностью. Его корпус специально спроектирован так, чтобы изменение объёма под давлением было близко к изменению объёма окружающей морской воды. Это называется близкой к изопикнической или согласованной по сжимаемости конструкцией. Почему это важно? Если жёсткий корпус почти не сжимается, а окружающая вода с глубиной становится немного плотнее, меняется баланс плавучести. На глубине в тысячу метров даже небольшие эффекты начинают иметь значение. Для машины, которая управляется очень малыми изменениями плавучести, такие различия нельзя игнорировать. Глайдер — это аппарат, где сотни граммов эквивалентной плавучести могут определять весь характер движения. Поэтому то, что для обычной подводной лодки является второстепенной поправкой, здесь превращается в важный элемент конструкции.

Внутренняя батарея становится рулём

Одно из самых красивых решений глайдера заключается в том, что тяжёлый аккумулятор используется не только как источник энергии. Он может стать частью системы управления. Если батарейный блок переместить вдоль корпуса вперёд, центр масс сместится к носу. Нос опустится. Если батарею переместить назад, нос поднимется. Так устанавливается угол погружения или всплытия. В некоторых конструкциях внутреннюю массу можно также немного поворачивать вокруг продольной оси. Тогда меняется крен. Крылья получают асимметричную ориентацию, и аппарат начинает поворачивать. Получается необычная машина. В обычном AUV для управления используются внешние рулевые поверхности. В глайдере часть управления происходит внутри корпуса. Снаружи может почти ничего не двигаться.

Чем меньше внешних движущихся частей, тем лучше

В океане любая механика постепенно сталкивается с загрязнением. На поверхности появляются микроорганизмы. Затем водоросли. Ракушки. Моллюски. Другие животные могут использовать аппарат как удобный движущийся объект. Для машины, рассчитанной на неделю, это не всегда критично. Для миссии продолжительностью несколько месяцев биологическое обрастание становится настоящей инженерной проблемой. Оно:

увеличивает сопротивление;

меняет массу;

изменяет плавучесть;

нарушает гидродинамическую симметрию;

может закрывать датчики.

У глайдера есть преимущество: мало открытых механических деталей. Но даже гладкий корпус постепенно становится частью экосистемы. История дальних миссий показывает, что океан рано или поздно пытается превратить робот в риф.

Scarlet

Knight

: через Атлантику со скоростью пешехода

В 2009 году аппарат RU27, получивший имя Scarlet Knight, совершил исторический переход через Атлантический океан. Это был модифицированный Slocum. Он стартовал у побережья США и спустя 221 день достиг Испании, став первым подводным роботизированным глайдером, пересёкшим Атлантику. Для традиционного транспортного мышления семь месяцев пути выглядят катастрофически долго. Для автономной океанографии — наоборот. Небольшой робот без экипажа смог месяцами оставаться в океане, собирать измерения, использовать течения и периодически связываться с береговой командой через спутник. Scarlet Knight продемонстрировал, что океан можно исследовать не только экспедициями. Можно оставить прибор внутри самого океана и позволить ему медленно путешествовать вместе с водными массами.

Не бороться с Гольфстримом

Медленный глайдер имеет одну очевидную проблему. Скорость океанского течения иногда сравнима с его собственной скоростью или даже превышает её. Для быстрого AUV течение часто является поправкой к маршруту. Для глайдера оно может стать главным фактором движения. Если аппарат способен двигаться относительно воды со скоростью около 0,3 м/с, а течение идёт со скоростью 1 м/с, бороться с ним напрямую бессмысленно. Зато его можно использовать. Так появляется принцип энергетической навигации. Маршрут выбирается не только как кратчайшая линия между двумя географическими точками. Компьютер учитывает:

прогноз течений;

глубину течений;

возможность изменить рабочий горизонт;

требуемое время;

запас энергии.

Иногда выгодно сначала уйти в сторону, попасть в подходящий поток и затем позволить океану перенести аппарат на сотни километров. Подводный робот начинает действовать как древний мореплаватель, только вместо паруса у него крылья и система изменения плавучести.

Океан становится частью двигателя

У классического AUV окружающая вода в основном является сопротивлением. У глайдера отношение к среде меняется. Гравитация обеспечивает движение вниз. Архимедова сила — вверх. Крылья преобразуют вертикальную скорость в горизонтальную. Течения переносят аппарат на большие расстояния. Различия температуры могут в некоторых конструкциях даже использоваться как источник энергии. Среда уже не просто мешает машине. Она становится частью её энергетической установки. Это принципиальный переход. Именно поэтому глайдер занимает особое место на пути от традиционного AUV к биомиметическому роботу.

Тепловой глайдер

Особенно далеко эта философия зашла в аппаратах, использующих температурный перепад океана. В верхних слоях вода может быть значительно теплее, чем на глубине. Если вещество меняет объём при нагревании и охлаждении, эту разницу температур можно превратить в механическую работу. Экспериментальные тепловые глайдеры используют фазовые переходы рабочего материала. При погружении в холодную воду материал охлаждается и изменяет объём. При возвращении в тёплый поверхностный слой происходит обратный процесс. Полученная энергия используется для работы системы плавучести. В этом случае даже насос не обязательно питается в основном от традиционной батареи.

Аппарат буквально извлекает часть энергии из вертикального температурного градиента океана. Это уже почти идеальное воплощение принципа: двигаться, используя свойства окружающей среды.

Глайдер и

Argo

: похожие идеи, разные машины

Подводный глайдер легко спутать с автономным профилирующим буем семейства Argo. Обе системы:

меняют глубину;

длительно работают автономно;

измеряют океан;

периодически выходят к поверхности;

используют спутниковую связь.

Но есть принципиальная разница. Поплавок Argo в основном дрейфует вместе с течением. Он может изменять глубину, но практически не способен целенаправленно двигаться в горизонтальном направлении. Глайдер имеет крылья и систему управления. Поэтому он может выбирать маршрут. Медленно, с ограничениями, но всё же двигаться к заданной точке. Это превращает его из дрейфующего измерительного прибора в настоящий автономный транспортный носитель датчиков.

Один профиль за другим

Глайдер особенно ценен не столько дальностью, сколько формой собираемых данных. Спутник видит поверхность океана. Судно измеряет воду вдоль своего маршрута. Стационарный буй наблюдает одну географическую точку. Глайдер постоянно пересекает водную толщу по диагонали. Каждый цикл даёт вертикальный профиль. Температура. Солёность. Давление. Кислород. Флуоресценция. Оптическое рассеяние. Акустические измерения. Через несколько месяцев получается объёмная картина участка океана. Именно поэтому относительно медленный робот может оказаться научно ценнее значительно более быстрого аппарата.