Всероссийский форум научной молодежи Шаг в будущее. Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат К-2

Цель работы:
Собрать рабочий макет необитаемого подводного (НПА) аппарата К-2 и произвести его испытание.
Цель работы:

Задачи:
1. По литературным источникам изучить и обобщить информацию о имеющихся телеуправляемых необитаемых подводных аппаратах (ТНПА).
2. Произвести соответствующие опыты.
3.Собрать из подручных материалов рабочий макет ТНПА К-2.
4. Отрегулировать плавучесть аппарата.
5. Испытать НПА К-2.

Актуальность работы:
В настоящее время для работы на мелководье в акватории Черного моря не существует необитаемого подводного аппарата, имеющего простое конструктивное и материальное воплощение.
Созданный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА К-2) доступен практически каждому, желающему заниматься исследованием мелководья моря, и может быть использован в работе различных служб (МЧС, Полиции, Рыбинспекции и др.)

Новизна работы:
Новизна работы заключается в предложенной в ходе исследований усовершенствованной рабочей модели ТНПА К-2, собранной из подручных материалов и доступной каждому желающему заниматься исследованиями на мелководье.

За последние 30 лет в различных странах, занимающих ведущее положение в области морских технологий, было создано свыше 9 тыс. самоходных необитаемых подводных аппаратов (НПА) для решения широкого круга задач.
Эти аппараты уже продемонстрировали свою эффективность при выполнении аварийно-спасательных, обзорно-поисковых, научно-исследовательских и других видов работ.
НПА – одна из наиболее важных и быстропрогрессирующих областей микроробототехники.
Динамика развития этого направления во многом обусловлена современными электронными технологиями.

Основные достоинства беспилотных или необитаемых подводных аппаратов:
отсутствие на борту оператора, что обеспечивает оператору безопасность, нет необходимости присутствовать лично в зонах повышенного риска;
возможность максимально миниатюризировать все размеры аппаратов, ввиду отсутствия жизненного пространства для операторов;
разработка и изготовление не требует больших НИИ, мастерских или заводов;
возможность трансформации конструкции и легкое переоборудование под установку датчиков и аппаратуры в зависимости от решаемых задач;
возможность использовать технологии «стаи» - океанографические, геофизические и др. работы;
использование для меньших глубин, вплоть до берега.

.
В г. Геленджике сложилась исторически благоприятная ситуация по развитию направления разработки и создания коммерческих вариантов БНА и БПА для применения пока в мелком море.
Научные организации:
Южное научно-производственное объединение по морским геологоразведочным работам ГНЦ «Южморгеология»,
Южное отделение Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН;
Геленджикское отделение - Севморнефтегеофизика- Юг;
Геленджикский центр климатических испытаний им. Г.В. Акимова — филиал ФГУП ВИАМ «Всероссийский институт авиационных материалов».

Sea Perch
Sea Perch – американская программа, в которую по привлечению школьников к инженерному делу и повышению интереса к изучению технических предметов( физика, математика).

Этапы сборки:

Электрическая схема соединения компонентов ТНПА К-2:

Доработка движителя.
Нам не понравилась кинематика их движения:
На рисунки видно, что омыватель движется по диагонали.
Проблема: потеря полезной энергии.

Решение.
Решение: Просто делаем отверстия на противоположной стороне от выбрасываемой реактивной струи, тем самым удаляем вертикальную составляющую движения движителя.

Опыт: определение силы тяги движителя.

В ходе проведенных опытов в работе выяснилось:
1. Аппарат сможет поднять со дна груз массой приблизительно 350г, следовательно ТНПА К-2 предназначен для поднятия со дна малых грузов.
2. Аппарат может «тянуть за собой груз массой примерно 250г, следовательно ТНПА К-2 подходит для перевозки малых грузов.

Плавучесть:
Плавучесть регулируется при помощи систем грузов и «поплавков».
Грузы: свинцовые пластины (2*10г, 2*40г, 2*50г, 4*60г)
Поплавки: пенопластовые утеплители для пластиковых труб, все рассчитанные примерно на 1Н в пресной воде.
Где:R-радиус поплавка r-радиус полости поплавка
Плавучесть регулируется перед каждым погружением на нейтральную, в зависимости от плотности воды и массы оборудования.

Рабочий макет подводного управляемого аппарата К-2 ,
может погружаться на глубину до 5 метров.
Класс ТНПА - мини
Назначение - осмотровый аппарат
Масса - 2,2 кг
Глубина погружения - 5м
Скорость 5 см/сек или 180 м/час.
Габаритные размеры:
Длина - 360 мм
Ширина- 250мм
Высота -280 мм
Тип привода - электрический
Параметры питания от 12 Вольт постоянного тока.
Цена - до 5 тыс.руб.

На консультации в МЧС
у начальника отдела робототехники.

Доработка движителя на К-3

В ходе опытов К-3:
В результате замены двигателей выяснилось, что характеристики аппарата несущественно выросли.

Электрическая схема соединения компонентов ТНПА К-3

Рабочий макет подводного управляемого аппарата К-3 ,
может погружаться на глубину до 5 метров.
Класс ТНПА - мини
Назначение - осмотровый аппарат
Масса - 2,7кг
Глубина погружения - 5м
Скорость 7 см/сек или 252 м/час.
Габаритные размеры:
Длина - 360 мм
Ширина- 250мм
Высота -280 мм
Тип привода - электрический
Параметры питания от 24 Вольт постоянного тока.
Цена - до 5 тыс.руб.

Особенности ТНПА К-2(3)
ТНПА «К-2(3)» относится к классу осмотровых аппаратов, отличается малыми габаритами и малой массой (фото 10).
Открытая рамная конструкция обеспечивает доступ ко всем узлам ТНПА, что упрощает процесс эксплуатации.
Несущая конструкция выполнена из пластика.
Нейтральная плавучесть.
Возможность трансформации конструкции и легкое переоборудование под установку датчиков и аппаратуры в зависимости от решаемых задач.
Аппарат может применяться для установки гидроакустических маркеров и подъема предметов, захваченных манипулятором.

Достоинства аппарата К-2(3) :
Данный аппарат может выполнять различные работы на мелководье, такие как:
- осмотр днища маломерных судов;
- наблюдение за подводной обстановкой;
- различные работы связанные с нахождением объектов;
- наблюдения за подводными обитателями.
Данный аппарат может применяться также и в работе различных служб к примеру МЧС, полиции, Порт - надзора, рыбинспекции.
Аппарат имеет простое конструктивное и материальное воплощение: он собран из доступных материалов, имеющихся в магазинах и Интернет торговле.
Главное его достоинство- простота и стоимость( до 6000 руб.).

Выводы:
В ходе исследований было установлено, что ТНПА К-2(3) следующие достоинства:
1) аппарат легок в изготовлении и не требует особых технических навыков, а так же больших материальных затрат;
2) существует возможность трансформации конструкции и легкое переоборудование под установку датчиков и аппаратуры в зависимости от решаемых задач;
3) возможность регуляции плавучести с целью получения ее нейтрального значения, что значительно повышает эффективность аппарата;
4) использование для меньших глубин, вплоть до берега.
Выявлены следующие недостатки:
1) низкая маневренность;
2) небольшая скорость, наличие связи по кабелю;
3) низкое разрешение камеры.

Выводы:
Рабочий макет необитаемого подводного аппарата (НПА) К-2(3) собран и испытан в бассейне.
Рабочий макет (1 этап) удовлетворяет требованиям импорт замещения.
Может легко использоваться в условиях школьных мастерских для организации соревновательного процесса команд с целью привития интереса школьников к морским специальностям.
Приложение полученных знаний по математике, физике, технологиям под лозунгом «Образование через руки».

Доработка предполагает:
-установку дополнительных приборов эхолота, металлоискателя, манипулятора, специальной подводной телефото камеры, грузового отсека;
-разработки телеметрии с кабелем нейтральной плавучести;
-разработка и установка специального навесного оборудования и программного обеспечения
-

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
Илларионов Г. Ю. Необитаемые подводные аппараты и их системы. Владивосток: Изд.-во Дальневост. ун-та, 1990. 56 с.
Илларионов Г. Ю., Карпачев А. А. Исследовательское проектирование необитаемых подводных аппаратов: теория, методы, результаты. Владивосток: Дальнаука, 272 с. 1998 г.
Необитаемые подводные аппараты военного назначения / сост.: М. Д. Агеев, Л. А. Наумов, Г. Ю. Илларионов и др. под ред. академика РАН М. Д. Агеева.
Владивосток: Дальнаука, 2005. 164 с.:
Компания ТЕТИСПРО Каталог продукции.Необитаемые подводные аппараты и гидроакустические системы, 2014, М.
Журнал «Подводные технологии и мир океана», октябрь 2005.
Войтов Д.В. Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты, Моркнига, М, 2012.