Что такое подводные дроны: виды, задачи и принцип работы
Фото: Joern Pollex / Getty Images
Подводные аппараты вышли за пределы лабораторий и стали рабочим инструментом для бизнеса и науки, позволяя безопасно работать там, где человеку сложно или опасно находиться. Ниже разберем, как устроены такие системы, какие бывают и где применяются.
Содержание
Что такое подводный дрон
Подводный дрон — это герметичные необитаемые (без экипажа на борту) аппараты, которые используются для исследования на глубине (unmanned underwater vehicle, UUV). В повседневной речи так называют разные устройства — от простых камер на кабеле до полностью автономных роботизированных систем.
Разработка прообразов современных дронов для океанографических исследований началась еще в 1950-е годы. К 1980-м годам технологию дистанционно управляемых подводных аппаратов адаптировали для нефтегазовой промышленности. С течением времени она нашла применение во многих отраслях. В последние годы росту рынка подводных дронов способствуют увеличение спроса на исследование океана, расширение шельфовой нефтегазовой деятельности, рост инвестиций в проекты возобновляемых источников энергии и т. п.
.
Подводные дроны обычно делят по принципу управления и степени автономности.
- Телеуправляемые (ROV, remotely operated vehicle) — управляются оператором в реальном времени, чаще всего через кабель-трос, который обеспечивает питание и связь. Их используют для точных работ и инспекций.
- Автономные (AUV, autonomous underwater vehicle) — выполняют задачу по заранее заданной программе, ориентируясь по навигационным датчикам без постоянного контакта с оператором.
- Гибридные — могут работать в автономном режиме, а при необходимости переходить под управление оператора. Такие системы применяют в сложных миссиях, где важны и длительные автономные переходы, и точные операции в критических точках.
Эти термины чаще всего встречаются в технической документации и научных публикациях, в том числе в материалах и журналах организаций вроде Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) и Международного института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), где описываются технические конструкции и типовые миссии таких аппаратов.
Сравнение типов подводных дронов
| Тип | Как работает | Где удобнее других | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Телеуправляемый | управление по кабелю или каналу связи | инспекция, ремонт, работы у платформ и судов | ограничен длиной кабеля и маневрированием |
| Автономный | действует по программе | исследование больших территорий, картографирование | сложная настройка, контроль и планирование |
| Гибридный | комбинирует режимы | сложные миссии с разными типами задач | высокая стоимость и сложность эксплуатации |
Как управляют подводными дронами
Существуют два основных сценария:
- оператор управляет аппаратом напрямую (через кабель или, на малых дистанциях, по акустическому или оптическому каналу связи);
- аппарат действует автономно по маршруту, используя бортовой компьютер и датчики для удержания курса и глубины.
Под водой управление заметно сложнее, чем в воздухе: радиосигнал быстро затухает в воде, а антенна спутниковой навигации при погружении практически не принимает сигнал, поэтому GPS под водой не работает. Для связи используются:
- кабельная связь (трос с волоконно-оптическим или медным каналом);
- акустические каналы, когда данные передаются с помощью звуковых импульсов;
- инерциальные системы навигации, не требующие внешних ориентиров или сигналов;
- датчики глубины, компасы и датчики положения для удержания нужной траектории.
Базовые элементы управления аппарата включают движители (так называют электрические винты и рули), камеры и свет, гидролокаторы (сонары для обзора и картографирования), навигационные системы и блоки сбора данных (океанографические зонды, датчики загрязнений и др.).
Конкретный набор средств управления зависит от класса подводного дрона и глубины его работы.
Для чего нужны подводные дроны
Подводные дроны — это инструмент для работы под водой без присутствия человека внутри аппарата, что снижает риски для людей и стоимость операций. Подобные устройства используют как в открытом море, так и в прибрежных водах, водохранилищах и на объектах инфраструктуры.
Основные сферы применения:
- наука и исследования океана (морской фауны, морского дна и т. д.);
- спасательные и поисковые операции;
- инспекция трубопроводов и других объектов под водой;
- военная сфера.
Главная ценность — возможность выполнять осмотр, измерения и работы там, где человеку опасно, дорого или физически трудно находиться на нужной глубине и в течение длительного времени.
Какие задачи решают подводные дроны
Среди задач, которые решают подводные дроны:
- Наблюдение и съемка — видеосъемка подводных объектов, инфраструктуры, морских организмов; это задачи для ROV с камерами высокого разрешения.
- Картографирование — построение карт рельефа дна с помощью многолучевых эхолотов и боковых сонаров; это одна из ключевых задач AUV при гидрографических съемках.
- Поиск объектов — обнаружение затонувших судов, оборудования с использованием сонаров и магнитометров.
- Мониторинг среды — измерение температуры, солености, содержания кислорода, загрязнения воды и других параметров с помощью научных датчиков.
- Инспекция инфраструктуры — проверка состояния трубопроводов, кабелей, свай, опор и подводных частей мостов и платформ, в том числе в интересах нефтегазовых компаний и энергетики.
- Военные задачи — разведка, наблюдение, противоминные операции, контроль за акваториями и объектами.
Набор задач зависит от оборудования, класса аппарата и глубины, на которую он рассчитан. Так, легкие наблюдательные ROV отличаются от тяжелых рабочих комплексов с манипуляторами и специальным инструментом.
Ограничения и сложности подводных дронов
Несмотря на развитие технологий, у подводных дронов остаются заметные ограничения.
Во-первых, все еще сложная связь под водой, завязанная на кабели и акустические каналы, которые ограничивают скорость и дальность передачи данных.
Во-вторых, отсутствие прямой GPS-навигации: радиосигналы спутниковой системы практически не проходят через толщу воды, поэтому приходится использовать инерциальные и акустические методы позиционирования.
В-третьих, ограниченный запас энергии — аккумуляторы ограничивают время автономной работы и требуют продуманного режима миссий.
В-четвертых, влияние глубины и давления, что повышает требования к материалам и конструкции корпуса и увеличивает стоимость глубоководных систем.
В-пятых, влияние течения, мутности воды и сложных условий среды на маневренность устройств и качество данных.
Все эти факторы напрямую влияют на выбор, использовать ли телеуправляемый аппарат, автономный комплекс или комбинированную схему, а также на то, какие задачи рационально отдавать подводным дронам.
Подводные дроны в России
Подводные дроны в России развиваются в области экологии, картографии, в военной сфере. В сегменте глубоководных исследований можно привести в пример проект «Витязь‑Д» — автономный аппарат, разработанный ЦКБ МТ «Рубин» и Фондом перспективных исследований при поддержке Военно-морского флота.
В мае 2020 года «Витязь‑Д» выполнил автономное погружение в Марианскую впадину, достигнув глубины 10 028 м, что сделало его одним из немногих аппаратов в мире, работавших на таких глубинах в полностью автономном режиме. Подобные технологии применяются, например, для исследования Арктики и мониторинга подводной инфраструктуры.
Другой пример — телеуправляемый аппарат «Скат» массой 4,7 кг, разработанный для мониторинга гидротехнических сооружений, разведки и разминирования на глубинах до 100 м. Опытный образец к 2023 году создало новосибирское КБ «Спектр-Инжиниринг». Аппарат был спроектирован с учетом запросов военных, он способен работать как в проточных, так и в стоячих водоемах, а в его конструкции использовали авиационные технологии — в частности полетный контроллер для управления с берега.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли управлять подводным дроном как воздушным квадрокоптером?
Нет, в первом случае управление сложнее: радиосвязь под водой почти не работает, GPS недоступен, поэтому для подводных дронов используют кабели, акустическую связь и специальные навигационные системы.
Подводные дроны нужны только военным?
Нет, они применяются в науке, промышленности, экологии, спасательных операциях и образовании, а оборонные задачи — лишь один из сегментов рынка.
Подводный дрон и автономный подводный аппарат — это одно и то же?
Не совсем: в широком смысле подводный дрон может быть как телеуправляемым, так и автономным, а автономный аппарат — это один из типов подводных дронов с упором на самостоятельное выполнение миссий.
