Беспилотный подводный аппарат

Беспилотный подводный аппарат (БПА, также необитаемый подводный аппарат, НПА) — это роботизированное устройство, способное автономно или по команде с поверхности выполнять задачи под водой без непосредственного присутствия человека на борту. Беспилотные подводные аппараты относятся к классу морских робототехнических комплексов и используются для исследования, мониторинга, обслуживания подводной инфраструктуры, а также в военных целях.

Классификация

Беспилотные подводные аппараты делятся на несколько основных типов в зависимости от способа управления, автономности и назначения.

По способу управления

• Телеуправляемые аппараты (ROV, Remotely Operated Vehicle) — соединены с судном-носителем кабель-тросом, по которому передаются команды и электропитание. Оператор управляет аппаратом в реальном времени с пульта. ROV применяются для точных работ на малой и средней глубине.
• Автономные аппараты (AUV, Autonomous Underwater Vehicle) — работают без кабеля, следуя заранее заложенной программе или используя бортовые алгоритмы принятия решений. Питание обеспечивается от аккумуляторов. AUV способны выполнять длительные миссии на больших глубинах и в удалённых районах.
• Гибридные аппараты (ARV, Autonomous Remotely Vehicle) — сочетают функции ROV и AUV: могут работать автономно, но при необходимости переключаться в режим телеуправления по оптоволоконному кабелю.

По назначению

• Исследовательские — для океанографии, геологии, биологии, археологии. Оснащаются гидролокаторами, профилографами, фото- и видеокамерами, пробоотборниками.
• Инспекционные — для осмотра подводных трубопроводов, кабелей, нефтегазовых платформ, гидротехнических сооружений.
• Рабочие — для выполнения манипуляций: резки, сварки, зачистки, монтажа. Оснащаются манипуляторами, гидравлическими инструментами.
• Военные — для разведки, поиска мин, противолодочной обороны, картографирования дна, доставки зарядов. Разрабатываются в рамках программ противоминной борьбы и подводного наблюдения.
• Поисково-спасательные — для поиска затонувших объектов, останков, обследования аварийных участков.

История

Первые попытки создания подводных аппаратов без экипажа относятся к концу XIX века. В 1890-х годах в России инженер И. Г. Тарханов предложил проект «самодвижущейся мины» — прообраза торпеды, но не телеуправляемого аппарата. В 1950-х годах в США и СССР начались эксперименты с телеуправляемыми системами для подводных исследований.

В 1960-х годах компания «General Dynamics» разработала первый коммерческий ROV «CURV» (Cable-controlled Underwater Research Vehicle), который в 1966 году участвовал в поиске водородной бомбы у побережья Испании. В СССР в 1970-х годах были созданы аппараты «Манта» и «Гном» для научных целей.

Развитие микроэлектроники, навигационных систем и аккумуляторов в 1990–2000-х годах позволило создать компактные и энергоэффективные AUV. В России в этот период были разработаны аппараты серии «МТ» (Морской техник) и «Клавесин» (КБ «Рубин»). В 2010-х годах появились глубоководные AUV, способные работать на глубинах до 6000 метров и более.

Устройство и характеристики

Типовой беспилотный подводный аппарат состоит из следующих основных систем:

• Корпус — герметичный, изготовленный из алюминиевых сплавов, титана или композитных материалов. Форма корпуса (цилиндрическая, сфероидальная, обтекаемая) подбирается для минимизации гидродинамического сопротивления.
• Двигательная установка — гребные винты, водомёты или движители на основе электромоторов. Для маневрирования используются подруливающие устройства.
• Система электропитания — литий-ионные, никель-кадмиевые или свинцово-кислотные аккумуляторы. Время работы AUV составляет от нескольких часов до нескольких суток, ROV — неограниченно при питании по кабелю.
• Навигационное оборудование — инерциальные навигационные системы (ИНС), доплеровские лаги, гидроакустические маяки, GPS-приёмники (при всплытии), магнитометры.
• Сенсоры и полезная нагрузка — гидролокаторы бокового обзора (ГБО), многолучевые эхолоты, профилографы, фото- и видеокамеры, манипуляторы, пробоотборники, химические сенсоры.
• Система связи — для ROV — кабель (коаксиальный, оптоволоконный), для AUV — акустический модем, спутниковая связь при всплытии, Wi-Fi на поверхности.
• Бортовая вычислительная система — управляет движением, обработкой данных, выполнением миссии. Для AUV включает алгоритмы планирования маршрута и уклонения от препятствий.

Применение

Научные исследования

БПА используются для картографирования морского дна, изучения гидротермальных источников, подводных вулканов, холодных сипов, мониторинга морских экосистем и популяций животных. Например, в 2019 году российский AUV «Витязь-Д» достиг дна Марианской впадины на глубине 10 028 метров, выполнив съёмку и сбор проб.

Нефтегазовая промышленность

ROV и AUV применяются для инспекции и обслуживания подводных трубопроводов, кабелей, нефтегазовых платформ, подводных добычных комплексов. Они позволяют проводить работы без риска для водолазов, на глубинах до 3000 метров. В России такие аппараты используются на шельфовых проектах «Сахалин-1», «Сахалин-2», «Ямал СПГ».

Военное дело

Военные БПА решают задачи разведки, поиска и уничтожения мин, противолодочной обороны, охраны морских границ, картографирования дна, доставки специальных зарядов. В России разработаны аппараты «Клавесин-1Р», «Сармат», «Посейдон» (последний — ядерный беспилотный подводный аппарат, способный нести термоядерный заряд). В США — серия «REMUS», «Bluefin», «LDUUV».

Гражданские задачи

БПА используются для поиска затонувших судов и самолётов, обследования гидротехнических сооружений (мостов, плотин, дамб), экологического мониторинга, поиска полезных ископаемых на дне, подводной археологии.

Примеры известных аппаратов

• «Витязь-Д» (Россия, 2019) — автономный глубоководный аппарат, достигший дна Марианской впадины. Масса — около 5 тонн, глубина погружения — до 10 028 метров.
• «Клавесин-1Р» (Россия, 2010) — автономный аппарат для океанографических исследований. Рабочая глубина — до 6000 метров, автономность — до 24 часов.
• «Посейдон» (Россия, 2018) — ядерный беспилотный подводный аппарат (разработка — ЦКБ МТ «Рубин»). Предназначен для доставки ядерного заряда, способен развивать скорость до 100 узлов, глубина — до 1000 метров.
• REMUS 6000 (США, 2000-е) — автономный аппарат для глубоководных исследований. Использовался для поиска обломков «Титаника» и малайзийского Boeing 777 рейса MH370.
• Bluefin-21 (США, 2010) — автономный аппарат для поиска и картографирования. Применялся в операции по поиску пропавшего самолёта MH370.

Интересные факты

• Первый в мире серийный ROV «CURV» (1960-е) весил около 1,5 тонн и управлялся по кабелю длиной до 3 км.
• Самый глубоководный AUV — японский «Kaikō» (1995–2003), достигший глубины 10 911 метров в Марианской впадине.
• Российский аппарат «Посейдон» по классификации НАТО получил обозначение «Kanyon» и считается одним из самых засекреченных проектов ВМФ России.
• В 2020 году российский AUV «Морской техник» (МТ-2010) использовался для обследования затонувшей подводной лодки «Курск» в рамках работ по подъёму останков.

Критика и ограничения

Основные недостатки беспилотных подводных аппаратов включают:

• Ограниченная автономность — для AUV время работы редко превышает 48 часов из-за энергопотребления.
• Сложность связи — акустические каналы имеют низкую пропускную способность и задержки, что затрудняет управление на больших глубинах.
• Высокая стоимость — разработка и эксплуатация глубоководных аппаратов требуют значительных финансовых и технических ресурсов.
• Уязвимость к помехам — гидроакустические системы могут быть подавлены шумами или противодействием.
• Экологические риски — возможны столкновения с морскими животными, повреждение коралловых рифов, утечка топлива или аккумуляторов.

Источники

• Агеев М. Д., Киселев Л. В. «Автономные подводные роботы: системы и технологии». — М.: Наука, 2005.
• «Морские робототехнические комплексы» / под ред. И. В. Шевченко. — СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2018.
• Открытые данные ЦКБ МТ «Рубин» (Россия) о проектах «Клавесин», «Посейдон».
• «Витязь-Д»: первый российский аппарат на дне Марианской впадины // ТАСС, 2019.
• «REMUS 6000»: технические характеристики // Woods Hole Oceanographic Institution, 2015.
• «Bluefin-21»: спецификации // Bluefin Robotics, 2012.