Bezzałogowe pojazdy podwodne – stan obecny, potencjał biznesowy, perspektywy rozwoju

Pojazdy typu AUV

Pierwszą próbą oficjalnej standaryzacji pojazdów AUV jest podział zaproponowany w dokumencie Departamentu Marynarki Wojennej USA „The Navy Unmanned Undersea Vehicle (UUV) Master Plan” z 2004 roku (użyty w tym dokumencie skrót UUV odnosi się de facto do pojazdów AUV, gdyż za autonomiczność przyjęto w nim całkowite wyeliminowanie konieczności sterowania pojazdem poprzez zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji).

Rys. 3. Poszczególne konfiguracje pojazdu Gavia (od góry Offshore Surveyor, Scientific, Defence)

Wyszczególniono w nim cztery klasy obiektów [10]: przenośne, o wadze nie przekraczającej 45 kg, lekkie (45…227 kg), ciężkie (227…1361 kg) oraz duże (1361…9072 kg).(W oryginale: man portable, waga do 100 funtów, light weight, 100…500 funtów, heavy weight, 500…3000 funtów oraz large, 3000…20000 funtów). Obecnie obowiązujący podział pod kątem wagi wynika z miniaturyzacji podzespołów elektronicznych, jaka dokonała się na przestrzeni tych lat, co w efekcie umożliwiło redukcję masy pojazdu: mikro (poniżej 20 kg), mini (20…100 kg), lekkie (100…500 kg), ciężkie (500…2000 kg) i duże (powyżej 2000 kg). Innym istotnym czynnikiem klasyfikacyjnym jest kształt kadłuba, wyróżnia się konstrukcje cylindryczne, torpedopodobne, kroplopodobne, cygaropodobne oraz płaskie. Należy podkreślić, że zasada modułowa konstrukcji nowoczesnych aparatów klasy AUV doprowadziła do zatarcia granic pomiędzy ich przeznaczeniem docelowym. Przykładowo pojazd Gavia, produkowany przez firmę Teledyne, dzięki odpowiedniej konfiguracji osprzętu pokładowego może być dostosowany zarówno do przeprowadzenia badań oceanograficznych (Gavia Scientific), wykrywania i niszczenia min morskich (Gavia Defence) jak i do aplikacji typowo komercyjnych, np. przeprowadzania inspekcji po huraganach, prac diagnostycznych przy rurociągach lub platformach wiertniczych (Gavia Offshore Surveyor). Wszystkie trzy modele ilustruje rysunek 3, na rysunku 4 pokazano modułową konstrukcję tych pojazdów.

Rys. 4. Modułowa konstrukcja pojazdów Gavia

Ciężkie prace mechaniczne pozostają domeną pojazdów typu ROV, jednak ze względu na swoją niezależność energetyczną obiekty AUV są znacznie częściej wykorzystywane do zastosowań militarnych, zwłaszcza na polu bitwy, np. do rozpoznania taktycznego czy wykrywania i niszczenia min morskich.

Rys. 5. AUV Swimmer z pojazdem ROV Phenix na pokładzie	Rys. 6. Solar AUV produkowany przez Falmouth Scientific

Chcąc połączyć zalety obydwu tych klas pojazdów firma Cybernétix Offshore Branch stworzyła swego rodzaju hybrydę [11], tj. platformę transportową klasy AUV, służącą tylko i wyłącznie do transportu pojazdów ROV i pośredniczenia w komunikacji między nimi i operatorem (rys. 5). Należy przypuszczać, że koncepcja ta będzie rozwijana również przez konkurencyjne przedsiębiorstwa. Charakterystyki pojazdów AUV są w bardzo dużym stopniu zależne od rodzaju zastosowanego układu napędowego, który wpływa zarówno na zasięg obiektu, jak i na jego maksymalne zanurzenie. Najpopularniejsze są konstrukcje wykorzystujące silnik elektryczny ze względu na prostotę budowy i łatwość montażu.Przykładem takich pojazdów są produkty firmy Kongsberg Maritime (rys. 7a, b), tj. pojazdy z rodziny HUGIN (HUGIN 1000, HUGIN 3000, HUGIN 4500) oraz REMUS (REMUS 100, REMUS 600, REMUS 1500, REMUS 6000) [12, 13].

W ostatnich czasach obserwuje się jednak duże zainteresowanie pojazdami posiadającymi długi czas nieprzerwanej pracy (od tygodnia do kilku lat), w związku z czym pojawiły się pewne modyfikacje tego rodzaju napędu zwiększające zasięg. Pierwszą z nich jest koncepcja dodatkowego zasilania pojazdu podczas jego pracy, np. odpowiednia modyfikacja kadłuba umożliwia montaż ogniw fotowoltaicznych na jego powierzchni (tzw. obiekty klasy SAUV, ang. Solar Autonomous Underwater Vehicles). W zależności od zachmurzenia i naświetlenia słonecznego możliwe jest pozyskanie z jednego metra kwadratowego paneli słonecznych od 400 do 700 watogodzin dziennie [14, 15]. Obiekty AUV zasilane w ten sposób nie mają w żaden sposób ograniczonej manewrowości i stanowią elastyczne połączenie prędkości (maksymalnie od 1 do 2 węzłów), wytrzymałości (zanurzenie do 500 m) i konfigurowalności powierzonych im zadań, np. w styczniu 2010 roku zostały one użyte do monitorowania ruchów płyt tektonicznych. Przedstawicielem tej grupy jest konstrukcja Solar AUV autorstwa Falmouth Scientific (rys. 6). Oczywistą wadą tego rozwiązania jest konieczność wynurzenia w celu doładowania akumulatora. Równie obiecującym rezultaty uzyskuje się poprzez dążenie do redukcji zużycia energii przez pojazd.

a) rodzina pojazdów HUGIN

b) rodzina pojazdów REMUS

Rys. 7. Produkty firmy Kongsberg Maritime

Przykładem realizacji takiej koncepcji są obiekty stanowiące kolejny kamień milowy w rozwoju dryfujących boi, tzw. szybowce podwodne. Konstrukcja Spray Glider firmy Bluefin Robotics Corporation [16] jest przykładem szybowca podwodnego (rys. 8). Ich zasada działania oparta jest o drobne zmiany w wyporności pojazdu (odpowiednie napełnianie i opróżnianie zbiorników balastowych), które w połączeniu z ruchem skrzydeł umożliwiają konwersję ruchu wertykalnego w horyzontalny. Dzięki takiemu rozwiązaniu zasięg szybowców podwodnych mierzony jest w tysiącach kilometrów. Często są one wyposażone w silnik cieplny stanowiący alternatywne źródło zasilania bądź napędu, gdyż umożliwia od pozyskanie energii mechanicznej (lub elektrycznej w połączeniu z turbiną) z gradientu cieplnego akwenu wodnego. Zasięg pojazdów wykorzystujących różnicę temperatur mierzony jest w dziesiątkach tysięcy kilometrów, a ich czas nieprzerwanej pracy waha się od 3 do 5 lat. Z tego względu sprawdzają się one w celach badawczych, o czym świadczyć może fakt, iż pierwszym pojazdem typu AUV, który pokonał transoceaniczny dystans jest właśnie szybowiec podwodny.

Rys. 8. Spray Glider – szybowiec podwodny produkowany przez Bluefin Robotics Corporation

Najpoważniejszą wadą obiektów tej klasy jest ograniczona manewrowość, gdyż do poprawnego działania wymagany jest piłokształtny tor ruchu. Dodatkowo są one najwolniejsze ze wszystkich pojazdów AUV – średnia prędkość nie przekracza jednego węzła, co praktycznie wyklucza je z zastosowań militarnych.

Jedną z najnowszych koncepcji towarzyszącej projektowaniu jest zastosowanie silnika spalinowego zasilanego ogniwami wodorowymi. Dotychczas zaprojektowano tylko jeden model zasilanego w ten sposób pojazdu [17] – owocem współpracy dwóch stoczni (Kobe Shipyard & Machinery Works, Nagasaki Shipyard & Machinery Works), dwóch ośrodków badawczych (Nagasaki Research & Development Center, Takasago Research & Development Center) oraz koncernu Mitsubishi jest Urashima (rysunek 9).

Rys. 9. Jedna z najbardziej nowatorskich konstrukcji w klasie AUV – zasilana ogniwami wodorowymi łódź Urashima

Zastosowano w niej obieg zamknięty, woda powstała jako produkt spalania gromadzona jest w osobnym zbiorniku pokładowym. Charakterystyki Urashimy są następujące: zasięg 300 km, średnia prędkość 3 węzły, maksymalne zanurzenie 3500 m, masa 10000 kg. Pojazdy powstałe w ramach tego projektu wykazały swoją efektywność podczas badania głębin Oceanu Arktycznego w celu ustalenia przyczyn globalnego ocieplenia. Są droższe w budowie i eksploatacji, jednak stanowią interesującą alternatywę dla konwencjonalnych rozwiązań napędzanych silnikiem elektrycznym, gdyż cechują je lepsze parametry operacyjne niż obiekty klasy SAUV przy zachowaniu pełnej manewrowości. W tabeli 2 przedstawiono dane techniczne wszystkich wymienionych pojazdów AUV. Innym nowoczesnym aspektem towarzyszącym ich projektowaniu jest naśladownictwo żywych organizmów.

Tab. 2. Zestawienie przykładowych pojazdów klasy AUV:

Kraj	Ośrodek badawczy / Producent	Pojazd	Rodzaj pojazdu	Rodzaj napędu	Wymiary, waga, maks. zanurzenie
Japonia	Mitsubishi Heavy Industries	Urashima	prototyp naukowo-badawczy	spalinowy, zasilany ogniwami wodorowymi	10,7 × 1,3 × 1,5 m, 10000 kg, 3500 m
USA	Bluefin Robotics	Spray Glider	produkt komercyjny, obserwacyjny, naukowo-badawczy	szybowiec podwodny	2,13 × 0,2 × 0,2 m, 52 kg, 1500 m
	FSI	Solar AUV	produkt komercyjny, obserwacyjny, naukowo-badawczy	elektryczny, zasilany akumulatorem litowo–jonowym i ogniwami fotowoltaicznymi	2,3 × 1,1 × 0,5 m, 200 kg, 500 m
Norwegia	Kongsberg	HUGIN	produkt komercyjny, naukowo-badawczy	elektryczny, zasilany akumulatorem litowo-polimerowym lub ogniwem nadtlenkowo-wodorowym	HUGIN 1000: 4,5 lub 4.7 × 0,75 × 0.75 m, 650–850 kg, 1000 lub 3000 m HUGIN 3000: 5,5 × 1 × 1 m, 1400 kg, 3000 m HUGIN 4500: 6 × 1 × 1 m, 1900 kg, 4500 m
		REMUS	produkt komercyjny, naukowo-badawczy	elektryczny, zasilany akumulatorem litowo-jonowym	REMUS 100: 1,6 × 0,19 × 0,19 m, 37 kg, 100 m REMUS 600: 3,2 × 0,32 × 0,32 m, 272 kg, 600 m REMUS 6000: 3,94 × 0,67 × 0,67 m, 863 kg, 6000 m
Francja	Cybernétix	Swimmer	prototyp komercyjny, transporter pojazdów ROV	elektryczny, zasilany akumulatorem litowo-jonowym	6,1 × 2,46 × 2,45, 4785 kg, 3000 m
Islandia	Teledyne	Gavia	produkt komercyjny, uniwersalny dzięki modułowej budowie	elektryczny, zasilany akumulatorem litowo-jonowym	min. 1,8 (w zależności od ilości modułów) × 0,2 × 0,2 m, min. 49 kg, 500 lub 1000 m