Водный реактивный ранец (реактивный рюкзак) – устройство, составляющее часть системы AUV (Autonomous Underwater Vehicle) – автономной подводной машины. Одним из реальных примеров такого рода аппаратуры является разработка инженеров университета Квазулу-Наталь (2015 год). Водная машина демонстрирует способность и потенциал, позволяющие достичь высоких лётных характеристик. Рассмотрим статические и динамические модели, в частности, оптимизацию производительности, эффективности и функциональности водомётного ранца. Также затронем концепцию системы автономной подводной машины, выступающей в качестве силовой установки и дуэльного управления водомётным ранцем (реактивным рюкзаком).
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Водный реактивный ранец общая концепция
Двигательной установкой водомётного ранца предусматривается подключение подающего шланга. Водный реактивный ранец подключается шлангом к отдельно взятой силовой установке. Таковой обычно выступает персональное водное транспортное средство, например, гидроцикл. Соответственно, требуется, либо управление вторым пилотом, либо натяжное крепление подающего шланга.
Тем самым обеспечивается питание и отслеживание координат глобальной системы позиционирования (GPS — Global Positioning System), а также соответствие динамическому состоянию водного реактивного ранца. Система AUV представляет воздушно-независимый двигательный аппарат (AIP — Air Independent Propulsion) с возможностями:
- GPS-слежения,
- управления с несколькими степенями свободы,
- PWC системы водомётного ранца.
Представленные ниже результаты исследования, анализы показывают неотъемлемые составляющие водных реактивных ранцев:
- автономные подводные машины,
- принципы гидродинамики,
- основы мехатроники,
- водородные двигательные аппараты.
Проведённые исследования показывают: аэродинамическая стабильность, характеристики водного реактивного ранца — сильно зависят от точного управления массовым расходом, вектором тяги, отслеживанием и эффективностью движения системы.
Поэтому разработка системы управления комбинированной схемой заключается в моделировании разомкнутых одно-, двух- и трёхмерных уравнений динамики водного реактивного ранца и автономной подводной машины первого и второго порядка. Реакции системы без обратной связи показывают, что в системе существует высокая степень аэродинамической нестабильности из-за большого перерегулирования и времени установления.
Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) контроллеры реализованы в каждой модели с разомкнутым контуром для формирования моделей управления с обратной связью для водного реактивного ранца и автономной подводной машины. Тем самым пилоту легче достичь стационарной аэродинамической устойчивости, тогда как автономной подводной машине проще отслеживать координаты GPS и динамическое состояние водного реактивного ранца.
Смоделированная система по требованиям концепции
Система смоделирована для достижения максимальной высоты полёта 10 метров, при которой достигается установившийся режим управления. Абсолютным пиковым состоянием для комбинированной системы водного реактивного ранца и двигательной установки является высота полёта 10 метров и скорость полёта 15 м/с.
В результате разработки модели системы управления и проведенного моделирования создан полностью автоматизированный водный реактивный ранец, а также система автономной подводной машины с оптимизированными лётными и аэродинамическими характеристиками.
Расчётная модель системы разработана посредством «SolidWorks» и оптимизирована в зависимости от массы, численной и статистической производительности. Проведена серия подробных расчётов гидродинамики и анализа конечных элементов для проверки оптимизации потока жидкости и структурной целостности двигательной установки водомётного рюкзака и модели корпуса автономной подводной машины в пиковых условиях, которым теоретически подвергается система.
Так создавалась первоначальная идея и теоретический анализ системы водного реактивного ранца и автономной подводной машины на основе:
- фундаментальной теории,
- системного моделирования,
- системной архитектуры,
- детального анализа,
- исходной вычислительной модели для будущего развития системы.
Водный реактивный ранец функциональность системы
Явное предназначение водного реактивного ранца, надетого на потенциального пассажира, — транспортировка пассажира через большие объёмы воды:
- бассейны,
- плотины,
- реки или моря.
Теоретически система водного реактивного ранца вполне способна транспортировать пассажира (пилота) над водой, под водой или на поверхности воды. Полноценная установка (как показано на рис. 2.12) содержит:
- реактивный ранец,
- потенциального пилота,
- питающий шланг,
- блок питания (автономную подводную машину) с насосом.
Конструкция автономной подводной машины предусматривает наличие насоса, посредством которого вода подаётся в систему через впускное отверстие. Крыльчаткой насоса увеличивается общее давление входящего потока, обеспечивается водное снабжение реактивного ранца увеличенным постоянным объёмом через подающий шланг.
Поток воды, поступающий на реактивный ранец, разделяется по направлению на 180 градусов, прежде чем попадает внутрь двух сужающихся сопел. Эти элементы водного реактивного ранца увеличивают скорость потока на коэффициент, пропорциональный площади.
Соответственно, достигается сила тяги, которой достаточно, чтобы толкать реактивный рюкзак вместе с носителем — пилотом и питательным шлангом по направлению, куда обращены сопла системы.
Автономная подводная машина содержит ряд основных компонентов, расположенных внутри и снаружи корпуса, как показано на рис. 2.13. Внешние компоненты включают:
- корпус,
- стабилизатор,
- руль направления,
- носовой обтекатель,
- подруливающее устройство (гребной винт),
- антенну GPS.
Внутренние компоненты включают электронные элементы — платы управления и интерфейсы, датчики, например, гироскоп скорости и доплеровский лаг, а также источники питания и двигатели, которые управляют внешними силовыми установками автономной подводной машины.
Особенности проектирования автономной подводной машины
Корпусная часть автономной подводной машины спроектирована с учётом легковесности и вместительности системы. Конструкция корпуса также должна обеспечивать выталкивающую силу для допустимого диапазона устойчивости и производительности. Носовой обтекатель спроектирован с аэродинамическим профилем с учётом оптимальной обтекаемости потоком воды вокруг корпуса. Носовой обтекатель содержит навигационные датчики, выступающие частью основной системы управления.
Рули направления представляют шарнирные отклоняющие конструкции с электроприводом, расположенные вертикально по направлению к задней части автономной подводной машины. Рули, управляемые двигателем, контролируют наклон или движение машины вверх-вниз. Подруливающее устройство (гребной винт), расположенный в крайней задней части, отвечает за обеспечение тяги вперёд.
Ориентация машины допускает динамическое изменение состояния корабля, поэтому часто внутри основного корпуса находится внутренний водонепроницаемый корпус. По сути, в этой конфигурации электронные устройства и устройства питания находятся в отдельных отсеках, что снижает риск повреждения компонентов.
Заключение на водомётный рюкзак
Исходя из представленного выше материала, логичным видится заключение. Такого рода водные машины в конечном виде получаются очень дорогостоящим оборудованием. Соответственно, далеко не каждой персоне доступен водный реактивный рюкзак.
К тому же, учитывая всю техническую и технологическую экзотику конструкции, крайне сложно без соответствующего обучения овладеть техникой такого типа. Тем не менее, интерес к водным системам на основе реактивного рюкзака проявляется высокий. При таком интересе не исключено широкое распространение рюкзаков в будущем. А масштаб, как правило способствует снижению цены.
При помощи информации: UKZN