Тени, Гномы и Миражи: какие российские роботы «обитают» в морях и океанах

В начале нашего погружения отмечу: в этой статье речь пойдет исключительно о российской гражданской технике. О том, что представляет собой подводная робототехника в целом, чем ТНПА отличаются от АНПА и почему океан — экстремальная среда для робота, я подробно рассказал в первой статье.

Чтобы понять всю важность темы освоения водных пространств для отечественной инженерии, откроем школьный учебник географии.

Россия имеет выход к 12 морям трех океанов и Каспию, обладает одной из самых протяженных береговых линий в Тихоокеанском регионе и обширным континентальным шельфом, особенно в Арктике. С точки зрения инженера, всё это не просто география, а гигантский полигон для отработки сложных сценариев использования техники.

Это неполная картина, но она позволяет оценить спектр задач, которые решают российские разработчики подводной робототехники.

Каковы результаты этой работы? Остановлюсь на наиболее интересных, на мой взгляд, гражданских проектах, которые по степени новаторства не уступают многим военным.

«Витязь-Д» поднимают на борт судна сопровождения «Фотий Крылов».

Инженерные особенности:

• полностью автономная система управления;
• корпус из титановых сплавов и высокопрочного сферопластика, обеспечивающего плавучесть;
• системы освещения и гидроакустической связи, сохраняющие работоспособность на экстремальных глубинах;
• умная навигация — в системе управления используются элементы искусственного интеллекта, позволяющие аппарату самостоятельно обходить препятствия и маневрировать в ограниченном пространстве.

Этот аппарат я уже упоминал в прошлой статье, но и здесь нам без него не обойтись — всё-таки чемпион мира. Шесть лет назад, 8 мая 2020 года, он погрузился на глубину 10 028 метров ко дну Марианской впадины, где давление приближается к тысяче атмосфер. На борту «Витязя-Д» установили приборы для измерения параметров морской среды. И хотя научные результаты этой экспедиции не раскрываются, сам факт ее проведения стал знаковым событием.

В эту бездну ранее уже опускались пилотируемые и беспилотные аппараты. Из беспилотных — японский «Кайко», который в 1995 году провел первые роботизированные исследования на глубинах около 10 900 метров. В 2009-м этой же отметки достиг гибридный аппарат «Нереус». Но оба эти аппарата принадлежат к классу ТНПА и работали в режиме телеуправления, а «Витязь-Д» стал первым роботом, совершившим такое погружение полностью в автономном режиме.

Без сложной системы гидроакустической связи и навигации, которую разработал российский Институт проблем морских технологий, автономное погружение на такие глубины было бы связано с существенным риском — аппарат мог сбиться с маршрута и не вернуться в точку подъема.

«Витязь-Д» работал без кабеля, поддерживая связь с поверхностью только по гидроакустическому каналу — через глубоководную донную станцию, которая выполняла роль подводной базы: аппарат корректировал по ней навигацию и принимал команды с судна.

После исторического погружения в Марианскую впадину «Витязь-Д» вернулся в родные воды. В Фонде перспективных исследований, курирующем проект, тогда отмечали, что будут искать для него новые подводные локации, например, в Антарктике или на Дальнем Востоке в районе Курило-Камчатского желоба, где глубины превышают 9 000 метров. Остаются ли такие миссии в планах и сегодня, мне не известно, но «Витязь-Д» — один из немногих подводных роботов в мире, способный исследовать этот регион.

ММТ-3500 в Антарктике на борту судна «Академик Мстислав Келдыш».

Инженерные особенности:

• модульная архитектура — позволяет быстро менять набор датчиков под конкретную задачу;
• гидролокаторы бокового обзора собственной разработки;
• высокоточные системы фото- и видеосъемки;
• оптимизирован для работы в условиях сильных подводных течений и сложного рельефа.

Если «Витязь-Д» — это демонстрация технологических рубежей автономной робототехники, то ММТ-3500 — ее «рабочая лошадка». Аппарат разработан в ИПМТ ДВО РАН, институте, который по праву считают колыбелью отечественных АНПА. Именно здесь в 1970-х под руководством выдающегося ученого и конструктора Михаила Агеева были созданы первые российские автономные подводные аппараты.

Я работал в этом институте научным сотрудником около семи лет и участвовал в разработке систем управления движением для ММТ-3500.

Почему это важная разработка? Приведу в пример задачу: обследование ста километров подводного газопровода. До недавнего времени единственным средством ее выполнения был телеуправляемый аппарат рабочего класса — многотонный ТНПА, связанный кабелем со специализированным судном.

Пока такой громоздкий аппарат ползет вдоль трубы, судно с системой динамического позиционирования должно «зависнуть» над точкой его работ, иначе может порвать кабель.

Один день аренды такого судна — десятки тысяч долларов, а инспекция растягивается на недели.

Практика на газопроводе «Голубой поток», соединяющем Россию и Турцию по дну Черного моря, — хорошее тому свидетельство. Раньше газопровод обследовали зарубежным телеуправляемым аппаратом, и делали это ежегодно. Но с 2022 года инспекцию стал выполнять ММТ-3500: произошла не только замена импортной техники на отечественную, но и переход на принципиально другую, более эффективную технологию.

На Киринском газоконденсатном месторождении на Сахалине, где «Газпром» ведет подводную добычу, ММТ-3500 впервые выполнил автономную инспекцию подводной инфраструктуры.

Я лично бывал на сахалинских полупогружных платформах «Северное сияние» и «Полярная звезда» — впечатляющие сооружения на воде, под которыми в теплую погоду круглосуточно дежурят подводные роботы. Пока это преимущественно ТНПА, но тренд на их замену автономными будет только нарастать.

Почему сейчас есть потребность в аппаратах обоих классов?

Дело в разных элементах подводной инфраструктуры. Например, на Киринском месторождении развернуты стационарные подводные комплексы добычи: по подводным скважинам, к которым подключены трубопроводы, нефть и газ поступают на берег. Отдельные участки связаны манифольдами — узлами, к которым подключается несколько скважин, формируя единую систему транспортировки.

Для регулярного осмотра и обслуживания всего этого хозяйства часто требуется манипуляторы, особенно для работы с манифольдами. И здесь пока вне конкуренции ТНПА.

При этом есть и протяженные трубопроводы, уходящие на материк, которые проще контролировать в режиме инспекции. Такие участки удобно обследовать с помощью АНПА, и в этих работах применялся ММТ-3500.

Прозрачный корпус «Морской тени» позволяет разработчикам наблюдать за функционированием систем в реальных условиях.

Инженерные особенности:

• гидродинамическое движение без винта: управление через изменение плавучести с помощью балластных цистерн;
• автономность работы до восьми месяцев за счет низкого энергопотребления;
• гибридная силовая схема: добавочный двигатель для маневра и борьбы с течениями;
• бортовой автопилот с адаптивной навигацией, рассчитывающий траекторию по данным датчиков.

Отдельно хочу сказать о компании «Океанос» из Санкт-Петербурга, которая работает на переднем крае подводной робототехники сразу в нескольких нишах.

Основная — это подводные глайдеры: автономные аппараты, которые перемещаются за счет изменения плавучести и способны работать под водой месяцами без подзарядки. «Океанос» — единственный известный мне российский производитель подобной техники.

Один из их глайдеров называется «Морская тень». Он выглядит как вытянутая торпеда с крыльями — стабилизаторами, которые под водой отвечают за его «аэродинамику».

Главная особенность глайдера в том, что он не плывет в привычном смысле. У него даже нет винта — всё движение строится на изменении плавучести. Происходит это при наборе воды: когда глайдер набирает воду, то тяжелеет и опускается, а когда затем сбрасывает — всплывает. Крылья превращают это вертикальное движение в «планирование» вперед, и аппарат идет по волнообразной траектории, как будто скользит сквозь толщу воды.

Еще одна перспективная концепция, которую продвигает «Океанос», — интервенционный АНПА. Это автономный аппарат с манипулятором, способный не только осуществлять мониторинг, но и выполнять физические операции под водой. Без оператора, без джойстика — полностью самостоятельно.

Если обычный АНПА — это умная торпеда с камерой и датчиками, то интервенционный подразумевает совершенно иной уровень сложности. Он складывается из двух аспектов.

Первый — автономное движение подводного аппарата. Эта непросто, особенно если речь идет о точном удержании позиции в реальных морских условиях — с течениями, ограниченной видимостью и нестабильной навигацией.

Второй — автономное управление манипулятором при взаимодействии с другими объектами. Эта задача сложна даже в наземной робототехнике, так как требует компьютерного зрения, работы с 3D-сценами и управления манипулятором на их основе.

Интервенционным АНПА еще предстоит научиться такой многозадачности: одновременно контролировать и собственное движение, и действия манипулятора.

«Мираж» перед спуском на воду.

Инженерные особенности:

• дистанционное управление и передача электропитания по кабелю до 1200 м;
• модульная архитектура полезной нагрузки: позволяет переоснащать различным оборудованием;
• устойчивое движение на течении, маневренность за счет двунаправленной тяги движителей;
• бесколлекторные двигатели с магнитными сухими муфтами, обеспечивающими герметичность;
• круговая система видеонаблюдения с выводом панорамного изображения;
• энергоэффективная силовая схема с возможностью питания от одного или двух источников.

История создания компании RovBuilder — одна из тех, которые показывают, что подводная робототехника в России развивается не только в крупных КБ. Компания базируется в Мытищах на Пироговском водохранилище, а среди ее сотрудников много бывших студентов МГТУ им. Баумана.

Начинали они с совсем компактных аппаратов — буквально камер на моторчиках. Но сейчас выпускают профессиональную линейку ТНПА серии «Мираж», способных работать на глубинах до километра. При этом более 80% комплектующих в этих аппаратах — российские. Кроме того, они просто красиво сделаны.

Высокий уровень инженерии RovBuilder подтверждается послужным списком их аппаратов. К примеру, их разработки стоят на вооружении Центра по проведению спасательных операций особого риска «Лидер», входящего в МЧС.

Новейшая модификация «Миража» оснащена гидролокатором кругового обзора, многолучевым эхолотом, отечественной системой позиционирования и трехстепенным манипулятором с резаком-тросорезом.

ТНПА «Гном Про Вектор».

Инженерные особенности:

• 6 движителей — четыре горизонтальных и пара вертикальных, расположенных векторно;
• кабель-связка;
• защитная полипропиленовая рама с блоком плавучести и опорами;
• система управления движением с функцией удержания курса;
• две видеокамеры с сервоприводами наклона;
• надводный блок управления и питания: береговая станция со встроенным персональным компьютером.

Помимо RovBuilder, на российском рынке ТНПА заметны и другие игроки. К примеру, компания «Подводная робототехника», известная продукцией под брендом «Гном», давно и прочно занимает нишу легких осмотровых аппаратов.

Их используют там, где важны мобильность и быстрое развертывание: в портах, на гидротехнических сооружениях, при обследовании корпусов судов, трубопроводов и кабельных линий.

Компактные размеры, простая логистика и управление с поверхности делают «Гномов» рабочим инструментом для инспекций, поисковых операций и подводного мониторинга на малых глубинах.

А в более тяжелом сегменте — ТНПА рабочего класса с манипулятором — работают аппараты Marine Geo Service из Геленджика. Компания начинала еще в 2006 году как эксплуатант и тогда выполняла морские инженерно-геологические изыскания на зарубежной технике. Но после того, как эта техника стала недоступна из-за санкций, Marine Geo Service открыла собственное производство. Так, среди прочего, появился и аппарат МСС-3000.

МСС-3000 на борту сопровождающего судна.

Инженерные особенности:

• управление по кабелю с передачей питания и данных по оптоволокну;
• восемь электрических движителей суммарной мощностью порядка 35 кВт, обеспечивающих высокую маневренность и точное позиционирование;
• система стабилизации с автоматическим удержанием курса;
• модульная полезная нагрузка до 150 кг с поддержкой высокоскоростных интерфейсов — для подключения гидролокаторов, датчиков и спецоборудования;
• манипуляторные системы и наклонно-поворотные устройства.

Как и «Гном Про Вектор», МСС-3000 — не автономная робототехника, а связанная с судном система. Оператор управляет им в реальном времени через кабель, по которому одновременно поступают и питание, и данные.

МСС-3000 — это, по сути, рабочая платформа для трудоемких подводных задач. На аппарат, равный по весу внедорожнику, можно устанавливать тяжелые манипуляторы и специализированное оборудование: от гидроакустических станций до резаков и инструментов для инженерных работ.

Благодаря этому он может применяться для выполнения многих задач — от обследования подводных трубопроводов и буровых платформ до поисково-спасательных операций, включая работу на местах авиакатастроф и морских аварий.

В коммерческом и научном сегментах он закрывает те задачи, где человек физически работать уже не может, а автономные аппараты из-за собственной сложности для таких операций еще «не дозрели». Но последнее, уверен, лишь вопрос времени.

В подводной робототехнике нельзя просто прочитать учебник и начать проектировать: обязательно нужна практика. Ведущих центров компетенций, где ее можно получить, в России несколько.

1. ИПМТ ДВО РАН во Владивостоке. Мой «родной» институт и колыбель российских АНПА.

Именно здесь начался мой путь в профессии — от студенческих соревнований по подводной робототехнике к позиции научного сотрудника.

2. МГТУ им. Баумана. У этого университета сильнейшие компетенции по ТНПА и гидравлическим системам для подводных манипуляторов.

На факультете «Специальное машиностроение» в МГТУ есть направление «Подводные робототехнические комплексы и аппараты» (кафедра СМ-11). В работающем при кафедре студенческом КБ «Гидронавтика» можно поучаствовать в разработке малогабаритных роботов.

3. «Корабелка» (СПбГМТУ) в Санкт-Петербурге. Конструкторская школа, связанная с крупными КБ: «Малахитом», «Рубином», «Авророй».

Студенческим конструкторским бюро в «Корабелке» руководит мой хороший знакомый Михаил Чемоданов. Здесь занимаются популяризацией морской робототехники, и он живет этим делом.