(5) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

2. Глубоководные физические ограничения и проектирование системной архитектуры
 
Проектирование энергетических систем АНПА по своей сути является задачей многокритериальной оптимизации в условиях жёстких физических ограничений. В отличие от наземных электромобилей или летательных аппаратов, стремящихся к простому облегчению веса, специфика подводной среды -  особенно гидростатическое давление, линейно возрастающее с глубиной, строгие ограничения нейтральной плавучести и ограничения тепло- и массообмена в стеснённых объёмах – диктуют, что её энергетическая система должна следовать уникальному набору инженерных оценочных систем и стандартов классификации архитектур [20,21].
 
2.1. Глубоководные физические ограничения и нелинейный эффект усиления
 
Основное физическое ограничение, налагаемое глубоководной средой на энергетические системы, возникает из-за сопряжённого эффекта гидростатического давления и равновесия плавучести. Согласно фундаментальной теории параметрического анализа для проектирования подводных аппаратов, сформировавшейся в 1990 году, подводные аппараты должны строго соблюдать принцип нейтральной плавучести при проектировании, что означает, что общий вес аппарата должен равняться весу вытесняемой им морской воды.
 
Как показано на рисунке 2, добавление аккумуляторов для увеличения дальности хода АНПА запускает «порочный круг» увеличения массы, веса конструкции и сопротивления, что в итоге приводит к убывающей отдаче. Это фундаментальное физическое требование порождает критический «нелинейный эффект усиления веса». Для того чтобы выдерживать гидростатическое давление примерно 10 МПа на каждые 1000 м, энергетические системы (особенно в закрытых архитектурах) требуют тяжёлых прочных корпусов. Этот дополнительный конструкционный вес требует добавления высокоплотного синтактического пенопласта для компенсации плавучести, тем самым создавая каскадное увеличение полного водоизмещения аппарата. Это приводит к резкому увеличению площади смоченной поверхности и сопротивления движению, и в итоге энергетический выигрыш от добавленных аккумуляторов значительно нивелируется их собственным весом и дополнительным потреблением мощности на движение.
 
Рисунок 2. Схема нелинейного эффекта усиления веса в энергетических системах глубоководных автономных необитаемых подводных аппаратов.

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max