Analysis of the propulsion characteristics of an autonomous inspection-class unmanned surface vehicle

Abstract

В работе рассматриваются варианты улучшения ходовых характеристик малого автономного необитаемого надводного аппарата осмотрового класса. Аппарат был разработан и построен в ФГБОУ ВО СПбГМТУ. В процессе опытной эксплуатации аппарата были обнаружены проектные недостатки: аппарат «тяжело» проходил по заданному маршруту в условиях ветра и волнения. Для анализа динамики аппарата было произведено экспериментальное и численное исследования, по результатам которых сформированы рекомендации по выбору формы корпуса, состава и расположения движительно-рулевого комплекса и компоновки электроэнергетической системы аппарата. В качестве рекомендуемой формы корпуса были выбраны обводы с круглой скулой и туннельным типом кормовой оконечности, позволяющие не только снизить полное сопротивление на рассматриваемых скоростях хода в сравнении с другими вариантами обводов, но и защитить движительных комплекс от внешних воздействий во время эксплуатации. При анализе работы движительной установки было обнаружено, что установленные электродвижители работают на нижнем пределе своих возможностей. Для достижения желаемых ходовых показателей необходимо увеличивать напряжение электроэнергетической системы. Для анализа применимости предлагаемых мер были выполнены расчеты в программе численного моделирования гидродинамики OpenFOAM и проведены экспериментальные исследования в опытовом бассейне. Согласно полученным результатам предложенные варианты модернизации можно считать успешными и рекомендуемыми при дальнейшей разработке и модернизации аппарата. The paper considers options for improving the propulsion characteristics of a small autonomous inspection class unmanned surface vehicle (USV). The USV was designed and built in SMTU in St. Petersburg, Russia. During the lake and river trials of the USV, design defects were discovered: the device passed hard along a given route in wind and waves conditions. The experimental and numerical studies carry out to analyze the dynamics of the USV. Based on the results recommendations form for choosing the hull shape, the composition and location of the propulsion-steering complex and the layout of the electric power system. The contours with a round chine and a tunnel type of aft end choose as the recommended hull shape, which allows not only to reduce the total resistance at the considered travel speeds in comparison with other hulls, but also to protect propellers from external influences during operation. It founds that the installed electric motors operate at the lower limit of their capabilities. To achieve the desired running performance, it is necessary to increase the voltage of the electric power system. For analyse of applicability of the proposed measures the calculations perform in the CFD program OpenFOAM and experimental studies carry out in the towing tank. According to the results obtained the proposed modernization options can be considered successful and recommended for further development of the device.