Использование подводных аппаратов для исследования Арктики

Наибольший объем исследований в ледовых условиях Арктики и Антарктики с использованием АНПА выполнен по программе «AUTOSUB Under Ice» (AUI) Совета по исследованию природной окружающей среды NERC (Великобритания). Цель программы – исследование физических и биологических процессов под полярными льдами. С момента обсуждения идеи применения АНПА в полярных исследованиях (1989 г.) и по 2007 г. инженерами и океанографами из национального океанографического центра в Саутхемтоне NOCS было разработано и изготовлено четыре аппарата класса AUTOSUB (AUTOnomous SUBmersible): AUTOSUB 1 (1991); AUTOSUB 2 (2000); AUTOSUB 3 (2004); AUTOSUB 6000 (2007).

Первая 18-месячная научная программа «AUTOSUB Science Missions» с использованием AUTOSUB 1 началась в 1999 г. Частью этой программы было проведение первых экспериментов в полярных условиях в 2001 г. Базируясь на НИС «James Clark Ross»AUTOSUB 1 совершил шесть выходов у кромки льда и подо льдом моря Веделя, в Антарктике. Исследовалось распределение криля и зоопланктона с помощью Simrad EK500 исследовательского эхолота (массой 105 кг) с частотами приемно-излучающих антенн 38 и 120 кГц. Удалось запустить аппарат под айсберг и измерить с помощью 4-лучевого ADCP его осадку (свыше 170 м). Была определена возможность измерения скорости аппарата относительно льда с помощью ADCP. Столкновение в одном из выходов AUTO-SUB 1 с небольшим айсбергом и повреждение носовой части аппарата произошли из-за отсутствия надежной системы обнаружения препятствий. Ложные срабатывания носового эхолота от скопления криля потребовали разработки новых алгоритмов обработки сигналов. Одним из выводов экспедиции было признание необходимости хранения и приготовления аппарата не на открытой палубе, а в теплом помещении. Для этих целей в будущих экспедициях предлагалось использовать два оборудованных и отапливаемых 20-футовых судовых контейнера. В общей сложности AUTOSUB 1 прошел подо льдом свыше 100 км на глубине 80–120 м.

Пятилетняя программа «AUI» стоимостью 9 млн долл. США была запущена в 2001 г. и ориентировалась на использование аппарата AUTOSUB 2. После его утраты подо льдом в 2004 г. работы были продолжены с аппаратом AUTOSUB 3 аналогичной конструкции.

Объективно сложные полярные условия функционирования – длительное пребывание подо льдом без возможности корректировки траектории по GPS, наличие сужающихся водных каверн под ледниковым щитом в Антарктике с неизвестной толщиной и профилем льда, изменяющаяся плотность воды не только по глубине, но и по площади, быстро меняющаяся ледовая обстановка в районе спуска и подъема, малые размеры полыньи или проруби – предъявляют повышенные требования к точности и надежности систем навигации и управления аппаратами ледового типа.

Круг научных исследований, проведенных AUTOSUB 2 и AUTOSUB 3 в 2002–2005 гг., включал наблюдения льда, океана и морского дна. Для этих целей на аппараты устанавливалось соответствующее оборудование. Гляциологические измерения и геофизические исследования морского дна осуществлялись многолучевым эхолотом KonsbergSimrad EM 2000 и донным профилографом Edge Tech. Океанографические данные собирались с помощью (150 и 300 кГц) доплеровских акустических профилографов течений и двух пар датчиков температуры и электропроводности Seabird 911 CTD.

При выполнении миссии 382 в феврале 2004 г. в Восточной Антарктике AUTOSUB2 совершил уникальное погружение в водную каверну под ледниковым щитом Fimbul. Многолучевой эхолот был направлен вверх. С его помощью впервые были получены акустические 3D-изображения нижней поверхности ледникового щита шириной 150 м и протяженностью 18 км. Одновременно, по всему пути движения аппарата, с помощью двух ADCP и датчиков CTD измерялись скорость и направление течений выше и ниже траектории движения, температура и соленость воды. Ниже представлены: траектория движения аппарата (рис. 10,а) протяженностью 60 км (56 км подольдом), данные океанографических измерений (рис. 10,б,в) и фрагмент изображения нижней кромки льда на 18.9–21.5- километровом отрезке обратного пути (рис. 10,г).

Опыт работы в полярных условиях показал целесообразность совместного использования аппаратов большого и малого водоизмещения.

Рисунок 10 - Траектория движения AUTОSUB 2     данные измерений под нижней кромкой ледового шельфа     Fimbul в Антарктике.

Интерес к полярным исследованиям с использованием АНПА проявляют Германия, Дания, Норвегия, Япония – страны, обладающие аппаратами ледового класса: DeepC, MARIDAN,SeaOTTER, HUGIN 3000 и 4500, «Ura-shima». В этих аппаратах применены самые передовые технологии в области энергетики: электрохимические генераторы с топливными элементами Н₂/О₂ и твердо-полимерными мембранами (электролитом), а также батареи полу топливных элементов Al/H₂O₂, обеспечивающие автономность более двух суток.

Интерес Российской Федерации в этой области определяется рядом решающих факторов, обширностью богатых сырьевыми (в первую очередь энергетическими) ресурсами территорий северных морей, покрытых льдом;

- слабой изученностью этих территорий;

- необходимостью научного и практического подтверждения прав Российской Федерации на расширение своей экономической зоны в северных широтах;

- необходимостью гидрографического обеспечения для расширения используемой зоны Северного морского пути и его надежного функционирования;

- перспективностью и целесообразностью коммерческого освоения арктических морских территорий, их охраны и рядом других факторов.

Значительную помощь в решении проблем, сопровождающих эти факторы, может оказать использование АНПА. Однако в основных документах и многих целевых программах, определяющих политику Российской Федерации по освоению и использованию Арктики, нет даже упоминания об АНПА.

Уместно отметить, что первые идеи в нашей стране и начальные конструкторские проработки АНПА для ледовых условий относятся к 1985 г. При финансовой поддержке Главного управления навигации и океанографии ВМФ СССР, Институтом проблем морских технологий ДВО РАН был разработан макетный образец глубоководного АНПА, впоследствии названного «Тифлонус». По первоначальному замыслу он предназначался для проведения батиметрической съемки, гравиметрических измерений, измерений фазовой структуры акустических полей и флуктуаций течений как в открытом океане, так и подо льдом Арктики. Конструкция и форма аппарата определялись его назначением и обеспечивали достижение наименьшего сопротивления и высокой точности стабилизации в различных режимах движения (рис. 11).

Для коррекции выполняемой программы использовались команды телеуправления по гидроакустическому каналу. Аппарат был оснащен промерным эхолотом, гидролокатором бокового обзора, трехкомпонентным магнитометром, датчиками температуры и электропроводности. Имелась возможность установки гравиметра, фото- или видеокамеры. Штатный комплект серебряно-цинковых аккумуляторов мог обеспечить удаление аппарата от базы на 100 км.

Поскольку планировалась эксплуатация аппарата с ледовой базы, были проведены исследования, конструкторские проработки и натурные эксперименты, цель которых состояла в проверке возможности осуществления подледной навигации и возвращения аппарата по сигналам акустического и электромагнитного маяков. Из-за отсутствия дальнейшего финансирования и прекращения работ в этом направлении аппарат был модифицирован для выполнения других целей.

Рисунок 11 – АНПА «Тифлонус»: компновка (а), общий вид (б)

Таким образом, имеющийся более чем 30-летний мировой опыт использования АНПА для работы в ледовом окружении, показал их уникальные возможности. Возрастающий интерес к освоению арктического шельфа, научная и экономическая целесообразность диктуют необходимость для Российской Федерации иметь аппараты ледового класса.