UUVs schneller, weiter und tiefer nehmen

Abbildung 1: Die Riptide-Familie der kompakten UUVs (Foto: Riptide)

Abbildung 2. Auswahl der Fahrzeugkonfigurationen (Foto: Riptide)

Abbildung 3. Ergebnisse der Fehlerprüfung des Mikro-UUV-Rumpfs. (Foto: Riptide)

Abbildung 4. Standard-3D-bedrucktes Nylon (300 m) und neues 3D-gedrucktes Titan (1500 m) 7,5-Zoll-Endstück. (Foto: Riptide)

Abbildung 5: Ein typischer alkalischer Akku für ein Mikro-UUV (Foto: Riptide)

Abbildung 6: Eine tief bewertete, maßgeschneiderte, kompakte UUV (Foto: Riptide)

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Micro-UUV-Technologie ist flexibel
Im Jahr 2015 begannen Veteranen des konventionellen UUV-Sektors, die Dynamik der Branche zu verändern, indem sie Riptide Autonomous Solutions gründeten. Riptide's erstes Produkt war das Mikro-UUV, ein neues, hoch flexibles, quelloffenes autonomes Unterwasserfahrzeug, das eine hochmoderne, kostengünstige Lösung bietet, die ideal für Entwickler von Autonomie und Verhaltensweisen, Energiesysteme, Unterwassersensoren und andere neue Nutzlasten. Das Mikro-UUV verfügt über offene Hardware- und Software-Schnittstellen, die den Benutzern eine zuverlässige und robuste Plattform zur Weiterentwicklung der Technologie bieten. Das Fahrzeugdesign ist auf hohe Effizienz mit der besten hydrodynamischen Signatur seiner Klasse optimiert. Die Basis Mikro-UUV ist 4 7/8 Zoll im Durchmesser, 42 Zoll in der Länge und wiegt 23 lbs. Das Standardsystem ist für eine Tiefe von 300 Metern ausgelegt.

Die Riptide Micro-UUV startete eine Reihe von folgenden Fahrzeugen einschließlich der 7,5 Zoll Durchmesser, 65 Pfund, 1 Mann tragbar (1 MP) UUV und der 9,375 Zoll Durchmesser, 120 Pfund, 2 Mann tragbar (2 MP) UUV. Die zugrundeliegende Technologie, die diesen Familienansatz ermöglicht, einschließlich fortgeschrittener Fertigungs- und Konstruktionstechniken, ist der Schlüssel zur Mission von Riptide, UUVs schneller, weiter und tiefer zu nehmen.

Tiefer: Advanced Manufacturing
Das Mikro-UUV wurde unter Verwendung von mehreren additiven Fertigungstechniken entwickelt. Dies ermöglichte eine kostengünstige und schnelle Bewertung zahlreicher Designüberlegungen. Diese schnelle Fertigungsfähigkeit ermöglichte es Riptide auch, Produktionsfahrzeuge schnell in Betrieb zu nehmen. Dieser Ansatz gilt nicht nur für technische Modelle. Es liefert ein Produkt, das den Drücken und der rauen Umgebung von UUV-Anwendungen standhält. Die Verwendung moderner Entwurfs- und Herstellungstechniken ermöglichte auch die Entwicklung und Lieferung zahlreicher Mikro-UUV-Konfigurationen der flexiblen Architektur von Riptide, wie in 2 gezeigt.

Als Riptide Mitte 2015 mit der Entwicklung und Entwicklung des ersten Mikro-UUV begann, wurden die Rumpfmaterialien mit Designflexibilität, einfacher Herstellung, Kosten und Materialeigenschaften wie Festigkeits-Gewichts-Verhältnis gehandelt. Sie legte eine Entwurfsschwelle für die Mikro-UUV von 200 Metern (2-3X der Tiefenbewertung des nächsten Kleinfahrzeugwettbewerbs zu der Zeit) fest. Es wurde Kohlefaser für den zylindrischen Fahrzeug-Mittelkörper gewählt, der aus einer Segelboot-Mastform hergestellt wurde, die in der Länge sehr flexibel ist. Für die hydrodynamischen Nasen und Enden wählte Riptide 3D-gedrucktes Nylon, das eine große Flexibilität bei der Formgebung bietet und Anschlüsse oder Befestigungsmerkmale für neue Sensoren bietet. Die Finite-Elemente-Modellierung (FEM) wurde mit gewünschten Sicherheitsfaktoren und zusätzlichem Konservatismus für Material- und Fertigungsvariationen durchgeführt. Durch Validierung und Fehlerprüfung (siehe Abbildung 3, auf Seite 44) wurde festgestellt, dass die ursprüngliche Bemessung die Schwellentiefenbewertung deutlich überschritt, die dann unter Beibehaltung eines angemessenen Sicherheitsfaktors auf 300 Meter für das Standardfahrzeug erhöht wurde.

Riptide nutzte die neuesten Methoden der Rapid Manufacturing und setzte bei seinen frühen Produktionslieferungen auf 3D-Druck oder additive Fertigung. Riptide hat vor kurzem Spritzgussformen für alle 3D-gedruckten Teile für das Mikro-UUV mit einem Fertigungszuschuss von Massachusetts beschafft, behält aber die Fähigkeit, jede Komponente für Designflexibilität zu drucken. Im Rahmen eines DARPA-Phase-II-SBIR-Verfahrens stellte Riptide ein tieferes UUV (7,5 "-Durchmesser) mit einem Konstruktionsziel von 1.500 m her. Die erste Dichtheitsprüfung und Druckprüfung der Rumpfabschnitte wurde erfolgreich abgeschlossen und das erste von mehreren Fahrzeugen wird einer ersten Prüfung unterzogen. Fig. 4 zeigt den Standard-Heckabschnitt gegenüber dem Titan-3D-Heckabschnitt des ersten Artikels. Das Volumen wurde aus Kostengründen reduziert. Mit der Kombination aus 3-D-Druck und traditionellen Formen sowie neuen Designs erfüllt Riptide sein Versprechen, kompakte UUVs tiefer zu fassen.

Weiter: Energie- und Energiemanagement
Die Mikro-UUV wurde für niedrige Logistik entwickelt. Die Standardkonfiguration verwendet 144 Alkaline-AA-Batterien, genau wie eine Fernsehfernbedienung, jedoch in größerer Menge. Sie können innerhalb von Minuten ausgetauscht werden. Die Verwendung von Alkalibatterien vermeidet viele der Beschränkungen und Einschränkungen hinsichtlich des Versands, der Sicherheit und der staatlichen Zertifizierung von Lithiumbatterien, während gleichzeitig genügend Energie bereitgestellt wird, um diese effizienten Fahrzeuge für einen Tag oder mehr in Abhängigkeit von Betriebsgeschwindigkeit und Nutzlastleistung zu betreiben. Zusätzlich zur Flexibilität beim Versand wird der Einsatz mit einem Fahrzeug von solch geringer Größe erheblich vereinfacht. Es besteht keine Notwendigkeit, sich auf große, teure Oberflächenbehälter zu verlassen. Operationen vom Dock, von Schlauchbooten und sogar von Paddelboards sind möglich.

Insgesamt lieferten 144 alkalische AA-Batterien das ursprüngliche Mikro-UUV von ungefähr 300 Wh, das bei keiner Nutzlast mit Spitzenwirkungsgrad läuft, was dem Mikro-UUV eine Reichweite von etwas mehr als 100 Seemeilen in 33 Stunden verleiht. Dies nahm eine Betriebsgeschwindigkeit von 3,0 Knoten an. Bei 0,5 Knoten könnte dieselbe Fahrzeugkonfiguration drei Tage lang laufen.

Anfang 2018 kündigte Riptide eine fast vollständige Neugestaltung der internen Elektronik an, was zu einem neuen MKII μUUV führte. Dies führte zu einer fast 60% igen Reduktion der Hotellast auf 3,8 Watt gegenüber den Boards der ersten Generation. Außerdem wurde die interne Drahtanzahl im Fahrzeug um 80% reduziert, was das Fahrzeug weiter vereinfachte. Diese traditionelle batteriebasierte Leistung ist für viele Anwendungen mehr als ausreichend. Aber es kann verbessert werden. Riptide gibt sein Lithium-Akkupack heraus, das die Energiekapazität (und die Ausdauer) des Standardfahrzeugs verdoppelt. Darüber hinaus wurde sein Standard-Alkali-Batterie-Stack entwickelt, um mehrere Batterie-Chemikalien aufzunehmen, einschließlich Lithium-Primär- und Nickel-Metallhydrid-Zellen. Mit Lithium-Primärzellen kann das Standard-Mikro-UUV über eine Woche lang mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden.

Durch eine exklusive Partnerschaft mit L-3-Open Water Power wird die Mikro-UUV die Verwendung von Aluminium-Meerwasserbatterien vorantreiben. Diese neue Technologie nutzt die Energie einer chemischen Reaktion zwischen Meerwasser und speziell entwickelten, hochreinen Aluminiumlegierungen. Das Ergebnis ist eine inhärent sichere Energiespeicherlösung mit einer dramatischen Erhöhung der Energiedichte. Diese Technologie wird 2018 getestet und voraussichtlich 2019 kommerziell auf Riptide UUVs erhältlich sein.

Durch die Optimierung der Elektronik und neue Energietechnologien nimmt Riptide kompakte UUVs weiter als je zuvor.

Schneller: Schnellere Lieferung benutzerorientierter UUVs
Schnellere UUVs können Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge vorschlagen. Während das stimmt, kann die Mikro-UUV 10 Knoten überschreiten, eine noch wichtigere Maßnahme ist die Lieferzeit. Die offene Architektur und das modulare Design der Riptide UUVs gewährleisten, dass kundenorientierte Einheiten schnell konfiguriert und geliefert werden können. Die ursprüngliche Mikro-UUV erfüllte dieses Versprechen mit Dutzenden von Konfigurationen, die im ersten Produktionsjahr gebaut wurden.

Seitdem die Produktlinien erweitert wurden, hat die Flexibilität und die schnelle Lieferung andere unverwechselbare Konfigurationen ermöglicht.

Ein Beispiel für ein schnelleres und tieferes UUV ist das für DARPA entwickelte Tieffahrzeug.

Fallstudie: Deep Acoustics UUV
Im Rahmen eines SBIR-Programms hat Riptide seine 1-MP-UUV modifiziert, um akustische Telemetrieforschungsprogramme zu unterstützen.

Das tiefe UUV ist für 1.500 Meter Tiefe ausgelegt, aber immer noch nur 7,5 Zoll im Durchmesser. Seine Nutzlasten umfassen CTD, akustisches Modem und ein geschlepptes akustisches Empfängerfeld. Mit der branchenweit führenden Hotellast mit niedriger Leistung kann dieses System mehr als 48 Stunden Ausdauer für Feldtests liefern. Der Zweck des Fahrzeugs ist es, akustische Unterwasserkommunikation mit großer Reichweite und mittlerer Datenrate für ein missionskritisches Projekt zu demonstrieren. Um dies zu erreichen, musste der Client lange im tiefen Soundkanal arbeiten. Diese Gewässer, rund 1.000 Meter tief, sind normalerweise nicht in Reichweite von kleineren, erschwinglicheren UUVs. Die Open-Source-Software und das flexible mechanische Design von Riptide ermöglichten die schnelle Entwicklung dieser benutzerdefinierten UUV und stellten sicher, dass das Forschungsprogramm wie geplant ausgeführt werden konnte. Abbildung 6 zeigt dieses Fahrzeug im Auslieferungszustand.

Fallstudie: Offene Architektur
Zusätzlich zur Hardware-Vielseitigkeit ermöglicht der Riptide-Ansatz auch Software-Flexibilität. In Zusammenarbeit mit Draper hat Riptide zugestimmt, Maritime Open Architecture Autonomy (MOAA) für alle Riptide-UUVs zu implementieren, die der US-Regierung übergeben werden. Draper entwickelte MOAA für die US-Regierung. MOAA-Fähigkeiten wurden auf See in mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugklassen (AUV) demonstriert, die für verschiedene Unterwassermissionsgebiete geeignet sind. Diese Arbeit stellt eine bedeutende Investition, Millionen von Dollars und jahrzehntelange Forschung und Entwicklung dar.

Draper beantragte und erhielt vom Naval Undersea Warfare Center (NUWC) die Genehmigung, MOAA als Option für alle Riptide-UUVs anzubieten, die an Fahrzeuge der US-Regierung oder der Regierung verkauft wurden. Dies ist eine kostenlose Option für alle Riptide UUVs für berechtigte Kunden. Die Verfügbarkeit von MOAA auf Riptide-UUVs ist eine direkte Folge ihrer flexiblen und offenen Softwarearchitektur. MOAA erhöht den Wert für Regierungs-UUV-Kunden und Riptide-UUVs mit MOAA werden im zweiten Quartal 2018 zur Auslieferung verfügbar sein.

Schneller weiter
Der Markt für unbemannte Unterwasserfahrzeuge erlebt derzeit eine rasante Entwicklung. Legacy-Anbieter wurden durch große Verteidigungsprimen erworben, um steigende Aufzeichnungsprogramme zu unterstützen. Die Eintrittsbarrieren wurden durch neue Fertigungstechniken, modernste Elektronik und Open-Source-Softwarearchitekturen gesenkt. Riptide hat alle diese Trends genutzt, um eine flexible Familie von Lösungen zu liefern. Der Technologieansatz hat eine schnellere Lieferung von UUVs ermöglicht, die weiter reichen und tiefer tauchen können als jemals zuvor in kompakten Fahrzeugen möglich war. Mit fast 100 Riptide-Fahrzeugen, die bisher ausgeliefert wurden, hat der Markt deutlich gezeigt, dass er sich ebenfalls schneller bewegt.

(Wie in der Juni 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )