Tornando os UUVs mais rápidos, mais e mais

Figura 1: A Família Riptide de UUVs Compactos (Foto: Riptide)

Figura 2. Seleção de Configurações do Veículo (Foto: Riptide)

Figura 3. Resultados do Teste de Falha do Casco Micro-UUV. (Foto: Riptide)

Figura 4. Nylon impresso em 3D padrão (300 m) e nova seção de cauda de 7,5 ”em titânio impresso em 3D (1500 m). (Foto: Riptide)

Figura 5: Uma bateria alcalina típica para um micro-UUV (foto: Riptide)

Figura 6: Um UUV compacto, personalizado e com classificação profunda (Foto: Riptide)

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A tecnologia Micro-UUV é flexível
Em 2015, os veteranos do setor convencional da UUV decidiram mudar a dinâmica da indústria, fundando a Riptide Autonomous Solutions. O primeiro produto da Riptide foi o micro-UUV, um novo veículo submarino autônomo de código aberto altamente flexível que fornece uma solução de última geração, de baixo custo, ideal para desenvolvedores de autonomia e comportamentos, sistemas de energia, sensores submarinos e outras novas cargas. O micro-UUV apresenta interfaces abertas de hardware e software, oferecendo aos usuários uma plataforma confiável e robusta para o avanço do desenvolvimento de tecnologia. O design do veículo é otimizado para alta eficiência com a melhor assinatura hidrodinâmica de sua classe. A base micro-UUV tem 4 7/8 polegadas de diâmetro, 42 polegadas de comprimento e pesa 23 lbs. O sistema padrão é classificado para uma profundidade de 300 metros.

O micro-UUV Riptide lançou uma linha de veículos seguintes incluindo o UUV de 7,5 polegadas de diâmetro, 65 libras, 1 homem portátil (1 MP) e o UUV de 9,375 polegadas de diâmetro, 120 libras, 2 portáteis (2 MP). A tecnologia subjacente que permite essa abordagem familiar, incluindo técnicas avançadas de fabricação e engenharia, é a chave para a missão da Riptide de levar os UUVs mais rapidamente, mais longe e mais profundamente.

Mais: Fabricação Avançada
O micro-UUV foi desenvolvido usando várias técnicas de manufatura aditiva. Isso possibilitou uma avaliação rápida e acessível de inúmeras considerações de projeto. Esta capacidade de fabricação rápida também permitiu à Riptide colocar rapidamente veículos de produção em campo. Essa abordagem não é apenas para modelos de engenharia. Ele está entregando produtos capazes de suportar as pressões e o ambiente hostil das operações do UUV. O uso de técnicas modernas de projeto e fabricação também permitiu o desenvolvimento e entrega de numerosas configurações micro-UUV da arquitetura flexível da Riptide, como mostrado na Figura 2.

Quando a Riptide iniciou o esforço de projeto e desenvolvimento de seu primeiro micro-UUV em meados de 2015, ele comercializou materiais de casca para flexibilidade de design, facilidade de fabricação, custo e propriedades do material, como a relação entre resistência e peso. Ele estabeleceu um limite de projeto para o micro-UUV de 200 metros (2-3X a classificação de profundidade da competição de veículo pequeno mais próxima na época). Ele selecionou a fibra de carbono para o meio do corpo do veículo cilíndrico, fabricado a partir de um molde de mastro de veleiro de comprimento altamente flexível. Para os narizes e caudas hidrodinâmicos, a Riptide selecionou o nylon impresso em 3D, proporcionando ampla flexibilidade para moldar e adicionar portas ou recursos de montagem para novos sensores. A modelagem de elementos finitos (FEM) foi realizada com os fatores desejados de segurança e conservadorismo adicional embutido para variações de material e fabricação. Por meio de testes de validação e falha (mostrados na Figura 3, na página 44), o projeto inicial foi determinado para exceder a classificação da profundidade limiar, que foi então aumentada para 300 metros para o veículo padrão, mantendo um fator de segurança adequado.

A Riptide utilizou os mais recentes métodos de fabricação rápida, confiando fortemente na impressão 3D ou fabricação aditiva em suas primeiras entregas de produção. A Riptide adquiriu recentemente moldes de resina de injeção para todas as peças impressas em 3D para o micro-UUV sob uma concessão de fabricação de Massachusetts, mas mantém a capacidade de imprimir em 3D qualquer componente para flexibilidade de design. Sob um SBIR da Fase II do DARPA, a Riptide fabricou um UUV de maior profundidade (7,5 ”de diâmetro) com um objetivo de projeto de 1.500m. O teste de vedação inicial e o teste de pressão das seções do casco foram concluídos com sucesso e o primeiro de vários veículos está sendo submetido ao primeiro teste do artigo. A Figura 4 mostra a seção de cauda padrão versus a seção de cauda impressa em 3D em titânio do primeiro artigo. O volume foi reduzido para fins de custo. Com a combinação de impressão 3-D e moldes tradicionais, bem como projetos inovadores, a Riptide está cumprindo sua promessa de levar os UUVs compactos mais fundo.

Além disso: Gerenciamento de energia e energia
O micro-UUV foi projetado para baixa logística. A configuração padrão usa 144 pilhas AA alcalinas, assim como um controle remoto de televisão, mas em maior quantidade. Eles podem ser trocados em minutos. O uso de baterias alcalinas evita muitas das limitações e restrições com o transporte, segurança e certificação governamental de baterias de lítio, enquanto fornece energia suficiente para operar esses veículos eficientes por um dia ou mais, dependendo da velocidade operacional e da capacidade de carga útil. Além da flexibilidade no envio, a implementação é dramaticamente simplificada com um veículo de tamanho tão pequeno. Não há necessidade de confiar em vasos de superfície grandes e caros. Operações da doca, de botes e até mesmo de paddleboards são possíveis.

No total, 144 baterias AA alcalinas forneceram ao micro-UUV original aproximadamente 300 Wh, que, sem carga útil, operando com a máxima eficiência, dão ao micro-UUV um alcance de pouco mais de 100 milhas náuticas em 33 horas. Isto presumiu uma velocidade operacional de 3,0 nós. A 0,5 nós, a mesma configuração do veículo poderia durar três dias.

No início de 2018, a Riptide anunciou uma reformulação quase total da eletrônica interna, resultando em um novo MKII µUUV. Isso ofereceu uma redução de quase 60% no poder de carga do hotel para 3,8 Watts de suas pranchas de primeira geração. Também reduziu a contagem de fios internos no veículo em 80%, simplificando ainda mais o veículo. Este desempenho tradicional baseado em bateria é mais do que adequado para muitas aplicações. Mas isso pode ser melhorado. A Riptide está lançando sua bateria recarregável de lítio que duplica a capacidade de energia (e resistência) do veículo padrão. Além disso, sua pilha de pilhas alcalinas padrão foi projetada para acomodar várias químicas de baterias, incluindo células de lítio primário e níquel-metal-hidreto. Com as células primárias de lítio, o micro-UUV padrão pode operar por mais de uma semana em velocidade.

Através de uma parceria exclusiva com a L-3-Open Water Power, a micro-UUV será pioneira no uso de baterias de água do mar de alumínio. Esta nova tecnologia aproveita a energia de uma reação química entre a água do mar e ligas de alumínio especialmente desenvolvidas e de alta pureza. O resultado é uma solução de armazenamento de energia inerentemente segura, com um aumento dramático na densidade de energia. Esta tecnologia será testada em 2018 e está prevista para estar disponível comercialmente em UUVs Riptide em 2019.

Por meio da otimização eletrônica e das novas tecnologias de energia, a Riptide está levando os UUVs compactos mais longe do que nunca.

Mais rápido: entrega mais rápida de UUVs focados no usuário
UUVs mais rápidos podem sugerir veículos de alta velocidade. Embora isso seja verdade, o micro-UUV pode exceder 10 nós, uma medida ainda mais importante é o tempo de entrega. A arquitetura aberta e o design modular das UUVs Riptide garantem que as unidades com foco no cliente possam ser rapidamente configuradas e entregues. O micro-UUV original cumpriu essa promessa com dezenas de configurações construídas no primeiro ano de produção.

Desde então, à medida que as linhas de produtos se expandiram, a flexibilidade e a entrega rápida permitiram outras configurações distintas.

Um exemplo de um UUV mais rápido e mais profundo é o veículo profundo desenvolvido para a DARPA.

Estudo de caso: Acústica profunda UUV
Sob um programa SBIR, a Riptide modificou sua UUV de 1 MP para apoiar programas de pesquisa de telemetria acústica.

O UUV profundo é classificado para 1.500 metros de profundidade, mas ainda tem apenas 7,5 polegadas de diâmetro. Suas cargas incluem CTD, modem acústico e uma matriz de receptores acústicos rebocados. Com a carga de hotel de baixa potência líder na indústria, este sistema pode oferecer mais de 48 horas de resistência para testes em campo. O objetivo do veículo é demonstrar comunicações subaquáticas acústicas de longo alcance e média taxa de dados para um projeto de missão crítica. Para conseguir isso, o cliente precisava operar por longos períodos no canal de som profundo. Essas águas, com cerca de 1.000 metros de profundidade, estão normalmente fora do alcance de UUVs menores e mais acessíveis. O software de código aberto da Riptide e o design mecânico flexível permitiram o rápido desenvolvimento deste UUV personalizado e garantiram que o programa de pesquisa pudesse ser executado como planejado. A figura 6 mostra este veículo como entregue.

Estudo de caso: arquitetura aberta
Além da versatilidade de hardware, a abordagem Riptide também permite a flexibilidade do software. Trabalhando com a Draper, a Riptide concordou em implementar a Autonomia de Arquitetura Aberta Marítima (MOAA) em todas as UUVs de Riptide entregues ao governo dos EUA. Draper desenvolveu o MOAA para o governo dos EUA. As capacidades de MOAA foram demonstradas no mar em várias classes de veículos autônomos submarinos (AUV) com aplicação em várias áreas de missão submarina. Este trabalho representa um investimento significativo, milhões de dólares e décadas de pesquisa e desenvolvimento.

Draper solicitou e recebeu aprovação do Naval Undersea Warfare Center (NUWC) para fornecer MOAA como uma opção em todas as UUVs de Riptide vendidas para o governo dos EUA ou para veículos propostos pelo governo. Esta será uma opção gratuita em todos os UUVs de Riptide para clientes elegíveis. A disponibilidade de MOAA em UUVs de Riptide é um resultado direto de sua arquitetura de software flexível e aberta. O MOAA agrega valor significativo para os clientes do Governo UUV e o Riptide UUVs com o MOAA estará disponível para entrega no segundo trimestre de 2018.

Mais longe mais fundo
O mercado de veículos submarinos não tripulados está passando por um período de rápida evolução. Provedores legados foram adquiridos por grandes primes de defesa, para suportar programas crescentes de registro. Entretanto, as barreiras à entrada foram reduzidas através de novas técnicas de fabricação, eletrônica de última geração e arquiteturas de software de código aberto. A Riptide alavancou todas essas tendências para fornecer uma família flexível de soluções. A abordagem tecnológica garantiu uma entrega mais rápida de UUVs que podem ir além, ao mesmo tempo em que mergulham mais fundo do que nunca antes em veículos compactos. Com quase 100 veículos da Riptide entregues até o momento, o mercado indicou claramente que está se movendo mais rápido também.

(Conforme publicado na edição de junho de 2018 do Marine Technology Reporter )