Добыча железомарганцевых конкреций подо льдом

На дне Мирового океана запасы железомарганцевых конкреций составляют не менее 300 млрд. тонн. Запасы трёх океанов составляют около 200 млрд. тонн: в Атлантическом океане содержится 45 млрд тонн, в Тихом — 112 млрд тонн, в Индийском океане — 41 млрд тонн. Постоянные процессы образования конкреций в океанах значительно увеличивают запасы полезных ископаемых. Это возобновляемый ресурс. В конкрециях имеются примеси кобальта, циркония и других редкоземельных металлов. Величина годового накопления марганца в конкрециях Мирового океана в 3 раза превосходит его годовое потребление, кобальта  в 4,5 раза, циркония примерно в 5 раз.

Геологические изыскания в Арктике показывают огромные залежи железомарганцевых конкреций (ЖМК) на дне Северного Ледовитого океана в зоне ответственности Российской федерации. Однако технология добычи ЖМК подо льдом в настоящее время остаётся неразработанной.

В настоящей статье предложена технология добычи ЖМК подо льдом в Арктике (и не только в Арктике), с применением подводного сухогруза ледового класса. Суть технологии представлена на рис. 1.

Рассмотрим возможный вариант технологии добычи железомарганцевых конкреций (ЖМК) на дне океана подо льдом. Технология добычи заключается в следующем.

Подводный сухогруз ледового класса 1 (ПСЛК) производит 3D построение рельефа местности в районе предстоящих подводных работ. Для построения рельефа ПСЛК использует МЛЭГ (многолучевой эхолот — гидролокатор). Затем ПСЛК выбирает ровный участок и ложится на грунт. В пенале сухогруза находится подводная самоходная баржа 3. В трюме самоходной баржи доставляются: зарядная станция 6, роботы-бульдозеры 8, роботы вагоны 9 и уборочные роботы-комбайны 10. Каждый робот снабжён НПА (необитаемым подводным аппаратом) зарядки аккумуляторов 7, который гибким кабелем соединён с роботом. НПА имеет бесконтактный трансформаторный разъём (на ферритовых горшках) для подключения к зарядной станции. Трансформаторный разъём может быть выполнен на повышенной частоте (400 Гц), чтобы иметь малые габариты и вес.

ПСЛК поднимает носовую оконечность 4 и опускает крышку-аппарель 12. Все роботы сходят по аппарели на грунт и движутся к месту добычи ЖМК.

А как же управляют подводными роботами?

Это самый сложный вопрос. Попробуем в нём разобраться.

В солёной морской воде радиоволны не распространяются (затухают), зато хорошо распространяется звук (скорость 1500 м/с). На частотах 25–35 кГц звук может передаваться на расстояние 4–6 км с небольшим затуханием. Этого вполне достаточно, чтобы передавать команды телеуправления роботам и получать сигналы от них.

Но для управления роботами нужно знать их точное местоположение, ориентацию в пространстве, положение рабочих органов и видеть, что делается вокруг.

Вот здесь-то и возникают главные трудности.

Точное местоположение робота можно определить по системе подводной навигации. Это несколько гидроакустических маяков расставленных в районе подводных работ. Каждый робот периодически запрашивает расстояние до маяков и получает ответный сигнал. Время задержки ответного импульса позволяет определить расстояние до маяка с точностью до метра. Положение маяков обозначено на электронной карте оператора. 3–4 маяка позволяют определить точку нахождения подводного робота. Маяки может расставить (и снять) автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) связи 5. Необходимое их количество находится в пенале 4 носового обтекателя ПСЛК. Там их погружные аккумуляторы подзаряжаются от сети ПСЛК через трансформаторные разъёмы.

Информацию об ориентации робота в пространстве и положении его рабочих органов можно получить от инерциальной системы роботов и датчиков их рабочих органов. Всё это можно передать оператору в центральный пост ПСЛК по гидроакустическому каналу связи.

Сложнее получить видеоинформацию с места работ. Для этого необходимо использовать очень высокие звуковые частоты (мегагерцы), которые в воде быстро затухают (в нескольких метрах). Таким образом, телекамеры, установленные на роботах, будут совершенно бесполезны.

Но ведь управлять роботом, не видя рабочего поля и рабочих органов невозможно!

Верно. Но выход есть. Можно передавать информацию по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). По ним видеосигналы распространяются на десятки километров с очень малым затуханием. ВОЛС — это ниточка оптоволокна диаметром 0,125 мм. Её прочность на разрыв составляет около 5,8 кг. Как видим, оптоволокно имеет невысокую прочность и это надо учитывать при эксплуатации ВОЛС.

 

Проложить линию оптоволокна от ПСЛК до робота может АНПА 5. Управляют АНПА операторы из центрального поста ПСЛК. При этом важно чтобы траектории АНПА не пересекались при движении к роботам, их ВОЛС не провисали и не ложились на грунт, где их может переехать другой робот или вагон с ЖМК. Поэтому ВОЛС должна быть поднята как можно выше и находиться в постоянном небольшом натяжении. АНПА отслеживает натяжение и осуществляет подмотку катушки с ВОЛС в случае ослабления натяжения. Это особенно необходимо при возвращении АНПА на подводную базу. Траектории всех работающих АНПА должны отображаться на экране операторов разным цветом и храниться в памяти бортового компьютера базы.

При подходе к роботу АНПА передаёт его изображение на базу (подсвечивает прожектором или лазером), и оператор сажает АНПА на предназначенное для него место. Там АНПА фиксируется и подключается к телекамерам робота. Одновременно трансформаторный разъём АНПА подключается к бортсети робота и производится подзарядка его аккумуляторов.

А зачем нужен гидроакустический канал телеуправления роботами, если можно управлять ими по ВОЛС?

Дело в том, что предварительно (до подключения к ВОЛС) нужно знать точное местоположение робота, местоположение АНПА, и готовность робота принять АНПА. Всё это требует гидроакустического канала телеуправления роботом. Это же и аварийный канал связи с АНПА при обрыве ВОЛС, позволяющий вернуть АНПА на ПСЛК.

При относительно ровном рельефе дна добычу ЖМК ведёт робот комбайн 10 (на подобие снегоуборочного). За ним следует вагон 9 на гусеничном ходу. ЖМК по транспортёру поднимаются и ссыпаются в вагон. Для очистки ЖМК от ила и других донных отложений, над транспортёром установлен брандспойт, который обмывает ЖМК сильной струёй воды.

Если рельеф местности пересечённый, с наклонными участками, то бульдозер 8 сгребает ЖМК в ряды, борозды туда, где их может подобрать комбайн 10 и погрузить в робот-вагон 9.

А как же поднять добытые ЖМК на поверхность?

Для этого вагоны 9 заходят по слипу 12 в самоходную баржу 3 (рис.1). Но перед этим ПСЛК убирает в баржу зарядную станцию 6. Её силовой кабель сматывается на вьюшку 11. Более детальная конструкция ПСЛК представлена на рис. 2.

Зарядная станция 18 (рис. 2) соединена с вьюшкой 20 гибким силовым кабелем повышенного напряжения, чтобы уменьшить силу тока. В зарядной станции напряжение понижается в трансформаторных разъёмах, от которых питаются НПА роботов. Силовой кабель вьюшки 20 подключён к бортсети баржи через вращающийся трансформаторный разъём 21. Это две половинки ферритовых чашек с обмотками. Одна чашка (на вьюшке) может вращаться относительно другой (на щеке) практически без потери энергии (к.п.д. около 95–96%). Баржа питается электроэнергией от ПСЛК через трансформаторный разъём 22.

После того как все роботы погружены в грузовой отсек баржи 14 ПСЛК закрывает носовую оконечность 4, частично осушает уравнительную цистерну 12 и дифферентно-уравнительную цистерну 8, получая небольшую положительную плавучесть, даёт ход и всплывает на глубину 50–150 м. На этой глубине ПСЛК движется подо льдом в пункт назначения.

В случае малых глубин района плавания (менее 100м) ПСЛК осушает уравнительную цистерну 12 и его рубка упирается в ледовый панцирь. ПСЛК продолжает движение, при этом его рубка своей верхней частью скользит на ленточных пружинах — амортизаторах 7 (лыжах) по нижней поверхности льда, срезая (взламывая) прочным козырьком ледореза 14 неровности (подлёдное положение ПСЛК).

При необходимости движения в надводном положении (наши северные моря мелководны), ПСЛК продувает среднюю группу балластных цистерн, рубка ПСЛК взламывает лёд и оказывается на поверхности. Теперь можно выходить на связь, и уточнять место по КНС (космической навигационной системе ГЛОНАС или GPS). На ходу ПСЛК ледорез 6 разрезает лёд, поднимая его вверх. Образуется довольно узкий канал шириной с рубку. Это может быть необходимо при походе мелководных проливов или при заходе в порт. Таким образом, ПСЛК может двигаться в подводном, подлёдном и надводном положениях.

При необходимости всплытия в крейсерское положение ПСЛК продувает все балластные цистерны и движется, взламывая лёд своей прочной носовой оконечностью. При этом образуется широкий канал взломанного льда. Это наименее экономичный и наиболее медленный режим движения.

При заходе в порт ПСЛК может, как сам подойти к причалу, если позволяют глубины, так и выпустить самоходную баржу с грузом. Попасть в баржу экипажу из ходовой рубки ПСЛК можно через переходные люки, расположенные слева и справа от ледореза 6 в надводном положении ПСЛК. В зимнее время лёд предварительно взламывают портовые ледоколы. Ледорез баржи 9 (рис. 3) служит для расталкивания толстого колотого льда или для взламывания тонкого (до 20 см) сплошного ледяного панциря. Таким образом, баржа может самостоятельно подойти к причалу, к бетонному слипу, открыть торцевую крышку-аппарель 4 и по ней на берег самостоятельно выйдут роботы-вагоны.

На причале баржа может подключиться к береговой сети и подзарядить аккумуляторные батареи следующей партии порожних роботов-вагонов с помощью зарядной станции 6.

В заключение необходимо отметить, что предложенная выше технология добычи ЖМК пригодна не только для Арктической зоны, но и для любых других районов мирового океана.

Ю.А. Берков, почётный работник науки и техники РФ, к.в.н.