BRPI0617505A2 - veÍculo submergÍvel, mÉtodo para operar um veÍculo submergÍvel, uso de um veÍculo submergÍvel, mÉtodo para atracar um veÍculo submergÍvel, e, mÉtodo para manobrar um veÍculo submergÍvel - Google Patents

Abstract

<B>VEÍCULO SUBMERGIVEL, MÉTODO PARA OPERAR UM VEÍCULO SUBMERGIVEL, USO DE UM VEÍCULO SUBMERGIVEL, MÉTODO PARA ATRACAR UM VEÍCULO SUBMERGIVEL, E, MÉTODO PARA MANOBRAR UM VEÍCULO SUBMERGIVEL<D>Um veículo submergivel tendo um casco externo o qual define um eixo de casco e se mostra substancialmente em coroa circular quandovisto ao longo do eixo do casco, o interior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas as extremidades de forma que quando o veículo é submergido em um líquido, o líquido inunda o duto. O veículo, incluindo adicionalmente dispositivos para rolar o veículo sobre o eixo do casco. Um sistema de controle de flutuação pode ser provido, e o casco externo pode ser varrido em relação ao eixo do casco. Vários métodos de manobra e uso do veículo são descritos.

Description

"VEÍCULO. SUBMERGÍVEL, MÉTODO PARA OPERAR UM VEÍCULOSUBMERGÍVEL, USO DE UM VEÍCULO SUBMERGÍVEL, MÉTODOPARA ATRACAR UM VEÍCULO SUBMERGÍVEL, E, MÉTODO PARAMANOBRAR UM VEÍCULO SUBMERGÍVEL"

A presente invenção se refere a um veículo submergível; e amétodos de operação, atracando e manobrando tal veículo. Deveria ser notadoque nessa especificação o termo "submergível" é pretendido para cobrirveículos de superfície os quais são apenas parcialmente submergidos, quandoem uso, assim como os veículos os quais são completamente submergidos emágua (ou qualquer outro líquido) quando em uso. A invenção também serefere a um planador de brinquedo submergível.

Um veículo subaquático de passagem interna é descrito em US5438947. O veículo tem hélices montadas na passagem, e um leme paracontrolar a direção de andamento do veículo. O veículo é projetado com umabaixa relação de aspecto para habilitar o veículo a viajar em alta velocidade.

Um primeiro aspecto da presente invenção provê um veículosubmergível tendo um casco externo que define um eixo de casco e parecesubstancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo do casco, ointerior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas asextremidades, de forma que, quando o veículo é submergido em um líquido, olíquido inunda o duto. O veículo incluindo adicionalmente dispositivos pararolar o veículo sobre o duto.

Quando em uso, o veículo pode ser rolado sobre o duto atravésmenos que uma revolução, ou através de uma pluralidade de revoluções. Oveículo pode rolar simetricamente sobre o eixo do casco, ou pode rolar sobreo duto, de uma maneira excêntrica, particularmente se o centro de gravidadefor compensado a partir do eixo do casco.

Convencionalmente, uma forma substancialmente em coroacircular tem sido considerada indesejável porque ela resulta em um veículoque pode ser instável em rolamento (isto é, rotação sobre o duto). Entretanto,o inventor reconheceu que essa propriedade não atua necessariamente emdetrimento de muitas aplicações (envolvendo particularmente veículosautônomos ou não manejados) e pode ser explorado desde que rolamento geremomento angular e ofereça maior estabilidade como uma conseqüência. Alémdo mais, rolamento de veículo pode ser combinado com correntes de oceanoprevalecendo para gerar forças maiores, as quais servem para reduzir derivalateral para fora do eixo do veículo, em troca de aumentos no levantamentohidrodinâmico ou no empuxo para baixo, como corresponderia aos vetores da corrente oceânica e rolamento do veículo. Tais reduções na deriva lateralpodem ser valiosas onde a navegação precisa do veículo entre dois ou maispontos são exigidas. Também, o rolamento do veículo pode ser utilizado paraalcançar duas varreduras dimensionais de um sensor, onde rolamentocontínuo em combinação com movimento linear ao longo do eixo do veículo é utilizado por um dispositivo de sensor para capturar informação a partir deum campo de visão projetado retangular. A largura do campo de visãoretangular é determinada pela magnitude do setor no qual o sensor capturainformação; e o comprimento do campo de visão retangular é determinadopelo comprimento do trajeto axial do veículo. Tipicamente, o setorsubentenderia um ângulo menor do que 180°, mas em uma extensão dessemétodo o sensor do dispositivo do sensor pode capturar informação além de180° e até 360°. Nesse caso, o campo de visão projetado será continuo emtorno de dois planos dimensionais subentendidos pelo movimento derolamento do veículo. Em tal exemplo, o dispositivo de sensor captura dadosde uma maneira síncrona em relação à sua atitude angular, de forma quelinhas sucessivas podem ser formadas com registro preciso entre elas. Emuma configuração preferida, extensão sintética da abertura do sensor em duasdimensões é alcançada pelo processamento adequado de dados do sensor.Neste exemplo particular, um dos fatores de limitação no desempenho noprocessamento de abertura sintética é perda de resolução devido à imprecisãoentre posição de veículo atual e estimada através do período de captura dedados. Como conseqüência, tais sistemas têm introduzido equipamento denavegação inercial para aumentar a precisão pelo qual a posição e atitude doveículo podem ser estimadas. Configurações preferidas da invenção,entretanto, adotam, ao invés, um projeto mais elegante e menos dispendiosoque aumenta a estabilidade básica do veículo, aumentando seu momentoangular e, portanto, reduzindo a extensão da deriva tanto na posição doveículo ou na atitude sem recurso para correção complexa ou algoritmo deestimação. Portanto, nas configurações preferidas descritas abaixo, váriosdispositivos são providos para controlar o rolamento do veículo sobre o duto eoutros elementos de controle de atitude.

Os dispositivos para rolamento do veículo sobre o duto podemser, por exemplo, um sistema de propulsão (tal como um sistema de propulsãode vetor de empuxo gêmeo); uma ou mais superfícies de controlo tais comobarbatanas; um sistema de controle inercial; ou um sistema de controle deflutuação o qual é movido para porto ou estibordo em volta do casco sobcontrole do motor.

Um segundo aspecto da invenção provê um veículosubmergível tendo um casco externo que define um eixo de casco e parecesubstancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo do casco, ointerior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas asextremidades, de forma que, quando o veículo é submergido em um líquido, olíquido inunda o duto. O veículo incluindo adicionalmente um sistema decontrole de flutuação.

Um terceiro aspecto da invenção provê um veículosubmergível tendo um casco externo que define um eixo de casco e parecesubstancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo do casco, ointerior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas asextremidades, de forma que, quando o veículo é submergido em um líquido, olíquido inunda o duto em que pelo menos parte do casco externo é varrida emrelação ao eixo do casco.

Um quarto aspecto da invenção provê um veículo submergíveltendo um casco externo que define um eixo de casco e parecesubstancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo do casco, ointerior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas asextremidades, de forma que, quando o veículo é submergido em um líquido, olíquido inunda o duto, em que o casco tem uma área projetada S, e um diâmetro externo máximo B normal para o eixo do casco, e em que a razão

B2 /S seja maior que 0.5.

O relativamente grande diâmetro do casco habilita uma ordemde dois ou mais sensores para serem bem espaçados separados no casco,provendo uma grande linha de base do sensor. Dessa maneira a efetiva acuidade da ordem do sensor aumenta na proporção do comprimento da linhade base do sensor. Também, a relativamente alta razão B2/S dá uma razão altado levantamento sobre resistência ao avanço, habilitando o veículo para seroperado eficientemente como um planador.

Um quinto aspecto da invenção provê um veículo submergível tendo um casco externo que define um eixo de casco e parecesubstancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo do casco, ointerior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas asextremidades, de forma que, quando o veículo é submergido em um líquido, olíquido inunda o duto.

Um sexto aspecto da invenção provê um sistema de propulsãopara um veículo submergível. O sistema de propulsão incluindo duas ou maismontagens de acionamento montadas axi-simétricas alojadas em um jaquetaflexível substancialmente em coroa circular.

Um sétimo aspecto da invenção prove um método para operarum veículo submergível tendo duas ou mais montagens de acionamentomontadas axi-simetricamente, o método incluindo alternar as montagens deacionamento axi-simetricamente de forma a impelir o veículo através de umlíquido.

Um oitavo aspecto da invenção provê um veículo submergíveltendo um casco externo que define um eixo de casco e parecesubstancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo do casco, ointerior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto em ambas asextremidades, de forma que, quando o veículo é submergido em um líquido, olíquido inunda o duto; e um sistema de propulsão de empuxo gêmeo,incluindo um ou mais pares de dispositivos de propulsão, cada par incluindoum primeiro dispositivo montado em pivô em um primeiro lado do eixo docasco, e um segundo dispositivo de propulsão montado em pivô em umsegundo lado do eixo de casco oposto ao primeiro dispositivo de propulsão.

Tipicamente, cada dispositivo de propulsão gera um vetor deempuxo o qual pode ser variado, independentemente do outro dispositivo depropulsão, através do giro do pivô do dispositivo. Tipicamente, cadadispositivo é montado de forma que possa girar sobre um eixo em um ângulo,(preferivelmente de 90°) para o eixo do casco. Os dispositivos de propulsãopodem ser, por exemplo, hélices giratórias ou barbatanas alternantes. Osdispositivos de propulsão podem estar dentro do duto, ou fora do duto, mas,em conformidade com o eixo externo.

Um nono aspecto da invenção provê um planador debrinquedo submergível tendo um casco externo que define um eixo de casco eparece substancialmente coroa circular quando visto ao longo do eixo docasco, o interior da coroa circular definindo um duto o qual é aberto emambas as extremidades, de forma que, quando o planador de brinquedo ésubmergido em um líquido, o líquido inunda o duto.

Os seguintes comentários se aplicam a todos os aspectos dainvenção.

Em configurações preferidas da invenção, o duto provê umaárea de seção transversal da proa baixa para reduzir a resistência ao avanço,enquanto redução adicional de resistência ao avanço é assegurada pela redução de vórtices de esteira induzidos, que poderiam de outra maneira sermais significativos quando induzidos por uma asa de planar convencional, ou,arranjo de estabilizador de leme horizontal. As paredes do duto sãopreferivelmente moldadas de forma a gerar levantamento hidrodinâmico deuma maneira eficiente, a qual pode ser usada para ajudar o movimento do veículo através do líquido.

Uma vantagem adicional do duto é que a superestrutura (talcomo os dispositivos de propulsão) pode ser mais seguramente alojada noduto, habilitando o casco externo para apresentar uma superfície externaadaptada relativamente lisa, a qual serve para reduzir o risco de dano ou perda através de impacto ou complicação com outros objetos submersos.

Configurações da invenção provêm um perfil substancialmenteem coroa circular com aumento da rigidez da estrutura do veículo comparadoa outros baseados em asas planares convencionais. Essa vantagem pode serconcretizada tanto na redução de custo para um veículo com parâmetros hidrodinâmicos semelhantes, ou na capacidade de mergulho mais fundo, ondetanto o casco em coroa circular ou recipientes de pressão toroidal contidos nocasco irão prover melhor resiliência a tensões de cambamento.

O duto pode ser completamente fechado ao longo de todo ouparte de seu comprimento, ou parcialmente aberto com uma abertura ao longo de seu comprimento. O duto pode também incluir aberturas ou portas paraajudar ou modificar seu desempenho hidrodinâmico sob algumas condiçõesde desempenho.

Varias configurações da invenção serão descritas agora naforma de exemplo com referência aos desenhos anexados, nos quais:Figura Ia é uma visão frontal de um primeiro veículo impelidocom suas hélices em uma primeira configuração;

Figura Ib é uma seção transversal do veículo, tomada ao longodo eixo do casco e ao longo da linha A-A na Figura 1;

Figura 2; e uma visão frontal do veículo com suas hélices emuma segunda configuração;

Figura 2b é uma seção transversal do veículo tomada ao longoda linha A-A na Figura 2a;

Figura 3a é uma visão traseira de um segundo veículo comhélices;

Figura 3b é uma seção transversal do veículo tomada ao longode uma linha A-A na Figura 3 a;

Figura 4a é uma visão traseira de um terceiro veículo comhélices;

Figura 4b é uma seção transversal do terceiro veículo comhélice, tomada ao longo de uma linha A-A na Figura 4a;

Figura 4c é uma seção transversal do veículo tomada ao longode uma linha B-B na Figura 4a;

Figura 5 a é uma visão frontal de um primeiro veículoplanador;

Figura 5b é uma visão lateral de um primeiro veículo planador;

Figura 5c é uma visão plana do primeiro veículo planador;

Figura 5d é uma visão lateral de outro planador onde palhetasdo mesmo tipo são incluídas dentro das aberturas sobre as elevações dosanéis;

Figura 6 a é uma visão em perspectiva de um recipiente depressão alternativo;

Figura 6b é uma visão lateral de um recipiente de pressãoalternativo;hélices tomada ao longo da linha A-A na Figura 1, no processo deatracamento;

Figura 9b mostra o veículo depois do atracamento;

Figura 9c é uma visão ampliada mostrando um sistema derecarga elétrica indutivo;

Figura 10 é uma seção transversal mostrando uma alternativada estrutura de atracamento;

Figura 11 é uma visão esquemática de um veículo rebocadoamarrado com uma estrutura de atracamento alternativa adicional;

Figura 12a é uma visão frontal de um veículo planador;rebocado amarrado;

Figura 14b é uma visão lateral do veículo;

Figura 15a é uma visão axial de um sistema de controle deflutuação toroidal;

flutuação helicoidal;

Figura 15c é uma visão lateral do sistema da Figura 15 b; e

Figura 15d é uma visão lateral seccional de um sistema decontrole de flutuação adicional.

Figura 12 b é uma visão lateral do veículo;

Figura 12 c é uma visão plana do veículo;

Figura 13a é uma visão frontal do quarto veículo com hélices;

Figura 13b é uma visão lateral do veículo;

Figura 14a é uma visão frontal de um segundo veículo

Figura 15b é uma visão axial de um sistema de controle deCom referencia às Figuras Ia e lb, um veículo submergível 1tem um casco externo 2 o qual é evoluído a partir de um perfil de hidrofóliode fluxo laminar (mostrado na Figura lb) como um corpo de revolução aoredor de um eixo de casco 3. Portanto, o casco externo 2 parece coroa circularquando visto ao longo do eixo de casco como mostrado na Figura la. Umaparede interna 4 da coroa circular define um duto 5 o qual é aberto para a proae popa de forma que quando o veículo é submergido em água ou qualqueroutro líquido, a água inunda o duto e flui através do duto conforme o veículose move pela água, gerando levantamento hidrodinâmico.

Como mostrado na Figura lb, o perfil de hidrofólio afila-separa fora a partir de uma extremidade de proa estreita 6 para um ponto maislargo 7, em seguida afila-se para dentro mais rapidamente para umaextremidade da popa 8. Nesta configuração particular, o ponto mais largo 7 éposicionado aproximadamente a dois terços de distancia da distancia entre aproa e a extremidade da popa. A seção de hidrofólio particular pode sermodificada em variantes deste e de outros veículos de forma a modificar oscoeficientes de momento de levantamento, resistência ao avanço eafastamento de acordo com uma margem particular de regimes de fluxo comodeterminado pela margem apropriada de números Reynolds que podem servalidos dentro de uma variedade de aplicações.

Um par de propulsores 9, 10 é simetricamente montado noslados opostos do eixo do casco. Os propulsores incluem hélices 11, 12 asquais são montadas em eixos de suporte em forma de L, 13,14 os quais emtroca são montados para o casco alinhados com o ponto mais largo 7 comomostrado na Figura lb. As hélices são montadas em ovéns, 15, 16 de maneiraque sua eficiência é aumentada. Cada eixo em forma de L é montado em pivôno casco de forma que possa ser girado em 360 graus referente ao casco sobreum eixo paralelo ao eixo de afastamento do veículo, provendo, portanto,propulsão de vetor de empuxo. Ambos o ovém e o eixo em forma de L têmuma seção de hidrofólio usando uma razão entre comprimento e altura decorda semelhante àquela descrita para o casco externo. Assim, por exemplo,os propulsores 8, 9 podem ser girados entre a configuração co-direcionadamostrada nas Figuras Ia e lb, na qual ela provê uma força de empuxo paraimpelir o veículo para frente e ao longo do eixo do casco, para a configuraçãodirecionada contra, mostrada nas Figuras 2 a e 2b, nas quais elas determinamque o veículo role continuamente ao redor do eixo do casco. Setas V naFigura 2 a ilustram movimento do veículo, e setas L na Figura 2 a ilustramfluxo de líquido. Segue, portanto, que esta configuração particular usa quatro motores dentro do sistema de propulsão: dois motores elétricos DC semescova para acionar as hélices, e dois motores elétricos DC para acionar oseixos de suporte em forma de L, sobre os quais os motores das hélices sãomontados onde um mecanismo de redução de uma transmissão à engrenagemhelicoidal mecânica é usado para transferir acionamento e cargas entre omotor e os eixos em forma de L. Tipos de motor alternativos tais comomotores escalonados podem ser usados para o esquema posterior, desde queas cargas operacionais sejam consistentes com a capacidade dos motores.

Para prover para um mínimo de afastamento de volta aberta ouestabilidade de guinada, o centro de gravidade do veículo (CofG) estálocalizado na frente do centro de pressão hidrodinâmica, onde uma maiorestabilidade é alcançada por maior separação entre esses centros. Entretanto, alocalização precisa não é crítica, uma vez que a estabilidade adicional podeser provida por um sistema de controle de atitude de volta fechada (nãomostrado) que pode ser combinado com o sistema de propulsão do veículo. Em tais circunstancias estabilidade pode ser sacrificada para agilidade pelaoperação do veículo com sua CofG no centro ou além do centro de pressãohidrodinâmica. De forma semelhante, a posição dos propulsores pode serajustada tanto para frente em direção à proa, ou para trás em direção à popa,em que a dinâmica do veículo pode ser adequadamente ajustada.Tal um sistema de controle de atitude inclui (i) um dispositivoque mede aceleração linear em três eixos ortogonais; e (ii) um dispositivo quemede aceleração angular em três eixos ortogonais; e (iii) um dispositivo quemede orientação em dois ou três eixos ortogonais; e (iv) um dispositivo quecombina os sinais a partir desses dispositivos e calcula sinais de demanda queestimulam o sistema de propulsão acima mencionado, de acordo com omovimento dinâmico do veículo particular ou estabilidade desejada naquelemomento. O dispositivo de orientação pode incluir um sensor de gravidade,ou um sensor que detecta o vetor do campo magnético da terra, ou ambos. Oveículo pode incluir também um sistema de navegação que estima a posiçãodo veículo em qualquer momento particular com relação a alguma posição dereferência inicial. Uma configuração preferida de tal sistema de navegaçãoinclui um dispositivo processador que opera com dados providos por umsistema de controle de atitude descrito acima e também em outros dadosopcionais onde sensores específicos que fornecem tais dados podem tambémser incluídos no veículo para propósitos de navegação. Tais sensores podemincluir (i) um dispositivo recebedor do Satélite de PosicionamentoGeoestacionário - (Geostationary Positioning Satellite) (GPS), e (ii) um oumais transpondores acústicos ou dispositivos de comunicação. O dispositivode GPS é usado para derivar uma estimativa da posição do veículo emlatitude, longitude e elevação quando na superfície. O transpondor acústico oudispositivo de comunicações transmite e recebe sinais acústicos a fim deestabelecer sua posição relativa a um ou mais transpondores correspondentesou dispositivos de comunicação localizados dentro do meio líquido local. Emuma configuração preferida o dispositivo de processamento inclui umalgoritmo específico descrito como um filtro kalman que estima a posiçãorelativa ou absoluta do veículo baseado nos dados variáveis providos a partirdos dispositivos dos sistemas de navegação e controle de atitude.

Nesta configuração particular o veículo é projetado com umpequeno grau de flutuação positiva. O centro da flutuação (CofB) pode serposicionado em qualquer parte entre um mínimo onde o CofB se estendecoincidente com o centro de gravidade, e um máximo onde o CofB se estendedentro do volume de um cone invertido sobre o CofG, e onde o ápice do conejunta o CofG e onde a base do cone é subtendido pela parte superior do cascoem coroa circular.

Em uma configuração particular o cone é inclinado tal quenenhuma parte do seu volume se estende atrás do plano vertical que bifurca oeixo do veículo e coincide com o CofG. Quando o CofB se estende dentrodeste cone e é separado do CofG5 o veículo adotará um afastamento positivosob condições estáticas e portanto pode plainar a partir da profundidade para asuperfície sob forças derivadas apenas das combinações de flutuaçõespositivas e levantamento hidrodinâmico a partir do casco em coroa circular, eonde alguma distancia lateral útil do trajeto é ganha pelo caminho deaplainamento raso de veículo.

Isso permite para conservação oportunística de energia dentroda loja de bateria de um veículo pelo reuso de forças gravitacionais dentro doseu ciclo de missão. O trajeto de aplainamento do veículo pode também seraumentado adotando-se hélices (não mostrado) que podem ser dobradas parase estender paralelas do ao eixo do casco quando não em uso, ou por omissãodo ovém de hélice, em cujos casos a resistência ao avanço do veículo seráadicionalmente minimizada.

O veículo pode incluir também células de energia solar (nãomostrado) colocadas ao redor do corpo externo ou do casco, onde uma vezmais o casco em coroa circular provê uma implementação eficiente, uma vezque sua área de superfície externa á relativamente grande quando comparadaa um veículo cilíndrico ou massa similar. Em tal configuração as célulassolares são conectadas eletricamente a um circuito de carga que recarrega aenergia estocada nas células recarregáveis localizadas dentro dos estoques debateria. Isso permite recarregamento oportuno e planejado dos estoques deenergia dos veículo usando energia solar quando o veículo é operado oufixado na ou perto da superfície do mar.

Nesta configuração o CofB pode ser fixado em algumalocalização estática no já mencionado cone volumétrico, ou o CofB pode serdinamicamente ajustado por um mecanismo de controle para posições emvolta do cone. Em qualquer caso o CofB é controlado por uma localização ouum ou mais elementos de lastro positivamente flutuantes localizados dentroda seção toroidal do casco em coroa circular. Na configuração onde sãousados dois elementos de lastro, os elementos podem ser co-locados dentro dotoróide em cujo caso a flutuação estática do veículo será um máximo; ou osdois elementos de lastro podem estar localizados em volta da toróide de umamaneira tal que ambos o CofB e o CofG do veículo fiquem no eixo do casco,em cujo caso a estabilidade estática do veículo será zero.

Então o veículo pode usar o seu sistema de propulsão parainduzir giro em volta do seu eixo de casco, e o veículo pode ajustar a posiçãodo seu CofB em relação ao seu CofG. O veículo pode, portanto, adaptar seumovimento dinâmico ao viajar sem giro, quando a separação máxima entreCofB e CofG seja desejável. Entretanto, o veículo pode também adaptar seumovimento dinâmico quando giro é induzido. Com ou sem movimento aolongo do eixo do casco, quando separação mínima relativa ao eixo do cascoentre CofG e CofB seja desejável no evento em que um desejaria minimizarexcentricidade no rolamento.

Os propulsores de empuxo de vetor provêm o dispositivo paramovimento ao longo do eixo do casco, tanto para frente como de reverso, egiro ou rolamento em volta do eixo do casco, e lance ou guinada sobre oCofG do veículo. Como descrito anteriormente, é claro que os doispropulsores podem ser contra-direcionados a fim de induzir o rolamento doveículo. Os dois propulsores podem ser também co-direcionados. Porexemplo, quando ambos são direcionados para baixo de forma que os seusvetores de empuxo fiquem acima do CofG, a seguir o veículo lançará o narizpara baixo. De forma semelhante, quando os dois propulsores sãodirecionados para cima de maneira que seus vetores de empuxo ficam abaixodo CofG, a seguir o veículo lançará o nariz para cima. Também, fica claroque, graus variados de propulsor lançam em relação ao veículo e cada umpode ser usado para alcançar o lance, rolamento e guinada do veículo. Guinarpode também ser induzido pela aplicação de empuxo diferencial quando sãoadotadas taxas diferenciais de revolução de hélice. Portanto, pode ser vistoque o veículo está apto para submergir, voltar, rolar e aparecer debaixo de seupróprio controle autônomo.

O veículo pode ser dirigido de uma maneira especial quando oveículo está girando e quando a posição do CofG está co-alinhada com o eixopropulsor de rotação. Com referencia à Figura 2b, se nós definimos umadireção vertical como sendo vertical na página, então na posição mostrada naFigura Ia o veículo está em um ângulo de rolamento de O grau com opropulsor 9 direcionado para cima e o propulsor 10 direcionado para baixo.Se o movimento para baixo é exigido, então o propulsor 9 é pulsado quando oveículo está entre 350 graus e 10 graus (ou algum outro arco limitado no qualo propulsor 9 é direcionado, geralmente, para cima) e a hélice 10 é pulsadaquando o veículo está entre 170 graus e 190 graus (ou qualquer outro arcolimitado no qual o propulsor 10 é direcionado geralmente para cima). Oveículo integra o vetor de empuxo em volta do arco, e experimenta umaaceleração linear que induz trajeto normal ao eixo do casco (neste caso parabaixo). Isso habilita o veículo girando para ser movido precisamente em umplano que fica normal para o eixo do casco.

Portanto, é claro que o veículo tem um alto grau demanuseabilidade, desde que sua propulsão de empuxo de vetor pode sercolocada em taxas de alto giro sob controle dinâmico. Também é claro que oveículo tem um alto grau de estabilidade. No primeiro exemplo, quandomovimento é ao longo do eixo do casco, então, velocidades relativamentealtas podem ser alcançadas com hélices de contra rotação que cancelam otorque induzido, enquanto propulsores contra - direcionados fornecemestabilidade de rolamento adicional. No segundo exemplo, quando omovimento de giro em volta do eixo do casco é induzido, então o momentoangular é aumentado e mais uma vez a estabilidade do veículo é aumentada,onde isso pode ser medido como uma redução na atitude do veículo ou errosde posição, quando sujeito a forças externas.

A proa do veículo transporta um par de câmeras de vídeo 17,18, para evitar colisão e para aplicações de imagens. O diâmetrorelativamente grande do casco habilita as câmeras para estarem bemespaçadas separadamente, provendo assim uma linha de base estereoscópicaque provê por estimativa de faixa precisa por medição da paralaxe entreobjetos localizados dentro de ambos os campos de visão das câmeras. Umtransmissor de sonar 19 e um receptor de sonar 20 são providos para o sonarsentir e fazer imagens. Novamente a linha de base larga é uma vantagem. Ocasco externo 2 contém um espaço interior o qual pode ser visto na Figura la.este casco exterior é fabricado preferencialmente a partir de um materialcomposto duro usando vidro e filamentos de fibra de carvão laminadosalternadamente entre camadas de resina de epóxi. Alternativamente, um cascomais barato, menos resiliente pode ser moldado a partir de um polímero durotal como poliuretano ou polietileno de alta densidade. E também possívelfabricar o casco externo de alumínio, devendo o casco ser pressurizado. Oespaço interior pode ser inundado por meio de pequenas perfurações (nãomostradas) no casco externo, ou pode ser pressurizado. O espaço interior alojaum par de pacotes de baterias 21,22, um par de sensores de popa, 23, 24 equatro recipientes de pressão toroidal 25-28 afastados ao longo do eixo docasco. Os recipientes de pressão contêm os eletrônicos do veículo, algunselementos do subsistema de propulsão e outros itens, e são unidos por braçosaxiais (não mostrado). Nesta configuração particular os dispositivos depressão toroidal são fabricados preferencialmente a partir de compostos durosusando vidro ou filamentos de fibra de carvão enrolados de forma helicoidalem volta do toróide e alternadamente laminados entre camadas de resina deepóxi. Alternativamente os dispositivos de pressão toroidal podem serfabricados a partir de um grau de metal adequado tal como alumínio, açoinoxidável ou galvanizado, ou titânio.

O comprimento do casco ao longo do eixo do cascocorresponde a corda da seção do hidrofólio, e este é indicado em (a) na Figura2 a, enquanto o diâmetro ou vão através do duto em suas duas extremidades éindicado em (b). A relação de aspecto (AR) do casco é descrita como segue:

AR=2B2/S

onde B é o vão do casco (definido pelo diâmetro externo máximo do casco) eonde S é a área projetada do casco.

Se nós tomamos o vão B como sendo aproximadamente iguala (b), e a área S como sendo aproximadamente igual a (b)x (a), então AR éaproximadamente 2(b)/(a). No veículo da Figura 2b, o AR éaproximadamente 1.42, embora esse número possa ser modificado em outraconfiguração onde a aplicação pode demandar outras relações. E evidente quea forma do veículo pode ser ajustada por simples variação no seu diâmetrotoroidal para refletir veículos estreitos onde a relação de aspecto é baixa, oupara refletir veículos largos onde a relação de aspecto é alta. Em qualquercaso específico, vantagens podem ser obtidas pelo ganho, sob certascircunstâncias, uma vez que coeficientes relativamente altos de levantamentopodem ser alcançados usando-se uma forma toroidal com relação de aspectobaixa, enquanto ótimas relações de declive de aplainamento, ou relaçõesequivalentes de levantamento sobre resistência ao avanço podem seralcançadas usando-se uma forma toroidal com relação de aspecto alto.O casco externo é projetado para minimizar seu coeficiente deavanço em um regime de fluxo de fluido determinado pela margem dosnúmeros de Reynolds que descrevem a operação do veículo dentro decenários particulares. O casco externo inclui uma subcamada (mostrada naFigura Ib com tracejado transversal), e uma camada de crosta externa (nãomostrada).

Um segundo veículo 30 é mostrado nas Figuras 3 a e 3b. Oveículo é idêntico ao veículo 1, mas emprega um sistema de propulsão devetor de empuxo bio-mimético de barbatanas gêmeas ao invés de um sistema de propulsão de vetor de empuxo de hélices gêmeas. Neste caso o sistema depropulsão consiste de um par de barbatanas 31, 32 as quais são montadas empivô no casco externo em direção à extremidade da popa podendo girar porapenas abaixo de 180 graus entre uma primeira (alojar) posição mostrada emlinha sólida nas Figuras 3 a e 3b, e uma segunda posição mostrada em linhatracejada na Figura 3b, Cada uma das barbatanas é girada por um motor semescova elétrico DC isolado e mecanismo de redução de engrenagem mecânicoo qual preferencialmente incluiria um acionador helicoidal (não mostrado), epode ser acionado de vários modos. Nesta configuração as barbatanas sãofabricadas a partir de um grau particular de poliuretano para produzir alguma flexão sob carga em movimento de alternância, onde cada flexão serve paradirecionar um vórtice de onda propulsora para trás a partir de cada barbatana,de maneira mais eficiente.

Em um modo as barbatanas são alternadas fora da fase degerar um movimento de remo que aciona o veículo para frente ao longo do eixo do casco. Em outro modo, as barbatanas são acionadas de uma maneiraalternada, mas desta vez na fase com cada uma novamente para acionar oveículo para frente ao longo do eixo do casco.

Em outro modo, as barbatanas são acionadas de uma maneiraalternada, mas desta vez com os centros de seus arcos alternantes deslocadospara cima e para baixo do plano horizontal descrito pelo eixo do casco e oeixo do pivô da barbatana, e assim fazendo o acionar o veículo para frente einduzir rolamento, onde o rolamento pode ser em qualquer direção,dependendo do deslocamento relativo das barbatanas alternantes.

Em outro modo, as barbatanas são acionadas de uma maneiraalternada, mas desta vez em fase de uma com a outra, e mais uma vez com ocentro do arco alternante deslocado para cima e para baixo do plano de pivôaxial anteriormente descrito. Esse modo impele o veículo para frente,mas,causa também rotação de afastamento sobre o CofG, e assim pode ser usadopara o veículo afundar ou vir à tona. Quando usado em combinação com omodo de rolamento do veículo, então esse modo acoplará e produzirá guinadado veículo.

Este projeto de propulsão bio-mimetizada permite freqüênciavariável continuamente e magnitude de sinais de excitação para cadabarbatana propulsora, e também seleção variável continuamente de centros dealternância de arcos de barbatana, e também faseamento variávelcontinuamente entre barbatanas. O projeto alcança, portanto, boa eficiênciapropulsora em baixas velocidades, e também boa eficiência propulsora emaltas velocidades.

Outra configuração desse esquema usa barbatanas alternantessemelhantes, mas, neste projeto particular três dobradiças articuladasadicionais são incluídas aproximadamente na metade do caminho entre o pivôda barbatana e a cauda da barbatana. Essas dobradiças articuladas sãofabricadas em aço inoxidável e acionadas de uma maneira alternada comfaseamento cuidadosa em relação à excitação provida no pivô da barbatana.

Este projeto produz uma onda de trajeto que começa no pivô da barbatanacom amplitude χ na dobradiça articulada, a qual então procede para a caudada barbatana com amplitude y, e onde y é maior que x. Usando este projeto,os modos de operação descritos anteriormente são replicados, como são suasvantagens na operação, mas, em que a eficiência propulsora é aumentada porfaseamento cuidadoso do pivô e sinais de acionamento de excitação dadobradiça articulada a fim de alcançar uma onda propulsora de trajeto.Um terceiro veículo impelido 40 é mostrado nas Figuras 4 a-c.O veículo é semelhante ao veículo mostrado nas Figuras 3 a e 3b, e tambémemprega um sistema de propulsão bio-mimetizado de vetor de empuxo deduas barbatanas gêmeas. Um par de barbatanas axi-simétrico 41, 42 émontado na popa, em conformidade com o eixo em coroa circular. Asbarbatanas são idênticas e uma 42 é mostrada na seção transversal na Figura4c. A camada da crosta do casco externo termina em 43, mas, a subcamadainclui um material elastomérico como poliuretano. A barbatana contém umamoldura estrutural incluindo uma chapa próxima do ponto de origem 44 euma chapa distai 45 unidas em um pivô 46. Um par de protuberâncias 47,48engaja lados opostos de parte da chapa distai do caminho ao longo docomprimento. Uma linha 49 é presa a ambas as extremidades do pivô 46, epassa sobre uma roldana acionada 50. Acionamento da roldana 50 faz a chapapróxima do ponto de origem 44 girar sobre as protuberâncias 47, 48 e aschapas distais girar sobre o pivô 46, como mostrado nas linhas pontilhadas.Alternando a roldana 50, a barbatana 42 também recíproca, Duas linhasadicionais (não mostrado) são usadas para controlar os cantos da cauda dabarbatana superior e inferior de forma que os cantos da cauda da barbatanapodem ser guiados independentemente dentro de cada propulsor, eindependentemente de qualquer propulsor, de tal maneira que torção da asa dohidrofólio positivo ou negativo é dada efetivamente a qualquer ponta debarbatana. Esse método prove o veículo com agilidade substancial.Uma configuração alternativa deste mecanismo deacionamento propulsor usa dois eletroímãs 51, 52, localizados em qualquerlado da chapa distai, os quais são estimulados por injeção de corrente emvolta das bobinas, localizadas nos eletroímãs, de forma que o faseamentoalternado de tais sinais em qualquer eletroímã induz a uma ação de alternânciana chapa próxima. Um dispositivo de controle (não mostrado) controla aexcitação dos eletroímãs, e também controla a excitação do motor que acionaa roldana 50 e chapa distai com uma ação de alternância semelhante, emborao faseamento relativo das chapas distai e próxima alternantes sejacuidadosamente mantido pelo dispositivo de controle de forma que uma ondapropulsora de trajeto é liberada pelo propulsor. E claro que outras variantespodem ser implementadas cesse esquema, incluindo a provisão de rara terraou imãs semelhantes na chapa próxima, e arranjos alternantes onde asposições dos imãs e eletroímãs são invertidas.

Uma diferença primária nesta configuração de propulsão debio-mimetismo com casco em coroa circular é que batidas de barbatanaspodem ser executados axi-simetricamente, o que aumenta a eficiênciapropulsora do veículo. Mais uma vez os modos de propulsão descritosanteriormente podem ser podem ser replicados com este projeto com aexceção de que o rolamento do veículo seja induzido por acionamentoassimétrico do canto da cauda da barbatana. As chapas podem ser rígidas, oupodem ser projetadas para dobrar, tanto quanta flexibilidade for consideradapara o faseamento dos sinais de excitação. Uma vez mais propulsão éalcançada pela excitação e faseamento acionado das chapas distai e próxima elinhas de canto de barbatana de cauda tal como um par alternante de ondaspropulsoras em trajetória axi-simétrica é transferido da base de cada barbatanapara cada cauda de barbatana.

Como descrito anteriormente, este projeto de propulsão de bio-mimetismo em combinação com o casco em coroa circular libera muitosgraus de desembaraço afinando sua eficiência de propulsão.

Deveria ficar claro que o número de propulsores de barbatanascom o casco em coroa circular como mostrado na Figura 4 a, 4b e 4c podefacilmente ser estendido para algum numero maior n, onde no caso limite ospropulsores de barbatanas se mesclam em volta da circunferência da cauda doveículo, para formar um propulsor de bio-mimetismo em coroa circular,contínuo e de acordo, flexível.

Uma configuração particular de tal propulsor de bio-mimetismo em coroa circular, contínuo e de acordo, flexível é descrito aseguir. As montagens de acionamento descritas acima para o veículopropulsor de barbatana dual axi-simétrica são replicados em volta da partetraseira da coroa circular de forma que n=10, tal que as chapas distai epróxima são alojadas em um invólucro de poliuretano elástico emconformidade que se prenda na parte traseira da coroa circular do veículo.Nenhumas linhas adicionais são incluídas para barbatanas de canto de caudasão incluídas, uma vez que essas se tornam redundantes quando o propulsorde barbatana está completamente envolvido em uma coroa circular emconformidade e flexível.

As chapas próxima e distai são acionadas como descritoanteriormente, tal que uma onda de trajetória axi-simétrica contínua,propulsora e progressiva é excitada a partir da base da coroa circular flexívelpara sua cauda de forma a acionar o veículo para frente ao longo do eixo docasco. Controle do avanço e guinada torna-se trivial nesta configuração, umavez que o controle circunferencial completo da coroa circular flexível épossível, e excitação das chapas próxima e distai pode ser feita de umamaneira independente.

Um veículo planador 100 é mostrado nas Figuras 5 a-c. Ocasco do veículo tem uma construção em coroa circular como mostrado naFigura 5 a, e adota uma forma de varrer- para - trás para minimizar aresistência ao avanço do veículo; para reduzir energia liberada nosredemoinhos da esteira; para prover estabilidade no avanço e na guinada; epara prover um mecanismo moderno para controle de atitude. Figura 5b éuma visão da elevação de porta do veículo, enquanto 5 c descreve uma visãoplana do veículo com linhas tracejadas indicando a forma do perfil dohidrofólio. O casco externo usa construção semelhante e aloja vários sensores,pacotes de bateria e recipientes de pressão em comum com os veículosmostrados nas Figuras 1-4, mas, por evidencia esses não são mostrados.

O casco tem quatro vértices de proa 101-104 e quatro vérticesde popa 105-108 os quais são separados por 90 graus ao redor da periferia docasco.

Um motor de flutuação (não mostrado) é alojado no cascoexterno e pode ser acionado ciclicamente, de forma que o veículo,alternadamente afunde e volte a tona. Através de um ajuste cuidadoso daposição relativa do CofB e CofG o veículo pode ser inclinado conformeafunda e volta à tona, e então as forças de levantamento são geradas pelaforma do casco externo de forma a dar um componente de movimento parafrente. Isso habilita o veículo 100 a operar como um plainador com poderesde flutuação, o qual pode ser usado unicamente ou em frotas auto-monitoradas e pode ser programado para amostras de área grande do oceanoou leito do mar ou costa sem intervenção das equipes de apoio local.

Nesta configuração particular o veículo adota umaconfiguração de energia muito baixa, uma vez que a resistência ao avançohidrodinâmico é minimizado, e propulsão de motor contínua não é providauma vez que sua força motiva é derivada de um motor de flutuação que trocaseu estado apenas duas vezes durante cada ciclo de mergulho e levantamento,e então o consumo de energia elétrica é assim minimizado.

Em que planadores de oceano clássicos modificam suasflutuações ajustam a posição da massa ao longo de seus eixos, estaconfiguração particular mantém fixa a massa e modifica sua flutuação elocalização do CofB pelo ajuste de seu motor de flutuação ao longo de umacoroa circular (não mostrada) que se assenta no casco em coroa circular doveículo e segue a forma de varrer-para-trás do casco. Conforme o veículo semove para cima, o motor de flutuação adjacente à barbatana superior de proa101, de forma que Cofb se estende para frente do CofG, resultando em umaconfiguração de "nariz para cima".Movimento do motor de flutuação paraaportar ou ficar a estibordo em volta do casco sob o controle do motor irátanto rolar o veículo em volta do eixo do casco e também mover o CofB apopa do CofG, em cujo ponto o veículo será inclinado com "nariz parabaixo". O motor de flutuação é então tornado negativamente flutuante e oveículo irá aplainar para baixo no oceano. Em um tempo pré-determinado ouprofundidade o motor de flutuação transversa ao redor de sua coroa circular eo veículo inicia rotação ao redor do eixo do casco, e CoflB se move para frentesobre o eixo do casco através de 90° em rotação do casco, em cujo ponto oveículo será inclinado com nariz para cima, flutuação se tornará positiva e oveículo aplainará em direção à superfície do oceano.

O veículo pode incluir também um ou mais dispositivos queirão extrair energia do termoclínio através de mergulho para a profundidade eescalada para a superfície, onde gradientes térmicos de 20°C ou mais podemser antecipados em muitos oceanos entre 0 e 600m de profundidade, e onde75% do volume do oceano têm temperaturas de 4o ou menos, enquantotemperaturas da superfície do oceano podem exceder 30° ou mais.

Tal dispositivo de colher energia é uma configuraçãoparticular de um sistema de controle de flutuação 900 como descrito na figura15 a -15 d em que o material de troca de fase sensitiva de temperatura,(PCM), (i) é alojado dentro de uma câmara (a) que forma parte do recipientede pressão toroidal, e onde vários tubos de alumínio toroidal (b) tambémresidem dentro desta câmara. A parede da câmara também é feita de alumínioe é incluída em uma camada estrutural composta isolada como uma espumasintática ou neoprene e resina epóxi combinada com vidro ou filamento defibra de carbono, onde tais filamentos seriam helicoidalmente enrolados emvolta da forma toroidal da câmara, e onde tais materiais mantêm baixacondutividade térmica entre as superfícies interior e exterior. As duas câmarastoroidais isoladas (c), (d) são incluídas onde tais câmaras podem ser toróidesisolados ou podem ser uma parte do toróide anterior, onde sua estrutura podeser dividida em três ou mais setores ao redor de seu eixo toroidal.

Conexões de câmara (a) com uma porta externa que abre paraa água do mar, de forma que a água do mar pode entrar em uma seção dacâmara a qual também inclui uma membrana de condutividade térmica baixaou conexão de vedação de pistão para manter uma barreira física isolada entrecâmara (a) e água do mar. Câmara (a) também se conecta com uma câmara degás de alta pressão (j) a qual também se conecta com a água do mar via duasmembranas flexíveis isoladas por um volume de líquido, e por outra válvula.Conexões de câmara (c) com duas portas e duas válvulas (h) que se conectamcom tubos de alumínio dentro da câmara (a). O recipiente de pressão toroidalpode incluir também uma câmara de gás de baixa pressão opcional (k) comuma montagem de membrana flexível e uma porta de conexão para o liquidoexterno. Câmara (d) também se conecta com duas portas e duas válvulas (h)que se conectam aos tubos de alumínio, e podem incluir também umadisposição de semicondutor termoelétrico (TES) e dispositivos de efeitoPeltier (e) onde cada lado de tais dispositivos manteria um trajeto deresistência térmica baixa para a água do mar externa ou para fluido interno.Câmaras (c) e (d) também incluem portas e válvulas que abrem para a água do mar.

Um dispositivo de controle (f) e uma ou mais bombas defluido (g) são usadas para abrir e controlar as válvulas e portas na seqüênciacom a operação do veículo. Câmara (c) é cheia ou completada com águamorna quando perto da superfície, enquanto câmara (d) é cheia ou completadacom água do mar fria quando em profundidade. O dispositivo de controle (f)pode ser usado também para estimular o (TES) (e) dispositivo com umadiferença de potencial aplicado às suas duas junções semicondutoras a fim debaixar a temperatura do fluido na câmara (d) durante a iniciação do veículo,quando operando perto da superfície do mar. Alternativamente, um únicodispositivo de lastro pode ser usado para iniciar o primeiro ciclo de mergulhodo veículo ao invés.

O dispositivo de controle (f) opera as portas, válvulas ebombas quando perto da superfície líquida para pressurizar o gás seco (1)usando o volume expandido do material de troca de fase (i) o qual estáexposto a temperaturas de superfície morna via tubos (b) e ao reservatóriomorno (c) e ao líquido externo. Depois da pressurização da câmara (j) e gás(1) suas válvulas são fechadas de forma que a energia é estocada, O veículopode descender usando flutuação negativa inativa, ou usando um dispositivode lastro transitório, ou por modulação da sua densidade pela exposição doPCV (i) a baixas temperaturas usando o dispositivo de controle (í)ea câmarareservatório (d) ou TES (e) ou combinação das mesmas. Em configuraçõespreferidas, o reservatórios (c), (d) e tubos (b) e bombas ajudam na circulaçãoda água do mar a fim de minimizar ineficiência devida aos gradientes detemperatura local. A queda resultante na temperatura ao redor do PCM émantida eficientemente pela acoplagem fechada dos tubos de alumínio (b)dentro do volume do PCM, o que causa uma mudança de fase do líquido parao sólido no COM e correspondente redução no volume o qual aumenta adensidade do veículo de forma que ele se torna mais pesado do que a água domar, e, portanto, descende.

Quando uma determinada profundidade é alcançada odispositivo de controle (f) opera as portas, válvula e bomba para liberar o gáspressurizado (1) de forma a mover e encher uma membrana flexível edeslocar certo volume de líquido externo, de forma que a densidade doveículo de torne positiva comparadas ao líquido externo, de forma que oveículo começa sua ascensão. Durante a ascensão o dispositivo de controle (f)opera as portas, válvulas e bombas para transferir água morna do mar dacâmara (c) para a câmara (a) via tubos (b), e mais uma vez circular a água domar entre essas duas câmaras. O aumento resultante na temperatura em voltado PCM determina uma transição de fase do sólido para o líquido, e umaumento correspondente no volume o qual baixa a densidade do veículo maisadiante de forma que sua ascensão possa ser acelerada.

Numerosos materiais de mudança de fase podem ser utilizadosdentro de tal dispositivo, tal que parafinas, ácidos gordurosos ou hidrato de salonde o material ou a mistura particular de materiais poderia ser escolhida deforma que sua mudança de fase particular ocorreria dentro da faixa detemperaturas a serem encontradas nos termoclínios, e mais tipicamente entãoaquela mudança de fase de material entre sólido e líquido deveria ocorrerentre 8C e 16C, embora a faixa precisa pudesse ser selecionada para coincidircom os perfis de profundidade antecipados e com as temperaturas locais dooceano.

A invenção assegura vantagem sobre dispositivos de controlede flutuação alternativos através de integração do material de mudança defase em um recipiente de pressão toroidal onde geometrias locais e materiaisse combinam para prover um dispositivo altamente eficiente para modulaçãoda densidade do veículo durante transito através o termoclínio.

Uma configuração adicional deste dispositivo de colherenergia extrai energia adicional a partir do termoclínio a fim de aumentar aeficiência operacional e resistência do veículo. Nessa configuração alternativao TES (e) localizado na câmara (d) e dispositivo de controle (f) combinam-separa gerar uma diferença de potencial entre as duas junções de semicondutordo TES quando uma temperatura diferencial é mantida entre os seus ladosopostos, os quais com certeza são alcançados seqüencialmente durante ciclosde mergulho e ascensão sucessivos. A diferença potencial é derrotada por umaordem de super capacitores e então para o depósito de bateria do veículoatravés alguma troca de alta freqüência DC para conversor DC que minimizasuas perdas elétricas e alcança uma eficiência em transferência em excesso de90%. Este dispositivo adicional de colher energia pode ser modificadotambém tal que o TES ocupe uma barreira entre câmara fria (d) e câmaramorna (c), como mostrado nas figuras 15 a e 15 d.

O veículo pode, ao invés, acomodar um ou muitos dispositivosde controle de flutuação alternativo, incluindo gás pressurizado e sistemas detanque, ou bomba hidráulica, ou acionador de motor elétrico e sistemas deválvula de pistão onde energia estocada é usada para evacuar fisicamente aágua do mar de um volume prescrito no veículo.

Uma vantagem adicional deste sistema de controle deflutuação é extensibilidade, onde a forma toroidal pode ser evoluída paradiâmetros maiores, e onde toróides podem ser usados em grupos comodescrito na figura 15 d. Uma configuração adicional desse esquema evolui odispositivo de controle de flutuação toroidal como mostrado na figura 15 apara uma hélice como descrito nas figuras 15b e 15c. Essa solução mantém aforma toroidal e arquitetura básica, mas, estende sua capacidade linearmente,o que serve para prevenir volumes de deslocamentos maiores dentro daestrutura eficiente a qual estaria de outra maneira, incômoda e difícil nosveículos subaquáticos grandes.

Embora a configuração descrita acima use apenas flutuaçãocomo sua fonte de propulsão motiva, está claro que outras configuraçõespodem ser descobertas que aumentem a baixa energia do veículo combarbatanas de bio-mimetismo ou dispositivos de propulsão circunferencialcomo descrito acima para os veículos 30, 40. Também o veículo de baixaenergia descrito aqui pode ser aumentado por hélice e dispositivospropulsores como descoberto para o veículo 1 acima.

Em outra configuração de veículo plainador de baixa energia,o motor de flutuação pode ser fixo, e a massa é movida em vez de em volta deum recipiente de pressão, embaixo do controle do motor, para movereficientemente o CofG para frente ou para trás e conseqüentemente induziratitudes de avanço para cima e avanço para baixo. Em uma configuraçãoadicional, ambos a massa e o motor de flutuação podem ser movidos em voltada coroa circular.

O veículo pode ser aumentado também por células de energiasolar como descrito anteriormente para outros veículos, de forma a preencherseu estoque de energia interna quando perto da superfície do mar e, portanto,para estender seu período de missão no mar.

Fica claro também que o veículo pode ser modificado paraimplementar planadores de vários tamanhos. A construção em coroa circular évantajosa neste ponto e oferece resiliência estrutural e assim veículos destaforma podem ser construídos com envergadura de 30 m a 60 m ou mais.

Figuras 6a e 6b são visões em perspectiva e laterais de umrecipiente de pressão alternativo 150, semelhante ao recipiente de pressãomostrado nas Figuras 1 a e lb. Um par de recipientes de pressão toroidalrelativamente grandes 151, 152 é conectado um ao outro por braços axiais153-156. Um par de recipientes de pressão toroidal relativamente pequeno,157, 158 é posicionado à popa e à proa de recipientes de alta pressão 151, 152e conectados por braços axiais 159-164. Os braços axiais podem eles mesmosser recipientes de pressão, de forma que toda a estrutura forneça um recipienteúnico, contínuo, ou os braços axiais podem ser membros estruturais sólidosem cujos casos os toróides formam quatro recipientes de pressão divididosisolados. A forma toroidal habilita mergulho profundo sem massa ou custoexcessivos.

Figura 7 é uma visão em perspectiva de um sistema decontrole de atitude inercial 200. Uma moldura de suporte em coroa circular201 é montada dentro de um recipiente de pressão toroidal. O sistema 200 éilustrado com uma moldura "plana", adequada para ser ajustada em umcorrespondentemente "plano" recipiente de pressão toroidal, por exemplo, emum dos recipientes 1, 30 ou 40. Entretanto, o sistema pode ser adaptado parase ajustar em uma das configurações de recipientes "varridas" descritas aquipor ajustes adequados da forma à moldura 200.

Um primeiro par de massas 202, 203 é montado em umamoldura por respectivos eixos os quais ligam perpendiculares ao eixo docasco. Um segundo par de massas 204, 205; e montado na moldura porrespectivos eixos os quais ligam paralelos ao eixo do casco. Cada massa podeser girada independentemente por um respectivo motor (não mostrado) sobreo seu eixo respectivo.. Acelerando as massas 202, 203, uma aceleraçãoangular oposta e igual é dada ao veículo, dando controle de avanço.Acelerando as massas 204, 205, uma aceleração angular oposta e igual é dadaao veículo, dando controle de rolamento na configuração da Figura 7. Aconfiguração de avanço e rolamento fornece controle de guinada.

Figura 8 mostra um veículo 210 o qual é uma variante doprimeiro veículo 1. O veículo 210 é idêntico ao veículo 1, mas, incorporaadicionalmente, um transmissor sônico 211 e sensor 212. Uma visão emperspectiva de uma superfície é mostrada abaixo do veículo. A superfície 213é paralela ao eixo do casco. O veículo é transladado na direção do eixo docasco e indicado por seta próxima à superfície 213. O veículo é tambémrolado continuamente sobre o eixo do casco, como indicado pelas setas V. Otransmissor 211 emite um raio 214 o qual percorre um trajeto helicoidal, epercorre uma serie de faixas 215, através da superfície. O receptor 212 temum eixo sensor o qual segue um trajeto helicoidal correspondente e percorreuma serie de faixas correspondentes através da superfície. Um dispositivo decontrole (não mostrado) aumenta a resolução efetiva da imagem capturadapelo sensor 212 ao processar os dados do sensor a partir de faixas sucessivaspara alcançar extensão sintética da abertura do sensor em duas dimensões.

Um princípio semelhante pode ser empregado em um veículoalternativo (não mostrado) no qual o transmissor e sensor são orientados comseus raios paralelos ao eixo do casco, e o veículo faz movimento de translaçãoem direção paralela a uma superfície em um ângulo para o eixo do casco.Neste caso o raio percorre um trajeto curvo ao invés de uma série de faixas nasuperfície.

A falta de superestrutura externa habilita o veículo 1 a seratracado como mostrado nas Figuras 9 a e 9b. Um atracadouro tem umaparede interna cilíndrica 230 mostrada em seção transversal. O atracadouropode ser formado em um casco de navio abaixo da linha de água, ou em umaestrutura fixa tal como porto ou estrutura de litoral. O veículo 1 se move emum atracadouro movendo (como indicado pela seta V) ao longo do seu eixode casco até que o veículo seja incluído dentro do atracadouro como mostradona Figura 9b. Fazendo rolamento no veículo conforme ele faz translaçãodentro do atracadouro provê estabilidade adicionada e habilitaposicionamento preciso. O veículo pode ser manobrado invertendo suashélices de forma que ele deixe o atracadouro.

Figura 9c mostra parte de um sistema de recarga elétricaindutiva. Uma bobina primária em coroa circular 231 na doca acoplaindutivamente com uma segunda bobina em coroa circular 232 no veículopara recarga das baterias do veículo.

Em um segundo arranjo de atracamento mostrado na Figura10, o atracadouro tem uma projeção 240 a qual é recebida no duto 5 e se apóiacontra a parede interna do casco para prendê-la no lugar.

Um terceiro arranjo de atracamento é mostrado na Figura 11como um veículo alternativo 260, semelhante em forma ao veículo 100. Nessecaso, o atracadouro cilíndrico é substituído por uma projeção cilíndrica oca250 a qual é mostrada em seção transversal (apesar de que o veículo 260 nãoestar em seção transversal). A projeção 250 é recebida no duto e se apóiacontra a parede interna do casco para prendê-la no lugar. Neste caso o veículo260 é uma variação rebocada do projeto da "asa varrida" da Figura 5b comuma corda 261 presa à barbatana da proa 262. Não há superestrutura (porexemplo, hélices ou barbatanas) no duto de forma que projeção 250 podepassar completamente através do duto. O veículo é manobrado angulando aprojeção para baixo de forma que o veículo aplaina para fora da projeção sob a força da gravidade. Um sistema de recarga indutiva pode ser empregado deuma maneira semelhante no Figura 9c.

Figuras 12a, 12b, e 12c são visões de lado de porta e de frenteplanas, de um sexto veículo 600. O casco do veículo é varrido com relação aoeixo do casco 601, em comum com o veículo mostrado na Figura 5 a-5c, mas,neste caso o casco tem uma porção varrida para frente transportando umabarbatana de proa 602 e uma barbatana de popa 603; e uma porção devarredura para trás transportando uma barbatana de proa 604 e uma barbatanade popa 605. O veículo opera como um planador e carrega um motor deflutuação (não mostrado) e um sistema de controle de atitude inercial (não mostrado) semelhante na estrutura ao sistema mostrado na Figura 7. Assim oveículo tem uma forma externa totalmente de acordo com nenhumasuperestrutura qualquer além do duto ou se projetando para o exterior doveículo.

Figuras 13a e 13b são visões de lado de porta e de frenteplanas, de um veículo 700. O veículo é mostrado com um sistema depropulsão de um tipo mostrado na Figura 1, com propulsores de vetor deempuxo gêmeos 705, 706, um dos ovéns 708 sendo visível na Figura 13b. Oveículo é puxado por uma corda para um navio mãe, (não mostrado) por umsistema de corda de couraça incluindo uma corda de porta 701 mostrada naFigura 17b e uma corda de estibordo (não mostrada) presa ao casco em umaposição equivalente no lado de estibordo. As cordas se combinam para formaruma única couraça de corda que provê transferência de dados, e transferênciade cargas de arrasto durante a operação. O veículo tem um par de dispositivosde propulsão adicionais 702, 703 os quais são descarga fixamente montadacom a superfície externa do casco externo, e provê um controle de avanço.Um sensor 704 é mostrado na popa do veículo.

Figuras 14a e 14b são visões de lado de porta e de frente deum veículo 800. O veículo é rebocado por corda para um navio mãe (nãomostrado) e rebocado por uma única corda 801 a qual também pode transmitirdados para o veículo ou do veículo. A corda 801 é presa preferencialmente aocasco por um pivô (não mostrado) apesar de que um esquema de rédeaalternativo pode também ser usado satisfatoriamente. Quatro barbatanas sãoajustadas na popa do casco. Barbatana superior 802, barbatana inferior 804são mostradas na Figura 14b, mas, a barbatana de estibordo está escondida.Cada uma das quatro barbatanas pode ser girada como indicado pela linhatracejada para as barbatanas 802, 803 para efetuar controle de avanço eguinada. O veículo 800 é mais rígido e menos susceptível para atingiragitação do que uma asa -V. E também mais eficiente que uma asa-V devidoao baixo arrasto induzido e estabilidade de avanço limitada porque omomento de avanço corretivo é maior.

Os veículos descritos abaixo podem ser usados paraexplorações submarinas autônomas não tripuladas, fazendo imagens,inspecionando, mapeando e monitorando ciência do oceano. Nesse caso,veículos impelidos podem ser da ordem de 500 mm de diâmetro e 600 mm decomprimento, e a versão de planador pode ser de duas a quatro vezes maior.Entretanto, o projeto de veículo básico é graduável e pode ser utilizado emmuitos veículos pequenos com envergaduras medidas em poucos centímetros,a veículos oceânicos muito grandes com envergadura medida em dezenas demetros. O veículo pode acomodar uma variedade de configurações desensores, incluindo: lasers; geofones; hidrofones; projetores de transdutoresde sonar de alta freqüência; sensores eletromagnéticos; escaneador de linhas edois sensores de imagens dimensionais. Os veículos são também adequadospara: atracar ou estacionar em tubos, ou portos, ou garagens; ou operações deabaixas e levantar em leitos líquidos.

A estabilidade induzida por rolamentos contínuos habilita oveículo para "plainar": isto é para manter substancialmente nenhummovimento de translação. Isto está em contraste com veículos submarinosautônomos convencionais os quais perdem estabilidade em baixa velocidade.

Em quanto operando no modo de "plainar", um sistema de realimentaçãopode sentir a aproximação do veículo de um objeto externo e controlar aposição do veículo em resposta à proximidade sentida, por exemplo, gerandopequenas quantidades de empuxo como exigido para manter o veículo emuma distancia fixa fora do objeto.

Uma aplicação alternativa para os veículos descritos aqui étransporte de grande volume de materiais volumosos (tais como óleo cru), noqual o interior do casco é cheio com esse material. Nesse projeto ocomprimento do casco em coroa circular pode ser de 20 metros, enquanto odiâmetro externo pode ser diminuído em 10 metros. O material é contidotanto em recipientes de pressão toroidal interna, ou no casco externo ou emambos. A razão de tamanho e/ou de aspecto do veículo será aumentada comoexigido. Por exemplo, onde um veículo grande de carga útil precisa serlevado, uma seção de carga útil estendida poderia ser configurada como umvão toroidal que seria ajustado em algum ponto ao longo do eixo do veículo.

Em aplicações desse tipo, onde o veículo é inclinado em um ângulo para umacorrente do oceano o veículo pode derivar com certeza para o lado, devido aoarrasto e forças de levantamento induzido pela corrente do oceano. Entretanto,continuando o rolamento do veículo sobre seu eixo, as forças laterais criadaspela corrente do oceano são reduzidas. Ao invés, forças maiores são geradascom tendência a acionar o veículo para cima ou para baixo, mas não para olado.

Uma alternativa adicional de aplicação para veículos dessetipo é submergir o veículo em uma tubulação cheia de líquido (por exemplo,uma tubulação de água de utilitário ou uma tubulação de óleo) para inspeção,reparo ou outros propósitos. Neste caso, o diâmetro do veículo será escolhidopara ser suficientemente pequeno para ser acomodado na tubulação.

Alternativamente, em uma aplicação de posição de cabosubmarino, um veículo muito grande pode ser especificado de forma quelongos cabos possam ser transportados dentro do casco externo e manobradosdentro do veículo. Por exemplo, um veículo poderia transportar um vão deestiva toroidal aberto em volta do qual o cabo reboque submarino pesado seriaenrolado, aonde um vão poderia formar uma seção toroidal dentro de umveículo grande. Uma configuração particular deste veículo, portanto, empregaum casco em coroa circular com comprimento de 5,6metros, e um diâmetroexterno de 4 metros. O sistema de propulsão é como descrito anteriormentepara o veículo menor, e o giro é induzido junto com o movimento axial a fimde manobrar e estender o cabo submarino autonomamente.

Ao invés de ser operado como um veículo completamentesubmergível submergido, os veículos acima descritos podem ser projetadospara operar como veículos de superfície os quais são apenas parcialmentesubmergíveis quando em uso. Neste caso, câmeras e sensores de radio sãofixados no topo da crosta em coroa circular externa e sensores de sonar sãolocalizados em volta da parte mais baixa do casco toroidal. O veículo desuperfície tem uma construção e propulsão semelhantes aos veículos descritosanteriormente e podem ser implementados usando qualquer das formastoroidais com ou sem varredura. A vantagem significativa oferecida pelaforma em coroa circular do casco é a estabilidade aumentada enquantooperando na ou perto da superfície, quando a forma toroidal com baixo CofGe volumes distribuídos provê um movimento perfurador de onda eficiente oqual é resiliente para distúrbios causados pelas ondas, vento ou concha, muitomais do que seria alcançado pelos recipientes de superfície tradicionais. É departicular importância, quando operações de vigilância, captação de imagens,ou mapeamento ficariam de outra forma, comprometidas pelo movimentoinesperado do sensor surgindo das ondas, vento ou impacto de conchas. Alemdo mais, os esquemas de propulsor de vetor de empuxo gêmeo mostrados nasFiguras 2 a e 2b, 3 a e 3b, e 4 a e 4b, permitem para ajuste da superfície detopo do veículo e altura de sensores associados acima da superfície do mar.

Em configurações alternativas adicionais de cada um dosveículos acima mencionados a coroa circular pode incluir portas ou aberturas110, 111, e palhetas rígidas 112, 113, 114 em cada lado de suas duaselevações. Em um exemplo descrito na figura 5d, as palhetas rígidas podemser giradas ao redor de dobradiças 115, 116 as quais são localizadas emseções de barra toroidal as quais formam parte da estrutura do veículo, ondetrês tais palhetas podem ser usadas em cada uma das duas ou mais seções debarra toroidal em cada porta e lados dos anéis de estibordo. Embora a Figura5d descreva uma configuração particular onde as aberturas e palhetas sãocontidas dentro dos anéis, poderia ficar claro que este principio pode seraplicado também na configuração inversa (não mostrada) onde as palhetasformam parte das bordas de arrastar e conduzir dos anéis.

Um dispositivo de controle associado é usado para acionarindependentemente ou relaxar as palhetas de acordo com os objetivosimediatos do veículo e prevalecendo as condições do local. Quando relaxadasas palhetas reduzem os efeitos de correntes de fluxo transversal permitindoque o fluido eficiente flua ao redor das palhetas e através dos anéis. Aspalhetas superiores e inferiores devem ser ajustadas dinamicamente pelodispositivo de controle para introduzir efetivamente torção de asa positiva ounegativa em qualquer ou em todos os quartis do toróide, com afastamentosmodulados, com momentos de guinada e rolamento da forma da asa e,portanto, pode ser usado para estabilizar o veículo ou para induzirafastamento ou guinada ou rolamento rápidos. Em um exemplo, as palhetassão acionadas por um motor elétrico sem escova que fica dentro de um anexovedado usando um mecanismo de engrenagem de razão de redução para que aatuação da palheta em +ou - 90° de trajeto possa ser alcançada dentro deaproximadamente 0,5 segundos. É obvio que os pares de palhetas centraisrígidas podem ser usados também de uma maneira semelhante. Em outroexemplo, as palhetas rígidas podem girar em volta de um eixo o qual éorientado normal para a superfície de toróide, e as quais aproximadamenteseccionam o CofG do veículo, e onde dois eixos e palhetas rígidas associadassão incluídas, e onde e os eixos de ambos os eixos subtendem um ângulo de90°, e onde os eixos de ambos os eixos ao alinhados a 45° com relação a umplano vertical que coincide com o eixo do veículo. Mais uma vez as palhetasrígidas podem ser relaxadas, ou podem ser acionadas de forma a mover ofluido em uma direção subentendida pelo plano descrito pelos eixos de doiseixos como acoplados às palhetas rígidas. Neste exemplo, as palhetas rígidase eixos podem ser acionados diretamente pelos motores elétricos DC semescova, ou podem ser acionados indiretamente usando um mecanismo derazão de redução de engrenagem mecânica.

A alta simetria rotacional das formas de casco (como visto aolongo do eixo do casco) descrita aqui dá vantagens onde o veículo deve seroperado em um modo de rolamento contínuo. Entretanto, a invenção cobretambém configurações alternativas da invenção (não mostrado) incluindo:

• configurações nas quais as paredes internas e/ou externas docasco externo não parecem circulares como vistas ao longo do eixo do casco.Por exemplo, o casco externo pode ter uma forma em coroa circular poligonal(quadrada, hexagonal etc)

• configurações nas quais o duto é dividido em dois ou maisdutos separados por repartições adequadas.

• configurações nas quais o casco externo ele mesmo definedois ou mais dutos separados

• configurações nas quais o casco externo é evoluído a partirde um hidrofólio de fluxo laminar como um corpo de revolução em volta doeixo do casco por um ângulo menor do que 360 graus. Neste caso, o duto seráparcialmente aberto com uma abertura processando ao longo de seucomprimento. Tornando o ângulo maior que 180 graus, e preferivelmenteperto de 360 graus, o casco permanecerá substancialmente em coroa circularde forma a prover levantamento hidrodinâmico em qualquer ângulo dorolamento.

Figuras 5a-d e 12a-12c ilustram um planador submergível comum motor de controle de flutuação, mas em uma configuração alternativa, osperfis de casco mostrados nas Figuras 5a-5d ou Figuras 5a-5c podem serusadas em um planador de brinquedo submergível, por exemplo, em umapiscina. O perfil do planador da Figura 5d (sem as palhetas) é preferível nestaaplicação.

Claims (23)

1. Veículo submergível, caracterizado pelo fato de ter um cascoexterno o qual define o eixo do casco e parece substancialmente coroa circularquando visto ao longo do eixo do casco, o interior da coroa circular definindo umduto o qual é aberto em ambas as extremidades de forma que quando o veículo ésubmergido em um líquido, o líquido inunda o duto, compreendendo aindadispositivos para rolamento do veículo sobre o duto.

2. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dispositivo para rolamento do veículo sobre o duto está posicionadono duto.

3. Veículo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que o dispositivo para rolamento do veículo sobre oduto inclui um sistema de propulsão.

4. Veículo de acordo com reivindicação 3, caracterizado pelo fatode que o sistema de propulsão tem simetria rotacional sobre o eixo do casco.

5. Veículo de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4,caracterizado pelo fato de que o sistema de propulsão inclui um ou mais pares dedispositivos de propulsão, cada par incluindo um primeiro dispositivo montadoem pivô em um primeiro lado do eixo do casco, e um segundo dispositivomontado em pivô em um segundo lado do eixo de casco oposto ao primeirodispositivo.

6. Veículo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5,caracterizado pelo fato de que o dispositivo para rolamento do veículo sobre oduto inclui uma ou mais superfícies de controle.

7. Veículo de acordo com reivindicação 6, caracterizado pelo fatode que o dispositivo para fazer rolamento do veículo sobre o duto inclui um oumais pares de superfícies de controle, cada uma compreendendo uma primeirasuperfície de controle em um primeiro lado do eixo do casco, e uma segundasuperfície de controle em um segundo lado do eixo do casco oposto à primeirasuperfície de controle.

8. Veículo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7,caracterizado pelo fato de que a ou cada superfície de controle inclui umabarbatana.

9. Veículo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8,caracterizado pelo fato de que o dispositivo para rolamento do veículo sobre oduto inclui um sistema de controle inercial incluindo uma ou mais massas, cadauma das quais pode ser acelerado de forma a das uma aceleração igual e oposta aoveículo.

10. Veículo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9,caracterizado pelo fato de compreender ainda um sistema de controle de flutuação.

11. Método para operar um veículo submergível como definidoem qualquer das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de compreender:submersão do veículo em um líquido, pelo qual o líquido inunda o duto, e rolamento do veículo sobre seu eixo de casco através de uma pluralidade derevoluções.

12. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelofato de compreender ainda a manutenção do veículo com substancialmentenenhum movimento translacional ainda rolando do veículo sobre seu eixo.

13. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelofato de compreender inclinação do veículo em um ângulo para uma corrente nolíquido ainda rolando o veículo sobre seu eixo, assim gerando forças maiores.

14. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelofato de compreender ainda pulsão em um sistema de propulsão sobre um arcolimitado de revolução do veículo.

15. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelofato de que o veículo inclui um sensor, e o método adicionalmente incluitranslação do veículo ainda rolando o veículo sobre seu eixo, e adquirindo dadosdo sensor a partir do sensor mais de uma vez por revolução.

16. Método de acordo com reivindicação 15, caracterizado pelofato de compreender ainda o processamento de dados do sensor a partir derevoluções sucessivas para alcançar extensão sintética da abertura do sensor emduas dimensões.

17. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelofato de compreender ainda o sentido de proximidade do veículo em relação a umobjeto externo e controlando a posição do veículo em resposta à proximidadesentida.

18. Método de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelofato de compreender ainda um cabo se estendendo a partir do veículo.

19. Uso de um veículo submergível como definido em qualqueruma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de compreender submergiro veículo em um tubo cheio de líquido, para inspeção, reparo ou outros propósitos.

20. Método para atracar um veículo submergível como definidoem qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato decompreender inserir o veículo em um atracadouro substancialmente cilíndrico.

21. Método para atracar um veículo submergível como definidoem qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato decompreender a inserção uma projeção da doca dentro do tubo.

22. Método para manobrar um veículo submergível comodefinido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato decompreender a manobra do veículo a partir de uma doca substancialmentecilíndrica.

23. Método para manobrar um veículo submergível comodefinido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato demanobrar o veículo a partir de uma projeção de doca recebida no duto.