李小濤，王 理，吳小濤，佘湖清

(中船重工集團公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

我國擁有廣闊的“海洋國土”和漫長的海岸線，海洋維系著中華民族崛起的諸多重大安全和發(fā)展利益問題，面臨著海洋權益維護、海洋開發(fā)和管理等嚴峻形勢［1］。與周邊國家島礁主權爭端、以及爭議海域的資源勘探等，急需觀測、獲取翔實的海洋環(huán)境資料。海洋的開發(fā)和利用都離不開海洋觀測等一系列基礎工作，需認知海洋空間、了解海洋現(xiàn)象、尋求反映機理、探討演變過程、發(fā)現(xiàn)海洋秘密、總結海洋規(guī)律等逐步做起［2］。波浪滑翔器是一種新型的海洋觀測平臺，理論創(chuàng)新性強，在軍事和民用兩方面都有著非常重要的研究和使用價值。

1 波浪滑翔器

波浪滑翔器是近幾年來發(fā)展起來的新型海洋觀測平臺，它兼具傳統(tǒng)水面定點浮標可以觀測海平面上氣象要素、有動力AUV可以按照規(guī)劃航路進行機動觀測、以及無動力水下滑翔器大范圍探測的優(yōu)點，創(chuàng)新性地以波浪能為主驅動力，輔以太陽能充電系統(tǒng)作為傳感器、通信和控制系統(tǒng)的電能來源，續(xù)航能力達到前所未有的高度。波浪滑翔器具備自主航行控制、數(shù)據(jù)實時傳遞、使用靈活、可遙控等功能，可實現(xiàn)對敏感區(qū)域、重點海域或特殊時期的海洋環(huán)境觀測、巡邏。

1.1 總體結構

波浪滑翔器總體上分為水面浮體、滑翔體和鏈接掛纜三大部分。水面浮體由太陽能電池板、浮體材料包圍的密封艙體、控制系統(tǒng)、電池BD、各類傳感器負載以及可充電電池等組成;滑翔體包括可轉動的翼板、翼板支撐框架及舵機組成，如圖1。

圖1 波浪滑翔器總體結構

1.2 運動機理

波浪滑翔器的水面浮體成正浮力，漂浮在水面，隨波起伏;滑翔體成負浮力，由伸縮性很小的柔性掛纜與浮體連接;波浪滑翔器整體成正浮力。由于掛纜不具伸縮性和滑翔體是負浮力，因此當浮體隨波浪下沿下落時，滑翔體隨之下潛，此時翼板受到重力和垂直于翼板的水作用力，此兩個力產生一個前向的分力，該分力即驅使滑翔體向前運動。當浮體隨波浪上升沿上升時，掛纜拉動滑翔體隨之上升，此時翼板主要受到掛纜拉力和垂直于翼板的水作用力，此兩個力同樣產生一個前向的分力，該分力驅使滑翔體向前運動。如圖2所示。

圖2 滑翔翼上升和下降時受力分析

因此，只要有波浪帶動水面浮體上升和下降，水下的滑翔體就會向前運動，從而帶動浮體也向前運動。另外，滑翔體上帶有舵板，可以控制波浪滑翔器前進的方向，并且該方向和波浪的方向無關。

2 波浪滑翔器測量優(yōu)勢

目前，海洋觀測的主要手段有現(xiàn)場直接測量、數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感。由于數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感估算的海洋物理效應數(shù)據(jù)與真實情況誤差較大。因此，現(xiàn)場直接測量方法更受關注。船只觀測付出的人力、物力、財力巨大，出航又受到天氣和海況的限制，續(xù)航能力有限，測量成本高，取得的數(shù)據(jù)無論是在空間的廣度和時間的頻度上都受到極大限制。浮標和潛標觀測系統(tǒng)在獲取海洋數(shù)據(jù)的適時變化性方面比船只觀測有優(yōu)勢，但只能定點觀測，而且錨泊布陣受成本限制一般較稀疏，而不能真實地反應海洋數(shù)據(jù)在空間上的變化性。另外，大部分潛標測量的水文數(shù)據(jù)不能實時地傳遞到岸站，只能周期性的回收數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)不能進行實時分析。水下滑翔機等運動測量平臺能比較好的彌補上述平臺的不足，可在水下大范圍機動，獲取一定深度的剖面數(shù)據(jù)，但鑒于總體尺寸與能量的局限，其擴展能力和續(xù)航力受到制約，并且無法觀測海平面氣壓、風速、風向以及波浪等要素。

波浪滑翔器具有強大而靈活的傳感器搭載能力，可探測多種水文、氣象、聲以及化學等要素。波浪滑翔器的水面浮體具有海面、海表傳感器搭載能力，通過安裝不同類型的傳感器，可實現(xiàn)對風速、風向、溫度、濕度、氣壓等水氣象數(shù)據(jù)觀測，水面浮體和水下滑翔體搭載的傳感器可實現(xiàn)溫度、鹽度、流場、浪高等海表、水下水文數(shù)據(jù)的測量。另外，根據(jù)用戶需求，還可以搭載特殊傳感器，實現(xiàn)對指定要素的探測，例如實現(xiàn)對微生物、CO2、pH值等的測量，以及實現(xiàn)對水聲的記錄等。

相對于潛標、剖面浮標等海洋觀測裝置不能完全實時傳遞數(shù)據(jù)，波浪滑翔機可以實現(xiàn)嚴格意義上的數(shù)據(jù)實時傳輸。配合對數(shù)據(jù)的及時處理，可提供更為精確的預報。另外，通過搭載水聲通信機，波浪滑翔器還可轉發(fā)水下觀測裝置的數(shù)據(jù)到岸站，同時給水下觀測裝置發(fā)送岸站指令，成為水下設施、裝備與岸站溝通的橋梁。

3 波浪滑翔器的用途

波浪滑翔器為解決目前海洋觀測面臨的范圍廣、時間長、時效性差、成本高等難題提供了一種可行的技術手段，將在以下幾個領域發(fā)揮顯著作用。

3.1 海洋動力環(huán)境研究

眾所周知，海洋動力環(huán)境變化對全球氣候起著決定性的影響。深入了解海洋動力環(huán)境變化規(guī)律，建立預測模型，是全球海洋環(huán)境科學家長期以來研究的課題，目前的研究成果距離完全掌握海洋動力環(huán)境變化規(guī)律、準確預報發(fā)展趨勢的目標還有很大的差距。海洋動力環(huán)境研究的基礎工程之一就是通過布放大量的觀測裝置獲取大范圍、長時間的水文氣象要素。目前，包括我國在內的很多國家及國際組織在不同海域布放了大量的浮標、潛標及水下滑翔機用于獲取海洋水文數(shù)據(jù)。

波浪滑翔器與浮標、潛標以及水下滑翔機等觀測裝置相比，在海洋動力環(huán)境觀測研究方面具備一定的優(yōu)勢。波浪滑翔器能按照規(guī)劃路徑，實現(xiàn)長距離、大范圍機動測量，也能實現(xiàn)虛擬錨泊定點測量;具有多界面測量能力，既可測量水下和水面要素，也可對水上氣象要素進行測量;且對測量得到數(shù)據(jù)能夠實時的傳到岸站進行分析。因此，將在海洋動力環(huán)境觀測方面大量應用。

波浪滑翔器具有較強的通信能力，能很方便的與浮標、潛標以及水下滑翔機進行組網，從而大大提高海洋動力環(huán)境探測效率和實時性。

3.2 海洋環(huán)境保護

沿海區(qū)域的水質變化，不僅對沿海居民的生活有極大影響，對沿海漁業(yè)養(yǎng)殖也影響極大。近年來，我國沿海海洋經濟快速發(fā)展，海洋環(huán)境保護形勢日益嚴峻。渤海灣“康菲”漏油及青島海域藻類泛濫等事件都導致了相關海域的生態(tài)災難。

以波浪滑翔器為基礎的海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)能為海洋環(huán)境保護提供日常監(jiān)測、事前預警以及事態(tài)監(jiān)控。在美國，波浪滑翔器已經用于在BP公司發(fā)生墨西哥灣石油泄露后的不間斷水質檢測，利用波浪滑翔器在石油鉆井平臺周圍巡游，實時監(jiān)測漏油情況。

3.3 海洋安全和維權

1994年《聯(lián)合國海洋法公約》生效，使地球表面積35.8%的海洋成為沿海國家的管轄區(qū)，管轄海區(qū)的“國土化”及控制權對海洋國家的命運具有重大影響。爭奪海洋國土、海洋資源和海洋通道的斗爭交織，形成一系列的海洋斗爭焦點。目前，世界范圍內有370多處海域存在劃界糾紛，近1000個島礁存在歸屬爭議，尤以我國的海洋安全和權益維護問題更為突出。

通過波浪滑翔器搭載相應的傳感器，可實現(xiàn)對敏感海域進行無人、長時間的機動探測和調查，獲取信息并實時傳遞到岸站，這將為我國海洋安全和權益保護提供強有力的支撐。

4 總體參數(shù)設計

Airy波理論比較清晰地描述了波動特性，且便于應用，是研究復雜波浪、不規(guī)則波理論的基礎。為了研究方便，我們將問題簡化，取二維小振幅推進波作為波浪滑翔艇的設計依據(jù)。其特點:水面呈現(xiàn)簡諧形式的起伏，水質點以固定的圓頻率作簡諧振動，波形以一定的速度向前傳播，波浪中線與靜水面重合［3］，如圖3所示。

圖3 波浪參數(shù)

單個波長余弦波的勢能為EK=1/4ρga2L，則深水波中水下某深度水質點作圓周軌跡運動r=aekz，其位置處的單位波長勢能為ER=1/4ρgr2L［4］。兩處位置的勢能差為

由式(1)可以看出:兩位置處的勢能差與波面振幅的平方成正比，與波數(shù)K成反比，與水深z數(shù)值上成正比。因此，只要水質點水下振幅小于水面振幅，水面質點和水下質點之間形成勢能差，波浪滑翔器就能利用該勢能差，并將其轉化為前進動力。

4.1 水面浮體的波浪能轉換分析

根據(jù)Airy波理論，以6 m掛纜長度為例，可計算出不同浪級時單位寬度、單位長度內的波勢能差，這些能量傳遞給波浪滑翔器。根據(jù)能量守恒定律，波浪滑翔器向前運動所需能量應該與從波浪中獲得的能量相等，由此可以估算出波浪滑翔器在不同浪級下可能達到的航速。

為了有效利用波浪能，并避免發(fā)生跨浪現(xiàn)象而影響波能的利用率，水面浮體長度應該小于1/4波長為好。海浪的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一級涌浪波長為10 m左右，波浪滑翔器以該波浪為設計目標環(huán)境，考慮到其他設備限制，取水面浮體長2.4 m，寬0.6 m。

水面浮體長2.4 m，艇寬0.6 m，上下掛纜長度6 m，則水面浮體收到的波能EE=1.44EC，即理論上水面浮體吸收到的波能為單位余弦波勢能差乘以水面浮體長寬。假設水面浮體吸收的波能只有10%能有效轉換滑翔動能，則EK=10%EE=1/2MV2，因此可以計算出波浪滑翔器在相應海況下的理論航行速度不同涌浪等級的波浪特性如表1、表2所示。

表1 不同涌浪等級的波浪特性

表2 不同涌浪等級的波浪特性

4.2 滑翔翼受力分析

由波浪滑翔器的運動機理分析得，當波浪滑翔器由波谷向波峰爬升時，由于滑翔器的重力和向上提升時的阻力，波浪滑翔器的吃水會增加。增加吃水部分的浮力用于克服水下懸掛部分向上運動的阻力。阻力的大小與向上運動速度的平方成正比。如果水面浮體提供的浮力瞬間不足以克服向上運動的阻力，則水面浮體會出現(xiàn)短暫沒入水下一定深度。波浪滑翔器向上的運動速度最終應與波浪水分子的垂向運動速度一致。也就是說，波浪產生的向上拉力等于水分子圓周運動加速度產生的加速度力。據(jù)此可以得出不同波浪等級下波浪滑翔器前進方向的分力(圖4)。

圖4 不同海況下滑翔翼的受力分析

由圖4得到的滑翔翼水平方向分力就是拖動波浪滑翔器前進的動力。1級浪高時，大概可以得到最大62.4 N的動力，運動過程中需要克服流體阻力和前進方向的風阻力，這個力是以正弦規(guī)律在變化，也就是從波谷向波峰爬升時，由零加速到最大，再減速到零。

當波浪滑翔器由波峰向波谷下滑時，水下滑翔體依靠自身重量下沉，按波浪垂直加速度加速下沉。按照目前航行阻力初步計算結果，只要有1級以上的浪，波浪滑翔器的水下滑翔翼產生的滑翔力就能使水面浮體向前航行。波峰和波谷時航速為零，峰谷中間速度最大，所以波浪滑翔器的速度是以鋸齒形方式變化。

5 結束語

波浪滑翔器利用波浪表層水質子振動幅度和深層水質子振動幅度的差異而引起的波浪勢能，將此勢能轉化為動能，從而實現(xiàn)其整體運動。波浪滑翔器在中等水深和深水環(huán)境下使用，其連接上下部分的掛纜的長度直接影響系統(tǒng)產生的勢能。既滿足波浪滑翔器足夠的運動速度(＞0.5 kn)，又確保波浪滑翔器的水下滑翔體和水面浮體不會發(fā)生運動滯后現(xiàn)象，選取掛纜長度6 m為宜。

本文闡述了波浪滑翔器的運動機理和應用前景，并從理論計算中獲取了大致的波浪滑翔器浮體長寬及掛纜長度的選取尺寸，并對該設計下的波浪滑翔器進行了運動分析，從理論上計算了其運動速度范圍。

波浪滑翔器是一種創(chuàng)新性的海洋觀測平臺，通過本文的分析可見，其原理可行。將其進行工程化，必將在海洋觀測領域得到廣泛應用。

［1］劉美琴，鄭源，趙振宙.波浪能利用的發(fā)展與前景［J］.海洋開發(fā)與管理，2011，27(3)：80-82.

［2］管軼.我國波浪能開發(fā)利用可行性研究［D］.北京：中國海洋大學，2011.

［3］WIGGINS S，MANLEY J，BRAGER E，et al.Monitoring marine mammal acoustics using wave glider［M］.OCEANS，2010.

［4］金振逸，馬少杰.基于線性波浪理論的海上浮動平臺受力及運動分析［J］.四川兵工學報，2011，32(8)：135-137.

［5］Nicholas K，Brian B.Estimation of Wave Glider Dynamics for Precise Positioning［M］.MTS，2011：1-8.