賀轍

摘 要：本文結(jié)合自主式無纜潛航器（AUV）在深遠(yuǎn)海搜尋救助領(lǐng)域的應(yīng)用，以“南海救102”號船為例，介紹了AUV的布放回收系統(tǒng)，通過對布放回收系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能分析，以及應(yīng)用過程中出現(xiàn)問題，為大型AUV布放回收系統(tǒng)的使用、維護(hù)和保養(yǎng)等提出建議，同時(shí)也可以為今后AUV布放回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為參考。

關(guān)鍵詞：自主式無纜潛航器 AUV 搜尋救助 布放回收

自主式無纜潛航器（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）作為水下搜尋和探測的主要設(shè)備之一，其布放和回收是整個作業(yè)過程中最關(guān)鍵也是最容易發(fā)生安全事故的環(huán)節(jié)。

目前國內(nèi)外大型AUV一般采用滑道式布放，配合水下自動對接技術(shù)進(jìn)行回收。由于該類型的布放回收裝置特別依賴水面船只的支持，需要為AUV配置專門的作業(yè)母船，一般搭載在科考船上協(xié)同其他深海設(shè)備作業(yè)來實(shí)現(xiàn)水下探測。而對于深海、遠(yuǎn)海搜尋救助作業(yè)的大型 AUV，專門配備作業(yè)母船將耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。因此，選擇一種合適的布放回收系統(tǒng)，在滿足深遠(yuǎn)海搜尋救助作業(yè)需求的同時(shí)，提高AUV 布放回收效率、避免回收過程不必要的風(fēng)險(xiǎn)，對于深遠(yuǎn)海搜尋設(shè)備使用人員來說具有重要的意義。本文結(jié)合自主式無纜潛航器（AUV）在深遠(yuǎn)海搜尋救助領(lǐng)域的應(yīng)用，以“南海救102”號船尾部A架作為水面支持設(shè)備，淺談大型AUV的布放回收。

1.布放回收系統(tǒng)組成

AUV布放回收系統(tǒng)主要包括：A型架、緩沖對接頭、液壓牽移裝置、布放脫鉤器、回收浮體和甲板抓鉤發(fā)生器。

1.1A架

A形架具備良好的通用性，適合AUV、ROV等各種潛航器及水下作業(yè)設(shè)備的布放回收，具有強(qiáng)度大、耐沖擊、操作簡便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且其結(jié)構(gòu)空間大，可根據(jù)不同作業(yè)設(shè)備需求配置和安裝各種輔助設(shè)施、保護(hù)裝置等。根據(jù)不同AUV的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，與之適應(yīng)的A形門架也呈現(xiàn)不同的形式，收放作業(yè)能力從幾百公斤到數(shù)十噸不等。AUV布放回收示意圖如圖1所示。

1.2緩沖對接裝置

緩沖對接裝置上主要包括主起吊絞車、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和抗搖擺阻尼油缸，具備調(diào)整潛航器布放角度、抗震和防搖擺等功能，能實(shí)現(xiàn)潛航體安全、平穩(wěn)的布放回收。主起吊絞車的起吊能力為4t，容繩量15m，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3液壓遷移裝置

安裝在集裝箱內(nèi)部的液壓遷移裝置不僅可以作為存放和固定潛航器的一個平臺，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)潛航器在集裝箱與甲板起吊點(diǎn)之間的運(yùn)轉(zhuǎn)，有效提高布放回收效率。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4其他設(shè)備

AUV布放回收系統(tǒng)還包括布放脫鉤器、回收浮體和甲板抓鉤發(fā)射器。

脫鉤器主要用來實(shí)現(xiàn)布放過程中潛航器的水下脫鉤和水上可控功能，其滿足載荷要求，能達(dá)到了潛航器布放快速脫鉤的目的，結(jié)構(gòu)如圖4所示。為避免布放下水過程中誤操作提前拉拽釋放繩或受到海水的沖擊力而使?jié)摵狡魈崆懊撱^的現(xiàn)象發(fā)生，在脫鉤器上加裝保險(xiǎn)插銷，AUV布放下水時(shí)先拉拽保險(xiǎn)繩然后再拉拽釋放繩，以達(dá)到安全可靠的目的。

回收浮體安裝在潛航器頂部，通過潛航器控制中心對其進(jìn)行自動釋放，釋放成功后，浮體脫離潛航器一定距離，浮體與潛航器結(jié)構(gòu)之間通過 30米的承重纜進(jìn)行連接。甲板抓鉤發(fā)射器原理和船用撇纜槍一樣，用于捕獲潛航器釋放的回收浮體，如圖5所示。

2.工作原理

2.1工作狀態(tài)準(zhǔn)備

（1）根據(jù)作業(yè)需求，更換起吊裝置。將緩沖對接裝置固定安裝在A架上橫梁指定位置，檢查A架及對接裝置功能一切正常。

（2）通過液壓遷移裝置，將準(zhǔn)備下水的AUV從儲存位置移至A架的預(yù)定起吊位置。

（3）檢查A架主絞車吊點(diǎn)是否在AUV起吊點(diǎn)上方位置。

（4）確認(rèn)各操作點(diǎn)人員是否到齊。

2.2布放流程

（1）將緩沖對接裝置與潛航器對接，主起吊絞車通過脫鉤器和卸扣與潛航器吊點(diǎn)進(jìn)行連接，檢查脫鉤器脫鉤和鎖緊功能一切正常后，便可起吊。

（2）操作A架擺臂將潛航器吊運(yùn)至下水點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)海況，調(diào)節(jié)母船艏向以配合完成潛航器的安全布放。

（3）指定一名操作員，選擇在海浪起伏的上升階段時(shí)，對潛航器進(jìn)行脫鉤下水。

（4）將A架擺到初始位置并斷電，AUV的布放完成。

該過程操作安全簡單，母船保持頂流狀態(tài)，只需要一名操作員來控制A架，一名操作員控制脫鉤器對潛航器進(jìn)行布放下水。

2.3回收流程

整個回收過程的工作順序主要由以下幾個步驟完成。

（1）潛航器水面拋纜。在AUV任務(wù)結(jié)束回到水面后，通過甲板通訊對其下達(dá)拋纜指令，連接潛航器的回收浮體被釋放到水面。

（2）回收水面浮體。保持母船航速和航向，慢慢靠近AUV。根據(jù)現(xiàn)場海況情況，選擇最佳抓取位置，從母船后甲板操作抓鉤發(fā)射器發(fā)射抓鉤對回收浮體進(jìn)行回收。將與回收浮體連接的承重纜帶至后甲板A架正下方，取下回收浮體。通過連接器將承重纜與A架主起吊絞車?yán)|繩連接。

（3）起吊裝置吊放潛航器。選擇在海浪起伏的上升階段時(shí)，操作絞車將潛航器從水中提起，調(diào)節(jié)緩沖對接裝置，直至潛航器與其穩(wěn)固對接。操作A架擺臂將潛航器安全回收至甲板。

整個回收過程需要2-3人對此裝置進(jìn)行操作，其中一人操作A架，一人操作抓鉤發(fā)射器對回收浮體進(jìn)行捕獲，并將其牽引至甲板與A架主起吊絞車進(jìn)行連接。

3.布放回收的關(guān)鍵技術(shù)及要解決的問題

3.1A形架布放回收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）防搖減振設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的AUV布放回收作業(yè)主要是依靠艏艉環(huán)止蕩繩止蕩拉緊配合、多名操作人員推扶配合以及與吊車操作人員配合完成，該過程需要人員較多，同時(shí)也對吊車操作人員的操作水平有較高的要求，稍有不慎便會造成潛航器的磕碰，尤其是在對非回轉(zhuǎn)體流體線型AUV或底部傳感器突出較多的AUV進(jìn)行布放回收作業(yè)時(shí)更為明顯，另外如果海況惡劣，也會引起AUV巨大晃動，極易發(fā)生磕碰，嚴(yán)重影響AUV的布放回收。

為解決上述問題，設(shè)計(jì)布放回收系統(tǒng)中的緩沖對接裝置來控制潛航器各個方向的擺動，保證潛航器布放回收平穩(wěn)，有效避免因A架操作和惡劣海況引起的潛航器的磕碰和振動。而且過程中不需要操作人員對其進(jìn)行推扶和止蕩動作，一定程度上降低了作業(yè)人員和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率。

（2）回收浮體設(shè)計(jì)

以往AUV水面母船回收方式一般是借助小艇人為對潛航器進(jìn)行掛鉤，甚至需要潛水員下水進(jìn)行掛鉤操作，操作復(fù)雜又費(fèi)時(shí)，參與人員多，且存在很多不安全因素。

為保證潛航器安全可靠回收，在潛航器上設(shè)計(jì)安裝了專門用于回收的浮體，該設(shè)計(jì)非常簡單，浮體安裝在潛航器的上表面，與潛航器之間用30米承重纜連接，潛航器浮出水面后，通過傳感器控制實(shí)現(xiàn)拋纜。操作人員只需將拋出的浮體回收到甲板上，卸下浮體，利用轉(zhuǎn)接頭將連接潛航器的承重纜與A架上的主起吊絞車進(jìn)行連接，即可完成回收，避免了大量的人力和物力。

（3）液壓遷移裝置設(shè)計(jì)

考慮到有些作業(yè)母船后甲板空間太小以及妨礙其他船用設(shè)備功能，不適合專門在后甲板布置安裝潛航器遷移軌道，而且船用吊機(jī)距離船尾布放點(diǎn)比較遠(yuǎn)，超出了起吊作業(yè)范圍，所以在儲存集裝箱中設(shè)計(jì)安裝一套液壓遷移裝置，利用液壓控制潛航器從一側(cè)遷移到指定的布放起吊位置。該設(shè)計(jì)簡單、安全、方便，避免使用吊機(jī)來完成潛航器出艙和進(jìn)艙操作。

（4）繩控脫鉤器設(shè)計(jì)

采用繩控打開脫鉤器時(shí)間短、速度快，提高了大型AUV簡易布放的安全性和布放效率。

3.2需解決問題

該套布放回收系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，依然存在很多需要從設(shè)計(jì)、維護(hù)和保養(yǎng)上去解決的問題。

（1）回收受環(huán)境影響大。水面布放回收方式一般都存在這個問題，當(dāng)海面風(fēng)浪較大時(shí)，母船可能存在嚴(yán)重的搖晃，AUV 浮出水面后同樣很難保持穩(wěn)定，浮體回收難度加大，同時(shí)加大了工作人員和AUV 的安全風(fēng)險(xiǎn)。建議通過設(shè)計(jì)簡易的水下對接裝置來實(shí)現(xiàn)AUV水下回收。

（2）自動化程度低。這是A形架布放的一大缺點(diǎn)，特別是在布放過程中，需要操作人員通過繩控對脫鉤器進(jìn)行脫鉤，增加了人力的同時(shí)也降低了AUV布放效率。建議通過專用單臂吊配合抓取裝置直接對AUV進(jìn)行布放下水。

（3）緩沖對接頭安裝難度大。對于多用途A形架，可能需要布放多套不同類型的探測設(shè)備，例如深拖、ROV以及AUV等，所以每次從其他作業(yè)切換到AUV作業(yè)時(shí)，需要在A架上安裝上AUV緩沖對接頭。需要通過岸上吊機(jī)或船用吊機(jī)配合起吊狀態(tài)下對其進(jìn)行安裝，由于船舶時(shí)刻處于非靜止?fàn)顟B(tài)，軸承與吊耳之間稍微有點(diǎn)偏差就無法對準(zhǔn)，而且兩臂間距在進(jìn)行機(jī)械加工后往往會有些許變形，間距變大或縮小都會導(dǎo)致無法完全吻合，很簡單的一項(xiàng)安裝工作可能需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。建議：在設(shè)計(jì)AUV緩沖對接頭時(shí)輔助吊點(diǎn)要充分考慮現(xiàn)場吊裝作業(yè)的效率和工作量，考慮增加機(jī)械加工和吊裝受力變形等余量，并在容易發(fā)生形變的連接裝置處加裝防形變的輔助橫梁，防止多次吊拆裝后間距發(fā)生變化。

（4）風(fēng)浪補(bǔ)充。母船的升沉運(yùn)動和潛航器在水面上隨波浪起伏也會影響潛航器的安全回收。潛航器為保證其在水下的正常作業(yè)，通常配置成中性或正浮力狀態(tài)，因此在水面上它會隨波浪進(jìn)行起伏運(yùn)動，這種運(yùn)動相對母船的升沉運(yùn)動又不一致，所以在起吊時(shí)，A架主起吊纜繩會隨著潛航器起伏呈現(xiàn)收緊和松弛狀態(tài)，當(dāng)海浪使AUV下沉而母船上浮時(shí)，主起吊纜繩會從松弛狀態(tài)突然變成張緊狀態(tài)，從而產(chǎn)生大的沖擊，可能會對潛航器、纜繩和對接裝置造成損壞。建議：緩沖對接裝置的起吊絞車設(shè)計(jì)上采取恒張力技術(shù)進(jìn)行風(fēng)浪補(bǔ)償。除了需要具有較高的起吊速度外，還應(yīng)具有起吊纜繩的恒張力控制功能，從而使起吊纜繩始終保持在張緊狀態(tài)，以減小母船升沉運(yùn)動和波浪起伏運(yùn)動對潛航器和收放系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。

4.結(jié)束語

該套AUV布放回收系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足使用要求，現(xiàn)已應(yīng)用在6000米級大型AUV的布放和回收。經(jīng)過實(shí)船操作、使用，證明整套裝置設(shè)計(jì)合理、潛航器自動拋纜安全可靠，擺脫了傳統(tǒng)依靠小艇或潛水員人工掛鉤的操作模式，提高了AUV布放回收作業(yè)的安全性和工作效率，對類似布放回收裝置的設(shè)計(jì)具有重要的推廣作用和參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾勇.UUV布放回收技術(shù)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2015，23（1）：13-16.

[2]孫葉義，武皓微.智能無人水下航行器水下回收對接技術(shù)綜述[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019， 40（1）：1-10.

[3]高智慧，周明歡，王璽培.繩控卸載下水橫梁脫鉤器的應(yīng)用[J].造船技術(shù)，2018，2： 43-46.

[4]候彬，曾釹釙.信號浮標(biāo)布放回收裝置研制[J].機(jī)械與電子，2014，6： 72-75.