鄧鵬李偉丁浩

（海軍潛艇學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系 青島 266199）

1 引言

水下范圍的無(wú)人自主航行器（AUV）在過(guò)去幾十年從無(wú)到有已經(jīng)發(fā)展出很多類(lèi)型，囊括從基本的數(shù)據(jù)采集設(shè)備到高度復(fù)雜的無(wú)人水下航行器（UUV）。水下滑翔機(jī)作為UUV中的一類(lèi)，因其特有的動(dòng)力系統(tǒng)而具備超長(zhǎng)的水下工作時(shí)間，隨著自控技術(shù)的進(jìn)步，UUV自主能力的提高，水下滑翔機(jī)逐步體現(xiàn)出其軍用和商用價(jià)值。水下航行器通過(guò)調(diào)節(jié)載體自身浮力來(lái)，為載體提供上浮和下潛動(dòng)力，水下滑翔機(jī)在載體浮力以及滑翔翼的作用下，產(chǎn)生向前的水平滑翔速度。水下滑翔機(jī)的典型軌跡如圖1［1]，鋸齒型的軌跡類(lèi)似滑翔機(jī)一樣在海洋環(huán)境中反復(fù)下降上升。在鋸齒運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，航行器裝載的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)持續(xù)記錄海洋的傳導(dǎo)性、溫度和深度等海洋數(shù)據(jù)。在水下滑翔機(jī)浮出水面后通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)回傳到控制中心，再下載最新指令，同時(shí)通過(guò)GPS等導(dǎo)航定位衛(wèi)星進(jìn)行定位和航路［2]。

圖1 水下滑翔機(jī)工作示意圖

隨著十幾年的發(fā)展，水下滑翔機(jī)已經(jīng)從最開(kāi)始的一種相對(duì)簡(jiǎn)單的水下航行器變得越來(lái)越精密復(fù)雜，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，但考慮到作戰(zhàn)環(huán)境、裝載條件等因素限制，軍用水下滑翔機(jī)仍然與科研型或商用型水下滑翔機(jī)有較大區(qū)別。本文結(jié)合美國(guó)海軍UUV總體規(guī)劃中UUV擔(dān)負(fù)的任務(wù)（情報(bào)、監(jiān)視與偵察、反水雷、反潛戰(zhàn)、觀察與識(shí)別、海洋學(xué)、通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、載荷輸送、情報(bào)戰(zhàn)、時(shí)敏目標(biāo)打擊）［3]，通過(guò)研究目前典型商業(yè)水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)方案［4～7]，分析軍用水下滑翔機(jī)的技術(shù)需求。

2 國(guó)外典型商用水下滑翔機(jī)

2.1 Spray Glider

圖2 Spray Glider

應(yīng)用：海洋學(xué)，環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)，科學(xué)研究

布放/回收：人工

長(zhǎng)度：213cm

直徑：20cm

翼展：110cm

航深：1500m

通信：GPS、銥星（平衡翼），ARGOS（尾鰭）

浮力系統(tǒng)：液壓泵

俯仰/橫滾：移動(dòng)塊

能源系統(tǒng)：鋰電池

航程/持續(xù)力：4800km/6個(gè)月

航速：0.2m/s

傳感器：CTD，溶解氧測(cè)量計(jì)，熒光計(jì)、濁度計(jì)、高度計(jì)。

2.2 ANT Littoral

圖3ANT Littoral（深海型）

應(yīng)用：情報(bào)，監(jiān)視，巡邏，反潛，反水雷，海洋學(xué)

布放/回收：吊車(chē)

長(zhǎng)度：2.0m

直徑：32.4cm

航深：10m～1000m

通信：銥星，802.11，GPS，GLOBALSTAR

浮力系統(tǒng)：液壓泵

能源系統(tǒng)：鋰電池

俯仰/橫滾：移動(dòng)塊

航程/持續(xù)力：185km/30天

航速：1m/s

傳感器：聲學(xué)高度計(jì)，全向聲傳感器，定向聲傳感器，聲/速度/溫度/水壓傳感器，5kg載荷艙

2.3 Slocum Thermal Glider

圖4 Slocum Thermal Glider

應(yīng)用：海洋調(diào)查，環(huán)境監(jiān)測(cè)，科學(xué)研究

布放/回收：人工

長(zhǎng)度：1.5m

直徑：21.3cm

翼展：120cm

航深：1200m

通信：射頻調(diào)制解調(diào)器，銥星，ARGOS

浮力系統(tǒng)：溫差泵

能源系統(tǒng)：海水溫差

俯仰/橫滾：移動(dòng)塊

偏航：舵

航程/持續(xù)力：40000km/3～5年

航速：0.4m/s

傳感器：CTD

2.4 eFolaga

圖5 eFolaga

應(yīng)用：海洋調(diào)查，海底地形制圖，檢查安保，環(huán)境監(jiān)測(cè)

布放/回收：人工

長(zhǎng)度：2.2m

直徑：15.5cm

空載凈重：31kg

航深：50m

通信：GPS，水聲調(diào)制解調(diào)器

浮力系統(tǒng)：液壓泵

推進(jìn)系統(tǒng)：泵噴/螺旋槳

俯仰/橫滾/偏航：水噴/移動(dòng)壓載

能源系統(tǒng)：鎳氫電池

航程/持續(xù)力：6個(gè)月

航速：1.01m/s（泵噴），2.02m/s（螺旋槳）

傳感器：電導(dǎo)率，溫度，光學(xué)傳感器，側(cè)掃聲納

3 典型軍用水下滑翔機(jī)的技術(shù)方案分析

水下滑翔機(jī)最顯著的特點(diǎn)一是超長(zhǎng)的水下持續(xù)力和航程，二是航深可達(dá)上千米甚至數(shù)千米，適用于全球絕大部分海域，不足之處是航速過(guò)慢，普遍低于1m/s。其特點(diǎn)能滿(mǎn)足大范圍長(zhǎng)時(shí)間的戰(zhàn)場(chǎng)水文數(shù)據(jù)采集、水下戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視偵查以及水下警戒預(yù)警等軍事需求。通過(guò)比較以上幾種典型水下滑翔機(jī)的技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在下面幾個(gè)方面對(duì)軍用水下滑翔機(jī)的技術(shù)方案進(jìn)行分析。

3.1 殼體

水下滑翔機(jī)的殼體密封性的解決將能夠大大增加水下滑翔機(jī)的可靠性和任務(wù)的持續(xù)時(shí)間。殼體中前部的濕艙可裝載各種傳感器（例如CTD或前視、側(cè)掃聲納），后部的干艙可安裝浮力系統(tǒng)的充氣氣囊。此外殼體表面還需處理以減少海洋生物的附著繁殖。為了便于裝載和釋放回收，軍用水下滑翔機(jī)殼體應(yīng)為雪茄型。

3.2 浮力裝置

水下滑翔機(jī)的浮力系統(tǒng)建議使用電動(dòng)力雙泵系統(tǒng)，通過(guò)輔泵連接主泵將工作液體從耐壓殼的儲(chǔ)存器中泵到外部的氣囊中。這種結(jié)構(gòu)可以在大深度環(huán)境下提高浮力系統(tǒng)的性能。如果使用海域限制在淺海，單泵就可以滿(mǎn)足需求，但是雙泵的設(shè)計(jì)可以增加水下滑翔機(jī)的使用海域，提高工作性能。

此外，對(duì)于目前比較熱門(mén)的溫差浮力系統(tǒng)而言，雖然已經(jīng)在Slocum Thermal上使用，但是由于對(duì)環(huán)境的要求過(guò)于嚴(yán)苛，對(duì)水下滑翔機(jī)的潛在使用海域限制較大。據(jù)分析，全球只有65%的海域適合使用溫差型水下滑翔機(jī)［8]。在戰(zhàn)術(shù)使用觀點(diǎn)看，這大大限制了溫差型水下滑翔機(jī)在軍事方面的應(yīng)用。

3.3 側(cè)翼和穩(wěn)定翼

任何有側(cè)翼、尾翼或泵噴的水下航行器都可以從水面平臺(tái)和潛艇的干式遮蔽艙（DDS）釋放。若從潛艇的魚(yú)雷發(fā)射管自行航行出管，則只能采用類(lèi)似eFolaga的泵噴型推進(jìn)器。但eFolaga在最大航速下連續(xù)航行時(shí)間只有6小時(shí)［9]，不能達(dá)到水下滑翔機(jī)持續(xù)工作的要求。綜合考慮，可利用魚(yú)雷發(fā)射裝置發(fā)射出管，殼體上的側(cè)翼和穩(wěn)定翼采用折疊式，出管后自行展開(kāi)。

為了能從水面平臺(tái)和潛艇的DDS釋放，可以采用類(lèi)似Slocum的側(cè)翼配置，加上可控垂直穩(wěn)定翼和雙泵浮力系統(tǒng)，這樣可在最大程度上延長(zhǎng)持續(xù)工作時(shí)間。但穩(wěn)定翼不建議結(jié)合通信天線(xiàn)，因?yàn)橐坏┦軗p會(huì)影響通信效果、任務(wù)執(zhí)行和回收定位。而可更換的模塊化設(shè)計(jì)更便于航行器的運(yùn)載和儲(chǔ)存，并可在回收后快速更換。

3.4 能源系統(tǒng)

除了溫差系統(tǒng)外，大多數(shù)水下滑翔機(jī)多使用電池作為能源系統(tǒng)，不僅為浮力裝置提供能源，還為裝載的各種電子設(shè)備提供必要的能源?？紤]到軍用型對(duì)長(zhǎng)航時(shí)和時(shí)敏性的要求，能源系統(tǒng)需要同時(shí)滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)小功率輸出和短時(shí)大功率輸出兩種狀態(tài)。為了減少能源消耗，還可利用勢(shì)差變化對(duì)電池充電。

3.5 控制

用于浮力裝置和傳感器供電的電池應(yīng)該軸向布置，可以通過(guò)改變浮心和重心的間距，控制水下滑翔機(jī)的俯仰［11]。俯仰的絕大部分控制應(yīng)由浮力裝置和側(cè)翼提供，同時(shí)改變重心和浮心的距離也能控制少許俯仰。這樣配置將俯仰控制塊在縱向的移動(dòng)距離降到最小。橫滾控制通過(guò)水下滑翔機(jī)尾部上方的可控垂直穩(wěn)定舵實(shí)現(xiàn)。相比于通過(guò)控制內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這樣能大大減少了轉(zhuǎn)向時(shí)間，尤其在需要頻繁重復(fù)轉(zhuǎn)向的操航行中可以節(jié)省能量（例如水雷偵查）。

3.6 傳感器

圖6 Slocum水下滑翔機(jī)的傳感器模塊

目前水下滑翔機(jī)通用的傳感器包括：CTD、高度計(jì)、羅經(jīng)。此外，還有許多傳感器可以整合到水下滑翔機(jī)中。如水聽(tīng)器、聲學(xué)多普勒流速剖面儀、磁傳感器、光散射衰減計(jì)等聲、光、磁傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下物理特性的測(cè)量和監(jiān)視。

為了在不改變航行器總體重量和重浮力特性下使用多種傳感器配置，需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器載荷模塊。模塊應(yīng)有成熟的標(biāo)準(zhǔn)和接口控制文件，盡量減少對(duì)滑翔機(jī)其他部分的改動(dòng)，避免對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行重新配置。配置時(shí)需要全面考慮功能和功耗。

3.7 通訊/導(dǎo)航

美國(guó)海軍水下滑翔機(jī)通常使用的通信導(dǎo)航系統(tǒng)是包括銥星和GPS的組合模塊。根據(jù)任務(wù)海區(qū)不同，模塊還安裝一套加密設(shè)備以防通信數(shù)據(jù)被攔截。此外，美軍通常在垂直尾翼上嵌入GPS/銥星的天線(xiàn)。這樣可以避免增加額外的專(zhuān)用天線(xiàn)，更進(jìn)一步優(yōu)化流體動(dòng)力。作為借鑒，我國(guó)的水下滑翔機(jī)可以使用衛(wèi)星通訊和北斗導(dǎo)航的組合。

為提高行動(dòng)的隱蔽性和集群協(xié)調(diào)配合，軍用水下滑翔機(jī)的水聲通信能力（如水下調(diào)制解調(diào)器）十分重要。多臺(tái)水下滑翔機(jī)既可以按照數(shù)據(jù)測(cè)量模式使用，又可以按照數(shù)據(jù)中繼模式使用，即把測(cè)量數(shù)據(jù)傳回通訊節(jié)點(diǎn)或潛艇［11]。而軍事行動(dòng)為了避免發(fā)現(xiàn)，水下滑翔機(jī)是不能直接浮出水面來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)或進(jìn)行定位校準(zhǔn)的，定位校準(zhǔn)應(yīng)在夜間進(jìn)行，且校準(zhǔn)時(shí)間越短越好。但這樣可能會(huì)增加導(dǎo)航誤差，因此有必要在導(dǎo)航系統(tǒng)中使用航位推算技術(shù)。如果不能保證數(shù)據(jù)或?qū)Ш蕉ㄎ坏某掷m(xù)，在基本傳感器中還要包括慣性導(dǎo)航單元，以提高導(dǎo)航精度。

3.8 釋放和回收

目前水下滑翔機(jī)的釋放回收主要有四種：在水面平臺(tái)上用吊車(chē)吊放、通過(guò)導(dǎo)軌釋放、潛艇的導(dǎo)彈或魚(yú)雷發(fā)射管釋放和發(fā)射裝置發(fā)射［12]。

用吊車(chē)釋放過(guò)程中需要保護(hù)水下滑翔機(jī)的殼體、傳感器和側(cè)翼不被損壞。在吊車(chē)起吊和DDS中固定時(shí)也應(yīng)盡量選擇在段與段之間的加固部位，類(lèi)似圖3吊帶的布置。類(lèi)似圖4從甲板上用導(dǎo)軌釋放時(shí)，水下滑翔機(jī)需要承受入水時(shí)的沖擊。從潛艇的導(dǎo)彈發(fā)射管或魚(yú)雷發(fā)射管釋放，水下滑翔機(jī)后部需要有類(lèi)似圖2中Spray的固定釋放部件。若用魚(yú)雷發(fā)射裝置發(fā)射，航行器側(cè)翼和穩(wěn)定翼需折疊，直徑要與發(fā)射管直徑相匹配?；厥昭b置和釋放裝置一樣。若在敏感海域執(zhí)行任務(wù)則應(yīng)考慮自毀功能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較國(guó)外目前典型水下滑翔機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)方案和性能特點(diǎn)，以水下持續(xù)力、航程和航深為主要軍事需求，研究了軍用水下滑翔機(jī)在殼體、浮力裝置、側(cè)翼和穩(wěn)定舵、能源系統(tǒng)、控制、傳感器、釋放和回收等方面，得到既滿(mǎn)足需求由比較合理的技術(shù)方案，總結(jié)如表1。

表1 軍用水下滑翔機(jī)推薦結(jié)構(gòu)方案