郭凌崧 蔣旭東 楊長云

（1-天津內(nèi)燃機(jī)研究所（天津摩托車技術(shù)中心）天津 300072 2-應(yīng)急管理部上海消防研究所 3-浙江鑫可機(jī)車科技有限公司）

引言

無人水面艇是一種可通過自主航行或者半自主方式在水面正常航行、并通過搭載各種任務(wù)載荷執(zhí)行指定任務(wù)及作業(yè)的水面小艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）[1]，屬于自主船舶中體型較小的一種，具有響應(yīng)快、成本低、巡航范圍大、持續(xù)時間長、安全性好、生存力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

從歷史上第一艘完整意義的無人水面艇誕生至今已有70 多年歷史，這其中，無人水面艇的發(fā)展幾經(jīng)起落。隨著衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)、自動化控制技術(shù)、新型材料技術(shù)、先進(jìn)造船技術(shù)等方面，特別是人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，無人水面艇的發(fā)展進(jìn)入了嶄新階段，使用范圍已經(jīng)從軍事用途逐步擴(kuò)展至民用領(lǐng)域，如海上貨運(yùn)與補(bǔ)給、近岸淺水區(qū)域測繪、復(fù)雜水域航行、海洋環(huán)境監(jiān)測、海上救助、海區(qū)巡航等。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和船舶智能化、無人化發(fā)展趨勢的影響以及無人艇自主控制能力的不斷提升和平臺支持能力的不斷提高，將會有越來越多的重復(fù)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性大、敏感性高、環(huán)境惡劣等不適宜由人員直接完成的任務(wù)交由水面無人艇完成，因此其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1 國內(nèi)外無人水面艇概況

國外無人水面艇發(fā)展較早，美國、歐洲、以色列等在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)品性能已趨成熟，艇型、任務(wù)呈多樣化趨勢。從產(chǎn)品種類與用途來看，目前已知的在研與已投入使用的無人水面艇中，70%以上為軍事和準(zhǔn)軍事用途。世界主要現(xiàn)役無人水面船艇簡況如表1 所示。

表1 世界主要現(xiàn)役無人水面船艇簡況

國內(nèi)在無人水面艇方面起步稍晚但進(jìn)步較快，目前處于軍品民用兩翼齊飛、軍民融合協(xié)同發(fā)展的良好階段，部分技術(shù)處于世界一流水平。

我國自主無人水面船艇技術(shù)近年的發(fā)展以自主設(shè)計(jì)的全球首艘智能商船iDolphin 38 800 t“大智”號智能散貨船和國產(chǎn)首制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的2萬標(biāo)準(zhǔn)箱級“中遠(yuǎn)海運(yùn)白羊座”號集裝箱船下水為標(biāo)志點(diǎn)，以全球首艘智能型無人系統(tǒng)母船“珠海云”號首航為里程碑。

2018 年，位于廣東珠海的亞洲首個、世界最大的無人船舶海上測試場——萬山無人船海上測試場獲得中國船級社授予的測試場服務(wù)供應(yīng)方認(rèn)可證書并啟用。

我國主要無人水面艇簡況如表2 所示。

表2 我國主要無人水面艇簡況

2018 年12 月，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部、國防科工局聯(lián)合印發(fā)《智能船舶發(fā)展行動計(jì)劃（2019—2021 年）》，明確了我國智能船舶的發(fā)展方向，提出了開展研究制定智能船舶規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南工作的目標(biāo)和任務(wù)。

2019 年5 月，交通運(yùn)輸部等七部門聯(lián)合發(fā)布《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，明確了智能航運(yùn)培育和發(fā)展的總體要求、主要任務(wù)和保障措施。

包括水面無人艇在內(nèi)的我國海上智能船舶開始進(jìn)入高速發(fā)展階段。

2 動力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

動力系統(tǒng)是無人水面船艇平臺的基本組成部分之一，動力強(qiáng)勁、穩(wěn)定可靠、維保便捷的動力系統(tǒng)是無人水面船艇遂行任務(wù)的重要保障，其重要性不言而喻。

目前實(shí)際使用中常見的動力系統(tǒng)主要有以內(nèi)燃機(jī)為代表的傳統(tǒng)動力及混合動力、以動力電池驅(qū)動為主的新能源動力、燃料電池動力等。

2.1 傳統(tǒng)動力

傳統(tǒng)動力主要指內(nèi)燃機(jī)，包括燃油和燃?xì)獾牟?汽油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等產(chǎn)品；具有燃料能量密度高、技術(shù)成熟、加速性能好，功率大、啟動快，安全可靠、耐用性強(qiáng)、品種繁多、產(chǎn)能龐大等優(yōu)點(diǎn)，是目前無人水面艇，特別是中大型、高航速無人水面艇的首選動力裝置。傳統(tǒng)動力的主要產(chǎn)品如表3 所示。

表3 主流無人水面艇動力系統(tǒng)主要參數(shù)

傳統(tǒng)動力的主要缺點(diǎn)是熱效率不高、振動和噪聲較大，排放污染較高、精確控制難度較大、無人狀態(tài)下的維修困難等。

對在國際水域行駛的傳統(tǒng)動力無人水面船艇來說，通常除需具備相應(yīng)能力以遵守國際海事組織（IMO）的“國際海上避碰規(guī)則（COLREGs）”外，還要符合IMO 的排氣污染物排放公約（MARPOL 73/78）[2]的要求。IMO 的海上航行器排氣污染物排放指標(biāo)TierⅠ、TierⅡ與更嚴(yán)格的TierⅢ排放要求已分別于2000 年、2011 年和2016 年實(shí)施。

法規(guī)要求推動技術(shù)發(fā)展。包括渦輪增壓、廢氣再循環(huán)、電噴電控、可調(diào)定時、多種燃料以及工作過程電子監(jiān)控系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等在內(nèi)的新技術(shù)都在內(nèi)燃機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用，以便進(jìn)一步改善發(fā)動機(jī)工作過程、提高燃油熱效率。目前多數(shù)船用機(jī)（組）都能夠符合IMO Tier I 的相應(yīng)要求，部分達(dá)到TierⅡ排放水平。

2.2 新能源動力

廣義上的“新能源動力”是指除去直接燃燒傳統(tǒng)化石燃料之外的所有動力形式，包括動力電池和燃料電池等電力驅(qū)動的純電動方式，風(fēng)能以及燃油-電池、風(fēng)能-太陽能-電池等組合方式的混合動力驅(qū)動類型。

純電驅(qū)動方式通常用于體型較小、航程較短、航速不高、任務(wù)載荷不大的無人水面艇。純電驅(qū)動常見的動力電池包括鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池，無人水面艇常用動力電池系統(tǒng)如表4 所示。

表4 無人水面艇常用動力電池系統(tǒng)

未來可能發(fā)展應(yīng)用包括鈉電池、釩電池、鋅空氣電池以及固態(tài)電池等。

燃料電池可將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，具有轉(zhuǎn)換效率高、清潔無污染、可控性和持續(xù)性好等特性。所具備的噪聲低、振動小的特點(diǎn)使其成為執(zhí)行特殊工作的無人水面艇較為理想的動力方式。燃料電池的主要缺點(diǎn)是氫氣密度低，需人工定期補(bǔ)能。燃料電池中最常見的是氫燃料電池，只需注入氫氣既可獲得穩(wěn)定電能輸出，在無人水面船艇方面已有應(yīng)用。燃料電池動力的缺點(diǎn)是功率小、產(chǎn)能低、成本高，且需要定期人工補(bǔ)充燃料。

太陽能、風(fēng)能等可再生能源作為推動力，主要用于駐留時間較長或無限航區(qū)、移動速度較慢、以監(jiān)測、觀察、偵聽、告警提示、通信中繼等任務(wù)為主的小型水面無人艇。

太陽能是分布于海洋表面的重要可再生能源，是最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗?。太陽能的利用可分為光熱轉(zhuǎn)換利用和光電轉(zhuǎn)換利用。其中，光熱轉(zhuǎn)換利用又分為利用循環(huán)吸熱材料把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的光熱利用技術(shù)和把太陽輻射能聚焦后間接發(fā)電的光熱發(fā)電技術(shù)。光電轉(zhuǎn)換利用是把太陽輻射能通過光伏材料轉(zhuǎn)換為電能[3]。太陽能的優(yōu)點(diǎn)是持續(xù)可再生、分布廣泛、儲量大、覆蓋面廣；缺點(diǎn)是易受環(huán)境氣候影響，且光熱轉(zhuǎn)換效率與光電轉(zhuǎn)換效率都相對較低，同時部分轉(zhuǎn)換材料易受海洋高鹽、高濕環(huán)境的侵蝕。

風(fēng)能儲量巨大，是人類最早開發(fā)利用的船舶動力。采用風(fēng)帆直接推進(jìn)航行的優(yōu)點(diǎn)是簡單、高效，缺點(diǎn)是極易受風(fēng)能分布、風(fēng)力風(fēng)向變化以及水流變化的影響，其持續(xù)性、可控性不高。目前風(fēng)能的利用方式除了直接利用風(fēng)力外，還有風(fēng)力發(fā)電推進(jìn)和風(fēng)力-太陽能等組成的混合動力裝置推進(jìn)。風(fēng)力發(fā)電是通過風(fēng)葉和發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行推進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)是除了可以產(chǎn)生行駛動力，還能夠提供一定的船載設(shè)備用電。

美國加州無人航海公司（Saildrone）開發(fā)的“無人航海探索者”（Saildrone Explorer）是一種風(fēng)力推進(jìn)的無人水面艇，用于從海洋中自主收集高質(zhì)量數(shù)據(jù)。該艇以風(fēng)力為行駛動力，艇上安裝太陽能板為裝載的設(shè)備供電，可在海上行駛12 mon。

2.3 混合動力

混合動力的特點(diǎn)是將幾種動力方式集中到一起，相互補(bǔ)充，擇優(yōu)利用。既可以將內(nèi)燃機(jī)與動力電池組合，也可以將風(fēng)能、太陽能與傳統(tǒng)動力組合，或?qū)L(fēng)能、太陽能與波浪能進(jìn)行多重組合。

混合動力系統(tǒng)綜合了內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)、風(fēng)能、太陽能及波浪能等多種能量的優(yōu)點(diǎn)，并抵消了單一動力的主要缺陷，能同時滿足速度、功率、長運(yùn)行時間、零排放、靜音和減少波動等使用要求。船只在移動時可以輕松地從一種操作模式切換到另一種，且可以不產(chǎn)生排氣污染的航行狀態(tài)穿過海洋保護(hù)區(qū)，為無人水面艇提供更高可靠性、更低維護(hù)量和更好燃油經(jīng)濟(jì)性的動力應(yīng)用選擇，大幅延長了無人艇的航程和持續(xù)行駛時間，提高無人艇的燃料有效載荷率。目前多家船用動力系統(tǒng)供應(yīng)商都提出了各自的船艇用混合動力解決方案。

美國海軍為其“斯巴達(dá)偵察兵”無人艇的動力系統(tǒng)提出“高能量密度動力源（CIHFE）”項(xiàng)目，將柴油機(jī)與動力電池包組合成混合動力系統(tǒng)，力求為該無人水面艇提供更大的航程和自持力以及更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

日本Eco Marine Power 公司的Aquarius 淺水新概念無人艇，長5m，翼展8m，采用三體船結(jié)構(gòu)，船體采用輕量級復(fù)合鋁材制造，應(yīng)用太陽能-電能混合動力，巡航時速最高6 節(jié)，能實(shí)現(xiàn)長時間自主運(yùn)行，可軍民兩用。

猴頭菌燉雞。將雞料理干凈，去內(nèi)臟，猴頭菌切片和雞共煮即可。此肴具有補(bǔ)益心脾、益氣養(yǎng)血的功效，適應(yīng)于神經(jīng)衰弱、身體虛弱之人食用。

英國自主水面航行器公司（ASV）的C-Enduro無人水面艇，艇長4.2 m，采用風(fēng)能-太陽能-柴油機(jī)混合動力，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率為720 W、柴油發(fā)電機(jī)充電功率為2.5 kW，12 塊太陽能電池板能夠產(chǎn)生1.2 kW 電力；采用雙直流電機(jī)驅(qū)動。最高航速7 節(jié)，最大航程300 海里，可持續(xù)自主航行3 mon，具有較好的綜合動力性能，主要用于環(huán)境研究。

2.4 新興能源動力

新興能源動力包括：波浪能、溫差能、鹽差能、海洋生物能等，目前尚處于研究探索階段。

波浪能是指波浪中包含的勢能和動能。無人水面艇對波浪能的利用方式主要有波浪直接推進(jìn)和波浪能發(fā)電。采用波浪能量直接推進(jìn)方式的典型產(chǎn)品，是由水面母船和水下滑行體兩部分組合在一起的、被稱為“波浪滑翔機(jī)（Wave Glider）”的新型無人艇。波浪滑翔機(jī)通過舵控制航行方向、通過波浪動能與勢能轉(zhuǎn)換的連續(xù)作用持續(xù)前進(jìn)[4]。

美國Liquid Robotics 公司在2007 年推出了一款波浪能-太陽能混合動力的波浪滑翔機(jī)，由水面母船搭載太陽能電池板提供電力，設(shè)計(jì)航速為1～3 節(jié)，可在水面長時間執(zhí)行工作任務(wù)[5]。

中船集團(tuán)七一〇所主導(dǎo)研制的“海鰩”無人艇也是波浪能-太陽能混合動力的波浪滑翔器，利用太陽能板獲取機(jī)載電氣設(shè)備的能源，具有衛(wèi)星通信定位、自主航行控制功能，能夠搭載多種海洋環(huán)境觀測傳感器，可應(yīng)用于大范圍、遠(yuǎn)距離的海面氣象參數(shù)與水動力環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、水下目標(biāo)探測以及作為水面水上通信節(jié)點(diǎn)等多重任務(wù)[6]。

波浪能發(fā)電是將波浪中的能量轉(zhuǎn)換為電能，按能量轉(zhuǎn)換方式可分為機(jī)械式、氣動式和液壓式波浪能發(fā)電，按結(jié)構(gòu)可分為擺式、漂浮式和振蕩式波浪能發(fā)電等。波浪能發(fā)電機(jī)可對多種海況下的波浪能量進(jìn)行收集，為無人水面艇的能源動力多元化提供了新途徑[7]。波浪能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是能源分布廣、可再生循環(huán)，缺點(diǎn)是能量強(qiáng)、速度慢、周期性差且極不穩(wěn)定。由于不同海況下晃動擺的頻率不盡相同，因此其發(fā)電需要進(jìn)行頻率耦合。

溫差能是利用海洋表面吸收太陽能形成的高溫海水層與海洋深處的低溫海水層之間的溫度差形成的溫差能。主要利用方式包括通過外油馕或相變材料吸收溫差能后改變形狀來提供航行動力的溫差能水下滑翔機(jī)和直接利用相變材料吸收溫差能推動發(fā)電機(jī)發(fā)電的溫差能發(fā)電裝置。

3 補(bǔ)能技術(shù)的發(fā)展

為適應(yīng)包括無人水面艇以及無人水下潛航器等在內(nèi)的無人船艇越來越趨向于多任務(wù)、大型化、大航程、長航時、高荷載、高海況條件下使用，以及減少布放和回收頻次的要求，迫切需要對無人船艇進(jìn)行有效的能源補(bǔ)充。無人水面船艇能量的補(bǔ)充方式和有效性已成為保障無人水面船艇任務(wù)目標(biāo)達(dá)成的重要條件，各種創(chuàng)新性補(bǔ)能技術(shù)都在積極探索中。

目前，國外在無人艇補(bǔ)能技術(shù)方面的研究主要集中在：自主補(bǔ)能（無人補(bǔ)給站）、遠(yuǎn)距離傳輸和環(huán)境能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的探索研究。

3.1 自主補(bǔ)能（無人補(bǔ)給站）技術(shù)

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）進(jìn)行了從固定平臺向無人水面艇進(jìn)行自主加油試驗(yàn)“快速自主燃油傳輸（RAFT）”項(xiàng)目。通過對無人水面艇在海面運(yùn)動軌跡的跟蹤后，將磁性加油裝置安放到無人水面艇上的加油接口處并完成燃油傳輸[9]。

美國巴特爾（Battelle）公司開發(fā)名為“海洋樞紐（OceanHub）”的補(bǔ)能技術(shù)，通過利用WiFi 接口和感應(yīng)線圈對無人水下潛航器進(jìn)行非接觸式數(shù)據(jù)傳輸與充電，實(shí)現(xiàn)無人潛航器（UUV）的電力和數(shù)據(jù)的水下傳輸而無需浮出水面[10]。

美國海洋機(jī)械（Sea Machines）公司完成“海上無人自主加油站”項(xiàng)目，將傳統(tǒng)駁船改造成自主平臺來為旋翼機(jī)、水面有人/無人艦艇和海岸勤務(wù)站點(diǎn)等提供能量、物資補(bǔ)給。岸上操作員通過自主控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程態(tài)勢感知能力，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮和控制。

3.2 遠(yuǎn)距離能量傳輸技術(shù)

遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)暮诵氖菍で笠约す?、微波、電磁脈沖等多種能量波的方式，實(shí)現(xiàn)能量的遠(yuǎn)距離傳遞和無接觸接收，最終轉(zhuǎn)換成電能來為水面、水下和空中設(shè)備提供遠(yuǎn)程能量補(bǔ)充。

美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）設(shè)立為現(xiàn)有的KC-135 和KC-46 空中加油機(jī)配備“翼下動力發(fā)射吊艙”，通過激光束向無人駕駛飛行器進(jìn)行電力的無線傳輸與充電的研究項(xiàng)目。

美國電動天空公司研制了名為“耳語者”的“定向無線電信號發(fā)射器”[11]。通過發(fā)射的激光/微波在接收器處聚焦并轉(zhuǎn)換，來為無人機(jī)提供kW 級電能以延長電動無人機(jī)飛行時間。

日本九州工業(yè)大學(xué)開展“電磁共振無線能量傳輸技術(shù)”研究[12]，以期提高相應(yīng)無人設(shè)備的續(xù)航能力。

3.3 環(huán)境能量轉(zhuǎn)換技術(shù)

環(huán)境能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)是，將太陽能、風(fēng)能、波浪能以及生物能等在海洋中廣泛蘊(yùn)藏的多種能量，通過光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)、熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)、微生物發(fā)電技術(shù)等新型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為電能[13-14]。

美國在此領(lǐng)域研究方向的任務(wù)提出、項(xiàng)目投資以及參與單位包括美國國防部國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）、空間與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中心太平洋分部（SSC pacific）、海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）、美國能源部、國家科學(xué)基金會以及多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。

所開展的研究項(xiàng)目包括：可將光熱直接轉(zhuǎn)化為電能的小型便攜式光熱發(fā)電機(jī)項(xiàng)目、通過加熱易于受熱發(fā)光材料，將材料發(fā)出的光經(jīng)光伏轉(zhuǎn)換成電能的小型便攜式熱光伏發(fā)電機(jī)項(xiàng)目、以海底微生物作為電極的微生物燃料電池項(xiàng)目，以及通過水下對接入塢的方式將海面能量收集平臺收集到的環(huán)境能量（太陽能、風(fēng)能和波浪能等）傳輸給AUV 的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)等[14]。

海洋蘊(yùn)藏著多種取之不竭的能量，通過開展各種能量轉(zhuǎn)換與補(bǔ)能技術(shù)研究，對無人水面船艇的整體發(fā)展具有及其重要的意義。

4 結(jié)論

1）動力系統(tǒng)是水面無人船艇的重要組成部分，水面船艇的目標(biāo)任務(wù)、工作環(huán)境、船艇大小及動力性能等是選擇動力系統(tǒng)類型的基本要素；選用高效推進(jìn)器系統(tǒng)與改進(jìn)動力系統(tǒng)熱管理技術(shù)水平是提高無人水面船艇綜合動力性能的重要手段。

2）水面無人船艇，特別是高速、多任務(wù)、中大型無人水面艇當(dāng)前的首選動力仍將是內(nèi)燃機(jī)為首的傳統(tǒng)動力；傳統(tǒng)動力用于水面無人艇需要解決的主要問題是功率密度與燃料經(jīng)濟(jì)性問題、振動與噪聲問題、紅外特征問題、排氣污染物排放問題以及故障維修問題。

3）動力電池組驅(qū)動系統(tǒng)是水面無人船艇大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用的重要基礎(chǔ)；動力電池急需解決的是動力電池的能量密度與安全性；新興能源動力基于自身特性，未來既有很大的發(fā)展空間同時也受限于有限的應(yīng)用領(lǐng)域。

4）混合動力與燃料電池是對傳統(tǒng)動力與動力電池驅(qū)動的完美替代，其良好的綜合性能將會成為未來水面無人船艇動力的重要發(fā)展方向。

5）能量補(bǔ)充技術(shù)是制約未來各類無人航行器發(fā)展的瓶頸；相對于無人航空器，無人水面船艇所處的海洋環(huán)境為能量補(bǔ)充提供了更多的可能；高效可靠的補(bǔ)能技術(shù)是未來無人水面艇大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用的重要保障。

6）軍民融合發(fā)展是未來無人水面船艇動力與補(bǔ)能技術(shù)快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)保障。