水下滑翔机技术发展现状与展望

1.1  常规UG

最早的UG是由Teledyne Webb Research (TWR)公司于1991年研制成功的Slocum^[17]。该UG经多年不断完善, 已成为当前应用最为广泛的UG产品之一。1999年美国Scripps和Woods Hole海洋研究所共同研制成功Spray, 其工作深度可达1 500 m^[18]。同年, 美国华盛顿大学研制成功Seaglider, 其采用新型技术的耐压壳体减小浮力改变量, 可有效节省能源^[19]。目前, Slocum、Spray和Seaglider是国际上的主流UG产品^[20]。近年来, 美国Exocetus公司还研发了用于浅海观测任务的ANT Littoral Glider和Exocetus Coastal Glider, 与其他UG相比, 其运行速度性能优势明显^[21]。国际上, 当前典型常规UG如图1所示, 其相应主要技术指标见表1。

图1  常规水下滑翔机

Fig.1  Conventional underwater glider

表1  典型常规水下滑翔机主要技术指标

Table 1  Major technical parameters of typical conventional underwater glider

1.2  多模式混合推进UG

针对UG运动速度慢、抗流能力相对较弱的问题, Bachmayer等^[22]首次提出了"Hybrid Glider"的概念。经过近20年发展, 混合推进水下滑翔机(hybrid-driven underwater gliders, HUG)平台技术逐渐成熟。国外已达到实用水平和商品化的HUG, 包括法国研发的Sea Explorer^[23]、Sterne^[24]和北约研制的Folaga^[25]。它们均在UG的尾部加装螺旋桨推进器, 实现多模式混合推进。

我国在HUG研发方面与国际基本同步, 也取得了关键性技术突破。天津大学经多年研发, 完成了HUG "海燕-II"(Petrel-II)的研制, 在工作深度、航行速度方面具有一定优势^[26-27]。同时, 中国科学院沈阳自动化研究所也开展了HUG的单元技术攻关, 部分关键技术获得突破。当前国内外典型HUG如图2所示, 相应主要技术指标见表2。

图2  典型的混合推进水下滑翔机

Fig. 2  Typical hybrid-driven underwater glider(HUG)

表2  HUG主要技术指标

Table 2  Major technical parameters of HUG

1.3  深海UG

美国华盛顿大学为突破UG深度极限, 通过采用碳纤维复合材料耐压壳体, 研制出了用于监测深海环境的大深度UG——Deep Glider, 其设计工作深度6 000 m, 可搭载温度、盐度和溶解氧等多种任务传感器^[28], 并实现了工作深度近6 000 m的实际应用。

国内, 中国科学院沈阳自动化研究所于2017年研制成功7 000 m级“海翼”深海UG, 并在马里亚纳海沟完成了6 329 m大深度下潜试验^[29]。青岛海洋科学与技术国家实验室自2016年实施“问海计划”项目, 支持天津大学和中国船舶重工集团公司第710研究所等多家单位进行4 000 m级深海UG关键技术攻关, 已研发完成的深海UG 4 000 m级样机于2018年4月成功开展系列化的海上试验验证。同期, 天津大学的“海燕-10000”首次下潜至8 213 m, 刷新了此前也是由我国深海UG保持的世界纪录。当前国内外部分深海UG如图3所示, 相应主要技术指标在表3中列出。

图3  深海UG

Fig.3  Deep-sea UGs

表3  深海UG主要技术指标

Table 3  Major technical parameters of deep-sea UGs

1.4  飞翼UG

美国Scripps海洋学研究所和华盛顿大学联合在2003年开发了Liberdade级翼身融合大型UG^[30]。该类UG分为声学滑翔机X-Ray和Z-Ray, 是世界上已知体积和质量最大的UG^[31]。

1) X-Ray 

X-Ray是一种基于"飞翼"设计的UG, 其整体结构如图4所示。X-Ray翼身融合, 设计独特, 可实现翼展水平距离最大化和功率消耗最小化, 最大限度地提高其探测和定位能力, 并在蒙特利湾开展了相关的海试应用^[32]。

图4  X-Ray水下滑翔机

Fig. 4  X-Ray underwater glider

2) Z-Ray 

Z-Ray是X-Ray的改进型, 搭载有声学传感器, 其主要功能是跟踪和自动识别海洋哺乳动物[33]。Z-Ray升阻比为35: 1, 具有良好的姿态控制和航行能力, 目前已应用于圣地亚哥海底被动声学自主监测海洋哺乳动物计划(passive acoustic autonomous monitoring of marine mammals program), 如图5所示。

图5  Z-Ray水下滑翔机

Fig. 5  Z-Ray underwater glider

美国X-Ray和Z-Ray两型号翼身融合设计的UG, 与传统UG相比融合了展弦比大的机翼, 可提供更高的升阻比, 并提升能源利用效率, 但降低了内部空间利用率。因此, 在提高UG水动力性能的基础上, 尽可能地增加内部空间, 是翼身融合UG的设计难点和需要突破的技术方向。

在国内, 孙春亚等^[34]针对翼身融合UG的设计难点, 以最大航程为目标对UG外形设计进行优化, 提高了UG的升阻比并增大了机体体积, 兼顾了高水动力性能和大能源携带量两方面的需求; 何衍儒等^[35]使用非支配排序多目标遗传算法对翼身融合UG机身结构进行了质量和外形的多目标设计优化, 其结果对翼身融合UG机身结构优化设计具有一定工程参考价值。

1.5  温差能UG

温差能驱动UG是指利用水域表层与深层的温度差实现动力驱动功能。美国TWR公司是国外唯一开展温差能UG的研究机构, 已完成了4代样机的研制^[36]。其于1988年研制出世界首台温差能驱动UG原理样机, 通过水域试验验证了温差能UG方案的可行性^[3]; 于2005年研制成功了具备连续俘获海洋温差能, 执行远航任务能力的第2代Slocum Thermal WT01^[37]; 2008年, 第3代Slocum Thermal研制成功, 其温差能换热器性能有了较大提升, 换热器基本定型^[38]; 并于2013年研制成功了第4代Slocum Thermal E-Twin温差能驱动UG, 其具有将温差能转化为电能的功能, 可为主控等耗电系统供电, 且不受自身携带电池能量的限制^[39](见图6)。

图6  4代Slocum温差能水下滑翔机

Fig. 6  Four generations of Slocum underwater glider

国内, 天津大学自2002年开始进行温差能驱动UG的关键技术攻关。2005年7月, 其温差能UG在千岛湖进行水域试验, 完成了25个剖面运动后回收^[40-41]。2006年, 王树新等^[6]对此温差能UG进行了动力学分析, 为温差能UG技术的进一步发展提供了理论支撑。目前, 天津大学已开发出温差能UG的工程样机, 并在2015年实现了连续700余公里, 200余剖面的海上应用。

温差能UG利用相变材料(phase change material, PCM)的热胀冷缩获取海洋热能, 并将其转化为机械能或电能, 以实现浮力驱动。其中相变材料对周围海水温度变化敏感, 可通过增加位移和降低UG滑翔角的绝对值来消除主温跃层对热机性能的负面影响并提高UG的相关性能^[42-44]。Xia等^[45]分析了PCM熔化凝固的新型数学模型, 验证了熔融率与胶囊过冷度的影响因素, 其研究结果为温差能UG的设计提供了有用信息。在热机的基本原理上, Ma等^[46]建立了系统压力与相变率之间关系的非线性模型, 综合分析了影响系统压力和储能的因素。此外, Zhang等^[47]还介绍了一种独特的层间热机, 其可有效提高温差能UG的换热效率。

1.6  波浪滑翔机

严格来说, 波浪滑翔机(wave glider)利用波浪能实现驱动, 只能完成水面表层观测, 但其弥补了传统UG信息采集的盲区, 是对采用传统运动原理UG作业区域的补充, 是一种特殊的UG。波浪滑翔机最早由美国Liquid Robotics公司于2009年成功研发, 命名为Red Flash, 并完成了一系列海上试验^[48]。2011~2013年, 该型波浪滑翔机穿越太平洋, 打破了“无人船”最远航程的世界纪录。Red Flash波浪滑翔机由水面船和水下滑翔动力机构两部分组成, 其整体结构如图7所示。

图7  波浪滑翔机

Fig. 7  Wave glider

我国对于波浪滑翔机的研究起步较晚。为增强我国海洋探索能力, 中国船舶重工集团公司第710研究所于2017年成功研制出了具有国际技术水平的波浪滑翔机“海鳐”, 并于同年6月成功海试, 见图8。同期, 桑宏强等^[49]共同参与的大型“黑珍珠”和小型“海哨兵”波浪滑翔机也研制成功并通过海试, 目前可小批量生产。

图8  “海鳐”波浪滑翔机

Fig. 8  “Sea Ray” Wave glider

浮力驱动系统作为UG的关键部件, 是一套机、电、液耦合的液压驱动和体积调整系统, 直接决定了整机的性能与可靠性, 并影响UG的航速、航程和可控性。浮力驱动系统通过改变外部油囊的体积来改变UG的净浮力, 根据外部油囊体积的改变方式分为2类: 一类是利用液压泵改变外部油囊体积或移动活塞来改变总排水体积的液压方法^[4-5], 如Slocum 电动滑翔机采用的单冲程柱塞泵方式和Seaglider、Spray滑翔机采用的往复式活塞泵方式; 另一类是通过PCM的热胀冷缩改变外部油囊体积的热机方法^{[6, 17]}。热机方法可直接从环境中获取实现自身沉浮所需要的能量, 极大减少了能量消耗, 但受到不同海域温跃层深度的限制。而利用液压泵改变外部油囊体积的液压技术相对较成熟, 目前美国Slocum、Seaglider、Spray、ANT水下滑翔机以及法国Sea- Explorer, 其浮力驱动系统主要技术指标与天津大学开发的“海燕”UG对比情况^{[19, 25, 50-51]}见表4。

表4  典型水下滑翔机浮力驱动系统技术指标

Table 4  Technical parameters of typical UG's buoyancy driven system

同时, 为了满足深海探测技术的需求, 美国的Deepglider滑翔机^[52]、新西兰Otago大学研制的UnderDOG UG, 以及日本海洋工程技术中心研制的大潜深2 100 m的高压浮力驱动系统均采用以微型轴向柱塞泵为核心的高压浮力驱动系统^[53-55], 可见深海UG浮力驱动技术在大深度UG研发中的重要地位。

2.2  姿态控制技术

UG是一个由壳体、姿态调节及浮力调节等系统组成的多体系统。其中姿态调节系统是UG的重要组成部分, 一般分为"仅内部姿态调节技术"和"尾舵结合内部姿态调节技术"两类。内部姿态调节系统通过控制舱内质量块的移动实现对整机重心位置的调节, 从而达到有效的姿态控制, 其设计的优劣直接影响UG的性能。

1) 仅内部姿态调节

仅内部姿态调节系统由俯仰调节机构和横滚调节机构构成。其中, 俯仰调节机构通过控制质量块在UG轴线方向上的移动, 实现UG按照设定的滑翔角度沉浮; 横滚调节机构则通过控制偏心质量块的周向转动调节UG的转向。通过控制舱内质量块轴向平移和周向转动的内部姿态控制方法, 适用于深海UG, 如Spray^[5], Slocum thermal^[56], Seaglider^[4]和Deepglider^[28]滑翔机等均采用直流电机驱动偏心质量块的方式进行姿态调节, 且质量块通常为UG机舱内的电池包。国内天津大学研制的Petrel-II UG的姿态控制亦采用了这种方式, 将姿态控制系统置于UG壳体之内, 因此不必考虑姿态调节系统的高压密封问题。

2) 尾舵结合内部姿态调节

通过采用舱内质量块轴向平移和附连到UG尾部的方向舵尾舵调节姿态的UG结构相对简单, 适用于执行地形地貌相对复杂的浅海水域任务。例如电能驱动Slocum UG采用步进电机调节尾舵转向, 进而控制UG的转向^[3]。中国科学院沈阳自动化研究所研制的"海翼"号UG的姿态控制方式与电能驱动Slocum UG相似, 也是通过步进电机调节尾舵实现转向, 从而调节UG的航向^[57]。

2.3  多模混合推进技术

目前, 多模HUG的研究已经成为国际性研究热点之一。由于其较好地补充了传统UG航速低的问题, 在航速、功耗、航程、寿命及机动性和隐身性等方面综合性能优良, 可以满足更为广阔的应用需求。目前, 多模HUG均采用浮力驱动为主, 辅以螺旋桨推进或喷水推进等, 在传统水下滑翔运动之外, 实现动力滑翔、水平推进等功能, 一定程度上提高了UG的运动速度和机动性, 丰富了UG的运动模式。但上述功能的实现也不可避免地增加了UG的能耗, 减少了其续航能力。为此, UG的混合推进功能更多是针对具体的任务需求, 在平衡机动性和续航能力的基础上进行总体优化设计。多模混合推进的设计方案, 一定程度上会造成UG运动失稳, 为此对UG运动稳定性和操控性均提出较高要求, 是需要解决的关键技术。针对此类难点, 天津大学对HUG的运动模式和稳定性进行系统分析^[58-60], 设计开发了有翼HUG"海燕"^[61-63]; 哈尔滨工程大学则设计了具有塑料外壳和水射流推进器的水下航行器^[64-66]; Yue等^[67-71]也设计开发了类似的水下航行器。

2.4  轻量化耐压壳体技术

UG在水中运行时, 其所承受的海水压力与下潜深度成正比。在承受外压情况下, UG壳体发生变形, 会引起所受浮力的变化和耐压壳体的失效。在确保壳体强度和稳定性的同时, 尽量减轻壳体质量并扩大内部空间和负载能力, 是最为理想的UG壳体优化技术。因此, 对UG耐压壳体的结构进行优化设计也尤为重要^[72]。为了使耐压壳体既满足工作需要, 又具有相对较轻的质量, 王兵振等^[73]对UG耐压壳体进行了结构参数分析, 扩大了UG中段的舱内空间, 减轻了壳体质量。田文龙等^[15]通过对UG壳体和机翼的设计优化, 提出了一种新型高速UG, 并通过仿真分析验证了其设计方法的优越性。而Song等^[74]在优化UG主体外形和改进壳体材料的基础上, 使用有限元分析对UG耐压壳体进行了结构分析和尺寸优化。通过对UG二次开发, 自动生成了多气泡压力舱结构的参数化模型, He等^[75]则利用克里金插值法和非支配排序遗传算法对UG多气泡压力舱进行了多目标优化。