熱電混合動力在水下無人航行體中的應用研究

傅 強

（海軍駐昆明地區軍事代表辦事處， 昆明 650051）

熱電混合動力在水下無人航行體中的應用研究

傅 強

（海軍駐昆明地區軍事代表辦事處， 昆明 650051）

本文探討了熱電混合動力在水下無人航行體中的應用，提出了熱電混合動力需要解決的關鍵技術，進行了熱電混合動力系統技術設計并進行了相關試驗，取得了預期的效果，開展熱電混合動力在無人水下航行體中的應用研究對于增加航行體的航時、提高航程具有重要意義。

混合動力 水下 無人航行體

0 引言

水下無人潛航器UUV（Unmanned Undersea Vehicle）[1]是一種無人裝備，包括遙控水下航行器ROV（Remotely Operated Vehicle）和自主式水下航行器AUV（Autonomous Underwater Vehicle）兩類[2-4]。美國海軍對軍用UUV的最新定義：“UUV是自主推進的無人潛航器，其行動或完全自主（通過預編程執行任務，或通過適時控制調整任務），或僅需少量監視控制；UUV與其他平臺或無系留，或僅以數據廣纜系留。”[5]

UUV最早出現在20世紀60年代[3,4]，長期以來主要代替潛水員進行深水勘探、沉船打撈和水下電纜鋪設和維修。例如, 1966 年美國海軍利用遙控水下航行器偵察并參與打撈沉入地中海 870 米深的 8 枚氫彈[6]。1974年美國用“探險者”號 UUV參與打撈了沉沒在夏威夷附近海域的一艘蘇聯潛艇[4]。但直到 20 世紀 90 年代中期才開始用UUV解決水下偵察、通信和反潛、反水雷作戰中遇到的新問題。

UUV是未來奪取水下戰優勢的力量倍增器[1,2,5,7,8]。為了在未來海戰中取得優勢，各海洋大國都在開發各種用途的軍用UUV，其中美國、俄羅斯、歐洲和日本在水下航行器領域居于世界先進水平[2]。特別是美國，經過二十多年的發展，與世界上其他十幾個研制UUV的國家相比，美海軍處于領先地位，在各項關鍵技術如導航、控制、水聲通信和推進各方面都取得了一批研究成果，UUV 發展已呈現出“無人化”、“模塊化”和“智能化”三大趨勢[3，9]。

開發高性能電池，為UUV 提供充足的電力，使其具有長續航能力，是當前研制工作中面臨的最大挑戰。除了研制比能高、安全性好、費效比高、對環境無影響、可重復充電使用的電池外，熱電混合動力推進具有廣闊的前景，它可為UUV提供數天（并有望長達數周）的作業時間。俄羅斯的Тритон-НН和КТВ，美國的MRCC以及瑞典的The SEAL均使用了柴電混合動力推進。據報道，美國國防高級研究計劃局正在研制一種反潛持續跟蹤無人潛航器（ACTUV），ACTUV要求3000公里的作戰半徑和二個月的連續部署。但是在這么小的艇體上滿足大續航力所需的燃料，和解決高功率動力系統的緊湊化，在技術難度上都不小。

圖1 MRCC示意圖

1 熱電混合動力需要解決的關鍵技術

無人水下航行體采用類似于柴電潛艇的熱電混合動力系統，當其浮出水面處于通氣管狀態時，柴油發電機開始啟動工作，為電池組充電，當充電完畢后，發電機停止工作，關閉相關閥件，下潛至航行深度，它具有良好的隱蔽性，隨著載油量的增加，其航時可達數月，航程可達數千公里，相比單純依靠電池作為能源的航行體，具有極大的優越性。其工作原理與柴電潛艇一樣，但是由于其幾何尺度和排水量較小以及航行體上無人操控的特點，其系統集成設計考慮的因素就比較多，也比較復雜，需要突破解決一系列關鍵技術。

1）柴油發電機以及充電器的設計

柴電潛艇上的柴油發電機組技術已經比較成熟，其功率大，體積也龐大，不適合用于小尺度小排水量的無人水下航行體上。必須根據需要研制或者選擇適合的柴油發電機，并根據發電機和電池組的充電參數，研制配套的充電器。

2）電池能源的選擇設計

UUV在作戰中的性能和作用在很大程度上取決于續航能力。因此，能源與動力技術的研究對無人潛航器的發展至關重要。目前，UUV使用的能源包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎘電池、閉式柴油機、堿性錳/鋰電池、氯亞硫酰鋰電池等。選擇能源時，必須充分考慮機型的體積、任務使命、活動水域特點和其他方面的設計情況。綜合幾方面因素，小型UUV 選擇能量密度較高的一次性或充電鋰電池，大型UUV則可使用技術發展較成熟、成本較低的高密度燃料電池或混合動力系統[9]。

3）進排氣系統的設計

潛艇上的柴油機有一套比較復雜的進、排氣系統，如圖2所示。但是這樣一套系統用于無人水下航行體上，是不合適的，必須研制一套小型化，全自動控制進排氣系統。

圖2 常規潛艇柴油機進排氣系統示意圖

4）自動疏水系統的設計

潛艇上疏水系統又叫主水管系統，由泵、管路和附件組成，它是保證潛艇抗沉性的重要系統之一[11]。無人水下航行體熱電混合動力系統也需要功能類似的一套自動疏水系統，當發電機耐壓密封艙以及進排、氣系統意外進水時，疏水系統能夠自動啟動，將水排除艙外，確保熱電系統的安全。

5）自動均衡系統設計

當航行體在水下航行時，要使航行體保持平衡，必須滿足兩個基本要求：第一、重量等于浮力；第二、重心和浮心在同一鉛垂線上[11]。航行體在航行過程中，隨著攜帶燃油的不斷消耗，航行體的浮力和重量在隨時發生變化，對于無人水下航行體，必須時時監控這些變化并對此自動進行響應調節。為此，需要設計一套全自動的高精度均衡調節系統。

2 熱電混合動力系統設計

無人水下航行體熱電混合動力系統從功能結構來劃分主要包括艙體和熱電部分。如果是濕式水下航行體，艙體包括艙段殼體、耐壓密封艙、進氣系統、排氣系統、電氣控制系統、疏水及氣源系統、艙段管理系統等。如果是干式水下航行體，則以上的一些系統均可以布置于一個耐壓密封艙段內。熱電部分包括柴油發電機、充電器、電池組、自動供油及補水平衡系統等。

艙段殼體主要用于支撐裝有發電機的耐壓密封艙、艙段管理系統、電器控制系統、疏水及氣源系統、浮力筒等，并提供與航行體其它艙段連接的法蘭接口，提供起吊接口。為了安裝維修方便，最好采用上下開式剖分組合結構。

耐壓密封艙主要為柴油發電機、充電器、各種閥門、油箱組件等提供安裝和支撐空間和平臺，實現水下耐壓密封，同時為發電、充電電路以及進排氣系統、疏水及氣源系統等提供優化安裝接口。

進氣系統用于在通氣管狀態下為柴油發電機提供新鮮空氣，在下潛時關閉相關閥件，防止海水進入耐壓密封艙內。

排氣系統用于將柴油發電機產生的廢氣排至水中，在下潛前關閉相關閥件，防止海水進入柴油發電機內。

電氣控制系統用于對氣瓶氣體的分流、壓力檢測以及控制水泵通道閥體等的開啟和關閉等。

疏水及氣源系統包括疏水和供氣兩部分。當耐壓密封艙內由于意外進水進入集水艙達到一定高度，當液位計檢測到進水時，自動啟動水泵將水抽出集水艙外。氣源部分實現對各種閥門等氣動元件的供氣和配氣。

圖3 冷卻水與冷卻液溫升曲線圖

艙段管理系統與上位機通信，執行上位機進排氣通道啟閉、熱機啟停、充電等有關指令，監測艙內進水并自動排水，實現艙段補水平衡等。

柴油發電機包括熱機發電機、冷卻、控制等部分。熱機發電機將生物化學能轉換成電能；循環冷卻系統對密封艙內發電機進行循環冷卻，使熱機溫升控制在允許范圍之內；控制系統接受艙段管理器的指令進行啟動、停機、輸出功率調節等。充電器用于為電池組充電并進行充電管理。自動供油及補水平衡系統實現為柴油機不間斷供油以及由于油料的消耗，自動補水以實現全艇的平衡。

圖4 排氣壓力與輸出功率的關系曲線

圖5 排氣壓力與轉速的關系曲線

圖6 排氣壓力與排氣溫度的關系曲線

3 熱電混合動力系統試驗

根據熱電混合動力系統設計，進行了相關試驗，驗證了系統及組部件的功能和系統協調性。

1）水冷系統試驗

試驗中對發電機進出口冷卻水和冷卻液溫度進行采集，關系曲線如圖3所示。

2）系統工況隨排氣背壓變化試驗

進行了系統工況隨排氣背壓變化試驗，得到了輸出功率、轉速、排氣溫度與排氣背壓的關系，關系曲線如圖4、5、6所示。

3）控制系統及充電機環境箱內溫度試驗

在試驗中提取了控制系統及充電機環境溫度數據，關系曲線如7、8所示。

圖7 控制箱環境溫度與運行時間關系曲線

圖8 控制箱與密閉箱環境溫度與運行時間關系曲線

圖9 1800 rpm時輸出功率與輸出電壓關系曲線

4）發電試驗

試驗中進行了發電試驗，關系曲線如圖9、10所示。

圖10 轉速與無負載關系曲線

圖11 充電電壓電流關系曲線

圖12 在排氣壓力為150 kPa時排氣溫度與環境溫度曲線

圖13 在排氣壓力為150 kPa時轉速曲線

5）充電控制試驗

試驗中進行了充電控制試驗，曲線如圖11所示。

6）在給定排氣背壓下輸出工況變化試驗

實驗中進行了在給定排氣背壓150 kPa下輸出工況變化試驗，曲線如圖12、13、14 所示。

圖14 在排氣壓力為150 kPa時輸出功率曲線

4 結束語

熱電混合動力系統經過設計和相關試驗，取得了預期的效果，但還需要針對一些關鍵技術進行進一步研究。熱電混合動力可以大大增加無人水下航行體的航時，提高航程，開展熱電混合動力在無人水下航行體中的應用研究具有重要意義。

[1] The Navy Unmanned Undersea Vehicle (UUV) Master Plan. November 9, 2004 Approved for Public Release. Distribution Unlimited.

[2] 王蓬. 軍用UUV的發展與應用前景展望. 魚雷技術, 2009, (2).

[3] 許韋韋, 孟昭香. 新興的水下作戰平臺UUV. 指揮控制與仿真, 2006, 6.

[4] 袁思鳴, 陳強. 美國海軍水下無人航行器發展綜述.中外船舶科技, 2006,(4).

[5] 美國海軍無人潛航器主計劃分析報告. 海軍裝備研究院科技信息研究所, 2005.

[6] 蘭志林. 周家波. 無人水下航行器發展. 國防科技, 2008, (2).

[7] 郭鳳水等. 軍用UUV使命任務和裝備性能分析. 中國艦船研究, 2007, (10).

[8] 徐玉如等. 海洋空間智能無人運載器技術發展展望,中國艦船研究, 2006, (6).

[9] 孫碧嬌等. 美海軍無人潛航器關鍵技術綜述. 魚雷技術, 2006.

[10] CB/Z204-82 潛艇柴油機動力裝置進、排氣系統設計方法.

[11] 張希賢. 唐榮慶編. 潛艇裝置及系統. 上海: 上海交通大學出版社, 1996年2月第1版.

Application of A Thermoelectric Hybrid Technology to Unmanned undersea Vehicles

Fu Qiang
(Naval Representatives Office in Kunming, Kunming 650051, China)

This paper discusses the application of a thermoelectric hybrid technology in unmanned undersea vehicles, and devises the key technologies needed to solve in this area. It also designed a thermoelectric hybrid technology system and tested the related experiments, which achieved the anticipated results. It's important to investigate the application of thermoelectric hybrid technology in unmatched vehicle under water, because the technology will enhance the sailing time and distance.

hybrid electric vehicle; undersea; unmanned vehicle

TP242

A

1003-4862（2015）04-0067-05

2014-05-12

傅強 (1965-)，男。研究方向：魚雷。