軍用水下滑翔機技術(shù)方案研究*

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

水下范圍的無人自主航行器（AUV）在過去幾十年從無到有已經(jīng)發(fā)展出很多類型，囊括從基本的數(shù)據(jù)采集設(shè)備到高度復(fù)雜的無人水下航行器（UUV）。水下滑翔機作為UUV中的一類，因其特有的動力系統(tǒng)而具備超長的水下工作時間，隨著自控技術(shù)的進(jìn)步，UUV自主能力的提高，水下滑翔機逐步體現(xiàn)出其軍用和商用價值。水下航行器通過調(diào)節(jié)載體自身浮力來，為載體提供上浮和下潛動力，水下滑翔機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。水下滑翔機的典型軌跡如圖1［1]，鋸齒型的軌跡類似滑翔機一樣在海洋環(huán)境中反復(fù)下降上升。在鋸齒運動的過程中，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)。在水下滑翔機浮出水面后通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)回傳到控制中心，再下載最新指令，同時通過GPS等導(dǎo)航定位衛(wèi)星進(jìn)行定位和航路［2]。

圖1 水下滑翔機工作示意圖

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

2 國外典型商用水下滑翔機

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，科學(xué)研究

布放/回收：人工

長度：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：移動塊

能源系統(tǒng)：鋰電池

航程/持續(xù)力：4800km/6個月

航速：0.2m/s

傳感器：CTD，溶解氧測量計，熒光計、濁度計、高度計。

2.2 ANT Littoral

圖3ANT Littoral（深海型）

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

布放/回收：吊車

長度：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：移動塊

航程/持續(xù)力：185km/30天

航速：1m/s

傳感器：聲學(xué)高度計，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，科學(xué)研究

布放/回收：人工

長度：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

布放/回收：人工

長度：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/移動壓載

能源系統(tǒng)：鎳氫電池

航程/持續(xù)力：6個月

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的技術(shù)方案分析

水下滑翔機最顯著的特點一是超長的水下持續(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，不足之處是航速過慢，普遍低于1m/s。其特點能滿足大范圍長時間的戰(zhàn)場水文數(shù)據(jù)采集、水下戰(zhàn)場監(jiān)視偵查以及水下警戒預(yù)警等軍事需求。通過比較以上幾種典型水下滑翔機的技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)特點，可以在下面幾個方面對軍用水下滑翔機的技術(shù)方案進(jìn)行分析。

3.1 殼體

水下滑翔機的殼體密封性的解決將能夠大大增加水下滑翔機的可靠性和任務(wù)的持續(xù)時間。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，軍用水下滑翔機殼體應(yīng)為雪茄型。

3.2 浮力裝置

水下滑翔機的浮力系統(tǒng)建議使用電動力雙泵系統(tǒng)，通過輔泵連接主泵將工作液體從耐壓殼的儲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，單泵就可以滿足需求，但是雙泵的設(shè)計可以增加水下滑翔機的使用海域，提高工作性能。

此外，對于目前比較熱門的溫差浮力系統(tǒng)而言，雖然已經(jīng)在Slocum Thermal上使用，但是由于對環(huán)境的要求過于嚴(yán)苛，對水下滑翔機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［8]。在戰(zhàn)術(shù)使用觀點看，這大大限制了溫差型水下滑翔機在軍事方面的應(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和潛艇的干式遮蔽艙（DDS）釋放。若從潛艇的魚雷發(fā)射管自行航行出管，則只能采用類似eFolaga的泵噴型推進(jìn)器。但eFolaga在最大航速下連續(xù)航行時間只有6小時［9]，不能達(dá)到水下滑翔機持續(xù)工作的要求。綜合考慮，可利用魚雷發(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。

為了能從水面平臺和潛艇的DDS釋放，可以采用類似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持續(xù)工作時間。但穩(wěn)定翼不建議結(jié)合通信天線，因為一旦受損會影響通信效果、任務(wù)執(zhí)行和回收定位。而可更換的模塊化設(shè)計更便于航行器的運載和儲存，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。考慮到軍用型對長航時和時敏性的要求，能源系統(tǒng)需要同時滿足長時小功率輸出和短時大功率輸出兩種狀態(tài)。為了減少能源消耗，還可利用勢差變化對電池充電。

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，可以通過改變浮心和重心的間距，控制水下滑翔機的俯仰［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距離降到最小。橫滾控制通過水下滑翔機尾部上方的可控垂直穩(wěn)定舵實現(xiàn)。相比于通過控制內(nèi)部轉(zhuǎn)動滑塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這樣能大大減少了轉(zhuǎn)向時間，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水下滑翔機的傳感器模塊

目前水下滑翔機通用的傳感器包括：CTD、高度計、羅經(jīng)。此外，還有許多傳感器可以整合到水下滑翔機中。如水聽器、聲學(xué)多普勒流速剖面儀、磁傳感器、光散射衰減計等聲、光、磁傳感器，以實現(xiàn)對水下物理特性的測量和監(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，盡量減少對滑翔機其他部分的改動，避免對水下滑翔機進(jìn)行重新配置。配置時需要全面考慮功能和功耗。

3.7 通訊/導(dǎo)航

美國海軍水下滑翔機通常使用的通信導(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。這樣可以避免增加額外的專用天線，更進(jìn)一步優(yōu)化流體動力。作為借鑒，我國的水下滑翔機可以使用衛(wèi)星通訊和北斗導(dǎo)航的組合。

為提高行動的隱蔽性和集群協(xié)調(diào)配合，軍用水下滑翔機的水聲通信能力（如水下調(diào)制解調(diào)器）十分重要。多臺水下滑翔機既可以按照數(shù)據(jù)測量模式使用，又可以按照數(shù)據(jù)中繼模式使用，即把測量數(shù)據(jù)傳回通訊節(jié)點或潛艇［11]。而軍事行動為了避免發(fā)現(xiàn)，水下滑翔機是不能直接浮出水面來發(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)時間越短越好。但這樣可能會增加導(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

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

用吊車釋放過程中需要保護(hù)水下滑翔機的殼體、傳感器和側(cè)翼不被損壞。在吊車起吊和DDS中固定時也應(yīng)盡量選擇在段與段之間的加固部位，類似圖3吊帶的布置。類似圖4從甲板上用導(dǎo)軌釋放時，水下滑翔機需要承受入水時的沖擊。從潛艇的導(dǎo)彈發(fā)射管或魚雷發(fā)射管釋放，水下滑翔機后部需要有類似圖2中Spray的固定釋放部件。若用魚雷發(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。回收裝置和釋放裝置一樣。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

通過比較國外目前典型水下滑翔機的各項技術(shù)方案和性能特點，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 軍用水下滑翔機推薦結(jié)構(gòu)方案