Jellyfish水下空間站設(shè)計(jì)

梁菲菲

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，海洋領(lǐng)土安全越發(fā)的成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于海洋領(lǐng)土相比較于陸地領(lǐng)土更為廣闊，其區(qū)域的監(jiān)測(cè)與保護(hù)也更加復(fù)雜。隨著太空空間站模式的漸漸確立，人們逐漸嘗試海洋空間站去偵查和探測(cè)海洋領(lǐng)土。為了海洋空間站的保護(hù)和所獲信息的傳遞，設(shè)想設(shè)計(jì)一種仿水母的隱身、模塊化的水下空間站系統(tǒng)，形成海洋信息組網(wǎng)，監(jiān)聽(tīng)公共海區(qū)，加強(qiáng)沿海防御，保證我方基地、港口和航道的安全性[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)航行器主要分為四部分：母體水母1號(hào)、模擬目標(biāo)誘餌水母2號(hào)群，核心控制艙鯊魚(yú)1號(hào)和可變形、可旋轉(zhuǎn)的雙面太陽(yáng)能電池板充電裝置水母3號(hào)。水母1號(hào)作為母體，為其他部分提供場(chǎng)所；水母2號(hào)群作為誘餌，用于海戰(zhàn)；鯊魚(yú)1號(hào)作為核心控制艙，相當(dāng)于指揮中心；水母3號(hào)作為安全海域的充電裝置。

1.1 水母1號(hào)

如圖1所示，水母1號(hào)作為母體，仿水母的外形，其表面是超級(jí)復(fù)合無(wú)磁性材料或高性能吸波塑料，以減少探測(cè)聲納的探測(cè)波束，達(dá)到隱形的目的。水母艙內(nèi)容積大，可容納3-5人，潛伏在水中，作為水下空間站。航行時(shí)，觸角伸出，其觸角采用ICPF（離子導(dǎo)電聚合物薄膜）材料，該材料在需要較大彎曲位移的驅(qū)動(dòng)器方面，具有很高的潛力。根據(jù)波動(dòng)推進(jìn)理論，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)觸手產(chǎn)生駐波，利用駐波對(duì)稱抵消縱平面的波動(dòng)，使得波動(dòng)水流向后作用反推母體1號(hào)，達(dá)到平穩(wěn)前進(jìn)的效果[2]。

圖1 水母1號(hào)運(yùn)動(dòng)圖

1.2 水母2號(hào)群

水母2號(hào)群作為模擬目標(biāo)誘餌，用于海戰(zhàn)時(shí)期。水母1號(hào)釋放若干水母2號(hào)，他們之間可以相互傳遞信息，形成覆蓋面很廣的水下通信系統(tǒng)[3]，進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交換和信息交流，從而更全面的掌握整個(gè)覆蓋海域的信息（見(jiàn)圖2）。水母2號(hào)的觸手一部分作為側(cè)掃聲納，一部分作為磁感應(yīng)器，時(shí)刻檢測(cè)水母1號(hào)周圍海域的安全。側(cè)掃聲納及磁感應(yīng)器觸角使得水母2號(hào)在巡航時(shí)監(jiān)聽(tīng)范圍更廣（見(jiàn)圖3）。遇到尾流自導(dǎo)雷[4]時(shí)，四個(gè)水母2號(hào)組成平行四邊形陣列，成為模擬目標(biāo)誘餌水母2號(hào)群，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的煙火性聲納誘餌劑，有效地將尾流自導(dǎo)雷引誘到母體水母1號(hào)的安全區(qū)域，使母體水母1號(hào)脫離危險(xiǎn)。在“安全區(qū)域”后，在尾流自導(dǎo)雷距離模擬目標(biāo)誘餌水母2號(hào)群一定距離時(shí)，后方水母2號(hào)d和兩側(cè)的水母2號(hào)b和c放出反魚(yú)雷網(wǎng)[5]，引爆尾流自導(dǎo)雷，解除水母1號(hào)的威脅因素（見(jiàn)圖4）。

圖2 信息組網(wǎng)圖

圖3 水母2號(hào)巡航圖

圖4 模擬目標(biāo)誘餌水母2號(hào)群

1.3 鯊魚(yú)1號(hào)

在母體水母1號(hào)遭受危險(xiǎn)而無(wú)法及時(shí)規(guī)避時(shí)，母體內(nèi)部的核心控制艙鯊魚(yú)1號(hào)彈出，并啟動(dòng)母體雷管動(dòng)作，母體1號(hào)穩(wěn)定沉入水底，并且啟動(dòng)待發(fā)自毀裝置，等待核心控制艙鯊魚(yú)1號(hào)命令。鯊魚(yú)1號(hào)頭部為超空泡發(fā)生器，尾部為3級(jí)火箭，在逃離時(shí)頭部產(chǎn)生超空泡[6]，尾部點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃三級(jí)火箭助推系統(tǒng)[7]，以最快的速度逃離。鯊魚(yú)左右和上部的鰭可以在圖中的位置旋轉(zhuǎn)90度，這樣有助于形成超空泡，進(jìn)行全體的覆蓋，使三級(jí)火箭助推時(shí)阻力減少。圖5為超空泡火箭助推行進(jìn)狀態(tài)，圖6鰭的位置為不需要超空泡技術(shù)時(shí)正常行進(jìn)的位置。

圖5 鯊魚(yú)1號(hào)超空泡助推行進(jìn)圖

圖6 鯊魚(yú)1號(hào)正常行進(jìn)圖

1.4 水母3號(hào)

在安全海域時(shí)，母體水母1號(hào)可以通過(guò)浮標(biāo)聲納將加密的信息反饋到海面上，母體水母1號(hào)采用海洋電池和太陽(yáng)能電池板持續(xù)供能來(lái)工作，給太陽(yáng)能電池板充電時(shí)，啟動(dòng)可變形、可旋轉(zhuǎn)的雙面太陽(yáng)能電池板充電裝置水母3號(hào)，水母3號(hào)通過(guò)剛性繩索與水母1號(hào)相連，形狀像傘，由于剩余浮力水母3號(hào)能快速的上升到水面（見(jiàn)圖7），到達(dá)水面后，水母3號(hào)電池板葉片分開(kāi)，數(shù)目為偶數(shù)間隔的葉片先向上展，與之相鄰的葉片向下展，葉片整體可在水平面上繞垂直于水面的軸線（記為Z軸）旋轉(zhuǎn)，葉片輪流轉(zhuǎn)到最佳吸收位置吸收太陽(yáng)能。待正對(duì)太陽(yáng)的兩面：上展葉片的下表面（記為甲葉片群的A面），下葉片的上表面（記為乙葉片群的B面）充電完全后，交換位置，甲葉片群向下展，乙葉片群向上展，此刻甲葉片群的B面、乙葉片群的A面正對(duì)太陽(yáng)，進(jìn)行充電，達(dá)到雙面吸收的目的（見(jiàn)圖8）。充電結(jié)束后，水母3號(hào)葉片合上，恢復(fù)原先傘狀，通過(guò)水母1號(hào)縮短繩索來(lái)回到水母1號(hào)內(nèi)部。

圖7 水母2號(hào)上浮圖

圖8 水母2號(hào)充電圖

2 創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 水母仿生

水母外形似球，根據(jù)球殼耐壓理論確定水母為良好的仿生對(duì)象；再者，水母內(nèi)部可開(kāi)發(fā)空間廣闊，在搭載多負(fù)載方面具有很大潛力，為將來(lái)的海洋開(kāi)發(fā)與偵查提供了硬件支持；此外，仿生技術(shù)[8]噪聲低，擾動(dòng)小，效率高，有利于水下空間站的隱身，從而確保水下空間站的安全。

2.2 二維編隊(duì)模擬目標(biāo)誘餌

二維平行四邊形陣列，相對(duì)一維編隊(duì)，亮點(diǎn)利用率更高，更經(jīng)濟(jì)，模擬的聲磁場(chǎng)范圍更大，更強(qiáng)，更具有引誘性，機(jī)動(dòng)性更好；非拖曳式誘餌，通過(guò)與母體之間的信息組網(wǎng)來(lái)通信，相對(duì)現(xiàn)有的拖曳式誘餌，機(jī)動(dòng)性更好，能夠?qū)Ⅳ~(yú)雷引誘到更遠(yuǎn)處，解決了拖曳式誘餌不能完全將魚(yú)雷引開(kāi)的缺陷，保證了母體的安全；模擬目標(biāo)誘餌水母2號(hào)群中的水母2號(hào)d和兩側(cè)的水母2號(hào)b和c可以在距來(lái)襲魚(yú)雷一定距離時(shí)放出反魚(yú)雷網(wǎng)來(lái)捕獲并引爆魚(yú)雷，傳統(tǒng)的誘餌只起到模擬目標(biāo)，引開(kāi)魚(yú)雷的作用，不能讓目標(biāo)徹底擺脫魚(yú)雷，反魚(yú)雷網(wǎng)消除了魚(yú)雷對(duì)母體的威脅。

2.3 核心控制艙逃逸

核心控制艙鯊魚(yú)1號(hào)的兩側(cè)和背部的鰭可以在圖6位置以設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90度，這就使得其在危險(xiǎn)逼近區(qū)域能形成大面積的超空泡，減小三級(jí)火箭助推時(shí)的阻力，達(dá)到高速的目的，脫離危險(xiǎn)區(qū)后正常行進(jìn)時(shí)能保持流線型結(jié)構(gòu)，以較快速度行進(jìn)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了能源的利用和速度的轉(zhuǎn)變；再者，超空泡聯(lián)合多級(jí)火箭推進(jìn)，大大地快于現(xiàn)今的航行器，能輕易地快速逃離，有效得保證了核心控制艙的安全；此外，無(wú)法規(guī)避危險(xiǎn)時(shí)，母體1號(hào)穩(wěn)定沉入水底，成為誘餌，并啟動(dòng)待發(fā)自毀裝置，進(jìn)一步保證了核心控制艙的安全。

2.4 變形太陽(yáng)能電池板

可變形、可旋轉(zhuǎn)的雙面太陽(yáng)能電池板，與傳統(tǒng)的電池板和折疊式電池板相比，充電效率更高。

3 結(jié)語(yǔ)

和平時(shí)期：水下空間站可以進(jìn)行水下環(huán)境監(jiān)測(cè)，地質(zhì)勘探，考古等作業(yè)；在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期：仿水母水下空間站可以作為海陸空水下節(jié)點(diǎn)，帶有聲納和磁感應(yīng)器的水母監(jiān)察周圍海域的海情；帶有吸附盤(pán)觸手群的水母可以吸附在敵艦上，大范圍收集敵方信息；遇到危險(xiǎn)時(shí)，編隊(duì)并點(diǎn)燃煙火性聲納誘餌劑模擬目標(biāo)引誘并引爆來(lái)襲，魚(yú)雷保證母體安全；并設(shè)置核心控制艙的逃逸功能，保證重要信息的安全。分層次的模塊設(shè)計(jì)使航行器的使用和維護(hù)更加靈活多樣。Jellyfish 水下空間站可以長(zhǎng)時(shí)間、大深度、自主地進(jìn)行隱秘性工作，不管在和平時(shí)期還是戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期都能發(fā)揮重要作用，具有良好的前景和深遠(yuǎn)的影響。