水下無人運輸平臺關鍵技術及發展趨勢

王書玉，張 瑋，李 磊

(海軍研究院, 北京 100171)

0 引 言

近幾年，人工智能、自動駕駛及導航技術的進步使得無人運輸系統迅速發展，在水（面）陸空三種領域中產生了無人船、無人車以及無人機的新型運輸工具和模式，同時大型無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）的發展使得水下貨運成為新的運輸方式，有望形成水下、水面、陸地及空中全方位運輸系統[1-2]。

得益于相關科學技術的進步及軍事需求，大型UUV近些年發展起來。不同運輸方式具有不同特點[3-7]，其中水下物資運輸能夠直接避免被空天偵察設備探測，并且相比于潛艇等水下物體，其體積較小，被聲吶探測的幾率也要小很多，因此在戰時，其物資輸送能力更加重要。

美國DARPA曾在2013年發布“水螅計劃”項目招標文件，旨在開發一種戰場上隱蔽運輸并部署小型無人機和UUV的大型UUV，如圖1所示。擬采用開放式標準模塊化技術, 使母艇具有可擴展性和低成本,能夠根據海軍作戰要求進行快速反應。

圖1 “水螅”UUV內部結構圖Fig.1 UUV structure

水下補給運輸方式不受海況和氣候影響，同時具備隱蔽性等獨特優勢。本文從水下無人運輸平臺的研發現狀出發，重點分析研發水下無人運輸平臺面臨的關鍵技術及難點，為后續的實際工程研究提供參考。

1 水下無人運輸關鍵技術及難點

1.1 動力推進技術

水下無人運輸平臺完成貨物裝載后，離開碼頭并駛出潟湖，相較于外海，潟湖內空間閉塞，并有船舶等障礙物，需完成轉向、離港動作，對低速可操縱性要求較高。全驅動運輸平臺操控靈活，但是其控制系統過于復雜、耗能較高，眾多的推進器也大量擠占了運輸平臺的運載區、能源區的空間，降低了運輸平臺的效能比。因此，大型無人運輸平臺多采取欠驅動設計，常見的有主推進器+鰭舵或單矢量推進器2種驅動方案。

一般鰭舵主要布局有十字型和X型，如美國波音公司設計的Orca LDUUV就采用了主推進器X型鰭舵，4個鰭舵呈X型正交布置、舵軸中心線 UUV中對稱面呈±45°夾角，如圖2所示。十字型舵與X型舵結構相似只是布置角度不同，這種主推進器+鰭舵的推進效率高，技術成熟，缺點在于舵效隨推進速度的降低衰弱明顯，運輸UUV在潟湖內低速航行時，無法實現快速機動躲避障礙，容易造成危險。矢量推進方式是指通過轉動推進器或者導流片來改變尾流方向，產生多個自由度的運動力和力矩，在低速下具有良好的姿態控制效果。如美國藍旗金槍魚公司生產的Bluefin系列UUV均采用矢量推進方式，如圖3所示。這種推進器除了在直線方向提供推力外，還能同時或單獨控制UUV的縱傾、首搖，且轉向性能與速度大小相關性弱，低速轉向性較好[8]。

圖2 美國波音公司 Orca LDUUVFig.2 Boeing Orca LDUUV

圖3 美國Bulefin系列AUVFig.3 American Bulefin series AUV

泵噴推進一般在船舶推進比較常見，一般推力較大，效率也比較高，在高速下相比螺旋槳推進器對空泡現象承受度較高，可以通過改變噴射方向或者鰭舵實現多自由度控制，其缺點在于僅有尾部能提供轉向力矩，應用于運輸UUV入塢、靠岸時需較長的規劃路徑進行位置擺正，否則容易出現橫向速度較大，姿態擺正不及時的問題[9]。

結合控制難度和結構設計情況，大型水下無人運輸平臺可采用尾部矢量推進器和首部側向推進器結合的推進方案，加強其低速操縱性，減少靠岸時用于擺正位置的路徑消耗，快速靠岸，以適應島礁潟湖面積小、障礙多的特點。

1.2 模塊化載貨箱適配設計

1）載物箱儲存功能設計

運輸平臺運輸的物資多樣，一般包括彈藥、血漿、藥品、食品、淡水、燃料、電子元件等，這些戰略物資對于防潮、防腐、防振、低溫等貯存條件的需求各不相同，為確保運輸過程中物資安全[10]，送達后物資狀態良好，不致失效，需要對載物箱進行針對性設計以滿足物資對貯存條件和運輸條件的的差異性需求，并符合相應技術標準。

如德國大排量模塊化水下航行器項目（MUM）中，蒂森克虜伯海洋系統公司為MUM運輸的物資設計了如鋼瓶、氣囊、復合材料減震箱等多種內包裝[11]，如圖4所示。通過在外部框架設置多條張力纜編織成網的方式，將內包裝限制在一個較小的運動空間內實現固定。相較于如卡扣、螺釘等機械固定，這種張力纜結構的優點有：張力纜能夠隨著內包裝形狀差異產生適應性變化，通用性好；多條張力纜由框架的不同節點出發交織在一起形成穩定的包絡面，固定效果好；取放物資時僅需要改變張力纜的固定狀態，不需要拆解框架結構，物資裝卸方便。

圖4 MUM項目的載貨箱Fig.4 Cargo containers for MUM project

2）載物箱結構功能設計

水下無人運輸平臺在水下行駛時承受著巨大水壓，高強度承壓殼體十分厚重且制造成本高昂，因此大中型水下無人運輸平臺多采用非耐壓結構設計，僅對部分關鍵模塊設計耐壓殼體及水密艙[12]。為最大化載物空間，水下無人運輸平臺載物區設計為非耐壓結構，物資盛放在載物箱內濕式運輸。

載物箱的結構設計一方面應具備足夠的強度和剛度，能夠承受吊放、回收及使用過程的載荷，另一方面應具備低質量特征，以增加UUV的有效負載能力，進而提升整體性能。此外，非耐壓承載結構還應具有較高的固有頻率特征，以提高系統的動態穩定性。在運輸UUV中，為了最大化運輸空間、提高載貨箱模塊通用性[13]，UUV往往要設計成殼體較薄、橫截面為矩形的結構。運輸UUV貨艙區的結構剛度主要由載貨箱骨架承擔，因此需要設計質量輕薄、結構剛度較高且便于裝卸的標準尺寸桁架結構作為載貨箱骨架，如圖5所示。美國MUM項目的載貨箱骨架使用先進復合材料制成的載貨箱骨架使用了六面體三角形桁架結構，一端開口用于物資裝卸，載物箱尺寸未標準化設計，不同型號的載物箱尺寸均為最小單元尺寸的整數倍，便于根據需要排列組合，利于集運化運輸、儲存[14-15]。

圖5 MUM項目的載貨箱骨架Fig.5 Cargo box framework of MUM project

1.3 智能航行技術

1）自主航行

要實現自主航行，首先需要感知外在環境和運動信息，建立類人理解模型，解釋航行要素，分析風險級別；其次，需要規劃航線，制定航行策略。最后，設計航行控制器以實現對水下運輸平臺的航行控制。

智能水下無人運輸平臺發展的目標是自主駕駛，然而，在此之前，智能水下無人運輸平臺將處于預編程駕駛階段。自主航行駕駛問題復雜，涉及信息感知、態勢認知、航行決策多個維度，需要逐一深入研究解決。

2）靠離泊與錨泊

靠離泊和錨泊屬于運輸平臺航行中的典型復雜工況，長期來看，靠離泊和錨泊可以實現無人化。無人靠離泊可以借助碼頭真空吸力設備以及擁有動力定位實現，而錨泊則需要借助自動錨泊機替代人工錨泊。但在此之前，無論是靠離泊還是錨泊，都將經歷由遠程操作實現的階段。

1.4 動力能源技術

續航力就是海上運輸平臺的生命力，現有水下運輸平臺多采用蓄電池動力，續航力普遍僅有10～40 h，大大限制了其作業效率。目前，世界各海洋強國均投入大量資金用于開發新型電池，主要技術路線如下：

1）開發高功率密度電池

美國LDUUV項目要求燃料電池容量達到1.8 MW·h，比能量達到1 (kW·h)/L，從而將續航力增加值70 d，期間可加注燃料實現多次啟停[16]。美國通用原子公司的高功率密度鋰離子容錯（LiFT）電池（見圖6），具有模塊化設計和單節電池容錯功能大大提高了使用安全性，由于LiFT具有被動安全功能，自身能保持在安全溫度下運行無需外加冷卻系統，降低了能源模塊的重量和復雜度，處于世界領先水平，獲得了美國Snakehead LDUUV項目的合同[17]。

圖6 Snakehead LDUUV及其LiFT電池Fig.6 Snakehead LDUUV and lift battery

美國麻省理工大學與L3 Techologies公司聯合開發了鋁-海水電池，該電池由活性鋁陽極、堿性電解質和多種元素合金陰極組成，海水作為氧化劑參與電池系統的電化學反應，在陰極被分解成氫氧離子和氫氣，氫氧離子與鋁陽極相互作用產生氫氧化鋁并釋放電子，為電路提供能量，氫氧化鋁和氫氣作為無害廢物被排出UUV。該電池僅在充滿海水時被激活，可在各種極端條件下表現出惰性，安全性高于鋰離子電池，其功率密度最高可達950Wh/L，具有較好的的發展前景[18]。

2）利用海洋能源充電

美國2009年研發出SOLO-TREC無人潛航器，是世界首個溫差能驅動的無人潛航器，主要用于環境監測、海洋科學勘察、海洋學研究等，如圖7所示。這種潛航器重84 kg，可在海平面與500 m深處往返運行。SOLO-TREC無人潛航器利用體積隨溫度變化的相變材料為蓄電池充電，相變材料在海平面時遇熱體積膨脹，在深海時遇冷體積縮小，相變材料與油囊結合使用，膨脹/收縮過程中產生的高壓油可收集起來，定時釋放，從而驅動液壓馬達發電，每次潛水可給電池充電約1.6 Wh。由于海洋溫差沿豎直方向分布，因此溫差能充電系統并不適用于長時間定深巡航的運輸UUV，但可以水下充電站相結合組成海上無人充電網絡，為運輸UUV提供充電服務。

圖7 美國SOLO-TREC無人潛航器及其溫差能發電系統Fig.7 SOLO-TREC unmanned underwater vehicle and its thermoelectric power generation system

1.5 重力重心調整技術

大排量欠驅動運輸UUV由于其運載的物資大小、形狀、數量各不相同，滿載航行時易出現重量分布不均勻、載荷配置不對稱的情況，使重心的實際坐標與設計坐標產生偏差，在實際航行過程中，UUV不得頻繁修正由于重心偏差造成的姿態不良現象，這不僅消耗了大量的能源，還對航行的安全性造成了嚴重的威脅，因此運輸UUV必須具有一定的重心糾偏能力。目前，較為成熟的UUV重心調節方案主要分為改變重力大小和調整質量分布2種。

1）改變重力大小

通過控制壓載水艙的吸、排水，調整壓載水艙的重力進而調整UUV在水中的姿態，其不足之處在于壓載水艙吸排水的同時會改變UUV的整體重力，破壞UUV在水中的中性浮力狀態，改進方案是采用分散布置的多個獨立壓載水艙，如美國巴特爾公司研制的Proteus雙模水下運載器（DMUV），如圖8所示。其艙內設有6組環形布置的壓載水艙，能在自動配平系統的指導下，自適應的調節各水艙的水位高度，同時調整UUV的自身重力及質量分布，補償由于運載人數、貨物重量不同、位置分布不合理造成的重心偏移，大大提高了航行穩定性。獨立壓載水艙不僅能用于運輸UUV的重心調節，還廣泛用于UUV進行無動力升沉、定深巡航、作業姿態調整等方面，具有重力調節范圍大、可靠性高的特點，缺點在于控制系統復雜、空間占用較多，嚴重擠壓了運輸UUV的物資運載空間。

圖8 美國Proteus DMUV 及內部環形壓載水艙Fig.8 Proteus DMUV and internal annular ballast tank

2）調整質量分布

調整質量分布是指移動UUV內部重塊位置，調整UUV的重心坐標。UUV內部重塊的調整方向有沿Y軸運動和沿X軸運動2種。沿Y軸調整內部重塊位置主要為了增加UUV的轉向性能，如美國佛羅里達大西洋大學的學者Bo Li提出，在UUV內部設置沿Y軸運動的配重塊并在UUV轉向時移向轉角內側（見圖9），產生繞x軸的力矩使UUV在轉向時同時產生首搖和橫搖，其原理類似于戰斗機高速轉向時飛行員同時操作方向舵和副翼，使轉向角外側機翼上抬，提升航行器轉向性能[19]。

圖9 可移動配重塊Fig.9 Movable counterweight

沿X軸調整內部重塊位置為了調整重心與浮心在X軸的投影點坐標，調整UUV俯仰力矩，多見于水下滑翔機及一些特種UUV，如中國計量大學設計的MSAUV，其具有多級可分離功能載荷艙，可根據需要隨時分離、布放，如圖10所示。載荷艙呈負浮力，分離后剩余部分重心與浮心在X軸上的投影不重合，產生力矩使UUV發生縱傾，此時電機驅動作為重塊的電池艙前移，彌補重心偏移量，使UUV重回穩定狀態。大排量運輸UUV內部空間充足，能利用物資排列間隙容納大行程的XY二軸重心調節滑臺，通過移動多個配重單體的位置調節UUV重心，具有重心調節靈敏度高、對偏置載荷的適應性強的優勢，缺點在于無法引入外部載荷，不能進行重力調節[20]。

圖10 可分離功能載荷艙Fig.10 Separable function load module

運輸UUV由于運載補給物資種類、數量不固定，盡管在進行物資裝載時，后勤人員會嚴格按照預定的方案進行貨物配裝，但無法避免出現偶然誤差，造成重力與浮力不相等、重心與浮心在X-Y平面投影不重合的現象，為實現安全、低耗航行帶來困難，因此運輸UUV的需同時具備重力調整、重心糾偏的功能。由于絕大多數貨物配裝都是按照預設方案執行，配裝完成后實際重心坐標與設計情況相差較小，對運輸UUV重心糾偏的能力要求將不會太大。運輸UUV可綜合分體式壓載水艙重力調節范圍大、重心糾偏滑臺靈敏度高的特點，將二者相結合，形成高效能比的融合式重力重心調整技術。

2 亟待解決的問題與展望

不同于水面、陸地及空中無人運輸平臺，水下無人運輸平臺由于其工作環境及應用背景特殊性面臨著一些特有或共性問題亟需解決，具體如下：

1）目前衛星通信幾乎覆蓋全球，且傳輸質量較高，然而無法在水下使用，因此水下運輸平臺目前需要解決的關鍵問題之一就是水下通信性能，需要從高效性、可靠性和安全性3個方面來考慮[21-22]。

2）為實現觀察外部航行環境和診斷內部設備狀態，水下運輸平臺需要具備多傳感器測量技術和多傳感器信息融合技術[23-24]。

3）為提高水下無人運輸平臺自主決策智能性，水下運輸平臺應具備對航線的自主規劃和對航行行為的自主控制能力[25-28]，尤其在惡劣海況下，如果通信中斷，可自行采取一套應對動作，這就給研發自主控制系統提出了挑戰。