潛空跨介質無人航行器研究現(xiàn)狀與分析

周 正，黃大志，唐雯鎧，周弘駿

（江蘇海洋大學海洋工程學院，江蘇 連云港 222000）

潛空跨介質無人航行器是一種不僅可以在空中飛行而且可以在水下潛行，還可以完成多次跨介質運動的無人航行器。但是由于水體環(huán)境和空氣環(huán)境存在很大的差異，能夠同時滿足在2 種介質中運動并非易事。自20 世紀30 年代提出飛行潛艇設計理念以來，各國研究人員把目光投向潛空跨介質無人航行器的研發(fā)，取得了相當可觀的成果。

1 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

2016 年，奧克蘭大學研發(fā)了一款名為“Loon Copter”的潛空跨介質無人航行器，如圖1 所示[1]。其內部搭載儲水艙用以調節(jié)航行器重量實現(xiàn)下潛與上浮，吸水下潛時，航行器通過所設計的壓載系統(tǒng)重心不斷左移，直到機身達到90°狀態(tài)，然后由4 個螺旋槳推進實現(xiàn)水中的航行，空中的控制策略則是與四旋翼飛行器類似[1]。

圖1 “Loon copter”

2019 年，倫敦帝國理工學院公布了一款通過化學反應獲得動力的潛空跨介質無人航行器，如圖2 所示[2]。其從周圍水環(huán)境中抽取少量的水注入一個裝有電石粉（CaC2）的容器中，水與電石粉發(fā)生反應產生乙炔氣體，乙炔氣體溢出到燃燒室中被電弧點燃。該反應是高度放熱的，腔室中溫度和壓力迅速增加，迫使反應所產生的水通過噴嘴離開燃燒室，產生離開水面所需的推力，每次僅消耗53 mg 的電石粉即可將160 g 的航行器噴射出水面[2]。

圖2 倫敦帝國理工航行器

2021 年，瑞士蘇黎世理工學院公布了一款名為“Dipper”的潛空跨介質無人航行器，如圖3 所示[3]。該航行器在很大程度上受到了諸如塘鵝之類潛水鳥的啟發(fā)，從空中入水的過程中，機翼會像潛水鳥的翼一樣向后折疊，減小入水時的沖擊力，水下航行時機翼也保持折疊狀態(tài)。該航行器擁有空氣螺旋槳和水下螺旋槳2 種推進裝置，為了減輕機身的重量和體積，其并沒有使用2 個單獨的電機。在單個電機系統(tǒng)中，分別在電機兩端各加裝一個離合器就能夠獨立地控制水下螺旋槳和空氣螺旋槳[3]。

圖3 “Dipper”

1.2 國內研究現(xiàn)狀

2015 年，北京航空航天大學設計了一款仿鰹鳥潛空兩棲跨介質航行器，如圖4 所示[4]。該航行器在機身最前端設置了空中推進器，是一對同軸反轉螺旋槳，可以提供足夠的動力將航行器推出水面，其水下推進器則是設置在航行器的末端。該航行器還設計了一個氣球直立系統(tǒng)，系統(tǒng)配備了4 個氣球、1 個用于充氣和放氣的氣泵，通過對氣球的充氣和放氣改變航行器的平均密度，從而實現(xiàn)潛水、上浮和姿態(tài)調整。新一代仿鰹鳥水空兩棲跨介質航行器還是沿襲了上一代“飛魚”航行器的可變后掠翼結構[4]。

圖4 仿鰹鳥航行器

2022 年，上海交通大學發(fā)布了一款旋翼、固定翼與水下滑翔機相結合的潛空跨介質無人航行器“哪吒III”，如圖5 所示[5]。空中飛行和懸停通過4 個旋翼和固定翼來實現(xiàn)，水下航行通過基于活塞的浮力控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。其水下航行的原理是，當航行器降落在水面，活塞向內拉動，浮力降低，航行器以俯沖姿態(tài)下沉；到達水下一定位置時，活塞向外拉動，浮力提高，航行器上浮；航行器一直在鋸齒路徑中滑行，直到完成水下任務為止，滑行路徑如圖6 所示。這種高效且低功耗的水下推進裝置極大地增加了航行器的航程[5]。上海交通大學還研發(fā)了“哪吒IV號”“哪吒-Mini”等潛空跨介質無人航行器。

圖5 “哪吒III”

圖6 水下運動軌跡

2 研究難點

2.1 能量來源

潛空跨介質無人航行器需要在水下航行，水下環(huán)境無法提供氧氣，所以不能使用傳統(tǒng)的燃料作為能量來源。早期的水下無人航行器以鉛酸電池作為動力源，后來鉛酸電池因為能量密度低、充電困難、質量大等缺點，不再用作水下無人航行器的動力源，后面所發(fā)展的銀鋅電池也因為成本高充電慢等原因沒有被廣泛使用[6]。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點，成為現(xiàn)在潛空跨介質無人航行器運用最多的能量來源。另一方面，燃料電池具有極高的能量密度、不受卡諾循環(huán)限制的系統(tǒng)轉換效率以及安靜特性，有望作為一種可以替代鋰離子電池的潛在能源，將顯著提升水下運動的航程和工作時間[7]。目前已用于水下航行器的燃料電池有質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池和固體氧化物燃料電池等。

表1 水下航行器使用的電池類型特性比較

2.2 水空跨越問題

潛空跨介質無人航行器在空中飛行、水下潛航時與無人飛行器和水下航行器并無差別，核心問題就在于由水到空和由空入水跨介質的過程。航行器在水空混合交替反復的運動中，伴隨著力和力矩突變、氣液擾動及復雜的碰撞現(xiàn)象。這種多耦合、非線性、強擾動的物理過程會對航行器控制造成不利影響，從而嚴重制約介質跨越后航行器空中飛行、水下潛航的穩(wěn)定性。從目前公布的樣機來看，入水方式主要分為旋翼式航行器垂直降落和固定翼式航行器變體濺落，然后通過浮力調節(jié)裝置或者推進器帶動入水。濺落雖然速度較快，但是對航行器的結構強度和抗沖擊能力要求較高。出水方式主要分為高壓氣體助力起飛、水面滑跑起飛和螺旋槳垂直起飛。螺旋槳起飛通常要通過一些浮力調節(jié)裝置調整航行器的姿態(tài)，使螺旋槳離開水面，以便給航行器更好地提供動力。加之出水過程還會受到水面風浪影響，進一步增加了出水過程的隨機性和不可控性。相對而言，出水難度比入水難度更大。因此，跨介質航行器水空一體化控制器設計需要作為水空跨越的關鍵問題深入研究分析。

2.3 通信技術

潛空跨介質無人航行器應該具備與地面控制端實時信息交互的能力。由于空氣介質和水介質存在巨大差異，空中和水下的通信方式存在很大不同。空氣介質以無線電通信為主，技術已經(jīng)非常成熟。水介質對電磁波的衰減使得水下無線通信受到了極大的限制，水下多采用線纜通信或者水聲通信。線纜不符合飛行要求，只能通過水聲通信的方式進行操控。考慮到航行器的輕量化設計，研究微小型化的水聲通信設備是未來實現(xiàn)水下遠距離高速通信的關鍵。

3 未來應用

3.1 民用方面

潛空跨介質無人航行器可應用于災情監(jiān)測、水文取樣、環(huán)境檢測和橋梁檢修等多個領域。其同時具備水中航行和空中飛行2 種能力，與單介質航行器相比，響應更快速，作業(yè)范圍更廣，適應能力更強。圖7 為國外研究人員描繪成群的“AqualMAV”潛空跨介質無人航行器檢測海上有毒物質泄露的設想圖[8]。

圖7 成群的“AqualMAV”檢測海上有毒物質泄露

3.2 軍用方面

在信息化戰(zhàn)爭時代，智能無人設備已經(jīng)廣泛運用在戰(zhàn)場偵察、信息收集和數(shù)據(jù)分析等方面[9]。潛空跨介質無人航行器的任務范圍涉及空氣和水2 種介質，偵察監(jiān)視和覆蓋范圍遠遠大于單一介質航行器。因為其特性使其具備持續(xù)收集水聲信號、電磁信號、光電圖像等情報數(shù)據(jù)的能力，可應用于爆炸物和生化武器的搜索定位、水下預警等多種任務場景[10]。潛空跨介質無人航行器還可以向低成本集群作戰(zhàn)方向發(fā)展，利用其空中飛行速度快、水下航行隱蔽性強等特點，通過艦船或者潛艇釋放幾十架甚至數(shù)百架潛伏于水面之下，時機成熟后從水下升空迅速向敵人發(fā)起自殺式襲擊，以雷達和武器作為首要攻擊目標，給予敵人沉重打擊。

4 結束語

本文介紹了近年國內外潛空跨介質無人航行器現(xiàn)有的研究成果，分析了研究過程中存在的一些技術難點。潛空跨介質無人航行器有著相當廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Γ壳爸挥袠O少數(shù)團隊研發(fā)出了真正意義上可以多次跨越水空介質的航行器。水下無線通信、跨介質控制算法和續(xù)航時間等問題會是未來發(fā)展的重點。