李志偉，崔維成

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082）

1 引 言

據(jù)美國(guó)國(guó)家地理網(wǎng)站報(bào)道[1]，2012年3月26日，美國(guó)導(dǎo)演卡梅隆已經(jīng)駕駛其請(qǐng)人秘密研制的單人深潛器“深海挑戰(zhàn)者（DEEPSEA CHALLENGE）”號(hào)，見(jiàn)圖1，成功下潛至世界海洋的最深處—馬里亞納海溝的挑戰(zhàn)者海淵底部，最大下潛深度10 898 m。事實(shí)上，卡梅隆并不是唯一一個(gè)夢(mèng)想著潛入海洋最深處的探險(xiǎn)家。美國(guó)探險(xiǎn)家Steve Fossett也在2005年曾委托豪克思海洋技術(shù)公司 （Hawkes Ocean Technologies，簡(jiǎn)稱H.O.T）[2]幫他設(shè)計(jì)制造能到達(dá)全海深的兩座位的Deep Flight Challenger（DFC）號(hào)載人潛水器，見(jiàn)圖2。由于Steve Fossett在2007年9月駕機(jī)探險(xiǎn)過(guò)程中意外身亡，DFC潛水器的設(shè)計(jì)制造工作由于資金中斷而停滯過(guò)一段時(shí)間，但在2010年，另一位探險(xiǎn)家Chris Welsh獲得英國(guó)實(shí)業(yè)巨頭理查德·布蘭森（Richard Branson）的資金支持，使得該項(xiàng)目得以繼續(xù)。他們兩人現(xiàn)計(jì)劃于2012年沖刺大西洋最深海溝—波多黎各海溝[3]。

圖1 “深海挑戰(zhàn)者”號(hào)載人潛水器 Fig.1 Deepsea Challenger

圖2 H.O.T公司的DFC概念圖Fig.2 Conceptual painting of DFC

這兩種類型的載人潛水器與目前國(guó)際上著名的第二代科學(xué)作業(yè)型載人潛水器[4]有明顯的不同，主要區(qū)別有兩個(gè)方面：（1）通過(guò)減人的辦法來(lái)回避大載人艙制造的困難，如卡梅隆的單人載人艙，內(nèi)直徑只有1.1 m，采用普通的高強(qiáng)度鋼就可以制造。（2）顯著提高下潛上浮速度。第二代載人潛水器的下潛上浮速度一般在1～2 Kn之間，我國(guó)的“蛟龍”號(hào)的平均速度是1.5 Kn。如果以這樣的速度下潛到挑戰(zhàn)者深淵，則需要4小時(shí)，來(lái)回就要8小時(shí)，這樣在海底的工作時(shí)間就很短了，下潛一次的經(jīng)濟(jì)性就變差。目前比較希望的海底工作時(shí)間是6小時(shí)，因此，下潛上浮的時(shí)間最好能控制在4小時(shí)之內(nèi)。這有兩種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如繼續(xù)使用無(wú)動(dòng)力下潛上浮的原理，則用魚(yú)雷的外形來(lái)提高速度。另一種手段是把水下滑翔的原理引入載人潛水器，用較少的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)較高速度的航行?！吧詈Ｌ魬?zhàn)者”號(hào)采用了第一種方式，初始下潛速度是4.5 Kn，接近海底時(shí)1.5 Kn。初始上浮速度5.7 Kn，靠近水面時(shí)降到4.8 Kn，平均上浮速度約5 Kn。Deep Flight Challenger（DFC）號(hào)載人潛水器采用的是第二種方式，如圖2所示，他們自己稱為“飛行”式載人潛水器。我們把下潛上浮速度在5 Kn左右的載人潛水器稱為第三代載人潛水器。而目前這兩款第三代的載人潛水器的作業(yè)能力均是不強(qiáng)的，它們是以探險(xiǎn)和創(chuàng)造吉尼斯紀(jì)錄作為主要目的，但具有較強(qiáng)作業(yè)能力的第三代全海深載人潛水器是未來(lái)的發(fā)展方向[5]，如果我們真想成為海洋高技術(shù)強(qiáng)國(guó)，必須對(duì)這一發(fā)展方向引起重視。對(duì)于第三代全海深載人潛水器的研發(fā)來(lái)說(shuō)，除了承壓能力比“蛟龍”號(hào)增大以外，最主要的技術(shù)差別就是要把水下滑翔機(jī)的原理搞清楚并應(yīng)用到載人潛水器的設(shè)計(jì)上，本項(xiàng)工作就是在這樣的需求背景下開(kāi)展的。

2 水下滑翔機(jī)發(fā)展歷程

1989年，美國(guó)人Henry Stommel在海洋學(xué)雜志（Journal of Oceanography）上發(fā)表了一篇題為“The Slocum Mission”的論文[6]，作者以一位生活在2021年的海洋學(xué)者的身份對(duì)當(dāng)時(shí)水下滑翔機(jī)的工作狀態(tài)作了如下的描述：“每天有上千艘水下滑翔機(jī)不間斷地進(jìn)行著全球海洋資料的搜集工作，它們通過(guò)調(diào)整壓載水艙來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向的運(yùn)動(dòng)，而水平方向的運(yùn)動(dòng)則由水翼進(jìn)行控制，同時(shí)使用內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)滑翔姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整；這些水下滑翔機(jī)每天浮出水面6次，通過(guò)衛(wèi)星傳輸收集到海洋信息，并接受控制指令”。文中同時(shí)提出了水下滑翔機(jī)所必須具備的四大特點(diǎn)：建造和作業(yè)費(fèi)用低，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，航行距離大，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制和協(xié)同作業(yè)。這些優(yōu)點(diǎn)保證了水下滑翔機(jī)對(duì)海洋進(jìn)行高時(shí)空密度的監(jiān)測(cè)與測(cè)量能力，提高了人類對(duì)海洋環(huán)境的認(rèn)知水平。

正是在Stommel對(duì)水下滑翔機(jī)最初構(gòu)想的引導(dǎo)下和美國(guó)海軍研究所（Office of Naval Research,ONR）的資助下，美國(guó)于上世紀(jì)末開(kāi)始了3種型號(hào)的電池驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)的研制工作：Webb Research Corp（WRC）研制的高機(jī)動(dòng)性、適合在淺海工作的Slocum（Battery）[7]，適合在1000m級(jí)深海工作的Spray[8]（Scripps Institution of Oceanography，SIO）和 Seaglider[9]（華盛頓大學(xué)）。 同一時(shí)期，Webb Research Corp還開(kāi)展了不依靠電池驅(qū)動(dòng)、而是利用大洋主溫躍層鉛直方向的溫度梯度從周圍海水環(huán)境中獲取能量的Slocum（Thermal）[10]的研制工作。本世紀(jì)初，美國(guó)開(kāi)展了大量的水下滑翔機(jī)海上航行試驗(yàn)和不同型號(hào)滑翔機(jī)之間的協(xié)同作業(yè)試驗(yàn)[11-14]。由于作業(yè)任務(wù)和運(yùn)輸、布放要求等條件的限制，上述4種型號(hào)的水下滑翔機(jī)在外形尺寸和重量方面比較接近：長(zhǎng)約2 m、重約50 kg，由于長(zhǎng)達(dá)數(shù)月和數(shù)千公里的續(xù)航要求，為了節(jié)省能源，水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)航速通常較低，約為0.5 Kn，因而所需調(diào)節(jié)的凈浮力僅為其排水量的0.5%至1%[12]。已有文獻(xiàn)[15-16]對(duì)上述4種型號(hào)的水下滑翔機(jī)作了比較詳細(xì)的綜述，在此不做重復(fù)，僅將一些主要性能指標(biāo)列于表1，便于比較和分析。

表1 4種型號(hào)水下滑翔機(jī)的主要性能指標(biāo)Tab.1 The main parameters of four underwater gliders

此外，美國(guó)的普林斯頓大學(xué)建造了一艘實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的水下滑翔機(jī)ROGUE，主要用于水下滑翔機(jī)建模和控制方法的研究[17]。日本和法國(guó)也研制了各自的水下滑翔機(jī)，并且各具特色。日本東京大學(xué)研制的ALBAC[18]號(hào)水下滑翔機(jī)并沒(méi)有搭載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而是使用可棄壓載實(shí)現(xiàn)下潛和上浮，完成一次下潛上浮動(dòng)作后即進(jìn)行回收。由于未搭載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（對(duì)于使用浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下潛上浮運(yùn)動(dòng)的水下滑翔機(jī)，改變自身浮力所消耗的能量約占其所攜帶電池能源總量的80%[19]），ALBAC可以攜帶更多的傳感器，幫助科學(xué)家更加準(zhǔn)確地掌握其在海流等周圍環(huán)境影響下的真實(shí)航行狀態(tài)。法國(guó)ENSIETA研制的STERNE[20]號(hào)是一艘結(jié)合了水下滑翔機(jī)和傳統(tǒng)AUV概念設(shè)計(jì)而成的混合型水下滑翔機(jī)，擁有兩種不同的運(yùn)動(dòng)模式：無(wú)動(dòng)力推進(jìn)的滑翔狀態(tài)和使用動(dòng)力推進(jìn)的水平飛行狀態(tài)。當(dāng)使用動(dòng)力推進(jìn)時(shí)，ENSIETA可以像傳統(tǒng)的AUV那樣執(zhí)行海底附近的搜索工作，同時(shí)還具備水雷探測(cè)等軍事用途。

國(guó)內(nèi)對(duì)于水下滑翔機(jī)的研究起步較晚，但近年來(lái)，有不少的高校和科研單位開(kāi)始了水下滑翔機(jī)的研究工作。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在載體設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析等方面做了大量的工作[21-23]，并且完成了實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)SEA-WING的湖中試驗(yàn)[24]。天津大學(xué)對(duì)水下滑翔機(jī)的航行效率進(jìn)行了分析[25]，并且對(duì)帶螺旋槳的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)進(jìn)行了探究[26]。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心對(duì)水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究[27-28]，采用動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算，對(duì)非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了探究[29]。上海交通大學(xué)對(duì)溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)浮力系統(tǒng)的工作原理、浮力調(diào)節(jié)部件的體積變化規(guī)律進(jìn)行了分析[30-31]，為將來(lái)在我國(guó)發(fā)展更節(jié)能、續(xù)航力更強(qiáng)的溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)打下了基礎(chǔ)。此外，浙江大學(xué)[32]、西北工業(yè)大學(xué)[33-35]、海軍工程大學(xué)[36-37]等高校和其它一些科研院所均在水下滑翔機(jī)的研制方面做了一些工作，限于篇幅，在此不一一列舉。

3 水動(dòng)力外形研究進(jìn)展

水下滑翔機(jī)主要用于海洋環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此要求其具有優(yōu)良的水動(dòng)力性能。水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力外形主要由艇體、水翼和附體三部分組成，本節(jié)將分別討論它們對(duì)水動(dòng)力性能的影響，并通過(guò)水翼的安裝位置、水翼弦線和艇體縱軸的夾角等參數(shù)來(lái)討論水翼和艇體之間的相互作用。

3.1 艇體外形

水下滑翔機(jī)的艇體外形主要有兩種：帶平行中體的水滴形和低阻層流形。Slocum和Seaglider號(hào)水下滑翔機(jī)分別采用了上述兩種艇體外形，如圖3所示。

圖3 采用水滴形和低阻層流形的艇體外形Fig.3 Hull with drop-shape(left)and low-drag shape

3.1.1 水滴形艇體

水滴形回轉(zhuǎn)體母線線型的公式由瑞典NYSTROM于1868年提出，用1/4可以調(diào)整指數(shù)的橢圓及一段可以調(diào)整指數(shù)的拋物線來(lái)描述[38]：

其中：D為平行中體直徑；Lf、La分別為首、尾部的長(zhǎng)度；nf為首部橢圓指數(shù)，對(duì)首部的豐滿度起主要控制作用；na為尾部拋物線指數(shù)，對(duì)尾部去流角起主要控制作用，nf、na對(duì)回轉(zhuǎn)體的縱向棱形系數(shù)同時(shí)起作用。

為了獲得優(yōu)良的水動(dòng)力性能，首部橢圓一般取a/b≥1.5～2.0（其中a為橢圓長(zhǎng)軸，b為短軸）為宜，瘦長(zhǎng)的尾部線型使來(lái)流均勻，防止水流分離[39]。文獻(xiàn)[40]采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX分別對(duì)半球形首尾的艇體和首尾線型經(jīng)過(guò)橢圓修正的艇體的阻力進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)首尾線型經(jīng)過(guò)橢圓修正的艇體壓力梯度明顯減小，壓力分布曲線比較平坦，因而形狀阻力顯著減小，阻力性能得到改善。對(duì)于圓柱形的平行中體段，在滿足裝配空間的要求下，適當(dāng)增加細(xì)長(zhǎng)比，有利于提高艇體的升阻力，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)性。AUV的長(zhǎng)細(xì)比通常設(shè)計(jì)為5～8，這是仿魚(yú)雷的設(shè)計(jì)，能同時(shí)獲得較大的艇體容積和優(yōu)良的阻力性能[41]。

3.1.2 低阻層流形艇體

該線型由Huggins和Packwood提出[42]，通過(guò)形成合理的壓力梯度，使得總長(zhǎng)中大部分是層流段，從而阻力非常低。研究表明，即使在7 m/s的高速下，Seaglider依然能維持其80%的部分為層流狀態(tài)[9]。但是，加工和安裝艇體的標(biāo)準(zhǔn)是非常嚴(yán)格的，因?yàn)橥w首部微小的偏差都會(huì)影響艇體的阻力，從而失去其外形優(yōu)勢(shì)[41]。因此，對(duì)于低阻層流形艇體，必須將突出的附體布置得遠(yuǎn)離層流區(qū)域，此時(shí)，附體形成的阻力對(duì)整體阻力影響不大。

低雷諾數(shù)下，擁有細(xì)長(zhǎng)形艇體的Spray和Slocum的阻力系數(shù)較??；而在高雷諾數(shù)下，采用低阻層流形艇體的Seaglider擁有阻力方面的優(yōu)勢(shì)；分界點(diǎn)約為ReL=6×105，此時(shí)水下滑翔機(jī)的速度約為0.3 m/s[8]。對(duì)于其它回轉(zhuǎn)體型的艇體，文獻(xiàn)[43]討論了修長(zhǎng)度系數(shù)、棱形系數(shù)、首部半徑、尾部半徑、最大截面位置等5個(gè)參數(shù)對(duì)艇體水動(dòng)力性能的影響。

3.2 水翼外形

現(xiàn)有水下滑翔機(jī)的水翼大都采用NACA翼型（Slocum號(hào)水下滑翔機(jī)采用平板翼），由于作業(yè)任務(wù)的需要，希望水下滑翔機(jī)在下潛和上浮時(shí)擁有相同的滑翔姿態(tài)（相同的滑翔角和速度），因此選用對(duì)稱翼型（拱度比為0），即NACA00xx翼型，后2個(gè)數(shù)字表示厚度百分比（NACA剖面的最大厚度位于離前緣30%剖面弦長(zhǎng)的地方），常用的厚度比取0.10～0.15[26-27，33]。文獻(xiàn)[44]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了矩形、橢圓、齊莫曼和反齊莫曼四種平面形狀的機(jī)翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，結(jié)果表明，在大部分試驗(yàn)迎角內(nèi)，矩形翼的升力特性相對(duì)較好，反齊莫曼翼的升阻比特性較好。由于反齊莫曼翼的外形相對(duì)復(fù)雜，加工比較困難，因此，現(xiàn)有水下滑翔機(jī)采用矩形翼（梯形翼可以看成是帶前緣后掠角的矩形翼，后掠角的影響將在3.2.1節(jié)中討論）。下面將分別討論弦長(zhǎng)、展弦比、后掠角對(duì)水翼水動(dòng)力性能的影響，并通過(guò)水翼的安裝位置、水翼弦線和艇體縱軸的夾角等參數(shù)來(lái)討論水翼和艇體之間的相互作用。

3.2.1 弦長(zhǎng)、展弦比和后掠角對(duì)水動(dòng)力性能的影響

文獻(xiàn)[26]通過(guò)正交數(shù)值試驗(yàn)表明，水翼弦長(zhǎng)對(duì)升阻比L/D的影響很大，見(jiàn)圖4，同時(shí)，水翼弦長(zhǎng)的選擇還要防止水翼處的流動(dòng)分離[8]。

圖4 L/D變化趨勢(shì)Fig.4 L/D trend of change

圖5 不同展弦比矩形翼的CL/CD～αFig.5 CL/CDvs α of rectangular wings of various AR

水翼的升力和阻力系數(shù)隨攻角的變化受水翼展弦比的影響很大，理論和實(shí)驗(yàn)研究表明[15，19，26，45]：隨著展弦比的增加，水翼的升阻比L/D也隨之增加。這是因?yàn)?，?duì)于有限翼展水翼，上下兩翼面產(chǎn)生了從高壓面繞過(guò)端部向低壓面的橫向流動(dòng)，減小了上下兩翼面的壓力差，因而導(dǎo)致了誘導(dǎo)阻力的產(chǎn)生，這種影響對(duì)于小展弦比的水翼更為嚴(yán)重。在對(duì)小展弦比機(jī)翼進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了升阻比不隨展弦比單調(diào)變化的異?，F(xiàn)象[44]，如圖5所示。此外，展弦比對(duì)升力系數(shù)和失速角的影響是相反的，即相同攻角下升力系數(shù)越大的水翼，其失速角越小。

帶后掠角的水翼不僅可以有效地減少水草的堆積[10]，同時(shí)對(duì)提高縱向穩(wěn)定性也有好處[19]。隨著后掠角的增加，作用在水翼上的水動(dòng)力臂隨之增加，提高了水下滑翔機(jī)對(duì)周圍環(huán)境干擾的抵抗能力[40]。文獻(xiàn)[44]的研究表明，后掠角的增加使得升力系數(shù)和阻力系數(shù)同時(shí)增加，對(duì)滑翔經(jīng)濟(jì)性，即升阻比L/D的影響不大。同時(shí)，后掠角的增加使得水翼的失速角亦有所增大。

3.2.2 水翼的布置

升降翼的安裝位置主要從動(dòng)穩(wěn)性來(lái)考慮，主載體是引起方向不穩(wěn)定的部件，其水動(dòng)力作用點(diǎn)一般靠近首部，因此升降翼的位置通常位于載體的中后部位[46]。升降翼的安裝位置的選擇同時(shí)還要兼顧經(jīng)濟(jì)性的影響，當(dāng)升降翼形心位于浮心略后方時(shí)升阻比較大，而當(dāng)布置位置再往后時(shí)，阻力上升而升力不變，滑翔經(jīng)濟(jì)性下降[47]。對(duì)于不同外形的水下滑翔機(jī)，水翼的最佳布置位置各不相同，需要通過(guò)詳細(xì)的水動(dòng)力性能計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能獲得。

文獻(xiàn)[48]研究了水翼與水下滑翔機(jī)主軸之間的夾角（簡(jiǎn)稱“水翼角”）對(duì)水動(dòng)力性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)水翼角為20°而水下滑翔機(jī)的攻角為0°時(shí)測(cè)量得到的升力系數(shù)與水翼角為0°而攻角為20°時(shí)的升力系數(shù)大致相同，如圖6。由此我們可以斷定，水下滑翔機(jī)上的升力主要由水翼產(chǎn)生。

圖6 不同水翼角三角翼的CL～α曲線Fig.6 CLvs α of triangular wings with various wing angles

正是基于這一“等效”，有學(xué)者提出在水下滑翔機(jī)工作時(shí)保持艇體為零攻角，以獲得最小的阻力，同時(shí)調(diào)整水翼與艇體主軸之間的夾角，以產(chǎn)生所需的升力，從而獲得更高的滑翔效率[19]。文獻(xiàn)[49]對(duì)主翼水翼角可調(diào)的水下滑翔機(jī)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該型水下滑翔機(jī)可在比固定翼式水下滑翔機(jī)小得多的滑翔角下實(shí)現(xiàn)巡航運(yùn)動(dòng)。但是，對(duì)于水翼角的實(shí)時(shí)調(diào)控會(huì)帶來(lái)機(jī)械上的復(fù)雜性以及對(duì)電池能源更多的消耗，因此，對(duì)于該型水下滑翔機(jī)的滑翔經(jīng)濟(jì)性還需要詳細(xì)的綜合評(píng)估。

3.3 附體對(duì)水動(dòng)力性能的影響

這里的附體主要指安裝在水下滑翔機(jī)艇體以外的各類有效負(fù)載，其中大部分是各類傳感器。對(duì)于Slocum（Thermal）型水下滑翔機(jī)，附體還包括安裝在艇體上方的溫差能轉(zhuǎn)換裝置。水下滑翔機(jī)所受到的阻力對(duì)幾何變化十分敏感，僅占總面積2%的傳感器所產(chǎn)生的阻力可以高達(dá)整個(gè)水下滑翔機(jī)總阻力的25%[19]。因此，對(duì)于附體外形及其布置的優(yōu)化，將對(duì)提升水下滑翔機(jī)的阻力性能起到至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[50]中的水下自航行器為了滿足坐底測(cè)量的功能要求，具有相對(duì)復(fù)雜的附體結(jié)構(gòu)，附體阻力超過(guò)了總阻力的50%，作者通過(guò)一系列措施減小了迎流面積，從而減小了航行器的阻力。

本節(jié)中所提到的滑翔經(jīng)濟(jì)性，是針對(duì)水下滑翔機(jī)上的升阻比而言的，升阻比的增加也可能是升力和阻力同時(shí)增加，只是升力增加得更多而已。然而，對(duì)于那些采用大滑翔角的水下滑翔機(jī)而言，減小阻力比增大升阻比和升力更重要，由于水下滑翔機(jī)主尺度和速度決定了它們航行狀態(tài)下的雷諾數(shù)大多處于轉(zhuǎn)折區(qū)附近，此時(shí)增加水翼的展弦比有可能增加阻力[19]。因此，需要根據(jù)具體的工作要求，為水下滑翔機(jī)選擇合適的水動(dòng)力外形。

4 混合驅(qū)動(dòng)和飛翼等概念在水下滑翔機(jī)上的應(yīng)用研究

飛翼（Fly wings）和帶翼體（blended wing body，簡(jiǎn)稱BWB）的概念源于航空工業(yè)，由于機(jī)體本身也呈機(jī)翼形狀，因此可以產(chǎn)生較大的升力，從而整架飛機(jī)可以獲得很高的升阻比。將飛翼的概念引入水下滑翔機(jī)，正是希望借助其獨(dú)特的構(gòu)型，獲得更高的滑翔經(jīng)濟(jì)性。但是，水下滑翔機(jī)工作在數(shù)百米，甚至上千米深的水域，許多設(shè)備需要布置在耐壓艙室內(nèi)，飛翼構(gòu)型內(nèi)部容積小的缺點(diǎn)就凸現(xiàn)起來(lái)。文獻(xiàn)[19]在內(nèi)部容積相等的前提下，對(duì)飛翼和傳統(tǒng)的水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了初步的對(duì)比探究，結(jié)果如下：

（1）為了獲得同樣的內(nèi)部容積，飛翼構(gòu)型的濕表面積更大，從而摩擦阻力也大，因此在零升力狀態(tài)下，其阻力比傳統(tǒng)的水下滑翔機(jī)大50%～100%；

（2）采用飛翼構(gòu)型的水下滑翔機(jī)的升阻比最大可達(dá)25～30，而采用傳統(tǒng)對(duì)稱構(gòu)型的水下滑翔機(jī)即使在搭載了高展弦比水翼的情況下，其最大升阻比只能達(dá)到5左右。

綜上所述，傳統(tǒng)的水下滑翔機(jī)更適合在小攻角、大滑翔角的狀態(tài)下工作，此時(shí)對(duì)升力的要求不高，有利于其發(fā)揮小攻角下阻力小的優(yōu)點(diǎn)；而采用飛翼構(gòu)型的水下滑翔機(jī)則更適于大攻角、小滑翔角的滑翔姿態(tài)，此時(shí)能充分發(fā)揮其升阻比大、滑翔經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)海軍利用飛翼概念設(shè)計(jì)的原型機(jī)XRay[51]如圖7所示。

圖8 天津大學(xué)研制的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)Fig.8 Hybrid-driven underwater glider of Tianjin University

混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是尋求一種既具有超長(zhǎng)航程又有水平航行能力及較高機(jī)動(dòng)性的新型水下航行器。該航行器實(shí)現(xiàn)途徑以結(jié)合水下滑翔機(jī)和水下自航行器兩種航行器的主要功能來(lái)完成，其技術(shù)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)航行器平臺(tái)上集成浮力驅(qū)動(dòng)和螺旋槳驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式[52]。相對(duì)于傳統(tǒng)的水下滑翔機(jī)，混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)增加了舵和螺旋槳的阻力，這部分阻力會(huì)減小滑翔狀態(tài)下的航程。以天津大學(xué)研制的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)為例，如圖8所示，根據(jù)攻角的不同，螺旋槳和舵所產(chǎn)生的阻力占整個(gè)航行器總阻力的比值大約在10%～35%，這意味著其航程會(huì)比傳統(tǒng)的水下滑翔機(jī)減小10%～35%。因此，混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)是在航程和機(jī)動(dòng)性之間的折中。更多關(guān)于國(guó)外混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)的介紹可以參考文獻(xiàn)[53]。

5 展 望

目前，研究水下滑翔機(jī)水動(dòng)力性能的方法主要有三種：理論/經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究。流體動(dòng)力學(xué)是一門古老的學(xué)科，至今已有幾百年的歷史，在其漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，發(fā)展了豐富的計(jì)算理論，給出了大量用于計(jì)算升力和阻力的理論和經(jīng)驗(yàn)公式[54-55]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了Fluent等大型商用計(jì)算流體力學(xué)軟件。但是，在使用商用軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)理論不相符的異?，F(xiàn)象，比如文獻(xiàn)[44]中提到的水翼升阻比不隨其展弦比單調(diào)變化的現(xiàn)象。究竟是發(fā)展新的理論來(lái)解釋這些異?，F(xiàn)象，還是發(fā)展精度更高的數(shù)值計(jì)算方法以期消除這些異?，F(xiàn)象，是值得探索的問(wèn)題。同時(shí)，就實(shí)驗(yàn)本身而言，不同的實(shí)驗(yàn)手段也會(huì)得到完全不同的結(jié)論。文獻(xiàn)[48]分別采用水池實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)三角形平板翼和帶拱度的矩形翼的水動(dòng)力性能進(jìn)行了對(duì)比研究，卻得到了相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：水池試驗(yàn)中，三角翼的水動(dòng)力性能更優(yōu)，而在風(fēng)洞試驗(yàn)中，帶拱度的矩形翼更佳。是試驗(yàn)本身的原因、流體介質(zhì)的影響，還是其他什么因素的作用，這些都還有待探索。

就水下滑翔機(jī)水動(dòng)力外形的研究而言，目前看來(lái)已經(jīng)比較詳細(xì)，相關(guān)的文獻(xiàn)很多。在不久的將來(lái)，一些新的設(shè)想或者新的用途或許會(huì)給水下滑翔機(jī)水動(dòng)力外形的研究提出新的要求。研究表明，帶拱度的水翼其水動(dòng)力性能優(yōu)于對(duì)稱型水翼，同時(shí)其失速角也更大[48]。那么，我們是否可以采用不對(duì)稱的設(shè)計(jì)形式，而讓水下滑翔機(jī)在每次下潛和上浮之間繞其縱軸旋轉(zhuǎn)180°，以保證在下潛和上浮時(shí)均能獲得更加優(yōu)良的水動(dòng)力性能。

或許在不久的將來(lái)，會(huì)如Stommel所描述的那樣，在全球各大海域有著大量的水下滑翔機(jī)編隊(duì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。同時(shí)，水下滑翔機(jī)由于其不依賴于螺旋槳推進(jìn)，可以利用浮力驅(qū)動(dòng)，因而噪聲極低的特點(diǎn)，在軍事方面亦有著廣闊的應(yīng)用前景。如何把水下滑翔機(jī)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到載人潛水器上，讓科學(xué)家也能像魚(yú)那樣在海洋中自由來(lái)往更是一個(gè)非常值得期盼的發(fā)展方向。

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