姚智剛，吳 梵，周澤才，李陳峰,4

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442；2.海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033；3.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；4.哈爾濱工程大學(xué)青島船舶科技有限公司，山東青島 266400)

一種新型無(wú)人艇（器）快速收放系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

姚智剛1，吳 梵2，周澤才3，李陳峰3,4

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442；2.海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033；3.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；4.哈爾濱工程大學(xué)青島船舶科技有限公司，山東青島 266400)

本文對(duì)載人/無(wú)人艇（器）收放裝置的國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探討收放裝置的技術(shù)發(fā)展要求。根據(jù)設(shè)備使用通用性、快速反應(yīng)能力、高海況適應(yīng)性及執(zhí)行任務(wù)多樣化等要求，提出一種基于尾升降平臺(tái)的無(wú)人艇（器）快速收放系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，給出關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計(jì)要求與思路，開(kāi)展收放作業(yè)流程演示，并完成技術(shù)可行性分析，為該系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

無(wú)人艇；無(wú)人水下航行器；收放裝置；尾升降平臺(tái)；模塊化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著作戰(zhàn)方式的變革，無(wú)人艇（器）作為一種能夠在海洋環(huán)境下自主航行并執(zhí)行各種測(cè)量、探測(cè)及高危任務(wù)的小型水面/水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，因其具有體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱身性能好、作戰(zhàn)效費(fèi)比高等優(yōu)勢(shì)，日益得到各國(guó)海軍的重視[1]。為了保障無(wú)人艇（器）能安全迅速地完成作戰(zhàn)任務(wù)，在母船上必須配置專用的收放裝置，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇（器）的快速釋放和回收工作[2]。因此，收放裝置是無(wú)人作戰(zhàn)與保障體系中的關(guān)鍵設(shè)備之一。本文針對(duì)高海況下無(wú)人艇（器）收放裝置的國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展需求，提出一種模塊化的無(wú)人艇（器）快速收放裝置的概念設(shè)計(jì)方案。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于船用搭載收放技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先[3]。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始船用收放裝置的研究。目前國(guó)內(nèi)外的有人/無(wú)人艇（器）的收放裝置的形式主要可以分為3類：吊臂式、門架式和滑道式[4–5]。

吊臂式收放裝置結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，門架式收放裝置具有較強(qiáng)的支撐剛度，因此額定載荷較吊臂式大。拋除結(jié)構(gòu)形式的不同，吊臂式和門架式收放裝置，可以看成是一類裝置。此類收放裝置一般通過(guò)液壓缸或電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)具備波浪補(bǔ)償功能以滿足高海情作業(yè)需要[6–8]。

圖1（a）是愛(ài)爾蘭近海巡邏艦上安裝的英國(guó)Caley公司開(kāi)發(fā)的吊臂式小艇收放裝置，該收放裝置安全工作負(fù)荷3.5 t，滿足在6級(jí)（浪高5m）下安全收放。圖1（b）為上海派恩科技有限公司研制的額定載荷為3 t的吊臂式快速搭載收放裝置，滿足海況5級(jí)下使用。圖2（a）是“向陽(yáng)紅09”母船收放“蛟龍”號(hào)載人深潛器所采用的Caley公司研制的一款門架式收放裝置，安全作業(yè)負(fù)載25 t，滿足海況6級(jí)下使用。圖2（b）是申科滑動(dòng)軸承股份有限公司自主研制的“蛟龍”號(hào)收放裝置，安全工作負(fù)荷50 t，滿足海況5級(jí)下使用。

為了克服吊臂式和門架式傳統(tǒng)收放裝置在大風(fēng)浪情況下不容易掛鉤和脫鉤的問(wèn)題，尾滑道式收放裝置應(yīng)運(yùn)而生[10]，如圖3所示。此類裝置通過(guò)在母船尾部設(shè)置滑行軌道并與載艇架連接，實(shí)現(xiàn)小艇的快速收放，減少了母船搖擺對(duì)傳統(tǒng)收放裝置脫鉤瞬間的影響，降低了收放裝置對(duì)絞車的波浪補(bǔ)償功能的要求[11]。但其缺點(diǎn)也十分明顯，不具有通用性，需要專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)役船舶中無(wú)法推廣使用。

1.2 存在的問(wèn)題與技術(shù)發(fā)展需求

由于無(wú)人艇（器）受到波浪力和海流的作用，運(yùn)動(dòng)幅度較大，回收較為困難。為提高無(wú)人艇（器）的收放效率，國(guó)內(nèi)外研究并推出了一些快速收放裝置，但仍然存在較大問(wèn)題。尤其對(duì)于軍事偵察、對(duì)敵作戰(zhàn)、海上救援等緊急任務(wù)環(huán)境下，能否快速高效地釋放回收無(wú)人艇（器），將對(duì)無(wú)人艇（器）戰(zhàn)斗力的發(fā)揮及任務(wù)的隱蔽性產(chǎn)生重大影響。因此，如何在高海況下安全快速地釋放與回收無(wú)人艇（器），提高收放裝置的適用海況等級(jí)，對(duì)收放裝置（尤其是吊臂式收放裝置）的波浪補(bǔ)償、快速捕獲、防撞緩沖等方面提出了更高的技術(shù)要求。

未來(lái)無(wú)人艇（器）收放裝置的發(fā)展，將要求具有較高的結(jié)構(gòu)通用性與功能通用性。結(jié)構(gòu)通用性是指收放裝置對(duì)于母船安裝環(huán)境的要求不高，即同一型號(hào)的收放裝置能盡可能地安裝在不同母船上；功能通用性是指收放裝置對(duì)所搭載艇（器）的要求不高，即同一型號(hào)收放裝置能盡可能地完成多種無(wú)人艇（器）的搭載收放?？紤]到海軍現(xiàn)役軍艦的情況，要實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人艇（器）的成規(guī)模搭載列裝，極有可能是直接以現(xiàn)役各型軍艦作為母船，進(jìn)行一定程度的改造來(lái)加裝搭載收放裝置。這就要求收放裝置能盡可能適用于不同的母船環(huán)境，具備一定的結(jié)構(gòu)通用性。另一方面，根據(jù)任務(wù)功能的不同需求，母船可能搭載不同型號(hào)的無(wú)人艇（器），這就要求母船搭載收放裝置具備較高的功能通用性，可以滿足盡可能多種型號(hào)的無(wú)人艇（器）搭載收放要求。

因此，為了保障無(wú)人艇（器）能有效發(fā)揮戰(zhàn)斗力并完成作戰(zhàn)任務(wù)，尤其是無(wú)人艇（器）集群化作戰(zhàn)，需要對(duì)收放裝置的使用海況等級(jí)與收放效率以及收放裝置的通用性等開(kāi)展重點(diǎn)研究。

2 新型無(wú)人艇（器）收放系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

2.1 初步方案

為了實(shí)現(xiàn)母船具備搭載多種類型無(wú)人艇（器）裝備的能力，避免吊臂式收放裝置難以準(zhǔn)確對(duì)接和尾滑道式收放裝置需要專門設(shè)計(jì)的不足，結(jié)合現(xiàn)役驅(qū)護(hù)艦的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，提出一種基于尾升降平臺(tái)的新型無(wú)人艇（器）快速收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

該無(wú)人艇（器）快速收放系統(tǒng)采用尾升降平臺(tái)式收放裝置和吊臂式收放裝置配合使用。其中，吊臂式主要用于無(wú)人艇（器）的快速投放，同時(shí)也可用于低海況下的無(wú)人艇（器）回收；尾升降式主要用于無(wú)人艇（器）的快速回收，也具備無(wú)人艇（器）投放功能。

2.2 關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計(jì)要求與思路

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括以下功能模塊/結(jié)構(gòu)：尾升降平臺(tái)，具有擋浪整流功能的消波結(jié)構(gòu)，無(wú)人艇（器）快速收放箱，吊臂式快速投放裝置，及甲板移動(dòng)滑軌等其他輔助結(jié)構(gòu)與設(shè)備。其中，尾升降平臺(tái)模塊、消波模塊和收放箱模塊是該快速收放系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊。

尾升降平臺(tái)模塊的主要功能為實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇（器）及其收放裝置的搭載固定與垂直升降。尾升降平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足吊裝和搭載強(qiáng)度要求。升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可參考自升式海洋平臺(tái)及航母艦載機(jī)升降機(jī)系統(tǒng)，采用齒輪齒條式升降方案以保證升降系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

消波模塊的主要功能包括整合有航速收放無(wú)人艇（器）時(shí)母船的尾流，消減周圍風(fēng)浪影響，使收放區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，以提高無(wú)人艇（器）的收放成功率，降低對(duì)作業(yè)海況的要求。消波整流模塊采用桁架式支撐結(jié)構(gòu)填充透水消波層的形式。透水消波層要求具有較好的滲排水功能，并具有一定的自身剛度以保證尾流作用下不至扭曲。

收放箱模塊主要功能為實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇（器）的引導(dǎo)、對(duì)接固定、分離釋放以及搭載存放。收放箱的基本結(jié)構(gòu)形式仍為桁架式，且內(nèi)嵌根據(jù)無(wú)人艇（器）線型設(shè)計(jì)的透水緩沖防護(hù)墻/層，如圖5所示。

收放箱的設(shè)計(jì)要求包括：首部布置與無(wú)人艇（器）首型線基本一致的透水防護(hù)墻，尾門（帶防護(hù)層）可控制開(kāi)閉，2個(gè)側(cè)壁（帶透水防護(hù)層）與無(wú)人艇（器）型線基本一致可控制水平開(kāi)合，箱底具有對(duì)接鎖緊裝置與升降平臺(tái)連接，上部設(shè)置吊耳。

其中，尾門打開(kāi)時(shí)呈喇叭口形，可以起到引導(dǎo)無(wú)人艇（器）進(jìn)入收放箱，首部防護(hù)墻起到無(wú)人艇（器）阻攔、緩沖、固定與防護(hù)作用，一旦無(wú)人艇（器）進(jìn)入收放箱，尾門和側(cè)壁開(kāi)始閉合，其上的防護(hù)層與無(wú)人艇貼緊以將其鎖定在防護(hù)箱內(nèi)。收放箱內(nèi)部的防護(hù)墻/層可根據(jù)不同種類艇（器）型線加工。

2.3 尾升降平臺(tái)式收放裝置的作業(yè)流程

尾升降平臺(tái)式收放裝置的回收方式如圖6所示，主要分為以下幾個(gè)階段：無(wú)人艇（器）接近母船，尾升降平臺(tái)降放至海面，收放箱打開(kāi)，等待無(wú)人艇進(jìn)入回收，見(jiàn)圖6（a）；通過(guò)遠(yuǎn)程控制及引導(dǎo)，無(wú)人艇（器）進(jìn)入收放箱，艇（器）觸及首部透水防護(hù)墻，見(jiàn)圖6（b）；收放箱側(cè)壁和尾門閉合，鎖定無(wú)人艇（器），見(jiàn)圖6（c）；無(wú)人艇（器）對(duì)接固定完成，準(zhǔn)備提升，見(jiàn)圖6（d）；尾升降平臺(tái)提升至甲板平面，見(jiàn)圖6（e），收放箱與升降平臺(tái)解鎖，通過(guò)水平滑軌或吊臂轉(zhuǎn)移至甲板固定區(qū)域統(tǒng)一存放。釋放過(guò)程與之相反。

2.4 可行性分析

作為主力戰(zhàn)艦的現(xiàn)役驅(qū)護(hù)艦，均擁有尾通甲板作為艦載直升機(jī)起降平臺(tái)，尾封板也較為平直，便于尾升降平臺(tái)的加固安裝和無(wú)人艇（器）的收放。尾升降平臺(tái)和回收箱均設(shè)置了透水消波墻/層，主動(dòng)消除母船尾流及風(fēng)浪對(duì)無(wú)人艇（器）運(yùn)動(dòng)的影響，原則上保證收放作業(yè)海況與母船設(shè)計(jì)海況一致。回收箱模塊內(nèi)部的透水緩沖防護(hù)墻/層完全根據(jù)無(wú)人艇（器）線型設(shè)計(jì)，可有效保護(hù)無(wú)人艇（器）?；厥障淠K可做到一艇（器）一箱，無(wú)需額外的艇架，占地面積小且易于母船搭載多種類型無(wú)人艇（器）裝備。此外，相關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制技術(shù)在船舶與海洋工程領(lǐng)域均有成熟的應(yīng)用。因此，本方案具有較強(qiáng)的可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇（器）收放裝置的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀的分析，指出了現(xiàn)有裝備存在的問(wèn)題及技術(shù)發(fā)展需求。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于尾升降平臺(tái)的無(wú)人艇（器）收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計(jì)要求與思路，相關(guān)分析表明該方案具有較強(qiáng)的可行性，可以滿足母船搭載和快速收放多種載人/無(wú)人艇（器）的功能要求。

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Conceptual design of a novel launching and recovering system for unmanned surface vehicles and unmanned underwater vehicles

YAO Zhi-gang1,WU Fan2,ZHOU Ze-cai3,LIChen-feng3,4
(1.Navy Equipment and Technology Research Institute,Beijing 102442,China;2.Naval A rchitecture Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;3.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;4.Harbin Engineering University Qingdao Ship Science and Technology Co.,Ltd.,Qingdao 266400,China)

Based on a survey and analysis of the status of development of launching and recovering system for smallsized vehicles,the technical trend of launching and recovering system isdiscussed.According to the requirements of the system in compatibility,response rapidness,adaptability in high seas,andmulti-purposed functionality,a system is devised for rapid launching and recovering unmanned marine vehicles from the designed aft-body lifting platform.The design criteria and the considerations behind the main modules are described with an illustration of the operation flow of the system.In addition,an analysis of technical feasibility is carried out.The conceptual design and the relevant analysis presented in this paper may serve as a technical basis for the detail design of the launching and recovering system for unmanned surface vehicles(USV)and unmanned underwater vehicles(UUV).

USV；UUV；launching and recovering system；aft-body lifting platform；modular design

E925.6

A

1672–7649(2017)12–0139–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.029

2017–09–08

姚智剛(1964–)，男，研究員，主要研究方向?yàn)楸O(jiān)測(cè)診斷及狀態(tài)評(píng)估。