秦玉峰,齊占峰,彭家忠,史 健,馮志濤

(1.國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津,300112;2.海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連,116024)

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)是一種自主推進(jìn),具有水下操控及感知作業(yè)能力的新型海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備[1-2]。小型長(zhǎng)航程AUV(long-range AUV,LRAUV)是針對(duì)當(dāng)前海洋大范圍長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)要求開(kāi)發(fā)的一種用于海洋長(zhǎng)周期巡航監(jiān)測(cè)的新型AUV系列,具有小型化、易攜帶、航程大等特點(diǎn)[3],較之傳統(tǒng) AUV(如文獻(xiàn)[4]提到的混合驅(qū)動(dòng)AUV最大續(xù)航里程僅為116 km),其航程可達(dá)上千千米。當(dāng)前在長(zhǎng)航程 AUV的研制方面主要有英國(guó)南安普頓研究中心研制的Autosub LRAUV[5-6],美國(guó)蒙特利灣水族館研究所研制的Tethys LRAUV[7-8]以及美國(guó)海軍研究局研制的太陽(yáng)能自主航行器(solar AUV,SAUV)[9],3種典型的長(zhǎng)航程 AUV的續(xù)航里程均已達(dá)到上千千米,Autosub LRAUV和Tethys AUV都屬于中大型 AUV,體積和質(zhì)量較大,攜帶的能量較多,SAUV能源補(bǔ)給方式有別傳統(tǒng)AUV,其主要利用太陽(yáng)能作為源源不斷的能量供應(yīng)。文獻(xiàn)[10]和[11]提出了小型 AUV 的高效推進(jìn)方法,文獻(xiàn)[12]和[13]對(duì)小型長(zhǎng)續(xù)航力潛水器的螺旋槳推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究,獲得了雙葉螺旋槳的高效推進(jìn)性能。

上述文獻(xiàn)針對(duì)中大型及太陽(yáng)能供電的長(zhǎng)航程AUV進(jìn)行了續(xù)航力的研究,提供了一些高效推進(jìn)的方案及方法,然而針對(duì)60 kg級(jí)小型化AUV的續(xù)航力研究還較少。隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)自主移動(dòng)平臺(tái)續(xù)航力及便攜性提出了更高的要求。文章從實(shí)際需求出發(fā),研究小型LRAUV的續(xù)航力,以能耗分析作為研究基礎(chǔ),分析不同航行模式下最大有效航程,在有限的能源攜帶前提下獲得提高小型AUV續(xù)航力的方法。

1 驅(qū)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 驅(qū)動(dòng)原理

小型LRAUV整合傳統(tǒng)AUV及水下滑翔機(jī)的動(dòng)力推進(jìn)方式[14],結(jié)合低速推進(jìn)和浮力驅(qū)動(dòng)技術(shù),其巡航速度為 1～4 kn。低速推進(jìn)是小型LRAUV實(shí)現(xiàn)海洋水體大范圍巡航的先決保障,最低速為 1 kn,高效推進(jìn)時(shí)速度為 2 kn(經(jīng)濟(jì)航速),機(jī)動(dòng)觀測(cè)時(shí)速度為 4 kn(機(jī)動(dòng)航速)。小型LRAUV相較于傳統(tǒng)AUV,其僅有1套螺旋槳推進(jìn)器置于機(jī)體尾部,此種螺旋槳為雙葉結(jié)構(gòu)且直徑較大,低速時(shí)具有較高的推進(jìn)效率,高速時(shí)具有較大的推力,即“低速下高效,高速下高能”,既可實(shí)現(xiàn)常規(guī)推進(jìn)狀態(tài)下高效率的推進(jìn),同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)觀測(cè)時(shí)的高速要求。小型LRAUV的航行過(guò)程如圖 1所示,既可漂浮于水面航行,亦可懸浮于水下定深推進(jìn)。直線航行由尾部低速螺旋槳推進(jìn),下潛和上浮運(yùn)動(dòng)依靠浮力驅(qū)動(dòng),通過(guò)浮力調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)自身相對(duì)于周?chē)w的凈浮力獲得下潛和上浮的動(dòng)力。當(dāng)處于水面需要下潛時(shí),浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行吸油動(dòng)作,調(diào)整小型 LRAUV凈浮力為負(fù)值進(jìn)行下潛,下潛的同時(shí)姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作調(diào)節(jié)機(jī)體下潛的姿態(tài),使之呈“前俯后仰”態(tài),在下潛過(guò)程中獲得一定的前向運(yùn)動(dòng);當(dāng)小型LRAUV處于水下需要上浮時(shí),浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行排油動(dòng)作,調(diào)整凈浮力為正值進(jìn)行上浮,上浮的同時(shí)姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作調(diào)節(jié)機(jī)體上浮的姿態(tài),使之呈“前仰后俯”態(tài)在上浮過(guò)程中同樣獲得一定的前向運(yùn)動(dòng)。

圖1 小型長(zhǎng)航程自主水下航行器航行示意圖Fig.1 Running schematic of small long-range autonomous undersea vehicle(LRAUV)

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

小型LRAUV側(cè)重于小型化、輕量化、便攜性及長(zhǎng)續(xù)航力等技術(shù)層面的研究,以 60 kg級(jí)續(xù)航達(dá)到或超過(guò)1 000 km為技術(shù)突破點(diǎn),其特征參數(shù)如表1所示。小型LRAUV主體采用擴(kuò)展性和易用性較強(qiáng)的模塊化三段式結(jié)構(gòu)[15],如圖 2所示。各艙段內(nèi)有相對(duì)獨(dú)立的功能模塊,如浮力調(diào)節(jié)模塊、姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊、動(dòng)力推進(jìn)模塊、尾部轉(zhuǎn)向模塊、定位及通信單元以及傳感器模塊等。

2 續(xù)航力分析

2.1 能量計(jì)算

小型LRAUV搭載24 V高能鋰離子電池,有2種能源搭載形式,分別為一次鋰電池組和二次鋰電池組。二次鋰電池組容量為175 Ah,一次鋰容量為475 Ah。以二次鋰電池組計(jì)算為例,如圖3為二次鋰電池的實(shí)測(cè)放電曲線。

由圖 3可知,電池電壓與放電量基本呈線型關(guān)系,只是各放電段斜率不同,以放電量 10 Ah進(jìn)行分段,直至結(jié)束放電時(shí)釋放出173 Ah電量為止,分段計(jì)算各放電段電量,并進(jìn)行累加即為鋰電池組的電池容量。各放電段初始放電電壓記為Ui,結(jié)束電壓記為Ui+1;上一放電段的結(jié)束電壓即為下一放電段的開(kāi)始放電電壓;各分段釋放電量記為Ci,電量差值記為 ΔCi。讀取圖 3放電量與電池電壓關(guān)系圖,可得各分段的電壓、電量及電量差,如表2所示。

表1 小型LRAUV主要特征參數(shù)Table1 Main characteristic parameters of small LRAUV

圖2 小型LRAUV模塊化布局Fig.2 Modular layout of small LRAUV

圖3 二次鋰電池實(shí)測(cè)放電曲線Fig.3 Measured discharge curve of secondary Lithium battery

表2 各分段的電壓、電量及電量差參數(shù)Table 2 Parameters of voltage,quantity of electricity and electricity difference of each segment

鋰電池組總電量可表示為

若小型 LRAUV攜帶一次鋰電池組,由一次鋰電池組和二次鋰電池的電量關(guān)系,得其電量為

為方便分析小型LRAUV在不同航行模式下的有效航程,文章僅針對(duì)二次鋰電池組進(jìn)行續(xù)航力分析,可記電池組電量

2.2 水面懸浮

小型LRAUV航行模式包括水面懸浮、水下定深以及水面懸浮和水下定深混合航行3種航行模式。水面懸浮航行時(shí)的能耗主要來(lái)自于動(dòng)力推進(jìn)的螺旋槳模塊、定位及通信單元以及控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備功耗等三部分。

螺旋槳推進(jìn)模塊系統(tǒng)能耗

控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備能耗

通信及定位系統(tǒng)能耗

水面懸浮運(yùn)動(dòng)時(shí)小型LRAUV總功率

其中:Pp為推進(jìn)器功率;cP為控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備功率;Pcp為通信及定位系統(tǒng)功率;ts為水面懸浮航行時(shí)間。

水面懸浮運(yùn)動(dòng)時(shí)小型LRAUV總能耗

小型 LRAUV完成最大距離航行時(shí),系統(tǒng)能耗即為鋰電池組所攜帶的能量,則

因此小型LRAUV水面懸浮時(shí)的航行時(shí)間可表示為

小型LRAUV總航程可表示為

水面懸浮航行時(shí)僅有中間通信天線露出水面,機(jī)體仍處于水面以下,阻力狀態(tài)與機(jī)體完全置于水下定深航行時(shí)相差無(wú)幾。螺旋槳推進(jìn)模塊的能耗主要用于克服小型 LRAUV航行時(shí)的水阻力,航行水阻力與機(jī)體航速相關(guān),機(jī)體航速越大,阻力越大,反之亦然。航行水阻力的近似表達(dá)式

螺旋槳推進(jìn)模塊功耗可表示為

式中:ρ為水體密度;Cd為機(jī)體阻力系數(shù);A為機(jī)體迎流面積;v為航速;tη為螺旋槳推進(jìn)器的推進(jìn)效率。

為更好地了解小型 LRAUV的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)及水阻力變化,采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法分別計(jì)算不同航速下小型LRAUV的阻力變化。由仿真計(jì)算結(jié)果得,1 kn航速時(shí)其航行阻力為1.72 N,4 kn航速時(shí)的航行阻力為 22.5 N,各航速下的水阻力分析結(jié)果如表3所示,4 kn航速下的壓力分布云圖如圖4所示,機(jī)體頭部為迎流面阻力較大,尾部為背流面阻力較小,平均阻力系數(shù)為0.277 2。分析表3及圖4結(jié)果可知,小型LRAUV殼體具有良好的流體動(dòng)力線型,流體阻力較小。

表3 水阻力流體動(dòng)力分析結(jié)果Fig.3 Fluid dynamics analysis results of water resistance

圖4 小型LRAUV壓力分布云圖Fig.4 Pressure distribution contour of small LRAUV

小型 LRAUV為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航程的續(xù)能要求,采用一種特殊的低速高效雙葉螺旋槳推進(jìn)器推進(jìn),該型螺旋槳結(jié)合無(wú)導(dǎo)流、小推力、低轉(zhuǎn)速、磁力耦合等高效推進(jìn)技術(shù),具有直徑大、轉(zhuǎn)速低、盤(pán)面比小、推進(jìn)效率高等特點(diǎn),已成功應(yīng)用于混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)[13,16],圖 5所示為該型螺旋槳的雙葉結(jié)構(gòu)模型。

圖5 雙葉螺旋槳結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure model of double-blade propeller

螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩和效率計(jì)算公式

式中:KT為推力系數(shù);KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù);V為螺旋槳進(jìn)速;D為螺旋槳直徑;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

螺旋槳推進(jìn)器的推進(jìn)效率可表示為

式中:ηm為電動(dòng)機(jī)效率;ηg為減速機(jī)效率;ηp為姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作效率。

由文獻(xiàn)[16]的分析結(jié)果可知,該型螺旋槳低速推進(jìn)效率為 0.73,推力為 8 N,高速推進(jìn)效率0.55,推力 60 N,螺旋槳推力、效率與轉(zhuǎn)速間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。根據(jù)小型LRAUV水阻力的 CFD仿真結(jié)果,小型 LRAUV最大水阻力為22.5 N,螺旋槳的轉(zhuǎn)速達(dá)到720 r/min即可,此時(shí)的推進(jìn)效率為0.66。螺旋槳推進(jìn)器電機(jī)效率為0.9,減速機(jī)效率 0.83。由式(18)得螺旋槳推進(jìn)器低速推進(jìn)效率為0.55,高速推進(jìn)效率為0.49。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下螺旋槳推力和推進(jìn)效率Fig.6 Thrust and propulsive efficiency of propeller at different rotary speeds

螺旋槳推進(jìn)器低速推進(jìn)功率可表示為

高速推進(jìn)功率可表示為

式中:VL為經(jīng)濟(jì)航速;VH為機(jī)動(dòng)航速。

實(shí)測(cè)可知,小型 LRAUV控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備的平均功耗Pc=5W,通信及定位系統(tǒng)的平均功耗Pcp=3W,小型LRAUV低速推進(jìn)時(shí)的 航 速vL=1m/s,高速推進(jìn)時(shí)vH=2m/s,由式(5)～式(12)及式(19)～式(20)可得小型LRAUV低速推進(jìn)時(shí)的有效航程

高速推進(jìn)時(shí)的有效航程

由結(jié)果可知,水面懸浮運(yùn)動(dòng)時(shí),小型LRAUV低速推進(jìn)可獲得最大約804 km的有效航程,高速推進(jìn)時(shí)可獲得約309 km的機(jī)動(dòng)航程。

2.3 水下定深

水下定深航行分為下潛、懸停、定深推進(jìn)、上浮及定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^(guò)程,小型 LRAUV在完成水下定深航行后進(jìn)行一次定位及數(shù)據(jù)傳輸,持續(xù)時(shí)間約為60 s。水下定深航行時(shí)的系統(tǒng)能耗主要包括下潛能耗Wd、定深推進(jìn)能耗Wdmt、上浮能耗Wu及上浮后的定位及數(shù)據(jù)傳輸能耗Wdmcp,小型 LRAUV完成一次定位和數(shù)據(jù)傳輸,其能耗Wdmcp=180W 。則小型LRAUV水下定深航行時(shí)的系統(tǒng)能耗可表示為

水下定深航行時(shí)的有效航程可表示為

式中:Sd為下潛運(yùn)動(dòng)時(shí)的有效航程;Su為上浮運(yùn)動(dòng)時(shí)的有效航程;Sdmt為水下推進(jìn)時(shí)的有效航程。

2.3.1 下潛及上浮

浮力調(diào)節(jié)模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊僅在小型LRAUV進(jìn)行上浮和下潛的開(kāi)始階段工作,做下潛運(yùn)動(dòng)時(shí),浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行吸油動(dòng)作,使之凈浮力為負(fù)值,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊調(diào)整機(jī)體姿態(tài)使之處于前俯后仰姿態(tài)后滑翔下潛;當(dāng)小型 LRAUV需要做上浮運(yùn)動(dòng)時(shí),浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行排油動(dòng)作,使之凈浮力為正值,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊調(diào)整機(jī)體姿態(tài)使之處于前仰后俯姿態(tài)后滑翔上浮。小型LRAUV進(jìn)行一次的上浮和下潛運(yùn)動(dòng),浮力調(diào)節(jié)模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊組成一次完整的泵系統(tǒng)循環(huán)。下潛運(yùn)動(dòng)能耗包括浮力調(diào)節(jié)模塊下潛運(yùn)動(dòng)能耗Wdb,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊下潛能耗Wdp,控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備能耗Wdc等三部分,下潛過(guò)程中,通信及定位天線潛入水下無(wú)法定位和數(shù)據(jù)傳輸,因此處于關(guān)閉狀態(tài),沒(méi)有能耗,則下潛運(yùn)動(dòng)時(shí)的能耗可表示為

浮力調(diào)節(jié)模塊能耗可表示為

式中:Pdb為下潛運(yùn)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)模塊功率;tb為浮力調(diào)節(jié)模塊工作時(shí)間;ηb浮力調(diào)節(jié)模塊總效率;η1為電機(jī)端效率;η2為絲杠螺母幅效率;η3為柔性卷邊柱塞泵效率。

姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊系統(tǒng)能耗可表示為

式中:Pdp為下潛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊功率;tp為姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作時(shí)間。

控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備能耗可表示為

式中,td為下潛運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

上浮運(yùn)動(dòng)能耗包括浮力調(diào)節(jié)模塊上浮運(yùn)動(dòng)能耗Wub、姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊上浮運(yùn)動(dòng)能耗Wup及控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備上浮能耗Wuc等三部分,則上浮運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)能耗可表示為

浮力調(diào)節(jié)模塊能耗可表示

式中,Pub為上浮運(yùn)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)模塊功率。

上浮和下潛垂向速度相同,持續(xù)時(shí)間相同,因此姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊上浮時(shí)系統(tǒng)功耗與下潛時(shí)系統(tǒng)能耗相等,可表示為

控制及其他電子設(shè)備的上浮和下潛過(guò)程中能耗相等,可表示為

小型LRAUV完成一次上浮和下潛的循環(huán)動(dòng)作能耗可表示為

式中:Pup為上浮運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊功率;tu為上浮運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

小型LRAUV浮力調(diào)節(jié)模塊與周?chē)Ｋ噙B,其浮力調(diào)節(jié)模塊的能耗取決于外部負(fù)載,外部海水壓力大則能耗大,外部海水壓力小則能耗小。通過(guò)外接壓力泵系統(tǒng)模擬海水壓力連接小型LRAUV的浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行不同壓力下的能耗測(cè)試,蓄能器可保證小型 LRAUV浮力調(diào)節(jié)模塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)試管路內(nèi)的壓力恒定,對(duì)同一模擬壓力下進(jìn)行多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試以獲得不同海水壓力下浮力調(diào)節(jié)模塊功耗,浮力泵系統(tǒng)能耗測(cè)試原理及實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖7、圖8所示。經(jīng)實(shí)測(cè),浮力調(diào)節(jié)模塊空載時(shí)能耗為24.2 W,200 m壓力負(fù)載時(shí)能耗為 130 W,實(shí)測(cè)功率與壓力深度的測(cè)試曲線如圖9所示。實(shí)測(cè)功率包括傳動(dòng)系統(tǒng)的效率損失,即電機(jī)端、絲杠螺母副、柔性卷邊柱塞泵等效率損失,即小型LRAUV處于水面做下潛運(yùn)動(dòng)時(shí)浮力調(diào)節(jié)模塊功率Pdb/ηb=24.2W,處于200m水深做上浮運(yùn)動(dòng)時(shí)Pub/ηb=130W。此外,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊實(shí)測(cè)功率為4.8W,即Pdp/ηp=Pup/ηp=4.8W。

圖7 浮力泵系統(tǒng)測(cè)試原理Fig.7 Test principle of buoyancy pump system

圖8 浮力泵系統(tǒng)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Test site of buoyancy pump system

圖9 實(shí)測(cè)功率與壓力深度測(cè)試曲線Fig.9 Test curve of power versus pressure depth

小型LRAUV做下潛和上浮運(yùn)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)模塊單次工作31 s,即排油動(dòng)作和吸油動(dòng)作各31 s,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊單次工作26 s,即俯仰電池包前向及后向各運(yùn)動(dòng)26 s,其余時(shí)間為自由浮潛運(yùn)動(dòng),浮力泵調(diào)節(jié)模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)實(shí)測(cè),小型 LRAUV下潛和上浮時(shí)的縱向平均速度約為 0.2 m/s,完成 200 m深度的下潛或上浮運(yùn)動(dòng)耗時(shí)約 1000s,即td=tu=1000s 。此外,小型LRAUV下潛和上浮時(shí)通過(guò)姿態(tài)調(diào)節(jié)可獲得大約20°的滑翔角,200 m深度的浮潛運(yùn)動(dòng)可獲得的前向運(yùn)動(dòng)約73 m,有效行程Sdu=146m。根據(jù)式(25)～式(33)可得單次下潛和上浮的循環(huán)運(yùn)動(dòng)能耗Wdu=102.68kJ。

2.3.2 水下推進(jìn)

水下推進(jìn)能耗包括螺旋槳推進(jìn)器能耗Wdmp和控制、導(dǎo)航及其他電子設(shè)備能耗Wdmc,則水下推進(jìn)時(shí)系統(tǒng)能耗可表示為

螺旋槳推進(jìn)器能耗可表示為

控制及其他電子設(shè)備能耗可表示為

定深推進(jìn)能耗可表示為

則水下推進(jìn)時(shí)的有效航程可表示為

根據(jù)式(23)及式(33)～式(38)可得低速下定深推進(jìn)的航程

高速下定深推進(jìn)的航程

由式(24)及式(39)～式(40)的計(jì)算結(jié)果可得,小型LRAUV做水下定深航行低速推進(jìn)時(shí)的有效航程

高速推進(jìn)時(shí)的有效航程

分析計(jì)算結(jié)果可知,水下定深航行時(shí),小型LRAUV低速推進(jìn)可獲得最大946 km的有效航程,在進(jìn)行高速的機(jī)動(dòng)觀測(cè)時(shí)可獲得約316 km的機(jī)動(dòng)航程。

2.4 多次懸浮及定深的混合航行

AUV執(zhí)行任務(wù)時(shí)通常是水面、水下及上浮和下潛混合進(jìn)行的復(fù)雜航行[17-18],為方便分析小型LRAUV的續(xù)航力,設(shè)定5km為單位航行距離,即水面懸浮推進(jìn)Ss0=5km,然后下潛水下定深Sdm0=5km航行后上浮再繼續(xù)執(zhí)行水面懸浮推進(jìn)循環(huán)動(dòng)作的小型LRAUV航行軌跡,如圖10所示。

圖10 小型LRAUV路徑規(guī)劃Fig.10 Path planning of small LRAUV

根據(jù)小型 LRAUV路徑規(guī)劃的特點(diǎn),其單次混合航行有效航程包括水面懸浮5 km,水下定深5 km,上浮和下潛運(yùn)動(dòng)的前向距離146m,單次混合航行的有效航程S0=Ss0+Sdm0+Sdu=10.146km,小型 LRAUV混合航行時(shí)的有效航程可表示為

式中,N為循環(huán)次數(shù)。

小型LRAUV進(jìn)行混合航行時(shí)的系統(tǒng)能耗可表示為

式中:Ws0為水面懸浮5 km單位能耗;Wdm0為水下定深5 km單位能耗。

式中:Wsp0為水面懸浮 5 km螺旋槳推進(jìn)器單位能耗;Wsc0為水面懸浮 5 km控制導(dǎo)航及其他電子設(shè)備單位能耗;Wscp0為水面懸浮5 km通信及定位系統(tǒng)單位能耗;Wdmt0為水下定深螺旋槳推進(jìn) 5 km單位能耗;ts0為水面懸浮 5 km耗時(shí);tdm0為水下定深5 km耗時(shí)。

式中:tsL0為水面懸浮低速航行5km耗時(shí);tsH0為水面懸浮高速航行5km耗時(shí)。

由式(41)～式(46)可得

式中:WsL0為水面懸浮低速航行 5 km的單位能耗;WsH0為水面懸浮高速航行5 km的單位能耗;WdmL0為水下定深低速航行 5 km單位能耗;WdmH0水下定深高速航行5 km單位能耗。

則小型LRAUV做混合航行運(yùn)動(dòng)時(shí)在高低不同航速下的有效航程分別為

式中:SctL為低速航行的有效航程;SctH為高速航行的有效航程。

混合航行作為小型LRAUV航行過(guò)程最常應(yīng)用的一種航行模式,其最大航程可達(dá)560 km,高速下的機(jī)動(dòng)觀測(cè)可實(shí)現(xiàn)最大263 km的有效航程,較之傳統(tǒng) AUV的數(shù)十至上百公里的有效航程,已有很大提升。

2.5 多種推進(jìn)模式比較

由前文計(jì)算結(jié)果可知,不同航行模式下的續(xù)航力對(duì)比如圖11所示。分析續(xù)航力結(jié)果,3種不同航行模式下,水下定深航行續(xù)航里程最大,混合航行續(xù)航里程最小。3種航行模式在低速推進(jìn)時(shí)最大航程差值較大,高速推進(jìn)時(shí)最大航程差值較小,且不同航行模式下最大的續(xù)航里程都是在低速推進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)的。此外,同一航行模式下,高速推進(jìn)和低速推進(jìn)相比定深航行的差值最大,混合航行的差值最小。由此可知,速度對(duì)小型LRAUV的續(xù)航力影響最大,若要實(shí)現(xiàn)最大的續(xù)航里程,必須以低速推進(jìn),同時(shí)降低通信頻率,減少下潛及上浮的次數(shù)。若要實(shí)現(xiàn)高速的機(jī)動(dòng)觀測(cè),則可根據(jù)需求任選 3種航行模式之一,對(duì)續(xù)航里程影響不大。此外,若換裝一次鋰電池組,由一次鋰電池組與二次鋰電池組的倍數(shù)關(guān)系可知,小型LRAUV低速下可實(shí)現(xiàn)的最大航程為2 554.2 km,高速下可實(shí)現(xiàn)的最大航程為853 km,混合航行可實(shí)現(xiàn)最大續(xù)航1 512 km,機(jī)動(dòng)觀測(cè)710 km。

圖11 不同航行模式最大續(xù)航力比較Fig.11 Comparison of maximum endurance for different running modes

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)小型LRAUV不同的航行模式分析了其在不同航速下的最大續(xù)航里程,由分析計(jì)算結(jié)果可知,小型 LRAUV的續(xù)航里程與航行速度、通信頻率及下潛和上浮的頻率有關(guān),綜合分析小型LRAUV的3種不同航行模式。由分析結(jié)果知:60 kg級(jí)小型 LRAUV常規(guī)動(dòng)力條件下可實(shí)現(xiàn)最大946 km續(xù)航,一次鋰電池組能源可實(shí)現(xiàn)最大 2 554.2 km續(xù)航,低速推進(jìn)是長(zhǎng)續(xù)航力的先決保證。

文章從能耗分析的角度研究不同航行模式下小型 LRAUV的續(xù)航里程,后續(xù)可對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,從動(dòng)力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)仿真的角度研究小型LRAUV的續(xù)航力。