錢(qián)洪寶, 盧曉亭

我國(guó)水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展建議與思考

錢(qián)洪寶1, 盧曉亭2

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 電子科學(xué)研究院, 北京, 100041; 2. 中國(guó)人民解放軍31010部隊(duì), 北京, 100000)

文中簡(jiǎn)要綜述了國(guó)內(nèi)外水下滑翔機(jī)(UG)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀, 回顧了我國(guó)UG發(fā)展的歷程。重點(diǎn)介紹了國(guó)家科技計(jì)劃對(duì)以UG為代表的海洋儀器裝備的安排部署和支持情況、取得的技術(shù)進(jìn)展和主要經(jīng)驗(yàn)做法。最后, 從單體技術(shù)、協(xié)同組網(wǎng)和應(yīng)用研究等3個(gè)方面對(duì)UG技術(shù)下一步的發(fā)展提出了意見(jiàn)和建議, 具體包括: 應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)低功耗設(shè)計(jì)、最優(yōu)路徑規(guī)劃與控制策略算法、多參數(shù)獲取及搭載能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和信息安全傳輸?shù)群诵年P(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān), 加快UG單體技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化升級(jí); 可同步加強(qiáng)多UG編隊(duì)協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)研究, 提升其整體作業(yè)效率和觀、探測(cè)效果; 應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)UG觀測(cè)的功能拓展和海洋科學(xué)應(yīng)用研究。文中的工作可為未來(lái)實(shí)現(xiàn)“透明海洋”目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。

水下滑翔機(jī); 技術(shù)進(jìn)展; 單體技術(shù); 協(xié)同組網(wǎng); 應(yīng)用研究

0 引言

水下滑翔機(jī)(underwater glider, UG)是一種能夠通過(guò)調(diào)節(jié)自身浮力實(shí)現(xiàn)升沉, 利用凈浮力和兩翼姿態(tài)角調(diào)整獲得推進(jìn)力, 實(shí)現(xiàn)在水中滑翔并對(duì)水體信息進(jìn)行采集的水下機(jī)器人, 其能源利用效率高、噪音低, 具有大范圍、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)海洋環(huán)境觀測(cè)與探測(cè)的優(yōu)勢(shì)[1], 適用于開(kāi)展“中尺度”及以上尺度[2-3], 甚至部分“亞中尺度”[4-7]物理海洋現(xiàn)象觀測(cè)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查及海洋安全保障等工作, 同時(shí)也為海洋大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值預(yù)報(bào)等UG重要應(yīng)用領(lǐng)域提供原位準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。

國(guó)外早在20世紀(jì)90年代初就開(kāi)展了UG的研究工作, 其中, 美國(guó)一直是該技術(shù)的先驅(qū)者和領(lǐng)導(dǎo)者。1989年, 美國(guó)的Henry Stommel首次提出“水下滑翔機(jī)”的概念。1991年, 美國(guó)Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首臺(tái)Slocum UG, 目前已成為應(yīng)用最為廣泛的UG產(chǎn)品之一[8]。國(guó)外UG最大設(shè)計(jì)巡航里程已達(dá)10 000 km, 美國(guó)Slocum UG早在2009年就已實(shí)現(xiàn)橫渡大西洋的任務(wù)(連續(xù)221天不間斷航行, 航程達(dá)7 409.6 km)[9]。隨著UG單體技術(shù)的成熟, UG多機(jī)協(xié)同觀測(cè)和組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)也快速發(fā)展, 美國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始組建自主海洋觀測(cè)網(wǎng)(autonomous ocean sampling network, AOSN), 并開(kāi)展了一系列技術(shù)升級(jí)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn), UG組網(wǎng)觀測(cè)已納入綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(integrated ocean observing system, IOOS)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。2018年4月, 美國(guó)海軍海洋局(naval oceanographic office, NAVOCEANO)實(shí)現(xiàn)同時(shí)協(xié)同控制50臺(tái)UG實(shí)施水下環(huán)境預(yù)測(cè), 正計(jì)劃同時(shí)部署100臺(tái)海洋滑翔機(jī)集群作業(yè)(目前可能已經(jīng)完成, 但未見(jiàn)可信報(bào)道); 歐洲水下滑翔機(jī)觀測(cè)網(wǎng)(European gliding observatories, EGO)已陸續(xù)布放了超過(guò)300臺(tái)UG執(zhí)行各種海洋觀測(cè)任務(wù), 實(shí)時(shí)采集大西洋海域內(nèi)海洋剖面數(shù)據(jù)信息等。UG協(xié)作與編隊(duì)觀測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)際上幾乎所有重要的海洋觀測(cè)系統(tǒng)和海洋觀測(cè)計(jì)劃中[1-8]。

1 我國(guó)UG技術(shù)發(fā)展

1.1 發(fā)展歷程

UG在我國(guó)的發(fā)展始于21世紀(jì)初。天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最早于2002年開(kāi)始第一代UG樣機(jī)的探索, 而國(guó)家主體科技計(jì)劃是隨著“十一五”海洋領(lǐng)域“開(kāi)拓深遠(yuǎn)?！睉?zhàn)略的實(shí)施安排部署的。2006年, 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)海洋技術(shù)領(lǐng)域作為目標(biāo)導(dǎo)向在“海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)”專(zhuān)題里支持啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)UG海上試驗(yàn)樣機(jī)的研制(設(shè)計(jì)巡航里程為500 km、最大下潛深度500 m), 由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所牽頭組織研發(fā), 并于國(guó)家“十一五”末在我國(guó)南海開(kāi)展了海上試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

“十二五”期間, “挺進(jìn)深遠(yuǎn)?！睉?zhàn)略重點(diǎn)圍繞強(qiáng)化深遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)、深海探測(cè)與作業(yè)能力和支撐沿海藍(lán)色經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展2條主線不斷深入, 突出解決我國(guó)深遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)及資源開(kāi)發(fā)面臨的技術(shù)裝備手段缺乏的問(wèn)題, 而UG以其能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度范圍、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)等突出優(yōu)勢(shì), 再次成為海洋領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)方向。與此同時(shí), 國(guó)家“十二五”863計(jì)劃大幅增加了UG的研發(fā)投入, 通過(guò)主題項(xiàng)目啟動(dòng)了4型(包括電能、混合推進(jìn)型、噴水推進(jìn)型和聲學(xué)探測(cè))UG的研制,設(shè)計(jì)巡航里程為1 000 km, 工作水深范圍1 000~ 1500 m, 其中多型樣機(jī)在海上試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異, 達(dá)到考核指標(biāo)的要求[1]。

進(jìn)入“十三五”以后, 瞄準(zhǔn)國(guó)家目標(biāo)和加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的需求, 科技部通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃繼續(xù)對(duì)長(zhǎng)航程UG的研發(fā)進(jìn)行重點(diǎn)支持和部署, 在“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)中針對(duì)不同技術(shù)路線長(zhǎng)航程UG研制啟動(dòng)2個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目(設(shè)計(jì)巡航里程突破3 000 km), 同時(shí)對(duì)水下多節(jié)點(diǎn)UG協(xié)同及組網(wǎng)觀測(cè)進(jìn)行了同步支持。此外, 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)“問(wèn)海計(jì)劃”項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院通過(guò)“先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”也對(duì)大深度UG研發(fā)予以了重點(diǎn)支持。

1.2 研究成果

我國(guó)在UG單機(jī)技術(shù)方面研發(fā)成果顯著。2014年海上測(cè)試時(shí), 天津大學(xué)研發(fā)的“海燕”號(hào)UG測(cè)試水深為1500 m, 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的“海翼”號(hào)UG設(shè)計(jì)深度為1000 m, 測(cè)試水深為1 000 m; 2017年3月, 由中國(guó)科學(xué)院“先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”支持的7 000米級(jí)“海翼”號(hào)深海UG, 在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵上完成了12個(gè)潛次, 總航程超過(guò)130 km, 最大下潛深度達(dá)6 329 m[10], 入選2017年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞; 2018年4月, 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)部分)的“海燕-X”萬(wàn)米級(jí)深海UG在馬里亞納海溝下潛至8 213 m[11-12]; 2018年11月, 由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持, 天津大學(xué)組織研制的“海燕”號(hào)長(zhǎng)航程UG在南海北部實(shí)現(xiàn)了連續(xù)航行141天, 共完成了734個(gè)剖面的水文環(huán)境參數(shù)觀測(cè), 率先實(shí)現(xiàn)了單次巡航里程突破3 619.6 km[13]。

總體而言, 經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)UG團(tuán)隊(duì)十余年自主研發(fā), 我國(guó)多型UG海上試驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)達(dá)到工程化和實(shí)用化要求, 相關(guān)團(tuán)隊(duì)自發(fā)組織開(kāi)展了小規(guī)模多機(jī)UG海上協(xié)同及組網(wǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的探索, 主要包括: 天津大學(xué)、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等多家單位在2017年開(kāi)展的, 包括各型海洋滑翔機(jī)在內(nèi)共計(jì)30余臺(tái)套國(guó)產(chǎn)觀測(cè)裝備的協(xié)作組網(wǎng)觀測(cè)海上試驗(yàn); 中國(guó)科學(xué)院“先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”支持布放的12臺(tái)UG實(shí)現(xiàn)的我國(guó)較大規(guī)模的UG集群觀測(cè)等?？傊? 我國(guó)UG在科學(xué)研究、生態(tài)調(diào)查、軍民融合等領(lǐng)域開(kāi)展了一定規(guī)模的應(yīng)用[3, 10-20], 部分型號(hào)具備了產(chǎn)品化批產(chǎn)能力, 形成了“海燕”、“海翼”等國(guó)內(nèi)自主品牌。國(guó)內(nèi)外成熟UG產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況見(jiàn)表1[11-13, 21-25]。

目前, 國(guó)內(nèi)牽頭開(kāi)展UG研發(fā)的單位主要有中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、國(guó)家海洋技術(shù)中心、中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第710所和第702所、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、大連海事大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等[1, 8]; 參與UG產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括北京蔚海明祥科技有限公司、深圳市投資控股有限公司和天津深之藍(lán)海洋設(shè)備科技有限公司等。其中,參與研發(fā)的單位超過(guò)30家, 涉及研發(fā)人員突破500人; 近3個(gè)五年計(jì)劃國(guó)家財(cái)政研發(fā)投入、產(chǎn)出及與國(guó)外對(duì)比情況如表2所示。

表1 國(guó)內(nèi)外成熟水下滑翔機(jī)產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況(數(shù)據(jù)截止2019年5月)

表2 UG國(guó)內(nèi)研發(fā)投入、產(chǎn)出與全球產(chǎn)出對(duì)照表(數(shù)據(jù)截止2018年9月)

1.3 我國(guó)計(jì)劃組織UG研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)做法

長(zhǎng)期以來(lái), 以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家在UG研發(fā)方面對(duì)我國(guó)施行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖、禁運(yùn)禁售, 甚至在學(xué)術(shù)交流以及國(guó)際合作等方面都加以嚴(yán)格限制。針對(duì)此, 只有立足自主研發(fā), 解決核心關(guān)鍵技術(shù), 才能真正掌握競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展的主動(dòng)權(quán), 這在很大程度上堅(jiān)定了國(guó)家支持開(kāi)展UG研制的決心, 同時(shí)也大大激發(fā)了國(guó)內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新的熱情。

在此背景下, 依靠國(guó)家層面并行支持, 國(guó)內(nèi)多個(gè)UG團(tuán)隊(duì)同步研發(fā), 帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)UG技術(shù)水平的整體快速發(fā)展。僅“十二五”期間, 通過(guò)國(guó)家863計(jì)劃組織國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量, 在同一主題項(xiàng)目中針對(duì)不同技術(shù)路線同時(shí)設(shè)立4個(gè)課題, 采取多家單位共同發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)性科技研發(fā)創(chuàng)新模式。

研發(fā)過(guò)程中, 首先, 通過(guò)同步進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和論證、定期開(kāi)展技術(shù)學(xué)術(shù)交流和研討、集中組織規(guī)范化海上試驗(yàn)、統(tǒng)一組織第三方檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)等措施, 研發(fā)團(tuán)隊(duì)之間互相借鑒經(jīng)驗(yàn)、取長(zhǎng)補(bǔ)短, 大大加快了技術(shù)攻關(guān)步伐, 促進(jìn)了國(guó)內(nèi)UG技術(shù)的整體快速發(fā)展。

其次, 規(guī)范研發(fā)過(guò)程, 嚴(yán)格質(zhì)量控制與管理, 大大加快了UG的工程化研制進(jìn)程。復(fù)雜的海洋環(huán)境(包括惡劣的海況、水下交變壓力載荷、海水腐蝕、復(fù)雜水下地形和強(qiáng)流場(chǎng)等)對(duì)UG質(zhì)量提出了近乎苛刻的要求, 特別是對(duì)UG技術(shù)設(shè)計(jì)、部件選擇、加工精度、材料工藝、控制算法和能源管理等重點(diǎn)環(huán)節(jié), 除了提高技術(shù)的先進(jìn)性, 更要保障工程化應(yīng)用的高穩(wěn)定性和可靠性。國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃針對(duì)海洋領(lǐng)域通過(guò)發(fā)布實(shí)施《海洋儀器設(shè)備研制質(zhì)量管理規(guī)范》, 從項(xiàng)目總體方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工制造、集成聯(lián)調(diào)及測(cè)試環(huán)節(jié)規(guī)范研發(fā)過(guò)程, 嚴(yán)格質(zhì)量控制管理, 也在UG海上試驗(yàn)樣機(jī)研制及快速工程化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[26]。

最后, 創(chuàng)新技術(shù)評(píng)價(jià)方式, 開(kāi)展規(guī)范化海上試驗(yàn), 嚴(yán)格按照《海洋儀器設(shè)備海上試驗(yàn)管理規(guī)范》, 實(shí)施海上試驗(yàn)考核, 大大加快UG的實(shí)用化進(jìn)程。國(guó)內(nèi)UG技術(shù)的發(fā)展遵循了“邊研發(fā)、邊海試、邊應(yīng)用”原則, 研發(fā)以最終的應(yīng)用為導(dǎo)向, 在真實(shí)海洋環(huán)境條件下嚴(yán)格考核, 檢驗(yàn)UG樣機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo), 海試及評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)引入第三方和質(zhì)量監(jiān)理, 通過(guò)海上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并反饋研發(fā), 有針對(duì)性地加以改進(jìn), 反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證, 使得UG快速達(dá)到實(shí)用化要求, 結(jié)束了過(guò)去多數(shù)海洋儀器設(shè)備研發(fā)最終仍停留在試驗(yàn)室檢驗(yàn)、水池試驗(yàn)或者湖試階段的歷史?？傊? 從實(shí)戰(zhàn)出發(fā), 堅(jiān)持“研以致用, 用以促研”的良性互動(dòng)格局, 是國(guó)產(chǎn)UG技術(shù)快速發(fā)展進(jìn)步的主要經(jīng)驗(yàn), 值得組織其他海洋裝備研發(fā)時(shí)借鑒推廣。

2 建議與思考

目前, 從UG整體發(fā)展來(lái)看, 其已在國(guó)內(nèi)外得到較好應(yīng)用, 并在諸多方面顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值; 特別地, 在海洋觀測(cè)方面, 國(guó)產(chǎn)UG已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)南海、西北太平洋、東太平洋、印度洋和北極白令海等海域科考調(diào)查中, 觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于大洋湍流(微結(jié)構(gòu))觀測(cè)[27]、臺(tái)風(fēng)、(亞)中尺度渦[14, 16-20]、海洋內(nèi)波[15, 28]和海-氣相互作用等研究中。在海洋探測(cè)方面, 我國(guó)重點(diǎn)開(kāi)展了基于UG的聲學(xué)探測(cè)技術(shù)攻關(guān)[29-30]。相關(guān)研制單位也初步實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)或多臺(tái)UG協(xié)同組網(wǎng), 在一定范圍內(nèi)對(duì)部分聲學(xué)目標(biāo)的探測(cè)和警戒能力。因此, 未來(lái)無(wú)論是在海洋科學(xué)研究、海洋資源開(kāi)發(fā)與利用、海洋搜救打撈、海底設(shè)備布放檢測(cè)維修回收等領(lǐng)域, 還是在海洋安全保障方面都具有迫切的應(yīng)用需求和廣闊的應(yīng)用前景。

不過(guò), 盡管近年來(lái)我國(guó)UG技術(shù)取得了較快發(fā)展, 并在部分功能性能指標(biāo)(如大深度等)上不斷追趕甚至超越國(guó)外先進(jìn)水平。但總體而言, 我國(guó)UG技術(shù)因?yàn)榘l(fā)展起步較晚, 研究基礎(chǔ)薄弱, 在平臺(tái)單體技術(shù)、協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)及應(yīng)用研究等方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)技術(shù)水平仍存在較大差距(如最為重要的長(zhǎng)航程續(xù)航能力, 距離國(guó)際平均水平差距明顯, 參見(jiàn)表1), 還需要加快創(chuàng)新發(fā)展步伐, 具體建議如下。

1) 在已有技術(shù)基礎(chǔ)上[31-33], 進(jìn)一步加強(qiáng)核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 加快單體UG的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化升級(jí)。重點(diǎn)在低功耗設(shè)計(jì)、最優(yōu)路徑規(guī)劃與控制策略算法、多參數(shù)獲取及搭載能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和信息安全傳輸?shù)确矫婕訌?qiáng)研究攻關(guān), 增強(qiáng)UG應(yīng)對(duì)強(qiáng)背景流場(chǎng)等復(fù)雜海況、復(fù)雜海底地形環(huán)境下的長(zhǎng)航程實(shí)海探測(cè)與操控能力; 此外, 在人機(jī)協(xié)同控制、任務(wù)重建等方面提高人機(jī)交互水平, 真正實(shí)現(xiàn)為各類(lèi)用戶提供大范圍、長(zhǎng)期連續(xù)、穩(wěn)定可靠、低成本的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)鏈路。

2) 在前期技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上[14, 16, 34], 加強(qiáng)多UG編隊(duì)協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)研究, 提升UG整體作業(yè)效率和觀測(cè)與探測(cè)效果。結(jié)合科學(xué)研究、資源環(huán)境調(diào)查及目標(biāo)探測(cè)等國(guó)家戰(zhàn)略需求, 開(kāi)展多UG移動(dòng)分布式節(jié)點(diǎn)的多機(jī)協(xié)調(diào)編隊(duì)、水下互聯(lián)互通、自適應(yīng)采樣及快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)等技術(shù)攻關(guān), 增強(qiáng)UG大規(guī)模集群觀測(cè)與探測(cè)能力, 特別是加強(qiáng)與水下異構(gòu)節(jié)點(diǎn)(如波浪滑翔機(jī)、自主水下航行器等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及浮標(biāo)、潛標(biāo)、海床基等固定觀測(cè)節(jié)點(diǎn))的組網(wǎng)觀測(cè), 并逐步從水面水下拓展到空、天、陸、海組建一體化觀測(cè)信息網(wǎng)絡(luò), 在UG及其他異構(gòu)節(jié)點(diǎn)種類(lèi)及數(shù)量規(guī)模、組網(wǎng)觀測(cè)覆蓋范圍、多機(jī)任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)穩(wěn)健性、觀測(cè)效率及業(yè)務(wù)化等方面不斷提升UG綜合協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)能力和水平。

3) 加強(qiáng)UG觀測(cè)的功能拓展和海洋科學(xué)應(yīng)用研究。重點(diǎn)解決目前UG機(jī)構(gòu)類(lèi)型、作業(yè)模式、觀測(cè)功能單一, 載荷搭載能力弱, 與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不夠緊密的問(wèn)題。如結(jié)合仿生原理積極探索異構(gòu)新概念UG[35]及混合能源(如溫差能[36-37]、鹽差能等)推進(jìn)型UG, 提高復(fù)雜海洋環(huán)境下的適應(yīng)能力; 研究大型高速UG(如大翼展UG等[38-39]), 提高多參數(shù)傳感器快速觀測(cè)能力[40-41]; 積極引入互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù), 提升UG智能信息感知、自主判別決策、人機(jī)快速協(xié)同和處理突發(fā)緊急情況的應(yīng)對(duì)能力; 此外, 在物理海洋、生物地球化學(xué)等領(lǐng)域積極開(kāi)展科學(xué)研究, 加強(qiáng)與相關(guān)行業(yè)部門(mén)及地方的結(jié)合, 拓展應(yīng)用業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

[1] Cui W C, Fu S X, Hu Z Q, et al. Encyclopedia of Ocean Engineering: Glider[M]. Singapore: Springer Singapore, 2019: 1-12.

[2] Rudnick, Daniel L. Ocean Research Enabled by Underwater Gliders[J]. Annual Review of Marine Science, 2016, 8: 519-541.

[3] Li S F, Wang S X, Zhang F M, et al. Constructing the Three-dimensional Structure of an Anticyclonic Eddy in the South China Sea Using Multiple Underwater Gliders [J/OL]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JTECH-D-19-0006.1, 2019-09-23.

[4] Qiu C H, Mao H B, Liu H L, et al. Deformation of a Warm Eddy in the Northern South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2019, 124(8): 5551-5564.

[5] Viglione G A, Thompson A F, Flexas M M, et al. Abrupt Transitions in Submesoscale Structure in Southern Drake Passage: Glider Observations and Model Results[J]. Journal of Physical Oceanography, 2018, 48(9): 2011- 2027.

[6] Ananda P, Simon R, Antonio O, et al. A Multiplatform Experiment to Unravel Meso-and Submesoscale Processes in an Intense Front(AlborEx)[J]. Frontiers in Marine Science, 2017, 4: 1-16.

[7] Andrew F, Thompson A L, Christian B, et al. Open-Ocean Submesoscale Motions: A Full Seasonal Cycle of Mixed Layer Instabilities from Gliders[J]. Journal of Physical Oceanography, 2016, 46(4): 1285-1307.

[8] 沈新蕊, 王延輝, 楊紹瓊, 等. 水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(2): 89-106. Shen Xin-rui, Wang Yan-hui, Yang Shao-qiong, et al. Development of Underwater Gliders: An Overview and Prospect[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(2): 89-106.

[9] Glenn S, Schofield O, Kohut J, et al. The Trans-Atlantic Slocum Glider Expeditions: A Catalyst for Undergraduate Participation in Ocean Science and Technology[J]. MAR Marine Technology Society Journal, 2011, 45(1): 52-67.

[10] Yu Jian-cheng, Jin Wen-ming, Tan Zhi-duo, et al. Development and Experiments of the Sea-Wing7000 Underwater Glider[C]//OCEANS 2017 MTS/IEEE Anchorage. New York: IEEE, 2017: 1-7.

[11] Li H Z, Wang Y Hi, Wang S X. Underwater Glider Petrel-X—Glider rated to 10,000 m for Hadal Zone Research [J]. Sea Technology, 2019, 60(4): 18-22.

[12] Wang S X, Li H Z, Wang Y H, et al. Dynamic Modeling and Motion Analysis for a Dual-Buoyancy-Driven Full Ocean Depth Glider[J]. Ocean Engineering, 2019, 187: 106163.

[13] Yang M, Wang Y H, Wang S X, et al. Motion Parameter Optimization for Gliding Strategy Analysis of Underwater Gliders[J]. Ocean Engineering, 2019, 191: 106502.

[14] Qiu C H, Mao H B, Wang Y H, et al. An Irregularly Shaped Warm Eddy Observed by Chinese Underwater Gliders[J]. Journal of Oceanography, 2019, 75(2): 139-148.

[15] Ma W, Wang Y H, Yang S Q, et al. Observation of Internal Solitary Waves Using an Underwater Glider in the Northern South China Sea[J]. Journal of Coastal Research, 2018, 345(5): 1188-1195.

[16] Li S F, Wang S X, Zhang F M, et al. Observing an Anticyclonic Eddy in the South China Sea Using Multiple Underwater Gliders[C]//OCEANS 2018 Charleston Online Proceedings. Charleston, SC, USA: IEEE, 2018.

[17] Shu Y Q, Chen J, Li S, et al. Field-Observation for an Anticyclonic Mesoscale Eddy Consisted of Twelve Gliders and Sixty-Two Expendable Probes in the Northern South China Sea During Summer 2017[J]. Science China Earth Sciences, 2019, 62 (2): 451-458.

[18] Qiu C H, Mao H B, Yu J C, et al. Sea Surface Cooling in the Northern South China Sea Observed Using Chinese Sea-wing Underwater Glider Measurements[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2015, 105: 111-118.

[19] 宗正, 熊學(xué)軍, 劉玉紅, 等. 水下滑翔機(jī)的中尺度渦觀測(cè)方法[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2018, 36(2): 180-187. Zong Zheng, Xiong Xue-jun, Liu Yu-hong, et al. The Method of Mesoscale Eddy Observation Using Underwater Glider[J]. Advances in Marine Science, 2018, 36(2): 180-187.

[20] Shu Y Q, Xiu P, Xue H J, et al. Glider-observed Anticyclonic Eddy in Northern South China Sea[J]. Aquatic Ecosystem Health & Management, 2016, 19(3): 233-241.

[21] Ramos A G, García-Garrido V J, Mancho A M, et al. Lagrangian Coherent Structure Assisted Path Planning for Transoceanic Autonomous Underwater Vehicle Missions [J]. Scientific Reports, 2018, 8: 1-9.

[22] Pelland N A. Eddy Circulation, Heat and Salt Balances, and Ocean Metabolism: Observations from a Seaglider- Mooring Array at Ocean Station Papa[D]. Washington: University of Washington, 2016.

[23] Rudnick D L, Gopalakrishnan G, Cornuelle B D. Cyclonic Eddies in the Gulf of Mexico: Observations by Underwater Gliders and Simulations by Numerical Model[J]. Journal of Physical Oceanography, 2015, 45(1): 313-326.

[24] Rudnick D L, Davis R E, Sherman J T. Spray Underwater glider Operations[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2016, 33(6): 1113-1122.

[25] Claustre H, Beguery L, Pla P. SeaExplorer Glider Breaks Two World Records[J]. Sea Technology, 2014, 55(3): 19- 21.

[26] 錢(qián)洪寶, 徐文, 張杰, 等. 對(duì)海洋儀器設(shè)備規(guī)范化海上試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)與思考[J]. 海洋通報(bào), 2016, 35(4): 386-389. Qian Hong-bao, Xu Wen, Zhang Jie, et al. Overview and Further Thoughts on the Standardized Sea Trials for Marine Instruments[J]. Marine Science Bulletin, 2016, 35(4): 386-389.

[27] 馬偉, 王延輝, 徐田雨. 微結(jié)構(gòu)湍流測(cè)量水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 53(9): 22-29.Ma Wei, Wang Yan-hui, Xu Tian-yu. Design and Sea Trials of the Underwater Glider for Micro-structure Turbulence Measurement[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(9): 22-29.

[28] 劉曙光, 熊學(xué)軍, 張宏偉, 等. 水下滑翔機(jī)內(nèi)波觀測(cè)方法[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2018, 36(2): 171-179. Liu Shu-guang, Xiong Xue-jun, Zhang Hong-wei, et al. Observation of Internal Waves by Using Underwater Glider[J]. Advances in Marine Science, 2018, 36(2): 171- 179.

[29] 劉璐, 蘭世泉, 肖靈, 等. 基于水下滑翔機(jī)的海洋環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2017, 36(4): 370-376. Liu Lu, Lan Shi-quan, Xiao Ling, et al. Measurement System of Ambient Sea Noise Based on the Underwater Glider[J]: Technical Acoustics, 2017, 36(4): 370-376.

[30] Liu L, Xiao L, Lan S Q, et al. Using Petrel II Glider to Analyze Underwater Noise Spectrogram in the South China Sea[J]. Acoustics Australia, 2018, 46(1): 151-158.

[31] Liu F, Wang Y H, Wu Z L, et al., Motion Analysis and Trials of the Deep Sea Hybrid Underwater Glider Petrel-II [J]. China Ocean Engineering, 2017, 31(1): 55-62.

[32] Sang H Q, Zhou Y, Sun X J, et al. Heading Tracking Control with an Adaptive Hybrid Control for Under Actuated Underwater Glider[J]. ISA Transactions, 2018, 80: 554-563.

[33] 張藝騰, 張明明, 王延輝, 等. 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)變翼系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2018, 35(6): 1-8. Zhang Yi-teng, Zhang Ming-ming, Wang Yan-hui, et al. Study on Controllable Wings System of Hybrid-driven Underwater Gliders[J]. Journal of Machine Design, 2018, 35(6): 1-8.

[34] Xue D Y, Wu Z L, Wang Y H, et al. Coordinate Control, Motion Optimization and Sea Experiment of a Fleet of Petrel-II Gliders[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2018, 31(1): 17.

[35] Sun T S, Yang M Y, Wang Y H, et al. Parametric Design and Experimental Verification of Cicada-wing-inspired Controllable Wing Mechanism for Underwater Glider[C]// The 15th IFToMM World Congress in Mechanism and Machine Science. Poland: Springer, 2019: 23-32.

[36] Yang Y N, Wang Y H, Ma Z S, et al. A Thermal Engine for Underwater Glider Driven by Ocean Thermal Energy[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 99: 455-464.

[37] Wang G H, Yang Y N, Wang S X, et al. Efficiency Analysis and Experimental Validation of the Ocean Thermal Energy Conversion with Phase Change Material for Underwater Vehicle[J]. Applied Energy, 2019, 248: 475-488.

[38] Da L, Song B W, Pan G, et al. Winglet Effect on Hydrodynamic Performance and Trajectory of a Blended-wing- body Underwater Glider[J]. Ocean Engineering, 2019, 188: 106303.

[39] Ye P C, Pan G. Design and Optimization of a Blended- Wing-Body Underwater Glider[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 491: 1-8.

[40] Ma W, Wang Y H, Wang S X, et al. Optimization of Hydrodynamic Parameters for Underwater Glider Based on the Electromagnetic Velocity Sensor[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2019, 233(14): 5019-5032.

[41] Ma W, Wang Y H, Wang S X, et al. Absolute Current Estimation and Sea-Trial Application of Glider-Mounted AD2CP[J]. Journal of Coastal Research. https://www. jcronline.org/doi/abs/10.2112/JCOASTRES-D-18-00176.1. 2019-07-22.

Technical Development of Underwater Glider in China: Suggestions and Thoughts

QIAN Hong-bao1, LU Xiao-ting2

(1. China Academy of Electronic Science, China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100041, China; 2. 31010thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100000, China)

This paper briefly summarises the development status of underwater glider technology at home and abroad, and reviews the development process of the underwater glider(UG) in China. The arrangement and deployment of the National Science and Technology Plan for the marine instruments and equipment represented by underwater gliders, the technological progress achieved, and the primary experience and practices of them are also introduced. Finally, comments and suggestions for the next development of underwater glider technology are put forward from three aspects: single platform technology, collaborative networking and application research. They mainly include: firstly, some key technologies such as low power design, optimal path planning and control strategy algorithm, multi-parameter acquisition and carrying capacity, data quality standards and information security transmission should be further strengthened to speed up the upgrade, improvement and optimization of UG monomer technology; then the synchronised observation technology based on the multi-underwater gliders formation cooperative networking should be strengthened to improve their overall operation efficiency, observation and detection effect; and lastly, the observation function expansion of UG and their application of marine science should be strengthened to make the ocean more transparent.

underwater glider; history; technological progress; development trend

U674.941; TP242

R

2096-3920(2019)05-0474-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.001

錢(qián)洪寶, 盧曉亭. 我國(guó)水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展建議與思考[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5):474-479.

2019-03-30;

2019-09-20.

錢(qián)洪寶(1977-), 男, 副研究員, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ罂萍脊芾砑昂Ｑ笮畔⒓夹g(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)