李明明，許志昆，簡開勇

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院，廣州 510250）

1 前言

隨著遠(yuǎn)程控制和人工智能等前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，水面艦船的無人化和智能化技術(shù)日趨成熟，各國對于水面無人艇的研發(fā)已進(jìn)入白熱化階段，各類適應(yīng)于不同需求的水面無人艇不斷涌現(xiàn)，這一趨勢在軍事領(lǐng)域尤為明顯。

水面無人艇自誕生之日起，便攜帶著與眾不同的“基因”，對比有人駕駛的水面艦船，二者的區(qū)別絕不僅限于有人/無人駕駛。USV 應(yīng)具備以下的特點(diǎn)：（1）能夠在惡劣海況下生存；（2）可以全天候執(zhí)行任務(wù)；（3）便于日常檢查、維修、保養(yǎng)；（4）便于設(shè)備的安裝、使用和更換；（5）高機(jī)動、高耐波性和高航速等；（6）大的續(xù)航力和載重量；此外，還應(yīng)具備隱身、防火防爆等性能。由此可以看出，USV 對艇體結(jié)構(gòu)提出了很高的要求，常用的造船材料碳素鋼和鋁合金等難以達(dá)到上述要求，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和耐磨、耐化學(xué)腐蝕、絕緣、抗疲勞、抗海生物附著、無磁和透波/吸波等優(yōu)異性能；還可通過基體、芯材、碳纖維鋪層方向和添加劑等來設(shè)計其整體力學(xué)性能和屬性；同時 CFRP 也是一種可根據(jù)需求進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)的新型復(fù)合材料。以上特點(diǎn)在相當(dāng)程度上契合了USV 艇體結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展需求，因此CFRP 在USV 制造領(lǐng)域得到越來越普遍的應(yīng)用。

CFRP 在高性能艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用和相關(guān)研究十分豐富。OH Daekyun，韓志強(qiáng)等基于CFRP 層板力學(xué)性能隨層板中碳纖維含量的變化而改變的材料特性，設(shè)計出一套有效的CFRP艇體結(jié)構(gòu)層板輕量化的方法，并將之應(yīng)用于11 m 的CFRP 高速艇的設(shè)計中；焦明鑫研究了CFRP 在游艇制造中的應(yīng)用；張祎則提出和論證了CFRP 應(yīng)用于極地救生艇的可行性。隨著無人艇近年來的飛速發(fā)展，其艇體結(jié)構(gòu)的特殊性尚有待進(jìn)一步的研究，CFRP 作為一種高性能的復(fù)合材料，其本身性能和應(yīng)用也亟需進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

2 USV 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于USV 迥異于有人駕駛艦船的特點(diǎn)，對于USV艇體結(jié)構(gòu)的設(shè)計需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以滿足USV 對于速度、局部載荷、自持力、機(jī)動性能和生存能力等方面的苛刻要求，這些結(jié)構(gòu)調(diào)整需對應(yīng)于USV 的設(shè)計平臺和平臺載荷的特點(diǎn)。本文基于我院3 t級USV 的結(jié)構(gòu)設(shè)計，總結(jié)出USV 艇體結(jié)構(gòu)區(qū)別于有人駕駛艦船結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

（1）現(xiàn)階段國內(nèi)研發(fā)的USV 以船長在15 m 以下的小艇為主。小型USV 意味著艇體的內(nèi)部空間極為有限，為了實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)的功能，USV 上除了與有人駕駛艦船相同的動力與推進(jìn)等設(shè)備外，還需要安裝許多服務(wù)于無人系統(tǒng)的硬件設(shè)備和電線管路，且為滿足USV 在海上的持久能力，通常會設(shè)置艙容很大的油箱，因此空間對結(jié)構(gòu)的限制尤為明顯；USV 雖然在理論上可以省卻人員活動的空間，但現(xiàn)階段國內(nèi)的USV 多處在半自主階段，故USV 設(shè)計通常也考慮了有人駕駛的狀態(tài)；

（2）小型USV對重量極為敏感。其重量主要包括：水面無人平臺、基礎(chǔ)載荷和任務(wù)載荷。其中，基礎(chǔ)載荷和任務(wù)載荷幾乎固定，所以在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的重量對于實(shí)現(xiàn)USV 的高速、靈活和高效等性能十分關(guān)鍵，這也意味著USV 對結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造提出了更高的要求；

（3） USV 不需考慮載人狀態(tài)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，但艇上的硬件設(shè)備需要檢修，加之模塊化的設(shè)計趨勢，使得處于艙室內(nèi)的硬件設(shè)備檢修、更換和保養(yǎng)的便捷性，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的因素；

（4）USV 通常放置于母艦和岸基平臺上，布放和回收系統(tǒng)是無人艇正常運(yùn)行的前提，所以在艇上用于布放回收的結(jié)構(gòu)也是USV 結(jié)構(gòu)的重要組成部分。根據(jù)3 t 級USV 的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)并綜合國內(nèi)外在USV 布放回收技術(shù)的應(yīng)用，雖然有尾滑道布放與回收和搖籃等新型的布放回收系統(tǒng)的相繼開發(fā)，但目前最常用的依然是操作簡單、穩(wěn)定可靠的各類單點(diǎn)收放裝置（見圖1），其不僅需要保證自身的安全可靠，更應(yīng)使吊放和回收過程中的應(yīng)力均勻的分散到艇體上；

圖1 單點(diǎn)收放裝置

（5） USV 外形通常較為簡單，對于雷達(dá)、天線和監(jiān)控攝像等對安裝位置高度有要求的設(shè)備而言，難以在艇體上層面上找到合適的安裝點(diǎn)，因此USV 上的桅桿不可或缺。但USV 的活動范圍和隱身性能又對桅桿的高度和形式進(jìn)行了限制，因而桅桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅影響USV 的外觀，而且直接關(guān)系到USV 的功能，可倒式CFRP 桅桿或許是可行的方案。

3 CFRP 應(yīng)用于USV 的結(jié)構(gòu)分析

目前常用的船舶制造材料有：鋁合金、船用鋼、CFRP 和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等，這些材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于USV 而言，考慮重量控制要求，船用鋼不適合作為結(jié)構(gòu)材料；USV 的水下部分的艇體曲面復(fù)雜，影響了鋁合金在USV 上的應(yīng)用；USV 采用CFRP 和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，越來越受到人們的重視，但相比于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，CFRP 在重量、比強(qiáng)度、比剛度和抗拉強(qiáng)度等方面都有較大的優(yōu)勢，但成本較高。隨著新技術(shù)和新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，CFRP 價格的下降是可以預(yù)期的，因此綜合來看，CFRP 必然成為未來USV 結(jié)構(gòu)材料的主要選項(xiàng)。

CFRP 應(yīng)用于USV 結(jié)構(gòu)，分析如下：

（1） CFRP 結(jié)構(gòu)形式主要包括：層合板、復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)和帽型材（CFRP 加強(qiáng)筋），其中帽型材對設(shè)備和油箱的安裝影響最大。如3 t 級USV 的主機(jī)在安裝時，主機(jī)表面最高點(diǎn)距甲板骨材僅有不到100 mm的間隙，但由于CFRP 結(jié)構(gòu)有多種手段可以在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，為設(shè)備安裝預(yù)留足夠的空間，包括增加帽型材的碳纖維布的鋪層厚度以降低帽型材高度、增加帽材料中芯材寬度來降低帽型材高度、部分結(jié)構(gòu)可以通過在帽型材中添加高強(qiáng)度預(yù)埋件以減小帽型材尺寸等；

（2）結(jié)構(gòu)輕量化是USV 結(jié)構(gòu)的重要特征，CFRP結(jié)構(gòu)本身在常用的幾種船舶制造材料中密度最小，且與金屬材料不同，其在制造過程中最終成形的重量和屬性與施工工藝和樹脂、碳纖維含量密切相關(guān)，所以在保證CFRP 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下，設(shè)計最優(yōu)的碳纖維含量也是結(jié)構(gòu)輕量化的一項(xiàng)重要工作；

（3）水面無人平臺、基礎(chǔ)載荷和任務(wù)載荷的開放架構(gòu)和模塊化設(shè)計，是USV 發(fā)展的必然趨勢，而CFRP 非常適用于此種設(shè)計。首先是CFRP 能輕易制作出較為復(fù)雜的曲面形狀，滿足模塊化設(shè)計中的各種形狀模塊基座的設(shè)計制造；其次是CFRP 可以有效保證開放式架構(gòu)的完整性。

4 3 t USV 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

我院設(shè)計的3 t 級USV，采用的是CFRP 結(jié)構(gòu)。作者全程參與了該艇的設(shè)計與建造，根據(jù)在該艇建造過程中所暴露的問題和后期的修改、優(yōu)化設(shè)計中得到的經(jīng)驗(yàn)，希望能夠?yàn)榇蠹姨峁﹨⒖己徒梃b。

（1）在高速行駛過程中，主機(jī)本身是一個振動源，長期振動必然會給主機(jī)基座造成一定程度的損傷，為減輕振動的損害可以利用輕質(zhì)的芯材。實(shí)驗(yàn)表明，基座內(nèi)的輕質(zhì)芯材能夠有效的減震吸能，因此主機(jī)基座中的芯材的選取應(yīng)考慮減震的需求；依此類推，USV中的設(shè)備雖然自身沒有較大振動，但當(dāng)USV 在高速航行時，船體和水面的撞擊無法避免，因此對于重量較大的設(shè)備，在空間允許的情況下，基座采用CFRP 夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)于使用CFRP 層板結(jié)構(gòu)；

（2）充分利用CFRP 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。例如對于USV 甲板面而言，使用CFRP 夾層結(jié)構(gòu)無疑是最佳的選擇，因?yàn)榧装迨侨藛T上船和安裝任務(wù)載荷的重要區(qū)域，CFRP 夾層結(jié)構(gòu)不僅能夠大幅增加甲板板的剛度，還為甲板上的設(shè)備提供更優(yōu)的夾層結(jié)構(gòu)安裝面；此外，因?yàn)榧装灏宓纳媳砻嬷苯映惺茉O(shè)備和人員的撞擊與壓力，因此讓上表面的鋪層厚度增加、下表面的鋪層厚度減小，并保持鋪層總厚度不變；與此類比，對于同樣使用CFRP 夾層結(jié)構(gòu)的艙壁結(jié)構(gòu)，則需設(shè)計為兩面的鋪層厚度相同；

（3） USV 上單點(diǎn)收放結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，最初使用兩根可伸縮的金屬柱體，柱體的兩端設(shè)有貫穿螺孔，一端連接與單點(diǎn)收放結(jié)構(gòu)，另一端則連接到船底的龍骨上。這種設(shè)計雖然能夠有效的將USV 收放過程中的力傳遞到船底，但整套方案所附加到艇上的重量過重，并且極大的占用了艇體內(nèi)部的空間；而如果將單點(diǎn)收放結(jié)構(gòu)設(shè)置于艙壁上，則可以利用整個艙壁來傳遞單點(diǎn)收放結(jié)構(gòu)所受的拉力，這樣即使不增加額外的結(jié)構(gòu)，也可以達(dá)到增強(qiáng)的效果，當(dāng)然艙壁上對應(yīng)于單點(diǎn)收放結(jié)構(gòu)的區(qū)域必須加強(qiáng)。兩種設(shè)計方案，見圖2 所示。

圖2 單點(diǎn)收放裝置的加強(qiáng)方式

5 總結(jié)與展望

從早期單一的遙控USV，到品種較多的半自主USV，再到種類豐富的自主USV，作為無人裝備體系中的重要一環(huán)，USV 的重要性不言而語。CFRP 作為USV 未來重點(diǎn)發(fā)展的艇體材料，國內(nèi)雖有研制成功的CFRP 水面無人艇，但基本都處于樣艇階段，尚未有系列化的CFRP 水面無人艇出現(xiàn)，應(yīng)通過樣艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計來不斷累計經(jīng)驗(yàn)，這也是發(fā)展USV 的必由之路。

本文根據(jù)船用CFRP 的應(yīng)用，分析了CFRP 應(yīng)用于USV 的優(yōu)缺點(diǎn)，從3 t 級USV 結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，分享一些CFRP水面無人艇的優(yōu)化設(shè)計，以期能夠拋磚引玉。

關(guān)于未來CFRP水面無人艇結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和發(fā)展，有以下幾點(diǎn)建議：

（1） CFRP 水面無人艇的發(fā)展必然會走向系列化和模塊化的道路，在此過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化應(yīng)分步完成，從小的細(xì)節(jié)入手，逐步完善；

（2） CFRP 本身也處在不斷發(fā)展的進(jìn)程中，應(yīng)當(dāng)持續(xù)關(guān)注CFRP 的最新發(fā)展，將CFRP 最新技術(shù)應(yīng)用于CFRP 水面無人艇的結(jié)構(gòu)中來；

（3）我國亟需開發(fā)復(fù)合材料船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的專業(yè)軟件，對于設(shè)計優(yōu)化和研究至關(guān)重要。