楊紹瓊 ,李元昊 ,孫通帥 ,楊亞楠 ,楊 明 * ,王延輝

(1.天津大學 機械工程學院,天津,300352;2.嶗山實驗室 海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室,山東 青島,266237)

0 引言

水下滑翔機是一種主要依靠調節(jié)“重浮力差”實現(xiàn)升沉,借助水動力實現(xiàn)水中滑翔前進的新型無人水下航行器,具有長航程、全天候、自治式的特點。水下滑翔機憑借其優(yōu)勢,已成為海洋長時序移動式觀測與探測的重要水下平臺之一,在海洋資源開發(fā)利用,海洋水文信息監(jiān)測及海洋災害預警、預測等方面發(fā)揮的作用日益凸顯。水下滑翔機集成水聽器、深海相機、溫鹽深儀、湍流儀、流速計和磁力儀等聲光電磁和重力等小型低功耗傳感器,可以對海洋多要素環(huán)境進行精細化的長時間連續(xù)剖面觀測。天津大學研制的“海燕”系列水下滑翔機歷經20 余年的研發(fā)與應用,已在工作深度、續(xù)航里程和傳感集成應用等方面實現(xiàn)了譜系化發(fā)展。

表1 列出了“海燕”水下滑翔機從2002 年至今的主要發(fā)展歷程。2002 年—2005 年,天津大學“海燕”團隊研發(fā)了一種溫差能水下滑翔機,并于2005 年7 月—8 月,在浙江千島湖進行了湖上試驗[1]。2009 年,“海燕”(Petrel)水下滑翔機研制成功,完成了湖上試驗。2014 年,在“十二五”國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)的支持下,“海燕-II”(Petrel-II)混合驅動水下滑翔機研制成功,并于2015 年在南海進行了規(guī)范化海上試驗,該樣機連續(xù)航行42 天,航行里程達1 108.4 km[2]。同年,淺水型水下滑翔機“海燕-200”研制成功。

表1 “海燕”譜系化水下滑翔機主要發(fā)展歷程Table 1 The main development process of Petrel serialized underwater gliders

“十三五”期間,在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下,長航程水下滑翔機“海燕-L”號研制成功,經多次優(yōu)化后,分別于2018 年、2019 年和2021 年進行了海上試驗,試驗結果多次刷新中國水下滑翔機最遠航行距離紀錄。2020 年7 月,“海燕-L”號在馬里亞納海溝附近布放(如圖1 所示[3]),并于2021 年1 月在南海附近海域回收,這次海上試驗的最遠航行距離達5 506 km[3]。截至目前,“海燕-L”水下滑翔機最長續(xù)航時間已超300 天,最遠航行距離超過了5 500 km。

圖1 “海燕-L”航行軌跡Fig.1 Navigation trajectory of Petrel-L

天津大學依托青島海洋科學與技術試點國家實驗室,先后研制了“海燕-4000”、“海燕-X”兩型大深度水下滑翔機。其中,潛深4 000 m 級水下滑翔機“海燕-4000”于2017年開始研制,分別在2018 年4 月、2019 年8 月—11 月進行了海上試驗;“海燕-X”萬米級水下滑翔機的研制也始于2017年,分別于2018 年4 月、2020 年7 月在馬里亞納海溝附近完成了海上試驗,其中最大下潛深度達10 619 m,打破并保持著水下滑翔機最大下潛工作深度世界紀錄[4]。

“海燕”系列水下滑翔機可以滿足遠距離、長時間、多潛深的深海觀測與探測應用需求,推動并引領了中國水下滑翔機技術的發(fā)展。在研發(fā)試驗過程中,天津大學深海智能裝備“海燕”團隊不斷攻關技術難題,積極共享水下滑翔機總體設計、浮力驅動、能源動力、協(xié)同組網以及海上試驗應用等關鍵技術成果與經驗,為我國無人水下航行器技術的快速發(fā)展提供了參考。

1 總體設計

水下滑翔機一般由多個部分組成,包括姿態(tài)調整裝置、浮力系統(tǒng)裝置、控制中心、耐壓艙、傳感器、電池包、天線以及整機外形(包括機翼與尾翼)等,如圖2 所示[3]。其中,耐壓艙負責承受水體壓力,用來保護不能暴露在水體下的重要組件,如部分浮力驅動系統(tǒng)零件、控制器和電池包等;耐壓艙外的組件則完全浸入水體中,如油囊和傳感器等。水下滑翔機通常以下潛—上浮為1 個工作周期,進行海洋觀測和探測任務。浮力驅動系統(tǒng)位于耐壓艙段內,其自身的泵閥等系統(tǒng)部件協(xié)同工作,將系統(tǒng)內部液壓油推入“外油囊”以實現(xiàn)自身體積膨脹,增加水下滑翔機整機浮力實現(xiàn)上浮,反之下沉。圓柱形耐壓艙壁、整流罩、機翼、尾翼和天線是水下滑翔機整機水動力外形的重要組成部分,直接承受著水下滑翔機航行運動時的流體力。而機翼可以為水下滑翔機在下潛、上浮過程中提供升力從而使其向前行進。耐壓艙內的姿態(tài)調整單元可以通過控制電池包的移動和旋轉來改變水下滑翔機的重浮心相對位置,從而實現(xiàn)水下滑翔機的轉彎等機動動作。天線負責水下滑翔機的海上指令和數(shù)據傳輸?shù)韧ㄐ艅幼鳌?/p>

水下滑翔機總體設計階段一般根據設計需求,考慮其工作任務和工作環(huán)境(如工作深度、續(xù)航里程和任務需要采集的信息等)來決定其各種組件的體量、類型及材料等,即每個分系統(tǒng)的具體參數(shù)。

1.1 水動力外形設計

水下滑翔機的水動力外形是決定其滑翔速度、滑翔效率、轉彎機動性和航向穩(wěn)定性的關鍵因素之一[5],各種性能之間相互耦合。目前,關于水下滑翔機外形的研究主要有: 1) 基于仿生技術的水動力外形設計,包括外形仿生和運動模式仿生;2) 水動力外形設計優(yōu)化,包括近似模型構建和目標函數(shù)尋優(yōu)。

一般地,螺旋槳驅動的水下滑翔機依然屬于欠驅動系統(tǒng),其水下大范圍精細化的觀測與探測能力及其航行性能仍有待進一步提升。海洋環(huán)境動力場、海洋生物附著類別和海底地形地貌復雜多變,對開展觀測與探測的無人水下航行器裝備在海洋環(huán)境自適應能力、變航行狀態(tài)能力和高機動航行能力等方面提出了更高的要求。Sun 等[5]以提升混合驅動水下滑翔機機動能力及航行性能為目標,提出了一種新型二自由度多模式可變翼機構,成功將座頭鯨胸鰭的收展、撲動等運動融入混合驅動水下滑翔機,有效提升了其航行性能并拓寬了其適用的作業(yè)水域,如圖3(a)所示[5]。針對水動力非線性和強耦合性的特點,采用粒子圖像測速法、力學監(jiān)測及試驗仿真手段,開展了機翼參數(shù)、機構姿態(tài)角度對機翼的推進力、側向力及升力的影響關系研究,得到了機翼撲動頻率、振幅與水動力的映射函數(shù),為多模式水下航行器海上試驗工程樣機研制與運動控制提供了理論支撐。Zhu等[6]提出了一種具有類“蝠鲼”仿生翼的水下滑翔機,其仿生翼由驅動系統(tǒng)和主翼(包括“基翼”和“遠翼”)組成,在推進模式工作時,該水下滑翔機通過驅動由碳纖維板和柔性鉸鏈組成的“遠翼”來提供主要推力。受雨燕改變翅膀后掠角實現(xiàn)滑翔和俯沖2 種飛行模式的啟發(fā),Wang 等[7]提出了一種用于水下滑翔機的預設機翼后掠角策略,提升了“海燕”水下滑翔機在不同滑翔條件下的滑翔性能,如圖3(b)所示。采用優(yōu)化拉丁超立方抽樣(latin hypercube sampling,LHS)與計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法,建立了用于描述水下滑翔機水動力系數(shù)與機翼后掠角等設計參數(shù)之間關系的近似模型,借助動力學模型分析了機翼后掠角對水下滑翔機續(xù)航、轉彎和滑翔效率等性能的影響。

除外形結構和運動模式仿生之外,水下滑翔機外形主體、機翼、附體等耦合設計參數(shù)的優(yōu)化也是提升其運動性能的重要研究方向。Yang 等[8]提出了一種基于近似模型技術的水下滑翔機水動力外形優(yōu)化方法(如圖3(c)所示),該方法綜合考慮水下滑翔機主體線型和附體機翼尺寸之間的復雜耦合關系,基于水動力系數(shù)近似模型,研究了各個水動力系數(shù)與設計參數(shù)之間的關系,并以阻力系數(shù)最小化和單位能耗航程最大為目標,完成了主體和機翼尺寸優(yōu)化。結果表明,當客棧載荷(hotel loads,包括控制系統(tǒng)和傳感器等與水下滑翔機系統(tǒng)工作時間相關部件的功率)約為0.5 W,俯仰角為±12°時,采用經過優(yōu)化后水動力外形的“海燕-L”長航程水下滑翔機續(xù)航里程可提升約7.64%。Sun 等[9]通過對座頭鯨等生物體型特征的分析和建模,提出了一種用于水下航行器的低阻仿生非回轉主體外形(如圖3(d)所示),給出了該類外形的數(shù)學描述方程。通過構建主體的阻力特性與外形各個特征參數(shù)的響應面近似模型,以相同排水體積和整體長度為約束,完成仿生非回轉低阻外形的參數(shù)優(yōu)化設計,并開展了其縮比模型的拖曳水池試驗,上述優(yōu)化結果均經充分驗證。針對水下航行器的快速設計和功能多樣化問題,Liu 等[10]基于譜系分類理論建立了包括球形、細長軸對稱、細長扁平和圓碟形的主體形狀譜系,采用CFD 仿真方法,研究了主體形狀參數(shù)和雷諾數(shù)對球形狀、細長軸對稱形狀和細長扁平形狀流體動力學的影響。通過對CFD計算得到的數(shù)據進行擬合,建立了不同形狀參數(shù)和雷諾數(shù)的主體形狀譜系阻力系數(shù)的數(shù)學模型,為后續(xù)水下航行器的主體外形選擇提供了參考。

水下滑翔機在變速運動時,推動它的力不僅要為增加其動能做功,還要為增加其周圍流體的動能做功,這一部分流體的質量稱為水下滑翔機的附加質量。張連洪等[11]提出了一種水下滑翔機通用附加質量求解方法,極大地提高了附加質量求解效率,對不同型號水下滑翔機的水動力外形設計和動力學建模都具有重要參考價值。

水下滑翔機的水動力外形也會影響其轉彎運動形式。Yang 等[12]通過引入不同外形的水動力系數(shù)近似模型,建立了包含機翼位置和尾舵面積2 個設計變量的“海燕”長航程水下滑翔機六自由度動力學模型。在其動力學模型的基礎上,對轉向機動性能進行了分析,總結了機翼位置和尾舵面積對水下滑翔機螺旋運動模式的影響。分析結果表明,通過調整機翼位置和尾舵面積,可以實現(xiàn)水下滑翔機在正螺旋和反螺旋模式下的螺旋運動,其中正螺旋模式具有更高的滑翔穩(wěn)定性。

1.2 耐壓主體單元設計

耐壓主體單元即耐壓殼體作為水下滑翔機的關鍵承壓部件,不僅為艙內提供了一個干燥密閉的環(huán)境,還對整機的續(xù)航能力產生影響,具體表現(xiàn)為: 1) 耐壓殼體的材料、尺寸和結構形式等決定了其所能提供的凈浮力,影響能源帶載量;2) 耐壓殼體在熱力耦合作用下的體積變形量會影響浮力驅動單元的油量體積調節(jié),進而影響整機能耗。因此,耐壓殼體設計的優(yōu)劣直接影響著整機的能源帶載量和航行經濟性。近年來,關于耐壓殼體優(yōu)化設計方面的研究受到了很多學者的關注,主要包括殼體形式選擇、結構尺寸優(yōu)化、選材加工等,其中大部分研究工作以研制輕量化、大變形量的耐壓殼體為目標。

Yang 等[13]設計了一種可以提供近似中性浮力的多相交球體(multiple intersecting spheres,MIS)形式的耐壓殼體,利用薄殼理論建立了殼體的靜力學模型,并在此基礎上結合懲罰函數(shù)法和多種群遺傳算法,以重排比最小為目標,對殼體球面厚度、球面與肋骨交角等參數(shù)進行了優(yōu)化,采用有限元分析和壓力試驗驗證了力學模型的有效性。Wang 等[14]通過分析總結“海燕”水下滑翔機現(xiàn)有耐壓殼體的設計和測試結果,基于剛度分配方法提出了一種具有非均勻弓形肋的圓柱殼體(nonuniform arch ribs cylindrical,NARC),基于響應面法建立了殼體質量、壓縮率和最大等效應力等的近似模型,以殼體質量最小和壓縮率最大為優(yōu)化目標,完成了殼體壁厚、肋骨高度及寬度等關鍵設計變量的優(yōu)化設計。Yang 等[15]在傳統(tǒng)環(huán)肋圓柱殼的基礎上,提出了一種具有外形光滑、壓縮性大、重排比小等優(yōu)點的新型環(huán)肋拱形圓柱面殼體(ringstiffened arched cylindrical,RAC),為了提升殼體優(yōu)化設計效率,其在有限元模擬的基礎上提出了一種基于數(shù)據驅動的不規(guī)則結構壓力殼體的有效設計方法,并詳細介紹了其框架。為了突破萬米深淵極端壓力環(huán)境挑戰(zhàn),Wang 等[4]采用碳化硅陶瓷材料制備了“海燕-XPLUS”深淵滑翔機[16]耐壓殼體,其針對陶瓷耐壓殼體最常見的管端開裂失效問題,開展了理論分析、仿真計算和試驗驗證研究,提出了一種近似校核方法,并給出了經驗性的安全系數(shù)建議。圖4 為幾種耐壓殼體水動力外型設計圖,各種殼體性能見表2。

表2 新型水下滑翔機不同殼體性能對比Table 2 Performance comparison of four underwater glider shells

水下滑翔機水動力外形設計和耐壓殼體設計參數(shù)之間相互耦合,例如殼體圓柱段的直徑和外徑尺寸參數(shù)同時影響其水動力性能和殼體的重排比和壓縮性。Wang 等[17]基于水下滑翔機的續(xù)航里程模型,采用將協(xié)同優(yōu)化(collaborative optimization,CO)方法和近似模型技術相結合的多學科設計優(yōu)化(multidisciplinary design optimization,MDO)設計框架,完成了對殼體重排比、壓縮性、水動力系數(shù)和運動參數(shù)等關鍵參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化,并開展了海上試驗驗證。結果表明,當客棧負載為0.5 W時,優(yōu)化工作可以提升“海燕”長航程水下滑翔機約83.3% 的續(xù)航里程。此外,水下滑翔機系統(tǒng)設計優(yōu)化涉及多個子系統(tǒng)，如耐壓殼體、水動力外形、控制導航、能源帶載等,這些系統(tǒng)相互耦合并影響著水下滑翔機的續(xù)航能力。與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比較,多學科設計優(yōu)化為涉及交叉學科的復雜工程問題提供了一種更有效的方法。Yang 等[18]通過系統(tǒng)分析,建立了“海燕”長航程水下滑翔機的通用學科框架,包括流體力學、結構力學、機器人動力學及液壓傳動等。在學科耦合分析之后,提出了一種基于并行子空間優(yōu)化、懲罰函數(shù)法和多種群遺傳算法相結合的水下滑翔機系統(tǒng)設計優(yōu)化方法,可以滿足水下滑翔機在不同觀測任務中的多樣化設計要求,最后通過海上試驗對設計結果進行了驗證。海上試驗回收現(xiàn)場如圖5 所示。

圖5 多學科優(yōu)化后的“海燕-L”長航程水下滑翔機海上試驗回收現(xiàn)場Fig.5 Sea trial recovery scene of Petrel-L long-rangevoyage underwater glider after multidisciplinary optimization

2 浮力驅動技術

浮力驅動系統(tǒng)作為水下滑翔機的“心臟”,是一套機、電、液耦合的液壓驅動與體積調整系統(tǒng),其可靠性與可工作深度將直接決定水下滑翔機的可靠性與運行深度等級。同時,水下滑翔機的航速、航程以及機動性等方面均不同程度地受到其浮力驅動系統(tǒng)性能的影響。目前,“海燕”水下滑翔機一般采用可變體積式浮力驅動系統(tǒng),通過改變外皮囊體積實現(xiàn)其凈浮力的調節(jié)。經過逾20 年的發(fā)展,“海燕”水下滑翔機浮力驅動系統(tǒng)在全海深高效穩(wěn)定浮力調節(jié)、多樣化被動浮力調節(jié)方法與主動浮力調節(jié)策略的研究上均取得進展。

為了滿足全海深觀測與探測需求,“海燕”團隊研制了能夠滿足不同任務工作深度浮力調節(jié)需求的多型號浮力驅動系統(tǒng)。在1 000 m/1 500 m級浮力驅動系統(tǒng)研發(fā)中,Wang 等[19]利用AMESim軟件對浮力驅動系統(tǒng)雙級液壓泵驅動過程進行了性能仿真分析,并通過試驗驗證了仿真結果的有效性,降低了浮力驅動系統(tǒng)的研發(fā)成本,該系統(tǒng)原理見圖6。

圖6 水下滑翔機雙級液壓泵浮力驅動系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of an underwater glider twostage hydraulic pump buoyancy drive system

為了滿足4 000 m 級水下滑翔機的需要,Liang等[20]在雙級液壓泵驅動式浮力驅動系統(tǒng)基礎上,使用了硅油補償液作為輔助,并充分考慮硅油補償液的熱特性,實現(xiàn)了對其凈浮力的精確預測,并結合水下滑翔機動力學模型與能耗模型,進一步分析了補償液對水下滑翔機姿態(tài)穩(wěn)定性和節(jié)能性等方面的影響。

為了實現(xiàn)萬米深淵極端環(huán)境下的可靠浮力驅動,Wang 等[21]提出了一種綜合了雙浮力驅動系統(tǒng)主動浮力調節(jié)與硅油補償液被動浮力調節(jié)的方案,實現(xiàn)了自適應浮力調節(jié),并經過馬里亞納海溝的海上試驗,驗證了該浮力驅動系統(tǒng)在極端環(huán)境下的工作能力,該系統(tǒng)實物圖見圖7。

圖7 “海燕-X”水下滑翔機浮力驅動系統(tǒng)實物圖Fig.7 Physical drawing of Petrel-X underwater glider buoyancy drive system

在水下滑翔機運行過程中,由于環(huán)境參數(shù)的變化,其凈浮力實際處于實時改變狀態(tài)(下潛和上浮過程均減小,通常將此現(xiàn)象稱為浮力損失)。這要求水下滑翔機具有更為多樣化的被動浮力調節(jié)方法,以及更加靈活的運行策略。4 000 m 和萬米級浮力驅動系統(tǒng)中使用的硅油補償液,即為一種有效的無能耗被動浮力調節(jié)方法。由于其自發(fā)的浮力調節(jié)效果剛好與環(huán)境參數(shù)變化導致的水下滑翔機凈浮力變化方向相反,所以,被動式浮力調節(jié)過程常被稱為浮力補償,其本質是一種有規(guī)律的自適應浮力調節(jié)過程。鑒于單一的浮力補償裝置難以達到預期的浮力補償效果,Xie 等[22]綜合了彈簧式蓄能器、充氣式蓄能器以及硅油補償液等補償方法,提出了一種新型混合被動浮力補償系統(tǒng)(如圖8 所示),建立了浮力調節(jié)數(shù)學模型,并使用遺傳算法與禁忌搜索算法對設計參數(shù)進行了優(yōu)化。研究結果表明,新型混合被動浮力補償系統(tǒng)的使用對減小水下滑翔機運行過程中的凈浮力變化、提高其運動穩(wěn)定性及能量利用效率等方面效果顯著。另外,受魚鰾結構的啟發(fā),Liang 等[23]提出了一種新型類魚鰾的二級浮力驅動系統(tǒng),在水下滑翔機浮力驅動系統(tǒng)中使用2 個不同的預充壓力充氣式蓄能器進行了被動浮力調節(jié),并在建立水下滑翔機環(huán)境模型、凈浮力模型和動力學模型的基礎上,使用遺傳算法對蓄能器設計參數(shù)及安裝位置進行優(yōu)化,在50～950 m 深度范圍內,水下滑翔機實際俯仰角與目標俯仰角偏差不超過2°,下潛過程的垂直速度最大變化量為0.041 m/s,有效提高了水下滑翔機的姿態(tài)穩(wěn)定性和速度穩(wěn)定性,該系統(tǒng)如圖9 所示。在浮力驅動系統(tǒng)運行控制策略的研究方面,嚴升等[24]對水下滑翔機縱垂面運行中變浮力過程進行了建模,并且優(yōu)化了其控制策略,結合南海實際海上試驗數(shù)據,驗證了模型的有效性,并采用比例積分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制進行了數(shù)值仿真,結果表明,優(yōu)化后的控制策略方案可以顯著提高水下滑翔機的運動性能。Yang 等[25]提出了一種協(xié)同控制外皮囊體積與電池包位置的浮力補償新方法,通過在水下多次進行主動浮力調節(jié),有效降低了水下滑翔機的凈浮力變化及其帶來的運動穩(wěn)定性方面的負面影響。為了進一步提高能量利用效率,Yang等[26]將水下滑翔機運行深度等分為5 段,通過建立水下滑翔機續(xù)航里程模型的代理模型,對不同客棧負載下的最優(yōu)控制參數(shù)進行了優(yōu)化。優(yōu)化結果表明,當客棧負載為0.5 W 時,水下滑翔機的續(xù)航里程提高約10.47%。

圖8 “海燕”水下滑翔機混合被動浮力補償系統(tǒng)Fig.8 Hybrid passive buoyancy compensation system of Petrel

圖9 魚鰾及類魚鰾二級浮力驅動系統(tǒng)Fig.9 Fish bladder and Fish-bladder-like buoyancy drive system

3 能源動力技術

3.1 能耗預測與運動精度控制

能源動力技術是水下滑翔機實現(xiàn)遠續(xù)航、長在位作業(yè)時間的主要手段,亦是保障水下滑翔機航行安全的基礎。經過20 余年的發(fā)展,“海燕”團隊在水下滑翔機能耗預測與優(yōu)化、可再生能源利用和新型動力系統(tǒng)設計與升級等方面取得了長足進展。

1) 針對能耗預測與優(yōu)化問題,Song 等[27]基于水下滑翔機動力學模型及其工作流程提出了縱平面能耗模型,并進一步推導出續(xù)航里程模型,其中能耗模型誤差僅為2.68%,處于行業(yè)先進水平。上述模型揭示了水下滑翔機水動力系數(shù)、運動參數(shù)、控制參數(shù)與能耗和航程之間的關系;并通過Sobol方法,辨識出影響水下滑翔機能耗和航程的關鍵參數(shù),以指導優(yōu)化優(yōu)先級;最后,通過關鍵參數(shù)優(yōu)化,提升了水下滑翔機能源效率。為了進一步探究海洋環(huán)境中水下滑翔機的能耗,Song 等[28]基于上述研究,結合拉格朗日動力學方程和海洋深平均流推演方法,建立了包含海水密度梯度和計及洋流的能耗模型,海上試驗數(shù)據表明,該能耗模型可以有效地實現(xiàn)海洋環(huán)境中水下滑翔機能耗的預測;仿真分析進一步揭示了海洋環(huán)境中水下滑翔機運動參數(shù)和深平均流與能耗的關系,可以為任務規(guī)劃與優(yōu)化提供指導。另外,水下滑翔機姿態(tài)調節(jié)能耗易受海洋環(huán)境影響,且傳統(tǒng)的能耗模型難以考慮水下滑翔機運動特性,為了解決上述問題,Song 等[29]采用最小二乘支持向量機(least squares support vector machine,LSSVM)方法并結合粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法,建立了基于數(shù)據驅動的水下滑翔機能耗模型—LSSVM-PSO 模型。通過與實際海上試驗數(shù)據的對比,探究了基于不同核函數(shù)的模型性能,并充分討論了LSSVM-PSO 模型與傳統(tǒng)代數(shù)模型的差異,確定了最優(yōu)訓練樣本數(shù)量,結合代數(shù)模型與LSSVMPSO 的優(yōu)點,提出了混合能耗模型概念。該研究為水下滑翔機能耗預測提供了新途徑,使水下滑翔機智能化程度得到進一步提升。

2) 運動精度是水下滑翔機另一重要性能指標。水下滑翔機作為在深遠海復雜環(huán)境中運行的長期觀測與探測平臺,監(jiān)測其運動狀態(tài)可以實時調整運行參數(shù)和及時診斷故障,對提高任務效率、節(jié)省能源和降低成本尤為重要。Yang 等[30]提出了一種新型的水下滑翔機運動監(jiān)測方法,利用大量動力學模型的歷史數(shù)據集訓練和測試深度學習網絡,并結合多目標優(yōu)化問題,分析參數(shù)的變化趨勢,以監(jiān)測水下滑翔機三維運動狀態(tài)。研究結果表明,在正常運行狀態(tài)下,該方法識別的可變參數(shù)可以用于實時優(yōu)化調整運行參數(shù)以提高水下滑翔機滑翔效率和運動精度。水下滑翔機在長時間運行時,生物污損是影響其運動精度和單剖面運行時間的重要因素,而如何應對生物污損一直是長航程水下滑翔機的研制難點。針對此問題,王延輝等[31]基于數(shù)據驅動提出了一種檢測水下滑翔機生物污損的方法,采用機器學習方法,根據已有大量未發(fā)生生物污損的關鍵數(shù)據建立了水下滑翔機單剖面運行時間預測模型,利用其單剖面運行時間預測偏差,快速獲取水下滑翔機在海上運行過程中的性能變化,并指導海上試驗過程中控制參數(shù)制定和任務規(guī)劃;同時,該方法也為生物污損影響下的水下滑翔機運動精度和能耗預測研究提供了技術支撐。水下滑翔機運動精度與能耗之間存在一定耦合關系,針對此,Wu 等[32]結合水下滑翔機動力學模型與弗羅貝尼烏斯(Frobenius)范數(shù),提出了考慮非均勻水流的水下滑翔機運動軌跡精度定量評價方法;利用試驗設計方法和數(shù)值仿真模型獲取樣本點,基于徑向基函數(shù)(radial basis function,RBF)神經網絡建立了以其控制參數(shù)為輸入,用于快速計算運動精度和能耗的高精度代理模型;進一步結合代理模型與第二代非劣排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm-II,NSGAII)開展多目標優(yōu)化計算,確定能夠同時保證水下滑翔機高運動精度和低能耗的控制參數(shù)值,得到了帕累托最優(yōu)解集。研究結果表明,其能耗與運動精度存在一定矛盾關系,所提出的研究方法為水下滑翔機綜合性能優(yōu)化提供了理論指導,并提升了水下滑翔機在實際海上試驗應用中的作業(yè)質量。

3.2 溫差能源捕獲與利用

目前,多數(shù)水下滑翔機依靠自身攜帶的電池包供給負載等所需能量。因其裝載的電池能量存在上限,水下滑翔機的續(xù)航能力和自持力受到制約,尚無法滿足未來深遠海全天候長期觀測與探測任務的需求。特別是我國“走向深藍”重大戰(zhàn)略部署的實施對國產水下滑翔機的自持力提出了更高要求。例如,當前“海燕”水下滑翔機的續(xù)航力超5 000 km、自持力300 d,但與1～2 年長期在位觀測與探測需求仍存在顯著差距。

水下滑翔機每進行一次下潛和上浮運動,浮力驅動系統(tǒng)工作2 次,需要消耗大量的能量,特別是在大深度浮力驅動系統(tǒng)中尤為明顯。利用海洋熱能(溫差能)等環(huán)境能源實現(xiàn)浮力驅動能源多樣化,為解決水下滑翔機長續(xù)航需求與有限的能源攜帶量之間的矛盾提供了可能。王樹新等[33-34]設計開發(fā)了溫差能浮力驅動系統(tǒng)及溫差能水下滑翔機原理樣機,在水域試驗中完成了25 次剖面運動,熱交換功率可達47 W,滿足了水下滑翔機對浮力驅動系統(tǒng)的要求,驗證了溫差能浮力驅動系統(tǒng)的可行性。在“十二五”國家“863”計劃項目支持下,Yang 等[35]開發(fā)了搭載有溫差能-電能復合動力的浮力驅動系統(tǒng)的溫差能驅動水下滑翔機(Petrel Thermal),可以在溫差能不穩(wěn)定時使用電能作為驅動能源,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與環(huán)境適應性,其浮力驅動系統(tǒng)示意圖見圖10。海上試驗中,搭載該浮力驅動系統(tǒng)的水下滑翔機連續(xù)運行677 km,運行剖面112 個,運行時間為29 d,驗證了浮力驅動系統(tǒng)的有效性。Petrel Thermal 水下滑翔機是我國迄今唯一使用自然能源實現(xiàn)水下長航程觀測與探測任務的無人航行器,能耗經濟性相較電能水下滑翔機提升約20%,運輸經濟性提升約33%[36]。為了進一步擴大溫差能在水下滑翔機中的應用,“十三五”期間,“海燕”團隊還開展了溫差能相變發(fā)電技術的研究,Wang 等[37]研究了熱電轉換技術,通過建立能量轉換過程綜合效率模型,對液壓油、液壓馬達及發(fā)電機等的參數(shù)進行了優(yōu)化,海上試驗結果表明,平臺單剖面發(fā)電量達1.86 Wh,轉換效率約0.396%。至今,溫差能相變驅動、發(fā)電涉及的相變介質隔離、緊湊化設計、集成匹配等關鍵技術已獲突破,但樣機性能與理論期望指標仍存在差距,還需開展進一步研究,該系統(tǒng)工作原理見圖11。

圖10 溫差能水下滑翔機及其浮力驅動系統(tǒng)Fig.10 Thermal energy underwater glider and its buoyancy drive system

圖11 熱電轉換浮力驅動系統(tǒng)工作原理Fig.11 Working principle of the thermoelectric conversion buoyancy drive system

Wang 等[38]還提出水下滑翔機在往復多次穿越冷、熱水層的過程中,可以借助固-液相變材料的熱脹冷縮特性實現(xiàn)海洋溫差能捕獲,進而破解水下滑翔機長期能源供給難題。該技術途徑對提高水下滑翔機“能量自給”水平具有重要價值。圖12 為海洋溫差能固-液相變工作原理。

圖12 海洋溫差能固-液相變工作原理圖Fig.12 Working principle of the solid-liquid phase change of ocean thermal energy

固-液相變換熱器是一種可以實現(xiàn)溫差能捕獲利用的關鍵裝置。多年來,針對宏觀固-液相變換熱過程、微觀材料固-液相變機理等領域的理論研究不斷深入。Zhang 等[39]基于焓法模型建立了固-液相變傳熱數(shù)學模型,基于相變液相分數(shù)場分布提出了體積變化量計算方法,研究成果對換熱器相變過程預測具有指導作用。此外,“海燕”團隊還在焓法相變模型基礎上引入壓力項因子,進一步修正了模型的準確性,同時實現(xiàn)相變傳熱過程與液壓蓄能過程間的解耦,提出了固-液相變過程轉換能量計算方法;采用分子動力學方法系統(tǒng)性地揭示了壓力對溫差固-液相變材料密度、相變溫度、導熱率、相變潛熱以及比熱容等熱物理性質的影響,首次研究了高壓條件下添加石墨烯結構的相變材料增強換熱微觀作用機理,揭示了石墨烯添加比例與相變傳熱速率之間的內在聯(lián)系,得到了以傳熱速率最快為目標的石墨烯添加最優(yōu)比例[40-42]。

近年來,為了破解因溫差能水下滑翔機總體系統(tǒng)龐雜而導致的研發(fā)難度大、成本高,且與同期電池驅動水下滑翔機相比技術成熟度差距較大的難題,“海燕”團隊還提出并發(fā)展了緊湊化的海洋溫差能驅動/發(fā)電單元裝置,作為模塊化賦能單元提供給現(xiàn)有成熟水下滑翔機等無人航行器外置搭載使用[43-45]。此項技術在一定程度上避免了因加入新裝置而導致水下滑翔機本體布局結構的巨大變動,降低了研發(fā)的復雜度、周期和成本,實現(xiàn)了海洋溫差能捕獲技術的快速轉化應用(捕獲裝置如圖13 所示)。目前已完成模塊化的溫差能驅動/發(fā)電裝置研制與測試,并在水下滑翔機、深海智能浮標等無人水下航行器上進行了集成搭載使用,效果良好。其中溫差能驅動水下滑翔機實現(xiàn)了連續(xù)無故障運行40 d,完成191 個剖面,水面距離累積續(xù)航里程達到706.4 km,實現(xiàn)了國產工程樣機重大突破。

圖13 水下滑翔機集成搭載模塊化溫差能捕獲裝置Fig.13 Underwater glider with integrated modular thermal energy capture device

3.3 風能捕獲與利用

海表面風氣流在海洋中廣泛存在,利用風帆捕獲風能以直接推動船舶行進是一種經典的海洋環(huán)境能源利用途徑,至今已有數(shù)千年歷史,具有能量轉換環(huán)節(jié)少、轉換方式簡化等優(yōu)勢。近年來,隨著無人駕駛、智能控帆等技術的快速發(fā)展,風帆推進技術逐步成熟,“海燕”團隊也在水下滑翔機平臺集成使用了相關技術[46-47],研制成功了風帆驅動水面/水下多航態(tài)航行器,其工作模式見圖14。

圖14 風帆驅動水面/水下多航態(tài)航行器工作模式示意圖Fig.14 Schematic diagram of the working mode of saildriven surface/underwater multi-mode vehicle

“十三五”期間,“海燕”團隊在國內率先啟動了風帆驅動雙航態(tài)水下滑翔機關鍵技術與設計理論研究,突破了衡重特性變換、機構聯(lián)動切換、風帆智能控制等關鍵技術,于2020 年成功研制了Petrel Dual 原理樣機。該樣機在水面航態(tài)利用弧形風帆捕獲風能實現(xiàn)閉環(huán)軌跡航行(如圖15 所示[46]);在水下航態(tài)時則收折起風帆,以鋸齒軌跡滑翔模式完成了200 m 剖面下潛。

圖15 風帆驅動多航態(tài)水下滑翔機原理樣機及其水域閉環(huán)航跡圖Fig.15 Principle prototype of wind-sail driven multi-mode underwater glider and its closed-loop track diagram

未來,“海燕”團隊將不斷提升風帆驅動雙航態(tài)水下滑翔機技術成熟度,增強其深遠海高海況下的耐候性與生存性,進一步明確任務場景,以持續(xù)提升風帆驅動雙航態(tài)水下滑翔機新型平臺的實用性。

4 組網應用技術

水下滑翔機等裝備協(xié)同組網技術是目前快速發(fā)展的深海關鍵技術之一。針對海洋環(huán)境要素的復雜性以及時變特征,克服水下通信帶來的控制延遲難點,“海燕”團隊在水下滑翔機組網協(xié)同控制方面也取得了一定研究進展。

文獻[48]回顧總結了潛水器組網的國內外研究進展,包括協(xié)作觀測、協(xié)同組網和異構潛水器組網等,重點介紹了我國“十三五”期間相關國家重點研發(fā)計劃項目的最新海上試驗進展,并對相關技術發(fā)展趨勢進行了展望,為后續(xù)我國無人水下航行器技術提升和海上組網應用提供了科學思路和技術優(yōu)先發(fā)展方向的有益參考。

針對復雜環(huán)境下的海洋觀測和探測任務,Yang等[49]提出了一種基于人工勢場法的異構控制系統(tǒng),其將水下航行器編隊系統(tǒng)視為一個多體系統(tǒng),利用人工勢場法和凱恩方法實現(xiàn)了水下滑翔機編隊系統(tǒng)的運動規(guī)劃,生成水下滑翔機編隊軌跡,并采用最小化原理將連續(xù)軌跡轉化為離散點,實現(xiàn)了水下滑翔機編隊系統(tǒng)的運動控制。為了合理規(guī)劃水下滑翔機的組網布局,Xue 等[50]基于多體力學分析理論和人工勢場方法,考慮海洋流場和水下滑翔機能耗模型,針對水下滑翔機自主感知、自主控制、近實時通信及其運動耦合等工作特點,提出了多層級水下滑翔機編隊協(xié)同控制模型,并設計了水下滑翔機編隊任務控制系統(tǒng)(見圖16),最終通過數(shù)值分析和水域試驗,證明了該任務控制系統(tǒng)的可行性,實現(xiàn)了對海洋特征的時空同步觀測。

圖16 水下滑翔機多層級編隊協(xié)同控制系統(tǒng)結構Fig.16 Architecture of the multi-level formation collaborative control system of underwater glides

此外,沈新蕊等[51]基于水下滑翔機國內外發(fā)展現(xiàn)狀,總結了其動力學與控制領域的研究成果,概述了國內外具有代表性的協(xié)作組網觀測技術,并且對傳感器設計集成技術、數(shù)據格式與協(xié)議以及水下滑翔機功耗優(yōu)化等方面進行了綜述。Li等[52]基于渦旋溫度異常場的參數(shù)化模型,利用不同配置的水下滑翔機觀測網采集中尺度渦三維結構信息并進行重構的能力,進行了數(shù)值仿真分析及海域試驗驗證,確定了協(xié)同觀測網中水下滑翔機的最優(yōu)數(shù)目和最佳布局結構。Li 等[53]基于“海燕-II”水下滑翔機觀測平臺,對面向南海北部中尺度渦三維結構觀測的水下滑翔機觀測網有效性進行了驗證,并通過分析組網中的水下滑翔機斷面觀測數(shù)據,揭示了中尺度渦內位勢溫度、鹽度及位勢密度異常垂直分布特征,就渦內溶解氧、葉綠素及有色溶解有機物濃度的垂直分布進行了討論分析,全面揭示了反氣旋中尺度渦的垂直結構特征。Zhang 等[54]結合3 臺“海燕”水下滑翔機在南海北部的定點觀測數(shù)據,采用經驗克里金(Kriging)方法重構出了該區(qū)域的深度平均流場,解釋了南海北部海洋流場的時空分布特征,為后續(xù)水下滑翔機的組網路徑規(guī)劃與實施決策提供了數(shù)據參考。此外,Zhang 等[55]采用改進Kriging 插值方法進行了海洋動力環(huán)境場重構,考慮采樣數(shù)據的離散性和非均勻特征,利用積合模型改進Kriging插值時空變異函數(shù),根據7 臺“海燕”水下滑翔機編隊組網觀測資料,重構了三維溫鹽場和特征面,揭示了南海北部水團溫鹽流場結構特征。針對異構海洋滑翔機編隊及變換問題,Ma 等[56]提出了一種基于離散信息并采用一致性算法的異構多滑翔機編隊控制新算法,建立了其非線性離散水下滑翔機動力學模型,采用前向速度控制和縱向路徑跟蹤相結合的方法設計了無法直接獲得速度信息的異步通信編隊控制協(xié)議,并得到了網絡系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。在水下滑翔機組網穩(wěn)定性方面,張潤鋒等[57]對強擾動環(huán)境下組網構型穩(wěn)定性進行了分析,考慮水下滑翔機組網隊形動態(tài)變化,提出了基于復雜網絡理論的穩(wěn)定性評估方法,之后采用領導-跟隨者法建立了有無擾動下的運動學模型,并對編隊構型穩(wěn)定性進行分析仿真,驗證了不同編隊構型的穩(wěn)定性,為水下滑翔機規(guī)?；M網提供了理論支撐。

5 海上試驗應用

5.1 傳感集成應用

水下滑翔機作為一種新型海洋觀測與探測平臺,以海洋現(xiàn)象觀測和目標探測為目的,需要搭配相應的任務傳感器,同時集成的任務傳感器還需要保證水下滑翔機低能耗、長續(xù)航等的觀測與探測能力要求。因此,需要在水下滑翔機的體積、質量和能耗等方面進行適應性集成和改進。目前,如湍流傳感器、水聽器、深海相機、電磁海流計(electromagnetic current,EMC)、溫鹽深儀(conductivity-temperature-depth,CTD)、多波束測深探測儀及全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)等多種傳感器已經在“海燕”號譜系化水下滑翔機上實現(xiàn)了集成應用。圖17 為集成有湍流傳感器、EMC 和CTD 的“海燕-L”水下滑翔機。

圖17 “海燕-L”長航程水下滑翔機Fig.17 Petrel-L long-range underwater glider

2013 年,Wang 等[58]基于天津大學與中海油田服務股份有限公司合作開發(fā)的一艘深海自主式潛水器平臺相關任務傳感器觀測數(shù)據的對比,得出了TUCOS-I 型自主水下航行器的測量誤差來源。其傳感器的分布如圖18 所示,包括SBE49 型號的CTD、EM 2040(M)型號的多波束測深系統(tǒng)、超短基線(ultra short base line,USBL)應答器、導航定位系統(tǒng)(navigation and positioning system,NPS)。建立的估計模型,為該水下航行器多波束測量誤差分析提供了一種簡單可行的方法。這些工作對多波束測深探測儀系統(tǒng)的集成和提高測量精度給予一定的指導意義。

圖18 TUCOS-I 型自主水下航行器傳感器分布Fig.18 Sensors distribution of the TUCOS-I autonomous undersea vehicle

Li 等[59]開發(fā)了一款集成有水質監(jiān)測傳感器的混合驅動水下滑翔機“海燕-II”,并于2014 年7 月在丹江口水庫進行了應用試驗。該水下滑翔機攜帶水質監(jiān)測傳感器,運行平穩(wěn),為國家“南水北調”工程應急水質監(jiān)測提供了先進平臺技術支持。

自由落體微結構剖面儀(free-fall micro-structure profilers,FFMP)是測量海洋湍流微結構的有效平臺之一。“海燕”團隊成功開發(fā)了FFMP1000 湍流剖面儀,其前端集成有微結構輪廓儀、剪切力傳感器、CTD 以及壓力傳感器等。Liu 等[60]通過采用流固耦合仿真和實船海上試驗,對FFMP 的振動特性和機理進行了研究,利用FFMP1000 型湍流剖面儀在黃海海域進行了海上試驗,發(fā)現(xiàn)FFMP1000在自由下落過程中存在一個0.14°小角度的復擺振蕩,并對于給定的船體形狀,以運動慣量、恢復力矩和下降速度為自變量,推導了預測船體振動頻率和振動加速度幅值的經驗公式。該公式可方便、有效地預測FFMP 的振動頻率和加速度,甚至可以在初步設計階段計算FFMP 的低端檢測限,進而為改進FFMP 的設計提供指導,具有集成于水下滑翔機等深海裝備平臺的應用前景。

Ma 等[61]通過在水下滑翔機上集成電磁速度傳感器,優(yōu)化電磁式速度傳感器布置位置和距離,得到了能更準確地反映水下滑翔機動力學行為的水動力參數(shù)。在2016 年8 月—2017 年9 月,集成有EVS(enhanced vision system)、GPCTD(glider payload CTD)、TCM 3 型數(shù)字羅盤的“海燕-II”水下滑翔機在中國南海進行了海上試驗,共完成了156 次下潛,最深達1 000 m。針對不同俯仰角,水下滑翔機收集了大量穩(wěn)態(tài)數(shù)據,為其垂向速度的計算及其理論研究提供了數(shù)據支撐。

此外,水下滑翔機還具有對海洋環(huán)境噪聲進行長時序大范圍的觀測能力。尹云龍等[62]開展了水聽器與“海燕”水下滑翔機的集成應用研究,結合CFD 仿真,優(yōu)化了水聽器在水下滑翔機本體的安裝位置,并于2019 年在南海試驗過程中取得了大量聲學數(shù)據。

目前,任務傳感器設計與集成技術發(fā)展迅速,“海燕”號譜系化水下滑翔機已經實現(xiàn)與水聽器、深海相機、CTD、湍流儀、流速計和磁力儀等聲光電磁和重力等小型低功耗傳感器的集成,廣泛應用于海洋環(huán)境參數(shù)的觀測與探測等海上試驗研究任務,效果顯著。

5.2 科學觀測應用

水下滑翔機搭載多類型的任務傳感器,在眾多的海洋觀測與探測平臺中,具有重要優(yōu)勢和應用前景。水下滑翔機的長續(xù)航、大范圍和自主性等特點在科學觀測中被充分證明,與其他觀測手段的互補使用,可使針對海洋現(xiàn)象的觀測立體化、精細化。楊紹瓊等[63]從水下滑翔機發(fā)展歷程、運行方式以及專用傳感器三部分出發(fā),結合國內外海洋學綜述文獻,重點對水下滑翔機觀測典型海洋現(xiàn)象(包括中尺度渦、內波、海洋鋒面及聲學等)的應用進行了綜述總結。

水下導航定位精度的提高對于水下滑翔機完成海洋環(huán)境觀測與相關目標探測等任務至關重要。吳尚尚等[64]研究歸納了水下導航技術原理、分類以及常用算法,綜述了水下滑翔機導航相關技術研究與應用的國內外現(xiàn)狀,探討了水下滑翔機冰下導航的技術難點和發(fā)展趨勢。在觀測過程中,水下滑翔機還容易受到海流等因素影響發(fā)生航向偏離,針對理論出水位置和實際出水位置偏離的問題,何柏巖等[65]提出了基于變分模態(tài)分解(variational mode decomposition,VMD)和LSSVM方法的深平均流預測模型,可指導水下滑翔機進行有效航向修正和局部路徑規(guī)劃。

湍流是發(fā)生在各類流體中的普遍現(xiàn)象,海洋湍流對海洋中的動量、熱量以及物質的擴散,對海洋中物質和能量的輸運,以及全球氣候變化都有著重要的影響。近年來,隨著海洋湍流的相關理論和技術不斷發(fā)展,海洋湍流混合觀測技術和現(xiàn)場試驗進入了一個新的研究階段。Liu 等[66]使用“海燕-湍流”水下滑翔機研究了海洋湍動能耗散率與時變的滑翔參數(shù)之間的關系,建立了基于模擬退火算法的滑翔參數(shù)模型,并在127 d 的湍流觀測海上試驗中獲取了準確的滑翔參數(shù),校正了水下滑翔機在下潛和上浮剖面的耗散率測量誤差,為減少不確定性因素對水下滑翔機湍流微結構觀測研究的影響提供了一種有效方法。圖19 為該次試驗回收現(xiàn)場圖。

圖19 “海燕-湍流”水下滑翔機為期127 d 湍流觀測海上試驗任務的布放與回收現(xiàn)場圖Fig.19 Petrel-turbulence underwater glider deployment and recovery of its 127-day marine turbulence observation mission

Wang 等[67]提出了一種懸臂和壓電陶瓷片的優(yōu)化設計方法,為了驗證該剪切探針傳感器的實用性,研制了一種用于攜帶剪切探針測量海洋剪切速度的海洋微結構剖面儀。2010 年11 月—2011年1 月,該剖面儀歷經50 d 的巡航,測量了西太平洋的湍流。馬偉等[68]以團隊自主研發(fā)的翼型剪切流傳感器為核心測量單元,開發(fā)了面向海洋微結構湍流測量的水下滑翔機系統(tǒng),并于2015 年2 月在中國南海進行了海試測試,獲得了南海春季200 m 以淺剖面的湍流動能耗散率分布情況。

內孤立波(internal solitary waves,ISW)是海洋(特別在南海)中經常能夠觀測到的現(xiàn)象,它們攜帶有巨大的能量,并在傳播過程中保持形狀和速度。ISW 會引起海水嚴重的垂向混合,對海洋能量輸送和海洋環(huán)流產生重要影響,并進一步影響聲傳播和海洋設備的安全。研究如何科學觀測ISW 并獲得研究數(shù)據對進行海洋科學發(fā)展具有重要意義。2017 年8 月,Ma 等[69]利用“海燕-II”水下滑翔機在南海北方開展了ISW 觀測活動。一般情況下,在呂宋海峽產生的向西傳播的內波會變陡,并演變成大振幅的ISW,可以在衛(wèi)星圖像中識別。在對中等分辨率成像分光儀真彩色圖像分析的基礎上,利用內波效應驗證了溫鹽起伏的存在。同時采用水下滑翔機模型計算了其垂直速度,估計得到了ISW 的特征。Ma 等[70]利用水下滑翔機搭載聲學多普勒雙海流剖面儀測量了南海海域的流速,并將其應用于南海北方ISW 的現(xiàn)場觀測。2017 年8 月,“海燕-II”水下滑翔機在南海北部海上試驗時捕捉到了一個典型ISW,并通過分析海水溫度和水下滑翔機垂直速度的波動特征進行了確認。

中尺度渦是一種普遍存在的中尺度海洋現(xiàn)象,通常指時間尺度為幾天至幾個月、空間尺度達到幾百公里甚至上千公里的封閉式渦旋,對海洋環(huán)境中的溫鹽輸運、能量傳遞、浮游生物的濃度及海洋氣候等具有較大影響。目前在太平洋、大西洋等海域進行的大量面向該現(xiàn)象的海上試驗充分驗證了水下滑翔機對其觀測的適用性。Li 等[71]利用“海燕”水下滑翔機在南海對中尺度渦進行了精細化觀測,4 臺“海燕”沿著東北-西南方向穿過渦旋,得到了其垂直方向的現(xiàn)場觀測數(shù)據,采用復合分析的方法在以渦心為原點的坐標系中構建了反氣旋渦旋的三維結構,結果顯示,該渦旋溫度影響深度達700 m、鹽度影響深度達300 m。

溫度和鹽度是重要的海洋動力環(huán)境水文要素,在水團劃分以及海洋環(huán)流研究過程中起著重要作用。此外,溶解氧的分布也是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,在一定程度上可以反映海水中的生物活動和物理化學過程。楊紹瓊等[72]采用在2019 年夏季中國第10 次北極科學考察中使用的3 臺“海燕”水下滑翔機在北極海域組網觀測得到的溫度、鹽度和溶解氧數(shù)據,對北極白令海海盆區(qū)水團分類、溫度和溶解氧分布特征等進行了分析研究,觀測結果如圖20 所示,為我國認識極地、探索極地提供了新的應用示范。

圖20 2019 年夏季中國第10 次北極科學考察中“海燕”水下滑翔機觀測區(qū)域內垂直斷面溫度分布Fig.20 Vertical distribution of temperature observed by Petrel underwater gliders in the summer of 2019,China’s tenth Arctic scientific expedition

6 結束語

作為執(zhí)行海洋觀測與探測等任務的重要工具之一,“海燕”號譜系化水下滑翔機技術發(fā)展受到國家部委等重點支持,近幾年得到快速發(fā)展。為了滿足我國海洋科學研究、海洋經濟發(fā)展、海洋災害預防等需求,近年來“海燕”號譜系化水下滑翔機在外形設計、耐壓主體設計、浮力驅動單元設計、能源捕獲與利用、協(xié)同組網和任務傳感器集成應用等方面均取得了重要進展,并開展了大量的海上試驗應用。

而隨著新一代信息技術在工業(yè)上的廣泛應用,數(shù)字孿生為復雜裝備系統(tǒng)的智能設計與全生命周期智能運維提供了新的技術手段。當前“海燕”號譜系化水下滑翔機產業(yè)化發(fā)展主要有兩大挑戰(zhàn): 1) 海洋觀測與探測任務的日益多樣化發(fā)展趨勢,對工作深度、續(xù)航里程及任務負載等多維度、多層次、多學科的譜系化水下滑翔機系統(tǒng)的快速智能化設計提出了更高的要求;2) 復雜多變的海洋環(huán)境存在著海流、生物污損及腐蝕等多源不確定性,為長續(xù)航下水下滑翔機系統(tǒng)的全生命周期管理帶來巨大挑戰(zhàn)。基于“海燕”團隊多年的基礎理論創(chuàng)新與工程應用經驗,Yang 等[3]提出了數(shù)字孿生驅動的水下滑翔機產業(yè)化發(fā)展框架(見圖21),并將其分為“數(shù)字模型”、“設計優(yōu)化”、“虛擬驗證”和“工程應用”等4 項關鍵技術,為“海燕”號譜系化水下滑翔機的產業(yè)化進程指明了發(fā)展方向,也為我國其他深海裝備與技術的產品化和產業(yè)化提供了一定的借鑒。

圖21 數(shù)字孿生驅動的快速個性化設計和全生命周期體系結構水下滑翔機管理框架Fig.21 Architecture of Digital twin-driven rapid individualized design and full lifecycle management of underwater gliders

未來,隨著水下滑翔機等深海智能裝備平臺繼續(xù)應用于深遠海,其探索能力不斷增強,也必然會面臨更多的技術難題和未知挑戰(zhàn),“海燕”團隊將繼續(xù)開展系列關鍵技術攻關,堅持為國家海洋事業(yè)和經濟社會發(fā)展做好服務。

致謝 感謝編輯部邀稿及專家辛勤審稿,天津大學深海智能裝備“海燕”團隊發(fā)展剛逾二十載,感謝國家大力支持,同仁鼎力相助,團隊潛心攻關,又喜逢《水下無人系統(tǒng)學報》創(chuàng)刊三十周年慶,謹以此文,同賀共進步。