王天霖 金 翔

（1. 中山大學 海洋科學學院 珠海 519000； 2. 大連海事大學 船舶與海洋工程學院 大連 116000）

0 引 言

水下滑翔機是一種浮力驅動、低能耗的水下航行器，具有結構簡單、航程長等優(yōu)勢，目前已在海洋觀測活動中得到大量應用[1-2]，特別是近年來開展的水下滑翔機組網(wǎng)觀測研究，可實現(xiàn)大范圍機動式海洋觀測，在海洋水文采集和海底地形調查等領域具有重要應用價值[3-5]。

水下滑翔機的概念最早由美國海洋學家STOMMEL提出，其設想了一個由浮力驅動的水下滑翔機組成自主海洋觀測網(wǎng)絡的愿景，為水下滑翔機技術的未來發(fā)展提供了藍圖[6]。在水下滑翔機樣機研制方面，美國的研究進展在世界范圍內(nèi)遙遙領先。1991年，WEBB 等[7]成功開發(fā)了電驅動的水下滑翔機樣機，并在佛羅里達州的瓦庫拉泉進行了早期測試。1995年，美國海軍研究院同時資助了3 個水下滑翔機項目的研發(fā)工作，分別是Webb 公司的Slocum、Scripps 海洋研究所的Spray 和華盛頓大學的Seaglider[8-9]。經(jīng)過多年的發(fā)展，這3 款水下滑翔機逐漸應用于大中尺度海洋觀測任務，在實際布放中都有出色表現(xiàn)，并且已經(jīng)成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為當前國際上主流的水下滑翔機產(chǎn)品，廣泛應用于全球各地的海洋觀測任務中。

除美國之外，其他國家水下滑翔機尚處于樣機研制、性能試驗或小規(guī)模生產(chǎn)階段，其中以法國和中國的研究實力尤為突出。由于國外的技術封鎖，我國對于水下滑翔機的相關研究工作起步較晚，但是技術發(fā)展迅速。2002年，天津大學最早開始水下滑翔機的研究工作[10]，于2005年完成溫差能驅動的原理樣機[11]，2007年研制出“海燕”混合驅動水下滑翔機[12]。2003年，中國科學院沈陽自動化研究所開展了水下滑翔機的基礎研究工作，于2005年成功開發(fā)出原理樣機并完成湖試，2009年成功研制出首臺1 000 m 級水下滑翔機“海翼-1000”[13]。

2012年，天津大學、沈陽自動化研究所、華中科技大學和中國海洋大學共同承擔了863 計劃項目“深?；铏C研制及海上試驗研究”，開展多型水下滑翔機工程樣機的研制工作，加速推進了我國水下滑翔機技術工程化[5]。2017年，沈陽自動化研究所研制的“海翼-7000”在馬里亞納海溝完成了大深度下潛觀測任務，最大下潛深度達到 6 329 m，刷新了當時水下滑翔機最大潛深的世界紀錄[14]。2020年7月，天津大學的“海燕-X”萬米滑翔機最大下潛深度達到10 619 m，再次打破水下滑翔機的潛深世界紀錄[15]。

與單臺水下滑翔機相比，多臺水下滑翔機開展同步組網(wǎng)觀測可以增強水下滑翔機的觀測覆蓋范圍，實現(xiàn)由點到區(qū)域空間的立體觀測。此外，通過攜帶不同種類的任務載荷，可以實現(xiàn)多尺度、多任務并行探測，顯著提高海洋觀測的作業(yè)效率和應用范圍[16]。國內(nèi)外先后開始水下滑翔機編隊的研究，公開報道顯示，目前最大規(guī)模的編隊試驗中，水下滑翔機數(shù)量約50 臺。

水下滑翔機是目前水下觀測裝備中唯一具備長時間、長程機動能力的觀測平臺，受到海洋觀測領域的廣泛關注。但是在環(huán)境適應性方面，國內(nèi)外成熟水下滑翔機產(chǎn)品都存在同樣問題：由于過重、外形不規(guī)則及抗沖擊/碰撞能力有限等問題，在使用過程中嚴重依賴科考船、吊放設備及專業(yè)技術團隊，導致無法滿足普通艦艇/無人平臺、難以應對惡劣作業(yè)海況，以及缺乏技術支持等環(huán)境的使用要求。受制造成本和使用不便等原因影響，水下滑翔機只能在海洋科考等領域少量應用，無法在海洋軍事、海洋生產(chǎn)及海洋管理等領域大規(guī)模推廣。

當前，國內(nèi)研究機構正在努力開展水下滑翔機小型化研究，如國內(nèi)天津大學研制出機載拋棄型水下滑翔機“海燕-XA”，僅重10 kg，下潛深度可達1 300 m；沈陽自動化研究所開發(fā)的“海翼 Mini”也僅重13 kg，最大續(xù)航時間可達2 個月。盡管使用的便利性有所提升，但是這些小型水下滑翔機在續(xù)航力等關鍵指標上大幅縮水，難以滿足長期化的海洋觀測任務需求。目前國內(nèi)外還沒有適用于大型海洋觀測的水下滑翔機設計方案和產(chǎn)品。

實現(xiàn)水下滑翔機從科學研究走向實際應用的關鍵是降低水下滑翔機的綜合成本，包含加工制造、運輸投放和使用維護等階段的全鏈條低成本，具體研究則涉及水下滑翔機的小型化、模塊化、平臺適應性、抗震/抗沖擊性和再生能源利用等諸多技術瓶頸。大幅降低水下滑翔機全鏈條成本以及推動水下滑翔機規(guī)模化組網(wǎng)應用是水下滑翔機技術領域未來發(fā)展的重要趨勢和方向。

1 小型自動布放水下滑翔機

目前水下滑翔機的性能指標主要是圍繞單機和小型編隊設計的，單機作業(yè)模式下的水下滑翔機由于強調航程、航速等性能，質量普遍在50 kg 以上，綜合成本大于100 萬/套，使用過程中嚴重依賴運載平臺、吊裝設備和專業(yè)技術團隊，無法大規(guī)模應用。作為大型海洋觀測網(wǎng)的節(jié)點時，水下滑翔機更強調續(xù)航時間、制造成本和平臺適應性等，其質量應小于10 kg，綜合成本小于10 萬/套。按照現(xiàn)有的水下滑翔機技術，如果質量減輕到10 kg 級，電池搭載量將不超過2 kg，續(xù)航力會降至500 km 以下或不足20 d， 已經(jīng)無法體現(xiàn)水下滑翔機的續(xù)航優(yōu)勢，不能滿足大時空跨度海洋觀測需要。

因此，小型水下滑翔機的設計需要綜合考慮并同時解決小型化、模塊化、抗沖擊/抗震以及平臺適應性等諸多方面性能，現(xiàn)有的水下滑翔機設計理論和方法難以支持。因而必須突破當前水下滑翔機設計慣性思維的束縛，開拓新的技術路線，在大幅降低水下滑翔機的生產(chǎn)成本之外，避免使用過程中對平臺、團隊和設備等的依賴，達到全面降低水下滑翔機生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)成本的目的。

本文提出小型自動布放水下滑翔機的概念，其核心技術指標包括：

（1）質量：小于10 kg，是目前美國成熟小型水下滑翔機質量的1/5；

（2）潛深：200 m，該深度的海水淺表層蘊含豐富的海洋信息，潛深性能基本滿足大部分海上作戰(zhàn)、海洋觀/探測應用需求；

（3）續(xù)航力：不小于2 個月或2 000 km，基本達到傳統(tǒng)50 kg 級水下滑翔機的續(xù)航水平；

（4）環(huán)境適應性：適應艦艇、無人艇及無人機等各種運載平臺，能夠實施全天候的單人拋投/自動化布放。

本文所述小型自動布放水下滑翔機樣機如圖1 所示。

圖1 小型自動布放水下滑翔機樣機

本文提出的小型自動布放水下滑翔機在外形上和傳統(tǒng)水下滑翔機保持一致，長度約為1 m，質量不超過10 kg，但是電池搭載量達5 kg，續(xù)航力可達目前50 kg 級水下滑翔機的水平。為了達到這樣的效果，就必須大幅減輕除電池外的其他結構的質量，大幅簡化結構設計。本文提出全新的不依賴重心調節(jié)的水下滑翔機構型機理，考慮利用浮力調節(jié)模塊在改變排水體積的同時，提供1 個重心的偏移量，從而可以移除常規(guī)水下滑翔機的重心調節(jié)模塊，減輕整機質量并且節(jié)省內(nèi)部空間以搭載更多載荷。

除達到“減重不減續(xù)航”目標之外，本文進一步提出如圖2 所示的水下滑翔機的封裝和自動布放技術，以實現(xiàn)在不同運載平臺上的快速批量布放。為了能夠把水下滑翔機裝進筒形封裝結構內(nèi)，需要對部分組件重新設計，例如采用雙層的彈性水平翼和可折疊的尾舵， 并且在艏艉部采用彈性導流罩設計，以提高運輸和投放過程中的抗沖擊性。

圖2 小型自動布放水下滑翔機的封裝結構

2 應用場景

小型自動布放水下滑翔機在續(xù)航力、平臺適應性等方面具有優(yōu)勢，可滿足不同專業(yè)、不同類型、不同環(huán)境條件（尤其是惡劣海況等復雜環(huán)境）下的觀測設備的應用。自動布放技術可以實現(xiàn)水下滑翔機的批量布放和快速組網(wǎng)觀測，可以有效提升觀測效率、降低觀測成本，為大范圍海洋觀測提供高機動、低成本和長續(xù)航的解決方案，在海洋科考、海洋救災減災等軍事和民事領域具有廣泛應用價值。

2.1 海洋科考

長期以來，應用于海洋科考活動的水下滑翔機體積大、操作不便，需要母船和專業(yè)技術團隊提供支持，并且高昂的價格使每個航次只能投入少量滑翔機作業(yè)，造成很多有價值的海洋科考活動難以開展。本文提出的小型自動布放水下滑翔機，一是成本低，可以在一次科考活動中大量使用；二是操作方便，普通科研人員即可進行布放，無需專業(yè)技術團隊操作。在批量布放于目標海域后，可以快速組建小規(guī)模觀測網(wǎng)絡，大大提高觀測數(shù)據(jù)的采集效率，使開展更為精細的海洋科考活動成為可能。

2.2 海洋信息預報

基于小型自動布放水下滑翔機的低成本優(yōu)勢，通過快速批量布放大量觀測節(jié)點，開展大范圍、長時間的海洋監(jiān)測，可以得到更精確的海洋水文數(shù)據(jù)資料，大幅提高我國的海洋水文預報預測能力，對可能出現(xiàn)的臺風、海嘯和風暴潮等災害進行預警，最大限度地減少災害對人民生命財產(chǎn)造成的損失。

2.3 海洋漁業(yè)

基于小型自動布放水下滑翔機組建的海洋漁情監(jiān)測網(wǎng)絡，既可以為漁民提供大范圍的漁情信息，又可以提供漁場水域更為詳細的漁情信息，使捕魚作業(yè)目標更明確，捕魚量得到更多保障。此外，還可以向漁業(yè)管理部門提供實時的漁情信息，更有利于漁業(yè)的精細化管理，對捕魚的時間、地點和捕魚量等制定出科學管理決策。

2.4 軍事領域

在軍事領域，小型自動布放水下滑翔機可以和推進模塊以及水聲探測、海洋環(huán)境、水下爆炸等載荷相結合，利用艦艇、無人艇和無人機等平臺批量投放，以集群的方式快速覆蓋關鍵水域，完成戰(zhàn)場環(huán)境偵察、水下目標搜尋與攻擊、戰(zhàn)場封鎖和介入拒止，以及島鏈封鎖反制等任務，能夠大幅延伸我軍作戰(zhàn)半徑，極大豐富海上作戰(zhàn)模式。

2.5 南海超大型海洋觀測網(wǎng)

南海超大型海洋觀測網(wǎng)是指在我國南海海域投放10 000 個以上小型自動布放水下滑翔機作為海洋觀測節(jié)點，通過智能控制形成有機可控的超大型南海觀測網(wǎng)絡?；谛⌒妥詣硬挤潘禄铏C的南海觀測網(wǎng)的節(jié)點密度將是Argo 全球海洋觀測網(wǎng)的500 倍，高密度觀測節(jié)點能夠有效提高海洋觀測的時空分辨率，為中尺度、亞中尺度及小尺度海洋動力學研究創(chuàng)造條件。南海超大型海洋觀測網(wǎng)覆蓋南海主要區(qū)域，并在南海長期連續(xù)地執(zhí)行業(yè)務化的海洋觀測，可以大幅降低南海海洋數(shù)據(jù)的采集成本，支持南海海洋資源、海洋考古等涉海信息普查；支持大范圍海洋水下戰(zhàn)場透明化，改變海戰(zhàn)模式等。通過采用人工智能技術對大量觀測節(jié)點進行控制（例如改變節(jié)點密度、任務類型以及網(wǎng)絡陣型等），可以在不同海域執(zhí)行各種觀測任務，在同一平臺上滿足不同單位和領域的需求。這種以大量水下滑翔機為主形成統(tǒng)一的海洋數(shù)據(jù)采集基本框架，能夠有效克服海洋大數(shù)據(jù)發(fā)展中存在的數(shù)據(jù)量小與數(shù)據(jù)孤島等瓶頸問題，是海洋數(shù)字化探索可行的發(fā)展之路。

3 關鍵技術

小型自動布放水下滑翔機旨在大幅降低水下滑翔機的綜合成本（包括生產(chǎn)和使用全流程成本），支持規(guī)模化海上組網(wǎng)應用，為此需要突破傳統(tǒng)水下滑翔機設計理論和技術體系，解決水下滑翔機的小型化、預封裝和自動布放等一系列問題，涉及到的關鍵技術包括輕量化技術、封裝技術、能源利用技術以及智能組網(wǎng)控制技術。

3.1 輕量化技術

由于電池搭載能力在很大程度上決定了水下滑翔機的續(xù)航水平，因此，水下滑翔機小型化的難點在于最大程度地減輕其他部分的質量，從而搭載盡可能多的電池。為了發(fā)揮長續(xù)航優(yōu)勢，目前的成熟水下滑翔機型號都已將輕量化達到極致，但是按照當前技術體系設計的小型水下滑翔機，其續(xù)航水平仍然不能滿足海洋觀測活動的需要。要想達到“減重不減續(xù)航”的目標，就必須對水下滑翔機輕量化技術進行顛覆性創(chuàng)新，從構型機理層面突破傳統(tǒng)水下滑翔機的概念束縛，在保證主要性能的情況下，大幅簡化內(nèi)部控制結構。本文提出的不依賴重心控制的水下滑翔機構型機理，在傳統(tǒng)的浮力驅動和重心調節(jié)的設計基礎上，去除重心調節(jié)模塊，利用水動力自動獲得滑翔角度，不依賴重心控制機構，從根本上突破了水下滑翔機的設計理念，進而實現(xiàn)“減重不減續(xù)航”的目標。

3.2 封裝技術

目前水下滑翔機在使用過程中嚴重依賴人員、設備和平臺，使用極不方便，原因在于抗沖擊/抗碰撞性能較差、外形尺寸不規(guī)則以及容積率低，給運輸存儲帶來極大不便；整體較重，必須依賴吊裝設備協(xié)助布放和回收；系統(tǒng)復雜，使用前必須由專業(yè)技術團隊完成部分模塊（如水平翼和天線等）的安裝和整機系統(tǒng)的調試?；谝陨显?，想要擺脫對專業(yè)人員的依賴以實現(xiàn)自動化布放，對于當前的水下滑翔機技術是極為困難的。一體化封裝技術旨在通過對水下滑翔機的附體結構（包括舵、翼和天線等）重新設計，在不影響水下滑翔機運動性能的基礎上，將小型水下滑翔機收納進筒形封裝結構內(nèi)，其優(yōu)勢在于：

（1）在存儲和運輸過程中有效隔離環(huán)境損傷，確保水下滑翔機性能穩(wěn)定性；

（2）提高平臺適應性，實現(xiàn)在不同載具上快速、大批量布放；

（3）提高海況適應性，實現(xiàn)全天候布放，封裝結構使水下滑翔機在入水前完全不受環(huán)境影響，入水后封裝筒自動打開，水下滑翔機隨即啟動工作。

此外，盡管小型水下滑翔機可以輕松地實現(xiàn)單人布放，但是為了滿足大時空尺度海洋觀測的需要，有必要實現(xiàn)水下滑翔機快速批量布放，因而還需要設計與封裝結構相匹配的自動布放裝置，以實現(xiàn)在無人機和無人艇上的自動化布放操作。

3.3 能源利用技術

當前，水下滑翔機大多依靠機體攜帶的電池提供能源，以實現(xiàn)運動控制和開展觀測活動，續(xù)航力受到電池電量的制約，而且傳感器等工作載荷更進一步加劇了水下滑翔機的能耗負擔，嚴重限制了水下滑翔機的應用場景。盡管輕量化技術使小型自動布放水下滑翔機可以在有限的質量下搭載更多電池，但是鋰電池的能量密度在短期看來很難有質的突破，電池技術越來越成為限制水下滑翔機發(fā)展的最大瓶頸。而海洋本身蘊藏著巨大的能量，目前可供利用的海洋能量包括潮汐能、波浪能和溫差能等，如何利用這些海洋環(huán)境能源為水下滑翔機持續(xù)供能是提升水下滑翔機續(xù)航水平的關鍵技術。此外，由于水下滑翔機工作一段時間后需要上浮到水面進行通信，因此也可使用太陽能作為能量補充，此時則需設計合適的外形以最大化利用太陽能?？傊?，能源利用技術的進步和能量轉化裝置的小型化將推動水下滑翔機的續(xù)航水平達到新的高度，極大地擴展水下滑翔機的應用場景。

3.4 智能組網(wǎng)控制技術

盡管小型自動布放水下滑翔機很大程度上解決了常規(guī)水下滑翔機使用不便的問題，但是受限于體積和成本，其單機性能弱于大尺寸的水下滑翔機。因此，只有以大規(guī)模組網(wǎng)的形式使用才能最大化其價值，因而亟需解決大量水下滑翔機節(jié)點的協(xié)同控制問題。不同于通常意義上的小規(guī)模集群觀測，大型海洋觀測網(wǎng)在節(jié)點數(shù)量上遠超后者，當前適用于小規(guī)模水下滑翔機編隊的控制方法顯然難以實現(xiàn)對成千上萬節(jié)點的有效控制。

考慮到海洋環(huán)境的復雜性以及小型自動布放水下滑翔機有限的運動能力和續(xù)航水平，有必要開發(fā)針對大型海洋觀測網(wǎng)絡的智能控制技術，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術，實現(xiàn)大空間尺度下大量觀測節(jié)點的高性能組網(wǎng)協(xié)同控制，以保證觀測網(wǎng)絡能夠充分發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢，并能夠根據(jù)任務特點、網(wǎng)絡自身運行情況和海洋環(huán)境特性實現(xiàn)智能化調控，以提高觀測的精度和效率。

4 結 語

本研究旨在解決常規(guī)水下滑翔機在成本和使用難度等方面的問題。為此，提出低成本小型自動布放水下滑翔機的概念，并成功設計了10 kg 級別的樣機；探討了小型自動布放水下滑翔機在海洋科考、海洋經(jīng)濟和海洋軍事等領域的潛在應用前景，對實現(xiàn)小型自動布放水下滑翔機及其規(guī)?；瘧盟杞鉀Q的關鍵技術難題進行了深入分析，并提出相應的解決思路。

綜上所述，小型自動布放水下滑翔機是具有巨大潛力的新技術，有望成為海洋科技領域的重要突破點。