招 聰，謝仁和，徐紀(jì)偉，馬向能，周念福

(1.中國船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無錫 214082；2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214082；3.深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214082)

0 引 言

世界上海洋占地球71%表面積，平均水深3800 m，90%以上面積海域水深超過1000 m[1-2]。深海因其蘊(yùn)藏豐富的資源、礦產(chǎn)和能源，具有巨大的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，成為各國競相追逐的新戰(zhàn)略空間。前蘇聯(lián)在20 世紀(jì)80 年代就提出了“誰能控制海底，就能控制海洋”的海洋戰(zhàn)略，美國在2015 年、2020 年相繼提出了“海床戰(zhàn)”、“海上控制”戰(zhàn)略，英國在2021 年發(fā)布的《綜合審查》中重點(diǎn)關(guān)注了“海底戰(zhàn)”，法國在2022 年發(fā)布了“海底戰(zhàn)戰(zhàn)略”，不同國家的海洋戰(zhàn)略均表明拓展水下空間、維護(hù)水下利益是未來發(fā)展重點(diǎn)[3]。

各軍事強(qiáng)國為實(shí)現(xiàn)長期具備對深海環(huán)境資源、安全態(tài)勢的認(rèn)知、監(jiān)控和行動(dòng)能力，制定了一系列有關(guān)水下監(jiān)聽、偵察、攻擊的水下攻防項(xiàng)目，如對海底持久探測與預(yù)警的水下固定式監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行情報(bào)偵察和打擊的移動(dòng)式無人潛航器（UUV）等[4]。對UUV 來說，重量、體積和高隱蔽性等工作要求制約了其可選擇的動(dòng)力能源方式，僅能選擇蓄電池，自身攜帶能量有限，工作幾十小時(shí)必須回收至水面或布放母船進(jìn)行能源補(bǔ)給和執(zhí)行任務(wù)情報(bào)數(shù)據(jù)回收，以避免其停止工作[5]。因此，能否對其實(shí)現(xiàn)安全可靠、持久高效的能源供給是UUV 等裝備在深海實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍、長時(shí)間工作和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。在此背景下，研制出直接可在水下供UUV 進(jìn)行能量補(bǔ)給、情報(bào)數(shù)據(jù)回收和任務(wù)指令下載的深海能源基站，可解決UUV 能源供應(yīng)不足、航程短暫、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交換困難等問題[6]。

本文圍繞深海能源基站為研究對象，闡述了其應(yīng)用需求與工作特點(diǎn)，分析比較了能源基站不同儲(chǔ)能技術(shù)形式，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了燃料電池和核動(dòng)力2種動(dòng)力深海能源基站美俄等海洋強(qiáng)國與國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了深海能源基站發(fā)展趨勢，旨在為國內(nèi)未來深海能源基站的研究與發(fā)展提供建議。

1 應(yīng)用需求和工作特點(diǎn)

深海能源基站是指按預(yù)先任務(wù)需求，通過提前搭載在水面母船或特種作業(yè)潛艇上，在一定深度海域預(yù)置部署，具備長期自主在水下發(fā)電、儲(chǔ)電、變電和供電功能，可對水下監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)、UUV 等裝備持續(xù)進(jìn)行能源補(bǔ)給供應(yīng)的海洋平臺(tái)[7]。

1.1 應(yīng)用需求

1）UUV 能源補(bǔ)給

現(xiàn)有UUV 多采用常規(guī)蓄電池動(dòng)力，續(xù)航力僅有10～40 h[8]。因此，為提高水下續(xù)航時(shí)間、擴(kuò)大工作范圍，避免頻繁上浮增加暴露率，利用深海能源基站在水下航程中途對其進(jìn)行充電是較理想方式。

2）水下監(jiān)聽網(wǎng)持續(xù)供電

水下監(jiān)聽網(wǎng)需長期隱蔽在水下，持續(xù)對海底環(huán)境安全態(tài)勢、敵方艦船實(shí)航信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽。采用深海能源基站作為供電方式，可彌補(bǔ)水下監(jiān)聽網(wǎng)受岸電位置限制、隱蔽性不足的缺陷[9]。

1.2 工作特點(diǎn)

1）隱蔽性強(qiáng)

深海能源基站主要應(yīng)用對象為UUV 和水下監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，UUV 工作深度范圍為600 ～6000 m，水下監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)工作深度超過1000 m。因此，為避免被敵方探測破壞，能源基站可根據(jù)應(yīng)用對象特點(diǎn)，提前在深海（1000 m深度以下）完成布放，長期隱藏在水下自主工作。

2）模塊化部署靈活

依據(jù)不同海域地理特點(diǎn)、不同任務(wù)需求，能源基站可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和開放性系統(tǒng)架構(gòu)，減小體積和重量，機(jī)動(dòng)配置。通過水面布放或特種作業(yè)潛艇搭載等方式，在不同深度、不同區(qū)域靈活部署，構(gòu)建出覆蓋一定區(qū)域的立體式水下能源補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)。

3）高儲(chǔ)能

續(xù)航力高低是決定UUV 和海底探測網(wǎng)絡(luò)水下生存和工作能力的唯一指標(biāo)，高儲(chǔ)能的深海能源基站在水下集發(fā)電、供電、變電和儲(chǔ)電于一體，可隨時(shí)、多次對能量耗盡的UUV、持續(xù)監(jiān)聽的水下監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)提供能量補(bǔ)給，助力UUV 等水?dāng)[脫續(xù)航力制約。

4）功能多樣

深海能源基站除作為水下充電站外，還可作為水下信息中繼裝置，具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與通信功能。UUV 在能源基站進(jìn)行充電時(shí)，可將上一任務(wù)期間偵察獲取的情報(bào)數(shù)據(jù)通過聲光信息傳輸方式上傳至基站存儲(chǔ)，同時(shí)下載下一任務(wù)指令。隱蔽在海底的基站，具備與水面艦船、水下潛艇、衛(wèi)星等通信功能，可將情報(bào)信息回傳至指揮中心。

2 深海能源基站儲(chǔ)能技術(shù)分析

儲(chǔ)能技術(shù)是制約深海能源基站在水下工作時(shí)間長短的瓶頸技術(shù)[10]?，F(xiàn)有深海能源基站可實(shí)際應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括：

1）岸基有線供電

岸基有線供電借助岸基有線觀測網(wǎng)絡(luò)，采用有限電纜將能源基站與岸基有線觀測網(wǎng)絡(luò)連接，電能無限。但依賴于岸基設(shè)施，要求深海能源基站必須部署在岸基附近，無法指定位置，且對有隱蔽需求的區(qū)域容易暴露，被敵方發(fā)現(xiàn)破壞電纜失去能量供應(yīng)[11]。

2）蓄電池

能源基站使用蓄電池作為儲(chǔ)能技術(shù)可獨(dú)立在海底布放，但受制于蓄電池能量密度低，提供電能有限，為UUV 完成數(shù)次充電即需打撈回收，無法滿足持續(xù)供能的需求[12]。如美國麻省理工學(xué)院（MIT）與伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）開發(fā)的蓄電池能源基站由4960塊堿性蓄電池組成，僅能維持4 個(gè)月的能源供應(yīng)。

3）燃料電池

燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將自身攜帶的氫氣、氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置[13]。理論上，只要外界提供氫氣和氧氣不間斷，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電，具有能量密度高、振動(dòng)噪聲小、紅外輻射低等優(yōu)勢。燃料電池理論效率為83%，實(shí)際效率可達(dá)到6 0%～7 0%，比能量可達(dá)到4 0 0 W h/k g，是目前水下耐壓鋰離子蓄電池比能量的4～5 倍。能源基站采用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)作為儲(chǔ)能技術(shù)，可滿足基站高儲(chǔ)能、高隱蔽性、長工作時(shí)間要求。

4）核動(dòng)力

核動(dòng)力輸出功率大、不依賴空氣動(dòng)力、單次工作時(shí)間長，可提供近乎無限的能源供應(yīng)[14]。采用核動(dòng)力作為深海能源基站儲(chǔ)能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)能源基站在水下的長期隱蔽工作。但核動(dòng)力應(yīng)用面臨小型化、冷卻循環(huán)、安全性等挑戰(zhàn)。

綜上所述，燃料電池與核動(dòng)力是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳詈Ｄ茉椿緝?chǔ)能技術(shù)。

3 國內(nèi)外深海能源基站發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 燃料電池能源基站

1）美國美國自2004 年開始就大力支持用于UUV 水下充電的深海能源基站技術(shù)研究，2009～2014 年突破了金槍魚-12（Bluefin-12）無人潛航器水下充電技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，完成了實(shí)海試驗(yàn)，充電功率達(dá)到2 kW，充電時(shí)間達(dá)到4～6 h。2015 年設(shè)置了“前沿部署能源與通信基地”（FDECO）項(xiàng)目，如圖1 所示，旨在研制出可在水下3000 m 深度、工作時(shí)間超過20 年的深海能源基站。借助潛艇等潛器將其在海底不同深度、不同位置點(diǎn)隱蔽布放，構(gòu)建出覆蓋海底上萬米區(qū)域范圍的立體水下充電網(wǎng)絡(luò)[15-16]。美國海軍利用深海能源基站作為水下信息中轉(zhuǎn)和充電站，擴(kuò)大無人潛器工作范圍，解決其長時(shí)間工作攜帶電能耗盡、偵察信息存儲(chǔ)中轉(zhuǎn)困難的問題。

圖1 美軍前沿部署能源與通信基地（FDECO）示意圖Fig.1 Schematic of Us navy forward deployed energy and communications outposts

2016 年，Teledyne 公司開發(fā)出基于燃料電池的深海能源基站原理樣機(jī)（Subsea Supercharger）[17]。原理樣機(jī)采用模塊化集成設(shè)計(jì)（見圖2），單套模塊組成包括1 套3.5 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池、1 套30 Ah 的鎳氫電池、70 MPa 高壓氫氣罐和70 MPa 高壓氧氣罐。其中，燃料電池作為發(fā)電裝置，氫氣和氧氣分別作為燃料和氧化劑，鎳氫電池作為啟動(dòng)電源。單套模塊可發(fā)出電能100 kWh。理論上可將不同模塊組合式使用，提高基站總儲(chǔ)能。

圖2 Teledyne 燃料電池能源基站Fig.2 Fuel cell subsea supercharger of teledyne

2018 年8 月，Teledyne 公司開發(fā)的燃料電池能源基站參與了美海軍組織的“先進(jìn)海軍技術(shù)演習(xí)”測試，在7 m 深度水池內(nèi)與無人潛航器開展了“系泊狀態(tài)”下聯(lián)合調(diào)試（圖3）。此外，還完成了ROV 供電試驗(yàn)、以及RCS（基于ROV 的充電站）供電試驗(yàn)（見圖4）[18]。針對樣機(jī)選用的燃料電池，開展了1 000 h耐久性試驗(yàn)。壽命可超過10 000 h，技術(shù)成熟度突破4 級。2019 年3 月，Teledyne 公司聯(lián)合通用原子電磁公司開展了鋁水儲(chǔ)能制氫制氧技術(shù)集成至燃料電池能源基站，為能源基站提供氫氣和氧氣，在壓力筒條件下與潛航器開展了聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，鋁水制氫的能量輸出相對于高壓氫氣提高10 倍，大幅延長基站水下工作時(shí)間。

圖3 Teledyne 燃料電池能源基站與UUV 系泊測試Fig.3 Mooring test of teledyne fuel cell subsea supercharger and UUV

圖4 基于ROV 燃料電池能源基站Fig.4 ROV-based teledyne fuel cell subsea supercharger

此后，Teledyne 公司推出“S2C100”和“S2C600”系列商業(yè)化產(chǎn)品，工作深度覆蓋水下1000～4000 m，發(fā)電模塊最大儲(chǔ)能量200 kWh，最大輸出功率20 kW，組合式使用提供儲(chǔ)能高達(dá)30 MWh。在實(shí)際工程應(yīng)用中，Teledyne 公司為延長能源基站水下工作時(shí)間，對能源基站進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分為燃料電池發(fā)電模塊、氫氣模塊和氧氣模塊，布置在相互獨(dú)立箱裝體內(nèi)，即能源基站可由1 個(gè)燃料電池發(fā)電模塊和多個(gè)氫氣、氧氣模塊構(gòu)成。

2）德國

為滿足海底天文臺(tái)等單位開發(fā)的海底長期觀測系統(tǒng)、水下機(jī)器人在水下長周期工作的電能供給與數(shù)據(jù)交換需求，德國基爾海姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR）通過ARIM-FUEL（用于海底-海洋中上層監(jiān)測的自主機(jī)器人海底基礎(chǔ)設(shè)施）項(xiàng)目，聯(lián)合烏爾姆太陽能和氫能研究中心（ZSW）研制出一種基于燃料電池的海底能源基站系統(tǒng)（GEOMAR 能源系統(tǒng)）。該系統(tǒng)輸出功率范圍覆蓋150～1 000W，總儲(chǔ)能達(dá)到120 kWh。選用質(zhì)子交換膜燃料電池為發(fā)電裝置，氫源裝置配置11 個(gè)高壓氫氣瓶，氧源裝置配置5 個(gè)氧氣瓶，燃料電池由ZSW 研制和提供。此外，系統(tǒng)配置有1 個(gè)功率接口為4 kW 的充電電池，電能由燃料電池提供。經(jīng)測算，該系統(tǒng)成本僅為水下相同儲(chǔ)能能力蓄電池的1/15。

2021 年11 月，該基站由?？硕髻M(fèi)爾德的德國陸軍第71 國防技術(shù)服務(wù)部隊(duì)在波羅的海成功完成首次水下試驗(yàn)，試驗(yàn)深度為1200 m，測試運(yùn)行時(shí)間為48 h。2022 年3 月，系統(tǒng)搭載RV Alkor 號上進(jìn)行了海試，工作時(shí)間延長至72 h，測試項(xiàng)目主要集中在系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性和電源管理上。預(yù)計(jì)到2024 年，工作深度可達(dá)到3000 m，除水下監(jiān)測系統(tǒng)外，還可利用感應(yīng)式非接觸供能方式為UUV 等水下機(jī)器人進(jìn)行充電。

3）挪威

挪威BLUE LOGIC 公司針對水下機(jī)器人在海底充電需求，從2006 開始一直致力于海底對接充電站（Subsea Docking Station，SDS）的研發(fā)，聯(lián)合WiSub 公司在2019 年成功研制出世界上第1 座具有3 種類型輸出功率的開放式海底SDS。SDS 采用燃料電池、蓄電池、海上風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)或波浪能轉(zhuǎn)換器進(jìn)行組合式供電，如圖5 所示。

圖5 BLUE LOGIC 海底對接充電站Fig.5 Subsea docking station of BLUE LOGIC

SDS 具有50 W、250 W 和2 000W 三種類型充電接口，包含4 個(gè)感應(yīng)式電接口和1 個(gè)接觸式電連接接口，分別是2 個(gè)BLUE LOGIC 公司生產(chǎn)的50 W 感應(yīng)式感應(yīng)式電接口、2 個(gè)BLUE LOGIC 公司生產(chǎn)的2 000W感應(yīng)式電接口，以及1 個(gè)WiSub 公司生產(chǎn)的250 W 接觸式電連接接口，可滿足不用功率等級的UUV 的補(bǔ)給需求。

2019 年6 月，瑞典著名防務(wù)公司薩德集團(tuán)子公司Saap Seaeye 研制的“劍齒虎”（Seaeye Saber tooth）UUV 在瑞典韋特恩湖與BLUE LOGIC 生產(chǎn)的SDS 海底對接充電站成功進(jìn)行了世界上首次無人干預(yù)下的全自主對接，完成了水下充電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，驗(yàn)證了SDS 水下高效高可靠能源供給能力。

2018 年，挪威Innova 公司與美國Teledyne 合作開發(fā)了儲(chǔ)能3 MWh 的燃料電池能源基站，工作深度1 000 m，最大輸出功率8 kW，用于為海底1 000 m 深油田Innova 公司的液壓泵組提供電能。目前已完成能源基站與海底泵組的集成，成功在235 m深完成多次供電。下一階段，該能源基站將與UUV進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證可長期為UUV 提供電源能力。

4）中國

中國在2018 年中國科學(xué)院發(fā)布的戰(zhàn)略性先導(dǎo)計(jì)劃“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”項(xiàng)目中開展預(yù)研工作，提出了構(gòu)建發(fā)電、輸電、存電、用電全產(chǎn)業(yè)鏈的深海能源基站方案[19]，如圖6 所示。計(jì)劃使用海底可再生的洋流能、海水電池、金屬海水燃料電池、核能的組合式發(fā)電裝置，全固態(tài)鋰電池作為儲(chǔ)能裝置，非接觸式充電技術(shù)為深海裝備進(jìn)行能源補(bǔ)給。

圖6 多功能深海能源基站示意圖Fig.6 Schematic of the multi deep sea energy base station

2020 年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制的鎂/海水燃料電池系統(tǒng)在3 000 m 水深進(jìn)行了海試，為“鹿嶺號”深海多位點(diǎn)著陸器和“漫游者”潛水器充供電，系統(tǒng)在最大下潛深度3 252 m 下，累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到24.5 h，供電達(dá)到3.4 kWh。

3.2 核動(dòng)力能源基站

1）美國

美國3M 公司借助空間核動(dòng)力輔助計(jì)劃項(xiàng)目，針對水下大背壓使用環(huán)境，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種同位素核電池方案，代號“SNAP-21B”。該同位素核電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，可連續(xù)工作時(shí)間長達(dá)5 年。采用鈦合金作為壓力容器材料，工作深度可覆蓋至水下7 000 m。

2）俄羅斯

俄羅斯為長期掌握敵方潛艇、艦船等實(shí)時(shí)信息，制定北極開發(fā)計(jì)劃，在北極地區(qū)下1 000 m 深度的大陸架秘密布置了“和聲”（Harmony）水下聲吶探測網(wǎng)絡(luò)，旨在探測100 km 或以上范圍內(nèi)敵方潛艇運(yùn)行信息。為滿足Harmony 水下聲吶探測網(wǎng)絡(luò)長期電能需求，俄羅斯核能動(dòng)力主要研究機(jī)構(gòu)國家原子能公司（Rosatom）下屬的多列扎利動(dòng)力工程科研設(shè)計(jì)研究院（NIKIET）研制出“大陸架”（Shelf）核能發(fā)電站。

俄羅斯計(jì)劃通過具備大潛深特種作業(yè)能力的“別爾哥羅德”號特種潛艇攜載、運(yùn)輸Shelf 發(fā)電站，如圖7 所示，在北冰洋大陸架1 000 m 以下不同位置點(diǎn)對其進(jìn)行隱蔽式預(yù)置部署，構(gòu)建出水下充電網(wǎng)絡(luò)，為Harmony、UUV 或其他需要長時(shí)間工作、頻繁供電的海底設(shè)施提供所需電能[20]。

圖7 大陸架工作示意圖Fig.7 Work Schematic of Shelf

該核能發(fā)電站為直徑8 m、長度14 m、重335 t 的圓柱艙段壓力容器，可承受1 000 m 深度以下海水壓力。艙段內(nèi)部采用高度緊湊化設(shè)計(jì)，艙內(nèi)安裝有1 個(gè)集成式壓水反應(yīng)堆、1 個(gè)小型核渦輪發(fā)電機(jī)、熱液壓回路、電能傳輸分配裝置、蓄電裝置、操控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸系統(tǒng)等輔助裝置。NIKIET 局披露資料顯示，發(fā)電站熱功率輸出約為6.4 MW。發(fā)電站采用簡化熱循環(huán)回路的布置設(shè)計(jì)，可降低內(nèi)部流動(dòng)阻力，自然冷卻循環(huán)時(shí)可提供輸出功率約為28 kW，遠(yuǎn)超過Harmony 所需電能。全站可在海底實(shí)現(xiàn)無人連續(xù)自主運(yùn)行30 年，1 年僅需維護(hù)一次。目前核能發(fā)電站已通過技術(shù)驗(yàn)證，在俄“克雷洛夫”國家科學(xué)中心接受測試，測試完成將交給俄國防部使用。

與此同時(shí)，同屬Rosatom 的阿夫里坎托夫機(jī)械制造實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究院（OKBM）正在研制更大型的“Gidropress”水下核能發(fā)電站。反應(yīng)堆技術(shù)使用基于705 K ALFA 潛艇開發(fā)的鉛鉍冷卻快堆，輸出功率覆蓋10～50 MW，標(biāo)稱模塊功率為24 MW，在無人維護(hù)狀態(tài)下可連續(xù)運(yùn)行超過8000 h。

3）中國

國內(nèi)水下核動(dòng)力主要集中在核潛艇等領(lǐng)域，科技部在十四五“深海和極地關(guān)鍵技術(shù)與與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)2021 年年度項(xiàng)目中，將深海核能發(fā)電站技術(shù)作為前沿與顛覆性技術(shù)進(jìn)行布局，設(shè)置了“深海微型核能發(fā)電系統(tǒng)”項(xiàng)目，旨在研制工作水深大于2 000 m、發(fā)電功率大于20 kW 的模擬樣機(jī)，為深海核能發(fā)電站未來的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.3 國內(nèi)外差距

美俄等海洋強(qiáng)國已研制出可在水下應(yīng)用的燃料電池能源基站和核動(dòng)力能源基站，技術(shù)成熟度達(dá)到9 級，部分公司甚至已開發(fā)出可適用不同場景需求的商業(yè)化深海能源基站產(chǎn)品。

國內(nèi)在燃料電池深海能源基站研究方面起步較晚，停留在方案構(gòu)建與陸上實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)演示驗(yàn)證階段，缺乏實(shí)際海試數(shù)據(jù)積累，更無技術(shù)成熟可應(yīng)用產(chǎn)品。其原因在于國內(nèi)燃料電池在功率等級、壽命等方面與國外存在巨大差距，國外燃料電池目前基本已實(shí)現(xiàn)平均無故障時(shí)間2000 h、壽命10000 h，而國內(nèi)目前的水平為平均無故障時(shí)間200 h、壽命1000 h。

而在核動(dòng)力深海能源基站研究方面，國內(nèi)更處在開始布局預(yù)研階段，還未研制出實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)。

4 深海能源基站發(fā)展趨勢

4.1 高能量密度和高功率輸出

儲(chǔ)能量高低是限制深海能源基站工作時(shí)間長短的關(guān)鍵因素，充電數(shù)次后就要回收的能源基站無應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前，UUV 正朝著大排量、長續(xù)航力、多負(fù)載的方向發(fā)展，對UUV 動(dòng)力源的能量密度、推進(jìn)功率要求更高，使得能量補(bǔ)給需求呈數(shù)量級增長[21]。為匹配UUV 能夠在水下實(shí)現(xiàn)多次能量補(bǔ)給的需求，動(dòng)力能源將是深海能源基站發(fā)展面臨的瓶頸問題。未來深海能源基站從儲(chǔ)供能方面要求基站自身動(dòng)力具備高能量密度、高儲(chǔ)能量、高輸出功率等特點(diǎn)，從技術(shù)成熟度和可應(yīng)用快慢時(shí)間上來說，當(dāng)前可優(yōu)先發(fā)展發(fā)電效率高、能量密度大、可模塊化組合的燃料電池能源基站，同步開展超長甚至無限續(xù)航力的微型核動(dòng)力能源基站關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建出不同能量尺度的深海能源基站發(fā)展路線。

4.2 小型輕量模塊化

深海能源基站無自主航行能力，需借助水面船、飛機(jī)等交通工具布放在海底，在特殊海域甚至需要通過特種作業(yè)潛艇搭載，直接在水下部署。因此，對基站的體積、重量、結(jié)構(gòu)可搭載形式提出嚴(yán)格要求[22]。從部署便捷難易度來看，未來能源基站需朝小型化、輕量化、模塊化方向發(fā)展。另一方面，實(shí)現(xiàn)模塊化的能源基站可在水下利用電纜自由組合連接，以滿足不同任務(wù)的功率等級與儲(chǔ)能量要求。

4.3 長周期隱蔽免維護(hù)運(yùn)行

能源基站長期工作于海底復(fù)雜海洋環(huán)境中，面臨高壓、高濕、高鹽、海洋生物粘附等惡劣環(huán)境[23]，易發(fā)生海流沖擊、沉降、泥沙掩埋、海水腐蝕、海洋生物附著等極端情況，使得基站外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，基站出現(xiàn)破壞停止工作。目前，為保證基站能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行工作，需定期利用有人深海裝備潛入海底進(jìn)行維護(hù)，頻繁維護(hù)一定程度上增加了基站的暴露率。因此，為實(shí)現(xiàn)能源基站在海底的長周期隱蔽生存與工作，在選擇高能量密度的動(dòng)力技術(shù)增加基站儲(chǔ)供能能力同時(shí)，需對基站結(jié)構(gòu)材料選擇具有特殊要求。未來，采用高性能、耐腐蝕的新材料，可增強(qiáng)能源基站的生存周期，降低維護(hù)周期甚至實(shí)現(xiàn)全壽命周期免維護(hù)。

4.4 能量信息非接觸式高速同傳

能源基站是UUV 實(shí)現(xiàn)水下充電、信息中轉(zhuǎn)的中繼平臺(tái)。當(dāng)前，受制于水下無線充電方式電能傳輸速度緩慢、傳輸功率低和傳輸效率低，為降低UUV 多次任務(wù)間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速充電。UUV 與基站間仍多使用插拔式接口對接方式連接，該方式在海水環(huán)境下存在對接難度大、自動(dòng)化程度低、靈活性差、短路或漏電等安全隱患[24]。因此，有必要在未來發(fā)展大功率、長距離、高效率、能量信息同傳的非接觸式傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)UUV 等水下無人裝備與基站間安全、靈活的能源供給與信息快速交互。

5 結(jié) 語

深海能源基站是提升UUV 等水下無人裝備水下續(xù)航力、工作范圍的有效手段，同時(shí)也是各國海軍搶占深海戰(zhàn)略空間的必要海底基礎(chǔ)設(shè)施之一。國內(nèi)與美俄等海洋強(qiáng)國在深海能源基站領(lǐng)域的研究差距明顯，應(yīng)加快布局和研究步伐。針對UUV 水下多次隱蔽充電、水下監(jiān)聽網(wǎng)持續(xù)供電的應(yīng)用需求，燃料電池和核動(dòng)力是深海能源基站目前最具發(fā)展?jié)摿Φ? 種動(dòng)力儲(chǔ)能技術(shù)。在未來深海能源基站中，高能量密度和高功率輸出、小型輕量模塊化、長周期隱蔽免維護(hù)運(yùn)行和能量信息非接觸式高速同傳4 個(gè)發(fā)展方向值得重點(diǎn)關(guān)注。