屈新雨，王征

水下滑翔機研究應用現(xiàn)狀及未來展望

屈新雨，王征

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

水下滑翔機是一種新型無人水下平臺，可對目標海域進行連續(xù)、大范圍的剖面觀測與探測。文中簡述了國內外水下滑翔機的研究應用現(xiàn)狀,介紹了水下滑翔機集群觀測應用的最新進展。最后，從水下滑翔機驅動能源、集成化傳感器、耐壓殼體、水下通信、集群控制及組網技術和部署方式六個方面，對水下滑翔機關鍵技術未來發(fā)展進行了展望。

水下滑翔機 單體技術 協(xié)同組網 關鍵技術

0 引言

世界海洋觀測技術經歷了科考船觀測、衛(wèi)星觀測、浮潛標觀測三代發(fā)展歷程，但是觀測效果還無法滿足研究人員對海洋更深層次研究和認知的要求。隨著自動控制技術的發(fā)展，海洋觀測逐漸進入了機器人化的觀測時代，水下滑翔機（Underwater Glider）也應運而生。水下滑翔機UG作為一種新興的移動式水下觀測平臺，它以其低廉的成本、可重復利用、長久的續(xù)航能力、超長的作業(yè)周期以及廣泛的作業(yè)范圍等優(yōu)點,現(xiàn)已成為海洋環(huán)境觀測與探測平臺的重要組成部分。此外，水下滑翔機UG在軍事方面也有十分遠大的發(fā)展前景。

1 水下滑翔機運動機理

對于無推進裝置的水下滑翔機，主要是通過其凈浮力變化作為驅動力。通過改變水下滑翔機重心與浮心的相對位置，實現(xiàn)水下滑翔機俯仰角的變化，進而實現(xiàn)水下鋸齒型滑行運動。它的運動機理示意圖如圖1所示。實現(xiàn)凈浮力變化一般有兩種方式：第一種是改變自身排水體積，重量維持不變。運用該方式的水下滑翔機一般采用調節(jié)機體內油囊（氣囊）或者活塞體積的方式實現(xiàn)。第二種是改變自身重量，排水體積維持不變。運用該方式的水下滑翔機一般采用壓載水艙的方式實現(xiàn)。但此種方式受限于水下滑翔機平臺體積以及海水泵等關鍵部件，所以一般在大型水下潛器中更為常見，比如潛艇、載人潛水器等。

水下滑翔機的轉向運動可以通過三種方式實現(xiàn)：一種是通過轉向舵實現(xiàn)水下滑翔機的轉向。第二種是通過控制質量塊的移動或非對稱電源模塊旋轉產生橫滾力矩，使水下滑翔機產生橫滾，在水下滑翔機沉浮運動的同時，借助水平翼的水動力作用，從而完成轉向運動。第三種是通過改變水下滑翔機兩翼的襟翼舵擺角產生相對于浮心的搖艏力矩從而完成轉向[1]。

圖1 水下滑翔機運動機理示意圖

2 水下滑翔機國內外研究現(xiàn)狀

水下滑翔機的概念可以追溯到20世紀60年代。1967年，Gongwer首次提出利用重力和浮力的變化作為水下裝置推動力的想法[2]。Baz等人于1974年首次提出水下滑翔機的概念[3]。1989年，Stommel首次提出利用水下滑翔機進行海洋觀測的想法[4]。至此，水下滑翔機開始高速發(fā)展，并衍生出多種門類。

2.1 水下滑翔機國外研究現(xiàn)狀

國外在20世紀90年代就開展了水下滑翔機的研究工作，其中美國始終走在水下滑翔機研究工作的前列。1989年，美國伍茲霍爾海洋研究所在美國海軍研究辦公室的支持下研制出水下滑翔機樣機SLOCUM[5]。1999年，美國華盛頓大學應用物理實驗室研制出Seaglider水下滑翔機，其采用的新型材料可以有效節(jié)省能源[6]。同年，水下滑翔機Spary由美國斯克利普斯海洋研究所和伍茲霍爾海洋研究所共同研制成功[7]。2003年，美國斯克利普斯研究所和美國華盛頓大學合作，研制出一款名為X-Ray的超大翼型水下滑翔機，其重量約900 kg，翼展達到6 m，最高滑翔速度達到3 kn，為美國海軍近海水下持續(xù)監(jiān)視網絡服務[8]。2010年，對水下滑翔機X-Ray進行優(yōu)化后，新一代翼型水下滑翔機Z-Ray的穩(wěn)定性和操控性得到顯著提升。

此外，許多國家也在相繼加大對水下滑翔機的研發(fā)投入。2009年，法國ACSA公司研發(fā)出代號為SeaExplorer的水下滑翔機[9]。同年，法國國立海軍工程大學研發(fā)了水下滑翔機Sterne。2009年，北約水下研究中心開始研發(fā)水下滑翔機Folaga。另外，日本也很早就進行了水下滑翔機的相關研究，1992年，日本東京大學工業(yè)科學研究所設計研發(fā)出下潛深度可達300米的水下滑翔機樣機ALBAC[10]。

2.2 水下滑翔機國內研究現(xiàn)狀

新世紀初期，我國開始對水下滑翔機相關理論和技術進行研究。天津大學王樹新等人于2005年研發(fā)出水下滑翔機實驗樣機，并于2005年7月在千島湖水域進行了實驗，該樣機在完成25次剖面運動后回收[11]。同年，中國科學學院沈陽自動化研究所俞建成等人也研制出水下滑翔機，并完成湖上實驗[12]。2007年，天津大學研制出代號為“海燕”的混合推進水下滑翔機試驗樣機，并于撫仙湖順利完成湖上實驗。2008年10月，中國科學學院沈陽自動化研究所成功研制出代號為“海翼”的水下滑翔機工程樣機并于千島湖順利完成湖上實驗。2009年，天津大學對實驗樣機“海燕”進行重新設計修改，第二代混合推進水下滑翔機“海燕”得以問世，其最大下潛深度可達500米。2014年5月，“海燕”水下滑翔機在南海進行海上實驗，最大下潛深度超過1500米。2017年3月，由中國科學院沈陽自動化研究所研制的“海翼-7 000”水下滑翔機在海試中下潛深度達到6 329米?！昂Ｑ?X”水下滑翔機于2018年4月成功下潛至8213米[13]。2020年7月，“海燕-Xplus”水下滑翔機在海上試驗中，最大下潛深度達到破世界紀錄的10619米。“海燕-Xplus”水下滑翔機海上試驗見圖2。“海燕-L”水下滑翔機最遠航程超過5 000km。

圖2 “海燕-Xplus”水下滑翔機

此外還有國家海洋技術中心、中國船舶集團有限公司第702研究所、第710研究所、中國海洋大學、華中科技大學、浙江大學、上海交通大學等單位也對水下滑翔機進行了研究[14]?，F(xiàn)將國外成熟水下滑翔機主要參數(shù)與國內水下滑翔機主要參數(shù)做對比，如表1所示。

表1 國內外水下滑翔機主要性能參數(shù)

3 水下滑翔機國內外應用現(xiàn)狀

3.1 水下滑翔機單體應用現(xiàn)狀

2008年，Castelao等人利用水下滑翔機對大西洋陸架海區(qū)水文特征的季節(jié)變化進行觀測，得出該海域混合層厚度在離岸方向增加的結論[15]。2009年，Ruiz等人的研究利用水下滑翔機觀測地中海的垂直結構并調查該海域的上層混合層，為深入了解地中海鹽度分布和大西洋海水輸入機制提供了重要參考。他們的研究結果表明海岸附近較低的鹽度可能與大西洋海水的輸入有關[16]。2011年，通過水下滑翔機的剖面數(shù)據，Todd在美國加州近海發(fā)現(xiàn)加利福尼亞流體的向極流支存在明顯的斷層，表明它們之間存在不連續(xù)性[17]。2012年，Ruiz等人利用水下滑翔機獲得的數(shù)據對西地中海海氣相互作用進行了描述[18]。2014年，Swart等人運用水下滑翔機在亞南極地區(qū)收集共計6個月的數(shù)據，通過數(shù)據研究發(fā)現(xiàn)強迫機制能夠影響浮游植物的循環(huán)生產[19]。同年，我國研究人員利用“海翼”號水下滑翔機對南海混合層兩個冷卻事件進行研究，通過分析數(shù)據揭示了南海混合層的動態(tài)演變過程[20]。為了得到美國加利福尼亞近岸海域的潮汐變化情況及其分布特征，2006年至2012年期間，Rudnick通過7年的研究，利用水下滑翔機收集了超過52000個不同的剖面數(shù)據[21]。2017年，中國大洋第45航次獲得了中東太平洋10°N斷面等海域內水文、生物等調查數(shù)據，張磊等人對該海域10°N斷面的水團構成進行了研究，揭示了熱帶中東太平洋水團與北太平洋副熱帶、亞極地和南太平洋副熱帶海區(qū)中上層水團間的循環(huán)過程[22]。2019年，楊得厚等人利用搭載CTD傳感器的“海翼”號水下滑翔機在西北太平洋所獲得的數(shù)據對中尺度渦旋進行了研究，結果表明渦旋的卷挾作用可以降低海洋混合層的溫度[23]。

3.2 水下滑翔機集群應用現(xiàn)狀

水下滑翔機集群觀測能夠更加充分發(fā)揮水下滑翔機低成本、長續(xù)航、可重復利用、作業(yè)周期長及作業(yè)范圍大的優(yōu)勢。目前國際上許多海洋觀測系統(tǒng)已經大規(guī)模使用水下滑翔機進行數(shù)據收集和相關實驗。

3.2.1 自主海洋采樣網

自主海洋采樣網是由美國海軍研究院自上世紀末開始資助的一個大型項目，其目的在于利用新型水下機器人來提高觀測海洋的能力。AOSN于2000年至2006年在美國蒙特利海灣進行了一系列海洋觀測實驗。實驗使用了最新的水下滑翔機技術，通過搭載各種傳感器和設備，對海洋環(huán)境進行全面深入的觀測和研究。在2006年的實驗中，該項目研發(fā)了一種名叫“自適應采樣”的新技術，該技術可以實時改變水下滑翔機的路徑，從而達到更好的觀測效果。另外，該項目還研究了水下滑翔機機群編隊策略，用于提高觀測效率。

3.2.2 綜合海洋觀測系統(tǒng)

綜合海洋觀測系統(tǒng)IOOS于2002年開始組建，是由美國海洋大氣署主持的跨系統(tǒng)聯(lián)邦計劃。有害藻類勃發(fā)的預警、整合生態(tài)系統(tǒng)評價、海岸帶淹沒預測、表層海流監(jiān)測這四大方面是其主要目標。IOOS于2014年1月正式發(fā)布《U.S.IOOS?National Underwater Glider Network Plan》，旨在建立一個擁有更多數(shù)量、更多編隊的水下滑翔機網絡。

3.2.3 歐洲滑翔機觀測網

歐洲滑翔機觀測網EGO最初是由來自法國、德國、意大利、挪威、西班牙和英國的一群物理海洋學家自發(fā)組織而成的。但隨著該組織影響力的擴大，并不斷吸收來自澳大利亞、加拿大、美國等國的物理海洋學家，逐漸形成了如今的規(guī)模。EGO原指“European Gliding Observatories”，但現(xiàn)在演變?yōu)椤癊veryone’s Gliding Observatories”[24]。從2005年至今，EGO陸續(xù)布放了超過600臺次水下滑翔機用于各項任務。這些水下滑翔機被應用于大西洋海域海洋剖面數(shù)據信息的實時采集，包括海洋溫度、鹽度、流速、海洋生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和生物多樣性調查等。

3.2.4 澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)

澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)IMOS組建于2006年，將長期海洋變化、多變及極端氣候、邊界流、大陸架及近岸過程、生態(tài)系統(tǒng)響應等5大領域作為主要研究對象。IMOS系統(tǒng)的子觀測網（Australian National Facility for Ocean Gliders， ANFOG）負責水下滑翔機編隊的運行和維護，用來對澳大利亞周邊海域進行觀測。迄今為止，它已經累計布放300余臺次水下滑翔機用于對大陸架海域的物理、化學、生物現(xiàn)象的高分辨率觀測和預報。

3.2.5 美國海軍近海水下持續(xù)檢測網絡

水下軍事目標的探測與打擊一直以來是世界各國軍事領域的研究重點。為此，美國海軍積極建設水下信息網絡，提高海軍反潛作戰(zhàn)能力。美國近海水下持續(xù)檢測網絡PLUSNet是一種由海底固定設施與水下航行器共同組建的大型水下檢測網絡[25]。水下滑翔機憑借其獨特優(yōu)勢，在美國近海水下持續(xù)檢測網絡PLUSNet中扮演不可或缺的角色，為美軍近海防御體系提供平臺支持。

3.2.6 國內水下滑翔機集群研究進展

2014年9月，3臺由天津大學研發(fā)的水下滑翔機在我國西沙海域進行了組網相關實驗，標志著國內水下滑翔機組網研究的開始。2017年7月，中科院沈陽自動化研究所在南海北部布放了12臺“海翼”號水下滑翔機進行組網，開展對反氣旋渦的三維結構和時間演變過程的觀測，共獲得超3700多個不同深度剖面數(shù)據[26]。2017年8月，7臺專門用于觀測臺風的“海燕”水下滑翔機進行組網，對“天鴿”和“帕卡”兩大臺風進行了觀測，實驗成功地獲得了臺風現(xiàn)場全過程數(shù)百個剖面數(shù)據，為深入了解臺風形成和發(fā)展的規(guī)律提供了重要依據。2019年10月，我國第10次北極考察期間成功實施了水下滑翔機首次北極海域組網觀測。實驗使用3臺“海燕”水下滑翔機，通過組網觀測的方式對北極海域水體與生化要素進行了觀測，為深入了解北極海域的海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)提供了重要數(shù)據支持[27]。2019年12月，中國科學家在東印度洋海域開展水下滑翔機集群協(xié)同觀測實驗。這項實驗由“向陽紅06”號科考船主導，共布放了12臺“海翼”水下滑翔機。

4 水下滑翔機未來發(fā)展展望

當前水下滑翔機正如火如荼蓬勃發(fā)展，各類研究已經從單體轉向集群。但是水下滑翔機部分關鍵技術仍需突破，下面對水下滑翔機部分關鍵技術做出分析，并提出幾點建議。

4.1 驅動能源

目前常規(guī)水下滑翔機通常采用鋰電池作為驅動能源，鋰電池相比其他電池具有工作電壓高、比能量高、自放電小、使用壽命長等優(yōu)點。隨著對水下滑翔機擁有更長續(xù)航和攜帶更多傳感器及附屬數(shù)據處理分析的需求，受限于水下滑翔機內部空間，傳統(tǒng)鋰電池逐漸無法滿足這一要求。當前鋰硫電池、鎂/鋁海水燃料電池作為最新的研究方向，其能量密度可達鋰電池的十倍以上，有望在未來替代傳統(tǒng)鋰電池成為新的水下滑翔機驅動能源，實現(xiàn)水下滑翔機續(xù)航力、自持力的顯著提升。

4.2 集成化傳感器

大量水下滑翔機的實際應用已經證明，水下滑翔機是一種低成本、可重復利用的理想水下平臺。水下滑翔機功能主要體現(xiàn)在其搭載的傳感器上，但由于平臺體積、重量和能耗的限制，不能無限制的在水下滑翔機上搭載多種傳感器從而提升其應用價值。研究集成化傳感器，對傳感器的體積、重量和能耗進行優(yōu)化再設計，結合傳感器對水下滑翔機外形及內部結構進行優(yōu)化可以實現(xiàn)水下滑翔機功能的有效集成。

4.3 耐壓殼體

水下滑翔機向深海型發(fā)展具有重要意義，而耐壓殼體材料的研究是其中的關鍵技術。常見耐壓殼體材料主要分為金屬類與非金屬類。金屬類一般包括鋁合金、鈦合金等，非金屬類一般包括各類樹脂復合材料。目前世界主流水下滑翔機耐壓殼體均選擇鋁合金為主材料。隨著工藝的提升以及價格的降低，諸如鈦合金、碳纖維等材料會憑借更高強度，更輕重量、更低磁性和更耐腐蝕等特點逐步替代目前常用的鋁合金材料，實現(xiàn)水下滑翔機向更深海域探索的目標。

4.4 水下通信

目前常見的通信方式是水聲通信，聲波在水中衰減小，傳播速度可達到千米每秒。但是水聲通信也有很大缺陷，例如多路徑效應、多普勒效應以及受環(huán)境噪聲影響較大等。未來，激光通信和磁通信有望作為新型水下通信方式。

4.5 集群控制及組網技術

加強水下滑翔機大規(guī)模集群觀測與探測能力，通過水下組網，可以極大提升水下滑翔機的觀測范圍，彌補了單臺水下滑翔機探測范圍、精度的不足。未來，水下滑翔機可以加強與衛(wèi)星、無人船、海上觀測平臺、智能浮標、海床基等異構節(jié)點的組網能力，形成立體式觀測網，建立持久、廣域的水下預警探測體系。

4.6 部署方式

水下滑翔機體積小、重量輕，目前水下滑翔機一般采用母船吊放的部署方式。為提高水下滑翔機群部署效率，可以采用水下部署或空中投放的方式。水下部署方式是指水下滑翔機采用魚雷發(fā)射的方式，以高壓氣體作為驅動力，由大型水下平臺，如潛艇等進行部署?？罩型斗攀侵附梃b投放式聲納的部署方式，利用直升機或者運輸反潛機將水下滑翔機群按預定隊形順序直接進行空中投放。

5 結語

水下滑翔機作為一種新型水下平臺，具有低成本、長續(xù)航、可重復利用等優(yōu)點。在民用領域，水下滑翔機被廣泛運用于海洋科學研究、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源勘探等領域。在軍事領域，水下滑翔機的應用也越來越廣泛。因其具有隱蔽性強、持續(xù)性長等優(yōu)勢，能夠在反潛偵察、水下情報收集、水下通信等方面發(fā)揮重要作用。尤其是水下滑翔機群，能夠協(xié)同作戰(zhàn)，在更大范圍內完成海洋偵察和監(jiān)測任務，提高軍事作戰(zhàn)效率和水面作戰(zhàn)安全性。在未來，水下滑翔機也將繼續(xù)發(fā)展壯大，占據更加重要的地位。

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Research and application status of underwater glider and future prospects

Qu Xinyu, Wang Zheng

(Schoolof Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U674.941

A

1003-4862（2023）11-0027-06

2023-05-17

屈新雨（1996-），男，碩士研究生，研究方向：集群控制。E-mail：602256804@qq.com

王征（1978-），男，副教授，研究方向：智能控制技術、水下無人系統(tǒng)。E-mail：marchy618@163.com。