簡介
水下滑翔機是一種新型的水下機器人,藉助改變自身浮力和重心在水下做滑翔運動,具有航行阻力小、能源利用率高、航行距離大、噪聲低、成本低、回收方便等優點,可在海洋監測與探測領域發揮重要作用。然而,由於單純使用浮力驅動方式,水下滑翔機在水下只能做鋸齒形和螺旋迴轉軌跡航行,其航跡控制和定位精度低,航速慢,在風浪較大的海面可能會出現隨波逐流的情況。特點
節約資源
由於其利用淨浮力和姿態角調整獲得推進力,能源消耗極小,只在調整淨浮力和姿態角時消耗少量能源,並且具有效率高、續航力大(可達上千公里)的特點。節約費用
雖然水下滑翔機的航行速度較慢,但其製造成本和維護費用低、可重複使用、並可大量投放等特點,滿足了長時間、大範圍海洋探索的需要。噪音極低
水下滑翔機滑翔時由於無動力推進噪音極低,這個重要的特點使得其在軍事上也有很大的套用價值。可以由潛艇遠程投放,以完成特定的目的,並且不易被發現。結構
以中科院2013年12月進行海試的水下滑翔機為例:從外形看,有點像小飛機,主幹的黃色軀體呈圓柱型,並安裝有水平機翼。軀體可分為三部分:銀色的感測器“長”在腰間,用來測量海水溫度、鹽度,感測器前端部位用來調節俯仰和橫滾角度,後端則安裝了浮力調節裝置。
頭部呈半圓形,尾部“長”著一根細長的天線,用於衛星通信、定位,外加一對用於垂直穩定的垂直翼。
功能
水下滑翔機主要功能包括海洋環境參數測量功能(可以根據測量需求,搭載各種海洋參數測量感測器)、自主滑翔運動控制功能、測量路徑規劃功能、測量數據存儲與遠距離傳輸功能等。
工作流程
在水池中實驗時,首先要向腔內灌水,通過排氣孔向腔外排水,灌水完畢,將排氣孔堵上,此時由於重力大於浮力,水下滑翔機開始向下滑行;當滑行到一定深度時,壓力感測器的電壓信號達到某一設定值,控制電路驅動水泵向外排水,腔內水被排盡後,重力小於浮力,水下滑行機改變俯仰角,開始向上滑行;
當滑行到某一深度時,壓力感測器的電壓信號達到某一設定值,控制電路驅動電磁閥,打開閥門,由於此時腔內的壓強為負壓,水被壓入腔內,回到初始狀態,再向下滑行。這樣,水下滑翔機就實現了沿縱剖面滑翔的功能。
通過遙控器發出迴轉指令,控電路就會啟動步進電機,使作為側向調節質量塊的電池組產生偏轉,水下滑翔機就會以一定攻角產生迴轉運動。
用途
水下滑翔機在海洋監測領域具有廣泛的套用前景,主要包括:
水下網路
作為水下感測網路的一個行動網路節點,成為水下感測網的重要組成部分。該機器人與海洋科學的發展息息相關。現在一般科考船上載有用於溫鹽深儀觀測的CTD,但因為身兼多項任務,一般站點設定不能太密,中間得間隔幾十海里。水下滑翔機提供了一個理想的、有效的海洋環境觀測平台,它將浮標、潛標與水下機器人技術相結合,依靠自身浮力驅動,其作業範圍可以達到數百至數千公里、連續作業時間可達數月。
海洋監測
套用于海洋環境立體監測系統中,提供詳細的海洋環境信息,有助於提高海洋環境的監測能力。
因為移動可控、續航力強、實時性好等特點,水下滑翔機逐漸成為一種通用的海洋環境觀測裝備,並已在歐美等已開發國家的眾多海洋觀測計畫中得到廣泛套用,初步顯現了其優越的高時空解析度海洋環境參數觀測能力,將在海洋環境立體觀測中發揮不可替代的作用。
總之,水下滑翔機作為一種通用的新型水下測量平台,既可以單獨使用,也可以組成網路使用,可以滿足不同用戶不同的作業需求,因此具有極好的套用前景。
發展狀況
國外發展
關於水下滑翔機,國外早在20世紀九十年代初就展開了這方面的研究工作,尤其是在美國,至21世紀初它們已經研製出了四種型號的水下滑翔機,分別是:SIO(Scripps Institution ofOceanography)研製的Spray glider、華盛頓大學研製的Sea Glider以及Webb Research Corp研製的Slocum Electric Glider和Slocum Thermal Glider。1、Spray Glider被設計用於深海域,最大下潛深度1500米。它採用細長的低阻力的流線型外殼,它把天線內置於飛翼中,以進一步減小阻力。
2、水下滑翔機Sea Glider的設計目標是能在能廣闊的海洋中航行數千公里,持續時間可達6個月,最大下潛深度為1000米。Sea Glider的俯仰角度範圍可以由10度到75度,它的 GPS星天線裝在尾部一根1米多長的桿子上,在浮出水面時,不需要輔助的浮力裝置,天線就能高出水面,成功地獲得GPS定位和通訊。
3、Slocum型水下滑翔機分為電能驅動型(battery)和溫差能驅動型(thermal)兩類,這兩類水下滑翔機在外型設計、姿態控制、導航通訊等方面相同,只是在滑翔機的驅動能源上存在差別。前者運用的是一個注射器形的囊泵結構,工作在200米深度,後者工作在1500米深度。
電能驅動型Slocum長1.8米,它以大約0.5m/s的速度工作在200米深的海域。傾斜度通過移動電池包來控制,電池包同樣設定在殼體的前段。Slocum有固定的翼,後掠式,以避免海草等的纏繞,展長1米,翼段為平板式。它還有一個垂直的尾舵。尾部裝有GPS和通信天線。
日本和法國也都相繼研製出了名為ALBAC和STERNE的水下滑翔機,可見水下滑翔機的發展在國外是非常迅速的。
國內發展
在國內,關於水下滑翔機研究的起步較晚,共有三家科研單位對此進行研究,分別為中國科學院瀋陽自動化研究所、天津大學機器人與汽車技術研究所和浙江大學。中國科學院瀋陽自動化研究所自2003年開始就開展水下滑翔機相關研究工作,2008年研製成功水下滑翔機實用樣機,並先後完成了3次湖上試驗和4次海上試驗,對水下滑翔機系統的基本功能和性能進行了試驗和測試。
2011年7月,水下滑翔機搭乘“科學一號”考察船,參加了國家基金委西太平洋共享航次,在深海環境下對水下滑翔機系統的大深度觀測作業功能進行試驗。水下滑翔機在西太平洋超過4000米的水深處連續多次下潛,最大下潛深度接近1000米,各項指標正常,滑翔機在實驗後被成功回收。這次試驗成功標誌著中國水下滑翔機系統技術基本成熟。
2014年9月5日至10月15日,由中國自主研發的水下滑翔機在南海進行了為期40天的海上試驗。此次中國製造的水下滑翔機在長航程試驗中,無故障工作30天,完成229個1000米深海剖面觀測,水平航行距離達到1022.5公里,創下兩項新的紀錄。
未來中國軍工企業可能大批量製造增大版“海燕”,這種水下機器人能搭載大型感測器,能探測到距離更遠的蛙人、水雷和潛艇,中國在南海的反潛能力有望實現躍升。此外,它們甚至可能攜帶武器,執行水下護衛或攻擊任務。
2015年初,中方指責越南向中越對峙海域派出“蛙人”,他們大量布放漁網、漂浮物等障礙物,干擾中國船隻。未來武裝版“海燕”的出現將使得越南“蛙人”的干擾戰術徹底失效--中國水下戰鬥機器人將如同鯊魚般在鑽井平台四周巡邏,一旦察覺越南“蛙人”靠近,它們將自動展開攻擊。
2017年3月,由中科院瀋陽自動化研究所自主研發的“海翼”號深海滑翔機,在馬里亞納海溝挑戰者深淵上完成了大深度下潛觀測任務並安全回收,其最大下潛深度達到了6329米,刷新了水下滑翔機最大下潛深度6000米的世界紀錄。據介紹,本航次“海翼”號水下滑翔機一共進行了12次下潛工作,累計工作時間達到了87小時48分鐘,累計航行達到134.6公里。收集了大量高解析度的深淵海域水體信息,為海洋科學家研究此片海域的水文特性提供了重要的資料。
2018年11月下旬“海燕-L”長航程水下滑翔機(編號CHC03)在南海北部安全回收,順利完成項目中期海上試驗考核,無故障運行141天,最大工作深度1010米,連續剖面數達734個,續航里程3619.6公里,再次刷新此前由其保持的國產水下滑翔機連續工作時間最長和續航里程最遠等紀錄。今年上半年,“海燕-L”長航程水下滑翔機(編號CHC01)連續運行119天,完成剖面862個,航行里程2272.4公里,創造了當時國產水下滑翔機連續工作時間最長、測量剖面最多、續航里程最遠等國家紀錄。
此外,2018年“海燕-X”萬米級水下滑翔機也在馬里亞納海溝附近海域通過測試並安全回收,最大下潛深度至8213米,創造了水下滑翔機下潛深度的世界紀錄。