無人航行器動力及其推進系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望

張 彥， 王恒濤， 楊 瑞， 袁成清

(1. 武漢理工大學 a. 能源與動力工程學院； b. 國家水運安全工程技術研究中心， 武漢 430063;2. 交通運輸部水運科學研究院， 北京 100088)

當前海洋已逐漸成為世界各國搶先開發(fā)的資源要地，無人航行器(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)作為海洋開發(fā)過程中用到的重要工具，得到了各海洋強國的高度重視，在水域數(shù)據(jù)采集、海洋工程實施、海圖繪制和軍事等領域得到廣泛應用。[1]

UAV是航行于水面和水下的小型航行體，其功能多樣且應用范圍極其廣泛，可根據(jù)運行狀態(tài)和控制模式對其作進一步區(qū)分。 根據(jù)運行狀態(tài)可分為水面航行器(Unmanned Surface Vehicle, USV)和水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)。 根據(jù)控制模式可分為遙控式航行器 (Remotely Operated Vehicle, ROV)和自主式航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)[2]，其中部分UAV應用到了遠程遙控和自主航行雙模式控制中，提高航行的安全性。

隨著海洋經(jīng)濟的不斷發(fā)展，UAV的應用領域越來越廣，但應用環(huán)境越來越復雜，保證其安全可靠、穩(wěn)定運行和長航時特性顯得十分關鍵，一直是國內(nèi)外對UAV的研究熱點。動力及其推進系統(tǒng)是UAV運行的核心機構之一，影響著其功能性的具體實現(xiàn)，同時需滿足針對性強、低噪聲和高續(xù)航力等要求[3]，因此需要合理地構建。本文對UAV動力及其推進系統(tǒng)各部件的研究現(xiàn)狀進行描述，并圍繞動力及其推進系統(tǒng)構建的流程，對各部件在具體選型、匹配等方面的關鍵內(nèi)容和存在的問題進行分析，以期為UAV動力及其推進系統(tǒng)的應用提供參考依據(jù)。

1 動力及其推進系統(tǒng)的構成

為滿足UAV的運行要求，動力及其推進系統(tǒng)通常由動力源、傳動機構、推進器等3部分組成。動力源作為能量供給端，經(jīng)傳動機構將力傳遞到推進器，由推進器推進航行器航行。近年來，國內(nèi)外相關學者對動力及其推進系統(tǒng)的各部件，特別是動力源與推進器開展了一系列理論研究與應用驗證。

1.1 動力源

動力源的合理選擇直接決定續(xù)航力。當前各國研制的航行器主要采用包括熱機、蓄電池和燃料電池等在內(nèi)的內(nèi)置能源與包括太陽能、風能和波浪能在內(nèi)的環(huán)境能源2類。

1.2 傳動機構

傳動機構是動力源與推進器的連接機構。螺旋槳推進的傳動軸系種類多樣，主要有直接傳動、間接傳動和Z型傳動等，但一般包括聯(lián)軸器、推力軸承、離合器和支承軸承等機構。UAV一般采用Z型傳動，其機構技術成熟，操縱性好，但質(zhì)量和尺寸較大，極大地增加了航行器的負荷。不斷發(fā)展的無軸輪緣推進器采用螺旋槳-電機一體化的設計，省去了傳動機構。

1.3 推進器

推進器決定UAV的推進效率和適用范圍。目前，常用的推進器主要有螺旋槳、噴水推進器、無軸輪緣推進器和逐漸成為研究熱點的仿生推進器等。除此以外，若使用的是純風帆直接推進，或波浪滑翔機，則動力源與推進器往往被認為是一體的。

2 動力源

2.1 內(nèi)置能源

內(nèi)置能源主要指熱機、蓄電池和燃料電池等可攜帶能源，具有效率高、成本較低和技術成熟等優(yōu)勢，是現(xiàn)有UAV的主要動力能源。[4]但是采用內(nèi)置能源會極大地限制航行器的續(xù)航能力，同時其自重會對航行器的艙室布置和運行姿態(tài)等造成一定的影響。內(nèi)置能源應用實例見圖1。

2.1.1熱機

目前，UAV采用的熱機主要為柴油機，例如以色列研發(fā)的“Silver Marlin”型USV(如圖1a所示)采用柴油機作為動力源，主要執(zhí)行海岸目標識別和近海識別等任務。[5]以柴油機為代表的熱機動力源具有可靠性高、熱效率高和成本較低等優(yōu)點，但柴油機工作時噪聲較大，靜默效果不好，且在航行過程中自身會產(chǎn)生污染物，會對水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境保護和軍事偵察等用途的航行器造成一定的影響，主要在對動力功率需求較大的航行器上使用。近幾年無氣體產(chǎn)生燃料的外熱源熱機在UAV上逐步被使用，其在續(xù)航力和航速上都優(yōu)于其他類型的動力裝置，且使用無氣體產(chǎn)生燃料，能從根本上解決水下氣體排放問題，提高航行的隱蔽性，具有良好的軍事應用前景?？勺鳛橥鉄嵩礋釞C無氣體產(chǎn)生燃料的化學物質(zhì)有很多，包括Mg和Li等金屬、Si等非金屬單質(zhì)或化合物。[6]

a) Silver Marlin

2.1.2蓄電池

目前，常見的蓄電池主要有以鉛酸電池為代表的傳統(tǒng)型電池和以鋰離子電池為代表的新材料電池。綜合對比二者的性能可知，鋰電池的體積約為鉛酸電池的2/3，其質(zhì)量約為鉛酸電池的1/3。[7]由于UAV通常在體積和質(zhì)量方面有較為嚴格的限定，因此航行器常以鋰離子電池為動力源。美國[8]研制的“REMUS 100”型AUV動力源就為鋰離子電池組(如圖1b所示)主要用于近海作戰(zhàn)和信息采集等。相較于熱機，采用蓄電池作為動力源的UAV具有靜默效果好和噪聲低等優(yōu)勢，因此是主流動力源。

2.1.3燃料電池

燃料電池具有清潔高效、能量密度高、轉換效率高、噪聲低和可長時間工作等特點，對于執(zhí)行特殊工作的USV或執(zhí)行長距離水下潛航偵察任務的UUV來說都是理想的能量來源方式，其已成為航行器動力源的研究熱點。[9]例如，日本“Urashima”型AUV搭載一個完全封閉循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)，使該型AUV能以3 kn的速度續(xù)航300 km。[10]中國科學院沈陽自動化研究所為無人水下機器人研發(fā)一種質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)，其包括氫氣和氧氣循環(huán)系統(tǒng)、氣水分離系統(tǒng)、排熱循環(huán)系統(tǒng)和檢測與控制系統(tǒng)等。[11]以燃料電池為動力源的UAV在續(xù)航能力上具有一定的優(yōu)勢，但機構復雜，對技術條件的要求較高。

2.2 環(huán)境能源

由于UAV攜帶能源有限，續(xù)航力成為主要限制因素。近年來，利用環(huán)境能源成為提高船舶航行器續(xù)航力的主要措施，在UAV上可利用的環(huán)境能源主要有太陽能、風能和波浪能。

2.2.1太陽能

在海洋環(huán)境中，太陽能主要集中分布于水面以上區(qū)域和淺水區(qū)域，由于海洋表面空曠且沒有覆蓋物的遮擋，因此接收光照的條件較好，在安裝有各種用電設備的UAV上，通過鋪設太陽能電池板進行光伏發(fā)電具有廣闊的應用前景。太陽能航行器見圖2。

a) Charlie號

太陽能在USV上應用較多，例如意大利CNR-ISSIA研發(fā)機構研發(fā)的“Charlie”號USV利用光伏發(fā)電驅動(如圖2a所示)主要在南極洲對海洋微表層進行取樣和收集大氣海洋界面數(shù)據(jù)[12]；日本Eco Marine Power公司在2011年研制三體結構的USV“Aquarius”號，該航行器的每個船體間用橫跨的太陽能電池板作為甲板進行連接，廣闊的甲板面積可為其提供更多的能源供應。[13-14]

在水面下弱光的環(huán)境中，太陽能的轉化利用效率低下，為解決太陽能難以在水下收集的問題，利用太陽能的UUV普遍采用“水面充電、水下航行”的模式，即航行器浮至水面待航，并利用太陽能進行充電，待電量充滿之后再下潛水中進行航行工作。[15]美國海軍研究局研制太陽能UUV樣機SAUA號(如圖2b所示)，該航行器質(zhì)量為90 kg，長1.7 m，寬0.7 m，表面搭載2個功率為30 W的太陽能電池板，并采用鎘鎳電池儲存電能。[16]

雖然采用太陽能作為動力源具有長航時和無污染等優(yōu)點，可應用于執(zhí)行遠航任務的航行器上，但發(fā)電功率受環(huán)境因素的影響較大，且對航行器甲板面積有一定的要求。

2.2.2風能

目前，風能在UAV上的利用可分為直接利用風帆推進和先利用電機進行風力發(fā)電再推進2類。其中：直接利用風幀推進的航行器簡單、高效，通過在航行器上加載可變換角度的風帆將風力轉化為航行器的航行動力；利用風力發(fā)電推進的航行器先通過風葉和風力發(fā)電機組將風能轉化為機械能再將其轉為電能進行電力推進。[17-18]

目前常用的是風帆直接驅動，風能航行器見圖3。各國學者改進傳統(tǒng)風帆并設計多種更加適合UAV的特殊風帆。例如UOV公司研發(fā)以風能作為動力源，理論上續(xù)航能力為無限長的USV，適用于海洋數(shù)據(jù)收集、測量等。[19]美國大西洋大學的學者研究制作利用風能進行推進航行的航行器WASP號(見圖3a)，該航行器設計一個新型復合結構翼，利用碳纖維制成骨架，用玻璃纖維和樹脂材料融和為肋骨，并用可阻擋紫外線的熱塑性薄膜制成帆面，新材料的使用使得風帆的重量大大降低，同時優(yōu)化了空氣動力效率。[20-21]

雖然海洋風能儲量巨大，但其是一種聚集于水面以上的能量，因此風能利用在UUV的設計中并不多見。美國OceanAero公司研制的“Submaran S10號”是一種兼具水面和水下航行能力的航行器(見圖3b)，該航行器設計一種獨立于船體的可旋轉的折疊風帆，其在使用時為豎直狀態(tài)，可將風能轉化為推進力，同時通過風速計分析風速和風向，從而調(diào)整帆向，優(yōu)化風帆的推進力并保持航向和航速。當進行水下潛行時，風帆旋轉收縮至甲板上的縫隙內(nèi)，以減小船舶在水下的阻力。[22]

a) WASP號

由于風況具有不穩(wěn)定性，風能常與其他能源互補利用，同時風帆會對航行器的穩(wěn)性造成一定的影響，因此結構設計很重要。

2.2.3波浪能

波浪能驅動是常見的UAV驅動形式，通常應用于滑翔機上。[23-25]波浪能航行器見圖4。波浪滑翔機通常由處于水面的母船和處于水下的滑翔機2部分組成，二者之間由柔性纜繩連接，其工作原理是：當水面母船隨海浪向上運動至波峰位置時，水下滑翔機也經(jīng)由柔性纜繩被向上帶動，這時水流開始以一定角度向下沖擊滑翔機，產(chǎn)生的向前分力推動航行器航行；當水面母船運動至波谷位置時，水下滑翔機也隨之下降，水流向上使航行器獲得向前的推動力，波浪滑翔機在波浪的連續(xù)作用下不斷前進，并由舵控制航行方向。[26-27]例如：我國自主研制的“藍鯨”系列波浪滑翔機(見圖4a)；美國設計完成的飛翼式水下滑翔機“X-Ray”。

有些航行器利用波浪能發(fā)電裝置，當其工作時，UAV需上浮至近海面，通過波浪能采集裝置、能量傳遞轉換裝置和發(fā)電機等3部分將海洋動能和勢能轉化為電能。[28]例如：我國西北工業(yè)大學的學者提出一種可用于UUV的波浪能發(fā)電系統(tǒng)(見圖4b)，利用稀土永磁發(fā)電機和晃動擺；另有學者針對航行器波浪能隨體發(fā)電技術，提出通過在航行器外部2側加裝擺動水翼裝置進行波浪能發(fā)電。[29-31]雖然波浪能是當前海洋中蘊藏最豐富的能源之一，但其利用受洋流因素的影響較大，前期需對任務區(qū)域洋流有深入的了解和分析。

a) “藍鯨”系列波浪滑翔機

2.3 混合動力

單一動力源為航行器供能，在穩(wěn)定性和持久性方面存在一定的局限性，因此混合動力被逐步采用。混合動力在航行器上的使用主要采用內(nèi)置能源與環(huán)境能源組合的方式，或多種環(huán)境能源相組合的方式，常見的有太陽能與蓄電池組合、風能與太陽能組合和太陽能與波浪能組合等。例如我國海洋國家實驗室研發(fā)的“海鰩”波浪滑翔機(見圖5)，其利用波浪能驅動，太陽能電池板發(fā)電供給所搭載電子儀器，連續(xù)航行92 d，航程達到3 000 km，在立體組網(wǎng)觀測、海水水質(zhì)監(jiān)測、島礁守備、水下目標探測和水文觀測等領域具有廣泛的應用前景。[32]

圖5 混合動力航行器“海鰩號”

3 推進器

3.1 螺旋槳

螺旋槳是指靠槳葉在水中旋轉，將電機轉動功率轉化為推進力的裝置。當電機通過軸帶動螺旋槳轉動時，對水產(chǎn)生一個向后的力，水也會對螺旋槳產(chǎn)生一個反作用力，以此來驅動螺旋槳運轉。目前，螺旋槳還是UAV主流采用的推進方式，應用較多的是對轉螺旋槳和導管螺旋槳2類以及多螺旋槳協(xié)同推進方式。[33]例如英國普利茅斯大學研發(fā)的“Springer”型航行器采用直流電機驅動，由螺旋槳推進，具有低速時推進效率較高、建造和維修成本較低等優(yōu)勢。隨著技術的不斷發(fā)展，將推進電機、舵和螺旋槳等元件集成可360°旋轉的吊艙槳，解決傳統(tǒng)螺旋槳只能提供固定軸線推力的問題，但因造價高和密封性要求高等問題，并未在航行器上大量運用。

3.2 噴水推進器

噴水推進是一種特殊的推進方式，推進機構的噴射部分浸在水中，利用噴射水流產(chǎn)生的反作用力驅動航行器前進，具有吃水淺、復雜水域通過性能較好、傳動機構簡單和附件阻力小等優(yōu)點，特別是在高航速時，推進效率較高，能提供較高的航速。例如日本YAMAHA 公司的“UMV-O”號USV采用的就是噴水推進器，最高航速可達40 kn。[34]

3.3 無軸輪緣推進器

無軸輪緣推進器對電機和推進器進行集成，主要由轉子軸承、固定軸承、多磁極定子和外殼等組成。無軸輪緣推進器的應用能有效地減少推進系統(tǒng)占用的航行器內(nèi)艙，提高空間利用率，增加航行器的推進效率，減少振動與噪聲，保證航行器的隱蔽性，在軍事和民用領域都有極高的應用價值和廣闊的市場前景。

英國Rolls-Royce公司在2005年成功研制出了功率為800 kW的無軸輪緣推進器。荷蘭的Vander Velden Marine System公司在2006年開發(fā)了管道式7葉無軸輪緣推進器。挪威科技大學和國內(nèi)的702研究所[35]都在開發(fā)各種無軸輪緣推進器，部分已在潛航器上有所使用。無軸輪緣推進器的研究在國內(nèi)還比較少，特別是在航行上的使用尚處于基礎性研究階段，包括智能控制策略，潤滑、密封和冷卻，振動和噪聲的控制方法等關鍵技術都需要繼續(xù)突破。

3.4 仿生推進器

海洋生物經(jīng)過億萬年的進化，在水中形成了一套獨特的游動推進方式，特別是魚類的波動推進和蝦類在快速逃逸時的射流推進，具有高機動性、高穩(wěn)定性、高效率、高隱身性和低干擾等特點，這與當前UAV的需求不謀而合。因此，仿生推進器已成為UAV新的研究方向，在保障國家海洋安全等方面至關重要。仿生推進器應用實例見圖6。如今仿生生物主要有：美國研制的仿生金槍魚(見圖6a)、日本研制的仿生海豚(見圖6b)和我國研制的仿生鰻魚與仿生蛇等。[36]

a) 仿生金槍魚

2014年麻省理工學院研制出仿鲹科柔性機器魚推進器，該機器魚的尾鰭通過3D打印，仿照自然模型打印，通體采用柔性材料制作，伸展性和彎曲性能良好。2018年我國研發(fā)的ROBO-SHARK采用鯊魚作為原型，以三關節(jié)仿生尾鰭替代傳統(tǒng)螺旋槳推進器，推進效率高達80%，最高航速可達8～10 kn，遠優(yōu)于其他仿生類潛航器潛水器約2 kn的平均航速。[37]由于仿生推進器對航行器的外形要求嚴格，限制航行器的功能且航速較低，在實際工程應用上需進一步研究。

3.5 混合推進

不同的推進方式有其各自的特點，為融合多方的優(yōu)點，有學者提出采用混合推進形式。例如美國Webb公司在滑翔機的艉部增加1臺螺旋槳推進器，使其既可在水中進行鋸齒形的剖面滑翔運動，又可在水中推進前進，同時滿足遠距離、長時序和快速機動。美國佛羅里達理工學院的研究人員設計了一款名為“AUV-Glider”的航行器，在其艏部和艉部都裝有噴水推進器，大大提高了在水中的靈活性。

4 動力及其推進系統(tǒng)的構建

在開展UAV動力及其推進系統(tǒng)各部件研究的基礎上，實現(xiàn)整系統(tǒng)的合理構建是最終目標。但是，相比動力源和推進器等核心部件方面的研究，對動力及其推進系統(tǒng)具體構建模式的研究相對較少，缺乏完整描述。因此，本文圍繞UAV動力及其推進系統(tǒng)構建的流程進行詳細闡述，并在具體選型和匹配方面對各部件進行分析，有利于對動力及其推進系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的進一步理解。

國內(nèi)外對于UAV動力及其推進系統(tǒng)的應用研究，主要采取先確定擬選用的動力源或推進器，再進行設計優(yōu)化、選型與匹配的模式。這種模式過于關注新技術應用本身，而忽略了UAV整體的運行需求。實際上，UAV在主尺寸、航速、運動控制和續(xù)航能力等方面均具有特殊要求，運用于軍事領域的航行器還對噪聲和運載能力等因素有特殊要求，這些都會影響動力及其推進系統(tǒng)。為滿足這種特殊要求，動力及其推進系統(tǒng)的構建應以功能需求為啟動點，綜合考慮運行特征、航速和航時等重要影響因素，開展動力源、傳動機構和推進器的具體選型與匹配，并始終以結構可行性為衡量標準。[38-40]同時，本文提出一套UAV動力及其推進系統(tǒng)的構建流程，見圖7。

圖7 小型航行器動力及推進系統(tǒng)構建流程

基于流程構件UAV動力及其推進系統(tǒng)，對于動力源、傳動機構和推進器等各部件而言，在具體選型和匹配等方面需關注的重點內(nèi)容包括：

1) 對功能需求和運行環(huán)境方面數(shù)據(jù)的掌握。航行器通常根據(jù)需求有針對性地設計制造，在設計前，必須先了解UAV的功能需求，例如對噪聲、污染排放和續(xù)航力等方面的要求，還需獲取當?shù)氐沫h(huán)境數(shù)據(jù)，特別是風況、洋流情況和太陽能輻射量等詳細數(shù)據(jù)。

2) 動力源、傳動機構和推進器的選擇與設計。根據(jù)功能需求和運行環(huán)境設計適合的動力源、傳動機構和推進器，在滿足要求的前提下應做到各機構最優(yōu)適配。

3) 針對不同目標功能的UAV設計的動力源會有很大差別。當目標航行器對續(xù)航能力有較高要求時，可采用燃料電池或太陽能等環(huán)境能源；在考慮經(jīng)濟因素時，應考慮采用傳統(tǒng)能源。另外，UAV的運行環(huán)境也是動力源選擇的主要影響因素，USV可有效利用太陽能和風能提高續(xù)航力，UUV主要通過利用波浪能提高續(xù)航力。

4) 由于UAV的不同結構和功能需求，推進器有很大差異。在設計時，除了要考慮結構和功能需求以外，還需綜合考慮運行的環(huán)境因素及其推進器與動力源的契合等因素，并通過分析對比確定最優(yōu)推進方式。

5) 控制系統(tǒng)的構建?？刂葡到y(tǒng)是UAV動力及其推進系統(tǒng)的關鍵部分，合理地構建控制系統(tǒng)和提高控制精度是UAV高效完成作業(yè)任務的前提。

5 結束語

UAV動力及其推進系統(tǒng)的發(fā)展必須是面向功能需求的，滿足航行器長航時、低噪聲和隱蔽性等的特殊要求。

根據(jù)動力及其推進系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，環(huán)境能源、仿生推進器因其具有的優(yōu)勢，會成為主要研究與應用方向，多能源組合、混合推進技術等關鍵技術會得到重點發(fā)展。但是，環(huán)境能源不穩(wěn)定、能量密度低和仿生推進器難以兼顧靈活性與速度性等問題會對其大范圍應用帶來一定的阻礙。

隨著高端智能海洋裝備成為海洋科技產(chǎn)品發(fā)展的核心，智能化成為了UAV發(fā)展的方向，AUV逐漸成為主流。UAV的智能化主要體現(xiàn)在形成智能控制系統(tǒng)，其對于動力及其推進系統(tǒng)而言，能有效實現(xiàn)部件之間的協(xié)調(diào)與配合，從而有利于克服相關技術的缺點，推動研究與應用進展。