“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

楊紹瓊 ,李元昊 ,孫通帥 ,楊亞楠 ,楊 明 * ,王延輝

(1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津,300352;2.嶗山實(shí)驗(yàn)室 海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266237)

0 引言

水下滑翔機(jī)是一種主要依靠調(diào)節(jié)“重浮力差”實(shí)現(xiàn)升沉,借助水動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水中滑翔前進(jìn)的新型無(wú)人水下航行器,具有長(zhǎng)航程、全天候、自治式的特點(diǎn)。水下滑翔機(jī)憑借其優(yōu)勢(shì),已成為海洋長(zhǎng)時(shí)序移動(dòng)式觀測(cè)與探測(cè)的重要水下平臺(tái)之一,在海洋資源開(kāi)發(fā)利用,海洋水文信息監(jiān)測(cè)及海洋災(zāi)害預(yù)警、預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮的作用日益凸顯。水下滑翔機(jī)集成水聽(tīng)器、深海相機(jī)、溫鹽深儀、湍流儀、流速計(jì)和磁力儀等聲光電磁和重力等小型低功耗傳感器,可以對(duì)海洋多要素環(huán)境進(jìn)行精細(xì)化的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)剖面觀測(cè)。天津大學(xué)研制的“海燕”系列水下滑翔機(jī)歷經(jīng)20 余年的研發(fā)與應(yīng)用,已在工作深度、續(xù)航里程和傳感集成應(yīng)用等方面實(shí)現(xiàn)了譜系化發(fā)展。

表1 列出了“海燕”水下滑翔機(jī)從2002 年至今的主要發(fā)展歷程。2002 年—2005 年,天津大學(xué)“海燕”團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種溫差能水下滑翔機(jī),并于2005 年7 月—8 月,在浙江千島湖進(jìn)行了湖上試驗(yàn)[1]。2009 年,“海燕”(Petrel)水下滑翔機(jī)研制成功,完成了湖上試驗(yàn)。2014 年,在“十二五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)的支持下,“海燕-II”(Petrel-II)混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)研制成功,并于2015 年在南海進(jìn)行了規(guī)范化海上試驗(yàn),該樣機(jī)連續(xù)航行42 天,航行里程達(dá)1 108.4 km[2]。同年,淺水型水下滑翔機(jī)“海燕-200”研制成功。

表1 “海燕”譜系化水下滑翔機(jī)主要發(fā)展歷程Table 1 The main development process of Petrel serialized underwater gliders

“十三五”期間,在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)“海燕-L”號(hào)研制成功,經(jīng)多次優(yōu)化后,分別于2018 年、2019 年和2021 年進(jìn)行了海上試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果多次刷新中國(guó)水下滑翔機(jī)最遠(yuǎn)航行距離紀(jì)錄。2020 年7 月,“海燕-L”號(hào)在馬里亞納海溝附近布放(如圖1 所示[3]),并于2021 年1 月在南海附近海域回收,這次海上試驗(yàn)的最遠(yuǎn)航行距離達(dá)5 506 km[3]。截至目前,“海燕-L”水下滑翔機(jī)最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間已超300 天,最遠(yuǎn)航行距離超過(guò)了5 500 km。

圖1 “海燕-L”航行軌跡Fig.1 Navigation trajectory of Petrel-L

天津大學(xué)依托青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,先后研制了“海燕-4000”、“海燕-X”兩型大深度水下滑翔機(jī)。其中,潛深4 000 m 級(jí)水下滑翔機(jī)“海燕-4000”于2017年開(kāi)始研制,分別在2018 年4 月、2019 年8 月—11 月進(jìn)行了海上試驗(yàn);“海燕-X”萬(wàn)米級(jí)水下滑翔機(jī)的研制也始于2017年,分別于2018 年4 月、2020 年7 月在馬里亞納海溝附近完成了海上試驗(yàn),其中最大下潛深度達(dá)10 619 m,打破并保持著水下滑翔機(jī)最大下潛工作深度世界紀(jì)錄[4]。

“海燕”系列水下滑翔機(jī)可以滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間、多潛深的深海觀測(cè)與探測(cè)應(yīng)用需求,推動(dòng)并引領(lǐng)了中國(guó)水下滑翔機(jī)技術(shù)的發(fā)展。在研發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中,天津大學(xué)深海智能裝備“海燕”團(tuán)隊(duì)不斷攻關(guān)技術(shù)難題,積極共享水下滑翔機(jī)總體設(shè)計(jì)、浮力驅(qū)動(dòng)、能源動(dòng)力、協(xié)同組網(wǎng)以及海上試驗(yàn)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)成果與經(jīng)驗(yàn),為我國(guó)無(wú)人水下航行器技術(shù)的快速發(fā)展提供了參考。

1 總體設(shè)計(jì)

水下滑翔機(jī)一般由多個(gè)部分組成,包括姿態(tài)調(diào)整裝置、浮力系統(tǒng)裝置、控制中心、耐壓艙、傳感器、電池包、天線以及整機(jī)外形(包括機(jī)翼與尾翼)等,如圖2 所示[3]。其中,耐壓艙負(fù)責(zé)承受水體壓力,用來(lái)保護(hù)不能暴露在水體下的重要組件,如部分浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零件、控制器和電池包等;耐壓艙外的組件則完全浸入水體中,如油囊和傳感器等。水下滑翔機(jī)通常以下潛—上浮為1 個(gè)工作周期,進(jìn)行海洋觀測(cè)和探測(cè)任務(wù)。浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于耐壓艙段內(nèi),其自身的泵閥等系統(tǒng)部件協(xié)同工作,將系統(tǒng)內(nèi)部液壓油推入“外油囊”以實(shí)現(xiàn)自身體積膨脹,增加水下滑翔機(jī)整機(jī)浮力實(shí)現(xiàn)上浮,反之下沉。圓柱形耐壓艙壁、整流罩、機(jī)翼、尾翼和天線是水下滑翔機(jī)整機(jī)水動(dòng)力外形的重要組成部分,直接承受著水下滑翔機(jī)航行運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體力。而機(jī)翼可以為水下滑翔機(jī)在下潛、上浮過(guò)程中提供升力從而使其向前行進(jìn)。耐壓艙內(nèi)的姿態(tài)調(diào)整單元可以通過(guò)控制電池包的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來(lái)改變水下滑翔機(jī)的重浮心相對(duì)位置,從而實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)動(dòng)作。天線負(fù)責(zé)水下滑翔機(jī)的海上指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄐ艅?dòng)作。

水下滑翔機(jī)總體設(shè)計(jì)階段一般根據(jù)設(shè)計(jì)需求,考慮其工作任務(wù)和工作環(huán)境(如工作深度、續(xù)航里程和任務(wù)需要采集的信息等)來(lái)決定其各種組件的體量、類型及材料等,即每個(gè)分系統(tǒng)的具體參數(shù)。

1.1 水動(dòng)力外形設(shè)計(jì)

水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力外形是決定其滑翔速度、滑翔效率、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)性和航向穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一[5],各種性能之間相互耦合。目前,關(guān)于水下滑翔機(jī)外形的研究主要有: 1) 基于仿生技術(shù)的水動(dòng)力外形設(shè)計(jì),包括外形仿生和運(yùn)動(dòng)模式仿生;2) 水動(dòng)力外形設(shè)計(jì)優(yōu)化,包括近似模型構(gòu)建和目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)。

一般地,螺旋槳驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)依然屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其水下大范圍精細(xì)化的觀測(cè)與探測(cè)能力及其航行性能仍有待進(jìn)一步提升。海洋環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)、海洋生物附著類別和海底地形地貌復(fù)雜多變,對(duì)開(kāi)展觀測(cè)與探測(cè)的無(wú)人水下航行器裝備在海洋環(huán)境自適應(yīng)能力、變航行狀態(tài)能力和高機(jī)動(dòng)航行能力等方面提出了更高的要求。Sun 等[5]以提升混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)機(jī)動(dòng)能力及航行性能為目標(biāo),提出了一種新型二自由度多模式可變翼機(jī)構(gòu),成功將座頭鯨胸鰭的收展、撲動(dòng)等運(yùn)動(dòng)融入混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī),有效提升了其航行性能并拓寬了其適用的作業(yè)水域,如圖3(a)所示[5]。針對(duì)水動(dòng)力非線性和強(qiáng)耦合性的特點(diǎn),采用粒子圖像測(cè)速法、力學(xué)監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)仿真手段,開(kāi)展了機(jī)翼參數(shù)、機(jī)構(gòu)姿態(tài)角度對(duì)機(jī)翼的推進(jìn)力、側(cè)向力及升力的影響關(guān)系研究,得到了機(jī)翼?yè)鋭?dòng)頻率、振幅與水動(dòng)力的映射函數(shù),為多模式水下航行器海上試驗(yàn)工程樣機(jī)研制與運(yùn)動(dòng)控制提供了理論支撐。Zhu等[6]提出了一種具有類“蝠鲼”仿生翼的水下滑翔機(jī),其仿生翼由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主翼(包括“基翼”和“遠(yuǎn)翼”)組成,在推進(jìn)模式工作時(shí),該水下滑翔機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)由碳纖維板和柔性鉸鏈組成的“遠(yuǎn)翼”來(lái)提供主要推力。受雨燕改變翅膀后掠角實(shí)現(xiàn)滑翔和俯沖2 種飛行模式的啟發(fā),Wang 等[7]提出了一種用于水下滑翔機(jī)的預(yù)設(shè)機(jī)翼后掠角策略,提升了“海燕”水下滑翔機(jī)在不同滑翔條件下的滑翔性能,如圖3(b)所示。采用優(yōu)化拉丁超立方抽樣(latin hypercube sampling,LHS)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法,建立了用于描述水下滑翔機(jī)水動(dòng)力系數(shù)與機(jī)翼后掠角等設(shè)計(jì)參數(shù)之間關(guān)系的近似模型,借助動(dòng)力學(xué)模型分析了機(jī)翼后掠角對(duì)水下滑翔機(jī)續(xù)航、轉(zhuǎn)彎和滑翔效率等性能的影響。

除外形結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式仿生之外,水下滑翔機(jī)外形主體、機(jī)翼、附體等耦合設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化也是提升其運(yùn)動(dòng)性能的重要研究方向。Yang 等[8]提出了一種基于近似模型技術(shù)的水下滑翔機(jī)水動(dòng)力外形優(yōu)化方法(如圖3(c)所示),該方法綜合考慮水下滑翔機(jī)主體線型和附體機(jī)翼尺寸之間的復(fù)雜耦合關(guān)系,基于水動(dòng)力系數(shù)近似模型,研究了各個(gè)水動(dòng)力系數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系,并以阻力系數(shù)最小化和單位能耗航程最大為目標(biāo),完成了主體和機(jī)翼尺寸優(yōu)化。結(jié)果表明,當(dāng)客棧載荷(hotel loads,包括控制系統(tǒng)和傳感器等與水下滑翔機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)間相關(guān)部件的功率)約為0.5 W,俯仰角為±12°時(shí),采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化后水動(dòng)力外形的“海燕-L”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)續(xù)航里程可提升約7.64%。Sun 等[9]通過(guò)對(duì)座頭鯨等生物體型特征的分析和建模,提出了一種用于水下航行器的低阻仿生非回轉(zhuǎn)主體外形(如圖3(d)所示),給出了該類外形的數(shù)學(xué)描述方程。通過(guò)構(gòu)建主體的阻力特性與外形各個(gè)特征參數(shù)的響應(yīng)面近似模型,以相同排水體積和整體長(zhǎng)度為約束,完成仿生非回轉(zhuǎn)低阻外形的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),并開(kāi)展了其縮比模型的拖曳水池試驗(yàn),上述優(yōu)化結(jié)果均經(jīng)充分驗(yàn)證。針對(duì)水下航行器的快速設(shè)計(jì)和功能多樣化問(wèn)題,Liu 等[10]基于譜系分類理論建立了包括球形、細(xì)長(zhǎng)軸對(duì)稱、細(xì)長(zhǎng)扁平和圓碟形的主體形狀譜系,采用CFD 仿真方法,研究了主體形狀參數(shù)和雷諾數(shù)對(duì)球形狀、細(xì)長(zhǎng)軸對(duì)稱形狀和細(xì)長(zhǎng)扁平形狀流體動(dòng)力學(xué)的影響。通過(guò)對(duì)CFD計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,建立了不同形狀參數(shù)和雷諾數(shù)的主體形狀譜系阻力系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,為后續(xù)水下航行器的主體外形選擇提供了參考。

水下滑翔機(jī)在變速運(yùn)動(dòng)時(shí),推動(dòng)它的力不僅要為增加其動(dòng)能做功,還要為增加其周圍流體的動(dòng)能做功,這一部分流體的質(zhì)量稱為水下滑翔機(jī)的附加質(zhì)量。張連洪等[11]提出了一種水下滑翔機(jī)通用附加質(zhì)量求解方法,極大地提高了附加質(zhì)量求解效率,對(duì)不同型號(hào)水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力外形設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)建模都具有重要參考價(jià)值。

水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力外形也會(huì)影響其轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)形式。Yang 等[12]通過(guò)引入不同外形的水動(dòng)力系數(shù)近似模型,建立了包含機(jī)翼位置和尾舵面積2 個(gè)設(shè)計(jì)變量的“海燕”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)六自由度動(dòng)力學(xué)模型。在其動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能進(jìn)行了分析,總結(jié)了機(jī)翼位置和尾舵面積對(duì)水下滑翔機(jī)螺旋運(yùn)動(dòng)模式的影響。分析結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)整機(jī)翼位置和尾舵面積,可以實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)在正螺旋和反螺旋模式下的螺旋運(yùn)動(dòng),其中正螺旋模式具有更高的滑翔穩(wěn)定性。

1.2 耐壓主體單元設(shè)計(jì)

耐壓主體單元即耐壓殼體作為水下滑翔機(jī)的關(guān)鍵承壓部件,不僅為艙內(nèi)提供了一個(gè)干燥密閉的環(huán)境,還對(duì)整機(jī)的續(xù)航能力產(chǎn)生影響,具體表現(xiàn)為: 1) 耐壓殼體的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)形式等決定了其所能提供的凈浮力,影響能源帶載量;2) 耐壓殼體在熱力耦合作用下的體積變形量會(huì)影響浮力驅(qū)動(dòng)單元的油量體積調(diào)節(jié),進(jìn)而影響整機(jī)能耗。因此,耐壓殼體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著整機(jī)的能源帶載量和航行經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái),關(guān)于耐壓殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究受到了很多學(xué)者的關(guān)注,主要包括殼體形式選擇、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、選材加工等,其中大部分研究工作以研制輕量化、大變形量的耐壓殼體為目標(biāo)。

Yang 等[13]設(shè)計(jì)了一種可以提供近似中性浮力的多相交球體(multiple intersecting spheres,MIS)形式的耐壓殼體,利用薄殼理論建立了殼體的靜力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合懲罰函數(shù)法和多種群遺傳算法,以重排比最小為目標(biāo),對(duì)殼體球面厚度、球面與肋骨交角等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,采用有限元分析和壓力試驗(yàn)驗(yàn)證了力學(xué)模型的有效性。Wang 等[14]通過(guò)分析總結(jié)“海燕”水下滑翔機(jī)現(xiàn)有耐壓殼體的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果,基于剛度分配方法提出了一種具有非均勻弓形肋的圓柱殼體(nonuniform arch ribs cylindrical,NARC),基于響應(yīng)面法建立了殼體質(zhì)量、壓縮率和最大等效應(yīng)力等的近似模型,以殼體質(zhì)量最小和壓縮率最大為優(yōu)化目標(biāo),完成了殼體壁厚、肋骨高度及寬度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Yang 等[15]在傳統(tǒng)環(huán)肋圓柱殼的基礎(chǔ)上,提出了一種具有外形光滑、壓縮性大、重排比小等優(yōu)點(diǎn)的新型環(huán)肋拱形圓柱面殼體(ringstiffened arched cylindrical,RAC),為了提升殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)效率,其在有限元模擬的基礎(chǔ)上提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)壓力殼體的有效設(shè)計(jì)方法,并詳細(xì)介紹了其框架。為了突破萬(wàn)米深淵極端壓力環(huán)境挑戰(zhàn),Wang 等[4]采用碳化硅陶瓷材料制備了“海燕-XPLUS”深淵滑翔機(jī)[16]耐壓殼體,其針對(duì)陶瓷耐壓殼體最常見(jiàn)的管端開(kāi)裂失效問(wèn)題,開(kāi)展了理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證研究,提出了一種近似校核方法,并給出了經(jīng)驗(yàn)性的安全系數(shù)建議。圖4 為幾種耐壓殼體水動(dòng)力外型設(shè)計(jì)圖,各種殼體性能見(jiàn)表2。

表2 新型水下滑翔機(jī)不同殼體性能對(duì)比Table 2 Performance comparison of four underwater glider shells

水下滑翔機(jī)水動(dòng)力外形設(shè)計(jì)和耐壓殼體設(shè)計(jì)參數(shù)之間相互耦合,例如殼體圓柱段的直徑和外徑尺寸參數(shù)同時(shí)影響其水動(dòng)力性能和殼體的重排比和壓縮性。Wang 等[17]基于水下滑翔機(jī)的續(xù)航里程模型,采用將協(xié)同優(yōu)化(collaborative optimization,CO)方法和近似模型技術(shù)相結(jié)合的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(multidisciplinary design optimization,MDO)設(shè)計(jì)框架,完成了對(duì)殼體重排比、壓縮性、水動(dòng)力系數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化,并開(kāi)展了海上試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,當(dāng)客棧負(fù)載為0.5 W時(shí),優(yōu)化工作可以提升“海燕”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)約83.3% 的續(xù)航里程。此外,水下滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化涉及多個(gè)子系統(tǒng)，如耐壓殼體、水動(dòng)力外形、控制導(dǎo)航、能源帶載等,這些系統(tǒng)相互耦合并影響著水下滑翔機(jī)的續(xù)航能力。與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比較,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化為涉及交叉學(xué)科的復(fù)雜工程問(wèn)題提供了一種更有效的方法。Yang 等[18]通過(guò)系統(tǒng)分析,建立了“海燕”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)的通用學(xué)科框架,包括流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及液壓傳動(dòng)等。在學(xué)科耦合分析之后,提出了一種基于并行子空間優(yōu)化、懲罰函數(shù)法和多種群遺傳算法相結(jié)合的水下滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,可以滿足水下滑翔機(jī)在不同觀測(cè)任務(wù)中的多樣化設(shè)計(jì)要求,最后通過(guò)海上試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。海上試驗(yàn)回收現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示。

圖5 多學(xué)科優(yōu)化后的“海燕-L”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)海上試驗(yàn)回收現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Sea trial recovery scene of Petrel-L long-rangevoyage underwater glider after multidisciplinary optimization

2 浮力驅(qū)動(dòng)技術(shù)

浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為水下滑翔機(jī)的“心臟”,是一套機(jī)、電、液耦合的液壓驅(qū)動(dòng)與體積調(diào)整系統(tǒng),其可靠性與可工作深度將直接決定水下滑翔機(jī)的可靠性與運(yùn)行深度等級(jí)。同時(shí),水下滑翔機(jī)的航速、航程以及機(jī)動(dòng)性等方面均不同程度地受到其浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響。目前,“海燕”水下滑翔機(jī)一般采用可變體積式浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),通過(guò)改變外皮囊體積實(shí)現(xiàn)其凈浮力的調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)逾20 年的發(fā)展,“海燕”水下滑翔機(jī)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在全海深高效穩(wěn)定浮力調(diào)節(jié)、多樣化被動(dòng)浮力調(diào)節(jié)方法與主動(dòng)浮力調(diào)節(jié)策略的研究上均取得進(jìn)展。

為了滿足全海深觀測(cè)與探測(cè)需求,“海燕”團(tuán)隊(duì)研制了能夠滿足不同任務(wù)工作深度浮力調(diào)節(jié)需求的多型號(hào)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在1 000 m/1 500 m級(jí)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)中,Wang 等[19]利用AMESim軟件對(duì)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙級(jí)液壓泵驅(qū)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了性能仿真分析,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性,降低了浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)成本,該系統(tǒng)原理見(jiàn)圖6。

圖6 水下滑翔機(jī)雙級(jí)液壓泵浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of an underwater glider twostage hydraulic pump buoyancy drive system

為了滿足4 000 m 級(jí)水下滑翔機(jī)的需要,Liang等[20]在雙級(jí)液壓泵驅(qū)動(dòng)式浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,使用了硅油補(bǔ)償液作為輔助,并充分考慮硅油補(bǔ)償液的熱特性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)其凈浮力的精確預(yù)測(cè),并結(jié)合水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型與能耗模型,進(jìn)一步分析了補(bǔ)償液對(duì)水下滑翔機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性和節(jié)能性等方面的影響。

為了實(shí)現(xiàn)萬(wàn)米深淵極端環(huán)境下的可靠浮力驅(qū)動(dòng),Wang 等[21]提出了一種綜合了雙浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)浮力調(diào)節(jié)與硅油補(bǔ)償液被動(dòng)浮力調(diào)節(jié)的方案,實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)浮力調(diào)節(jié),并經(jīng)過(guò)馬里亞納海溝的海上試驗(yàn),驗(yàn)證了該浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在極端環(huán)境下的工作能力,該系統(tǒng)實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

圖7 “海燕-X”水下滑翔機(jī)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Physical drawing of Petrel-X underwater glider buoyancy drive system

在水下滑翔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,由于環(huán)境參數(shù)的變化,其凈浮力實(shí)際處于實(shí)時(shí)改變狀態(tài)(下潛和上浮過(guò)程均減小,通常將此現(xiàn)象稱為浮力損失)。這要求水下滑翔機(jī)具有更為多樣化的被動(dòng)浮力調(diào)節(jié)方法,以及更加靈活的運(yùn)行策略。4 000 m 和萬(wàn)米級(jí)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的硅油補(bǔ)償液,即為一種有效的無(wú)能耗被動(dòng)浮力調(diào)節(jié)方法。由于其自發(fā)的浮力調(diào)節(jié)效果剛好與環(huán)境參數(shù)變化導(dǎo)致的水下滑翔機(jī)凈浮力變化方向相反,所以,被動(dòng)式浮力調(diào)節(jié)過(guò)程常被稱為浮力補(bǔ)償,其本質(zhì)是一種有規(guī)律的自適應(yīng)浮力調(diào)節(jié)過(guò)程。鑒于單一的浮力補(bǔ)償裝置難以達(dá)到預(yù)期的浮力補(bǔ)償效果,Xie 等[22]綜合了彈簧式蓄能器、充氣式蓄能器以及硅油補(bǔ)償液等補(bǔ)償方法,提出了一種新型混合被動(dòng)浮力補(bǔ)償系統(tǒng)(如圖8 所示),建立了浮力調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型,并使用遺傳算法與禁忌搜索算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明,新型混合被動(dòng)浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的使用對(duì)減小水下滑翔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的凈浮力變化、提高其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及能量利用效率等方面效果顯著。另外,受魚(yú)鰾結(jié)構(gòu)的啟發(fā),Liang 等[23]提出了一種新型類魚(yú)鰾的二級(jí)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在水下滑翔機(jī)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用2 個(gè)不同的預(yù)充壓力充氣式蓄能器進(jìn)行了被動(dòng)浮力調(diào)節(jié),并在建立水下滑翔機(jī)環(huán)境模型、凈浮力模型和動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,使用遺傳算法對(duì)蓄能器設(shè)計(jì)參數(shù)及安裝位置進(jìn)行優(yōu)化,在50～950 m 深度范圍內(nèi),水下滑翔機(jī)實(shí)際俯仰角與目標(biāo)俯仰角偏差不超過(guò)2°,下潛過(guò)程的垂直速度最大變化量為0.041 m/s,有效提高了水下滑翔機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定性和速度穩(wěn)定性,該系統(tǒng)如圖9 所示。在浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略的研究方面,嚴(yán)升等[24]對(duì)水下滑翔機(jī)縱垂面運(yùn)行中變浮力過(guò)程進(jìn)行了建模,并且優(yōu)化了其控制策略,結(jié)合南海實(shí)際海上試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了模型的有效性,并采用比例積分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真,結(jié)果表明,優(yōu)化后的控制策略方案可以顯著提高水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能。Yang 等[25]提出了一種協(xié)同控制外皮囊體積與電池包位置的浮力補(bǔ)償新方法,通過(guò)在水下多次進(jìn)行主動(dòng)浮力調(diào)節(jié),有效降低了水下滑翔機(jī)的凈浮力變化及其帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性方面的負(fù)面影響。為了進(jìn)一步提高能量利用效率,Yang等[26]將水下滑翔機(jī)運(yùn)行深度等分為5 段,通過(guò)建立水下滑翔機(jī)續(xù)航里程模型的代理模型,對(duì)不同客棧負(fù)載下的最優(yōu)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明,當(dāng)客棧負(fù)載為0.5 W 時(shí),水下滑翔機(jī)的續(xù)航里程提高約10.47%。

圖8 “海燕”水下滑翔機(jī)混合被動(dòng)浮力補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.8 Hybrid passive buoyancy compensation system of Petrel

圖9 魚(yú)鰾及類魚(yú)鰾二級(jí)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.9 Fish bladder and Fish-bladder-like buoyancy drive system

3 能源動(dòng)力技術(shù)

3.1 能耗預(yù)測(cè)與運(yùn)動(dòng)精度控制

能源動(dòng)力技術(shù)是水下滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)續(xù)航、長(zhǎng)在位作業(yè)時(shí)間的主要手段,亦是保障水下滑翔機(jī)航行安全的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)20 余年的發(fā)展,“海燕”團(tuán)隊(duì)在水下滑翔機(jī)能耗預(yù)測(cè)與優(yōu)化、可再生能源利用和新型動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與升級(jí)等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

1) 針對(duì)能耗預(yù)測(cè)與優(yōu)化問(wèn)題,Song 等[27]基于水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型及其工作流程提出了縱平面能耗模型,并進(jìn)一步推導(dǎo)出續(xù)航里程模型,其中能耗模型誤差僅為2.68%,處于行業(yè)先進(jìn)水平。上述模型揭示了水下滑翔機(jī)水動(dòng)力系數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、控制參數(shù)與能耗和航程之間的關(guān)系;并通過(guò)Sobol方法,辨識(shí)出影響水下滑翔機(jī)能耗和航程的關(guān)鍵參數(shù),以指導(dǎo)優(yōu)化優(yōu)先級(jí);最后,通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化,提升了水下滑翔機(jī)能源效率。為了進(jìn)一步探究海洋環(huán)境中水下滑翔機(jī)的能耗,Song 等[28]基于上述研究,結(jié)合拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程和海洋深平均流推演方法,建立了包含海水密度梯度和計(jì)及洋流的能耗模型,海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該能耗模型可以有效地實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境中水下滑翔機(jī)能耗的預(yù)測(cè);仿真分析進(jìn)一步揭示了海洋環(huán)境中水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和深平均流與能耗的關(guān)系,可以為任務(wù)規(guī)劃與優(yōu)化提供指導(dǎo)。另外,水下滑翔機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)能耗易受海洋環(huán)境影響,且傳統(tǒng)的能耗模型難以考慮水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特性,為了解決上述問(wèn)題,Song 等[29]采用最小二乘支持向量機(jī)(least squares support vector machine,LSSVM)方法并結(jié)合粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法,建立了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)能耗模型—LSSVM-PSO 模型。通過(guò)與實(shí)際海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,探究了基于不同核函數(shù)的模型性能,并充分討論了LSSVM-PSO 模型與傳統(tǒng)代數(shù)模型的差異,確定了最優(yōu)訓(xùn)練樣本數(shù)量,結(jié)合代數(shù)模型與LSSVMPSO 的優(yōu)點(diǎn),提出了混合能耗模型概念。該研究為水下滑翔機(jī)能耗預(yù)測(cè)提供了新途徑,使水下滑翔機(jī)智能化程度得到進(jìn)一步提升。

2) 運(yùn)動(dòng)精度是水下滑翔機(jī)另一重要性能指標(biāo)。水下滑翔機(jī)作為在深遠(yuǎn)海復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行的長(zhǎng)期觀測(cè)與探測(cè)平臺(tái),監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)和及時(shí)診斷故障,對(duì)提高任務(wù)效率、節(jié)省能源和降低成本尤為重要。Yang 等[30]提出了一種新型的水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法,利用大量動(dòng)力學(xué)模型的歷史數(shù)據(jù)集訓(xùn)練和測(cè)試深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,分析參數(shù)的變化趨勢(shì),以監(jiān)測(cè)水下滑翔機(jī)三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。研究結(jié)果表明,在正常運(yùn)行狀態(tài)下,該方法識(shí)別的可變參數(shù)可以用于實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以提高水下滑翔機(jī)滑翔效率和運(yùn)動(dòng)精度。水下滑翔機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí),生物污損是影響其運(yùn)動(dòng)精度和單剖面運(yùn)行時(shí)間的重要因素,而如何應(yīng)對(duì)生物污損一直是長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)的研制難點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題,王延輝等[31]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提出了一種檢測(cè)水下滑翔機(jī)生物污損的方法,采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法,根據(jù)已有大量未發(fā)生生物污損的關(guān)鍵數(shù)據(jù)建立了水下滑翔機(jī)單剖面運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)模型,利用其單剖面運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)偏差,快速獲取水下滑翔機(jī)在海上運(yùn)行過(guò)程中的性能變化,并指導(dǎo)海上試驗(yàn)過(guò)程中控制參數(shù)制定和任務(wù)規(guī)劃;同時(shí),該方法也為生物污損影響下的水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)精度和能耗預(yù)測(cè)研究提供了技術(shù)支撐。水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)精度與能耗之間存在一定耦合關(guān)系,針對(duì)此,Wu 等[32]結(jié)合水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型與弗羅貝尼烏斯(Frobenius)范數(shù),提出了考慮非均勻水流的水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡精度定量評(píng)價(jià)方法;利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和數(shù)值仿真模型獲取樣本點(diǎn),基于徑向基函數(shù)(radial basis function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了以其控制參數(shù)為輸入,用于快速計(jì)算運(yùn)動(dòng)精度和能耗的高精度代理模型;進(jìn)一步結(jié)合代理模型與第二代非劣排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm-II,NSGAII)開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算,確定能夠同時(shí)保證水下滑翔機(jī)高運(yùn)動(dòng)精度和低能耗的控制參數(shù)值,得到了帕累托最優(yōu)解集。研究結(jié)果表明,其能耗與運(yùn)動(dòng)精度存在一定矛盾關(guān)系,所提出的研究方法為水下滑翔機(jī)綜合性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo),并提升了水下滑翔機(jī)在實(shí)際海上試驗(yàn)應(yīng)用中的作業(yè)質(zhì)量。

3.2 溫差能源捕獲與利用

目前,多數(shù)水下滑翔機(jī)依靠自身攜帶的電池包供給負(fù)載等所需能量。因其裝載的電池能量存在上限,水下滑翔機(jī)的續(xù)航能力和自持力受到制約,尚無(wú)法滿足未來(lái)深遠(yuǎn)海全天候長(zhǎng)期觀測(cè)與探測(cè)任務(wù)的需求。特別是我國(guó)“走向深藍(lán)”重大戰(zhàn)略部署的實(shí)施對(duì)國(guó)產(chǎn)水下滑翔機(jī)的自持力提出了更高要求。例如,當(dāng)前“海燕”水下滑翔機(jī)的續(xù)航力超5 000 km、自持力300 d,但與1～2 年長(zhǎng)期在位觀測(cè)與探測(cè)需求仍存在顯著差距。

水下滑翔機(jī)每進(jìn)行一次下潛和上浮運(yùn)動(dòng),浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作2 次,需要消耗大量的能量,特別是在大深度浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中尤為明顯。利用海洋熱能(溫差能)等環(huán)境能源實(shí)現(xiàn)浮力驅(qū)動(dòng)能源多樣化,為解決水下滑翔機(jī)長(zhǎng)續(xù)航需求與有限的能源攜帶量之間的矛盾提供了可能。王樹(shù)新等[33-34]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了溫差能浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及溫差能水下滑翔機(jī)原理樣機(jī),在水域試驗(yàn)中完成了25 次剖面運(yùn)動(dòng),熱交換功率可達(dá)47 W,滿足了水下滑翔機(jī)對(duì)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,驗(yàn)證了溫差能浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可行性。在“十二五”國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目支持下,Yang 等[35]開(kāi)發(fā)了搭載有溫差能-電能復(fù)合動(dòng)力的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)(Petrel Thermal),可以在溫差能不穩(wěn)定時(shí)使用電能作為驅(qū)動(dòng)能源,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性,其浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖10。海上試驗(yàn)中,搭載該浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水下滑翔機(jī)連續(xù)運(yùn)行677 km,運(yùn)行剖面112 個(gè),運(yùn)行時(shí)間為29 d,驗(yàn)證了浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效性。Petrel Thermal 水下滑翔機(jī)是我國(guó)迄今唯一使用自然能源實(shí)現(xiàn)水下長(zhǎng)航程觀測(cè)與探測(cè)任務(wù)的無(wú)人航行器,能耗經(jīng)濟(jì)性相較電能水下滑翔機(jī)提升約20%,運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性提升約33%[36]。為了進(jìn)一步擴(kuò)大溫差能在水下滑翔機(jī)中的應(yīng)用,“十三五”期間,“海燕”團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了溫差能相變發(fā)電技術(shù)的研究,Wang 等[37]研究了熱電轉(zhuǎn)換技術(shù),通過(guò)建立能量轉(zhuǎn)換過(guò)程綜合效率模型,對(duì)液壓油、液壓馬達(dá)及發(fā)電機(jī)等的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,海上試驗(yàn)結(jié)果表明,平臺(tái)單剖面發(fā)電量達(dá)1.86 Wh,轉(zhuǎn)換效率約0.396%。至今,溫差能相變驅(qū)動(dòng)、發(fā)電涉及的相變介質(zhì)隔離、緊湊化設(shè)計(jì)、集成匹配等關(guān)鍵技術(shù)已獲突破,但樣機(jī)性能與理論期望指標(biāo)仍存在差距,還需開(kāi)展進(jìn)一步研究,該系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖11。

圖10 溫差能水下滑翔機(jī)及其浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.10 Thermal energy underwater glider and its buoyancy drive system

圖11 熱電轉(zhuǎn)換浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理Fig.11 Working principle of the thermoelectric conversion buoyancy drive system

Wang 等[38]還提出水下滑翔機(jī)在往復(fù)多次穿越冷、熱水層的過(guò)程中,可以借助固-液相變材料的熱脹冷縮特性實(shí)現(xiàn)海洋溫差能捕獲,進(jìn)而破解水下滑翔機(jī)長(zhǎng)期能源供給難題。該技術(shù)途徑對(duì)提高水下滑翔機(jī)“能量自給”水平具有重要價(jià)值。圖12 為海洋溫差能固-液相變工作原理。

圖12 海洋溫差能固-液相變工作原理圖Fig.12 Working principle of the solid-liquid phase change of ocean thermal energy

固-液相變換熱器是一種可以實(shí)現(xiàn)溫差能捕獲利用的關(guān)鍵裝置。多年來(lái),針對(duì)宏觀固-液相變換熱過(guò)程、微觀材料固-液相變機(jī)理等領(lǐng)域的理論研究不斷深入。Zhang 等[39]基于焓法模型建立了固-液相變傳熱數(shù)學(xué)模型,基于相變液相分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布提出了體積變化量計(jì)算方法,研究成果對(duì)換熱器相變過(guò)程預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)作用。此外,“海燕”團(tuán)隊(duì)還在焓法相變模型基礎(chǔ)上引入壓力項(xiàng)因子,進(jìn)一步修正了模型的準(zhǔn)確性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)相變傳熱過(guò)程與液壓蓄能過(guò)程間的解耦,提出了固-液相變過(guò)程轉(zhuǎn)換能量計(jì)算方法;采用分子動(dòng)力學(xué)方法系統(tǒng)性地揭示了壓力對(duì)溫差固-液相變材料密度、相變溫度、導(dǎo)熱率、相變潛熱以及比熱容等熱物理性質(zhì)的影響,首次研究了高壓條件下添加石墨烯結(jié)構(gòu)的相變材料增強(qiáng)換熱微觀作用機(jī)理,揭示了石墨烯添加比例與相變傳熱速率之間的內(nèi)在聯(lián)系,得到了以傳熱速率最快為目標(biāo)的石墨烯添加最優(yōu)比例[40-42]。

近年來(lái),為了破解因溫差能水下滑翔機(jī)總體系統(tǒng)龐雜而導(dǎo)致的研發(fā)難度大、成本高,且與同期電池驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)相比技術(shù)成熟度差距較大的難題,“海燕”團(tuán)隊(duì)還提出并發(fā)展了緊湊化的海洋溫差能驅(qū)動(dòng)/發(fā)電單元裝置,作為模塊化賦能單元提供給現(xiàn)有成熟水下滑翔機(jī)等無(wú)人航行器外置搭載使用[43-45]。此項(xiàng)技術(shù)在一定程度上避免了因加入新裝置而導(dǎo)致水下滑翔機(jī)本體布局結(jié)構(gòu)的巨大變動(dòng),降低了研發(fā)的復(fù)雜度、周期和成本,實(shí)現(xiàn)了海洋溫差能捕獲技術(shù)的快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用(捕獲裝置如圖13 所示)。目前已完成模塊化的溫差能驅(qū)動(dòng)/發(fā)電裝置研制與測(cè)試,并在水下滑翔機(jī)、深海智能浮標(biāo)等無(wú)人水下航行器上進(jìn)行了集成搭載使用,效果良好。其中溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行40 d,完成191 個(gè)剖面,水面距離累積續(xù)航里程達(dá)到706.4 km,實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)工程樣機(jī)重大突破。

圖13 水下滑翔機(jī)集成搭載模塊化溫差能捕獲裝置Fig.13 Underwater glider with integrated modular thermal energy capture device

3.3 風(fēng)能捕獲與利用

海表面風(fēng)氣流在海洋中廣泛存在,利用風(fēng)帆捕獲風(fēng)能以直接推動(dòng)船舶行進(jìn)是一種經(jīng)典的海洋環(huán)境能源利用途徑,至今已有數(shù)千年歷史,具有能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、轉(zhuǎn)換方式簡(jiǎn)化等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái),隨著無(wú)人駕駛、智能控帆等技術(shù)的快速發(fā)展,風(fēng)帆推進(jìn)技術(shù)逐步成熟,“海燕”團(tuán)隊(duì)也在水下滑翔機(jī)平臺(tái)集成使用了相關(guān)技術(shù)[46-47],研制成功了風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)水面/水下多航態(tài)航行器,其工作模式見(jiàn)圖14。

圖14 風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)水面/水下多航態(tài)航行器工作模式示意圖Fig.14 Schematic diagram of the working mode of saildriven surface/underwater multi-mode vehicle

“十三五”期間,“海燕”團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)了風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)雙航態(tài)水下滑翔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)理論研究,突破了衡重特性變換、機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)切換、風(fēng)帆智能控制等關(guān)鍵技術(shù),于2020 年成功研制了Petrel Dual 原理樣機(jī)。該樣機(jī)在水面航態(tài)利用弧形風(fēng)帆捕獲風(fēng)能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)軌跡航行(如圖15 所示[46]);在水下航態(tài)時(shí)則收折起風(fēng)帆,以鋸齒軌跡滑翔模式完成了200 m 剖面下潛。

圖15 風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)多航態(tài)水下滑翔機(jī)原理樣機(jī)及其水域閉環(huán)航跡圖Fig.15 Principle prototype of wind-sail driven multi-mode underwater glider and its closed-loop track diagram

未來(lái),“海燕”團(tuán)隊(duì)將不斷提升風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)雙航態(tài)水下滑翔機(jī)技術(shù)成熟度,增強(qiáng)其深遠(yuǎn)海高海況下的耐候性與生存性,進(jìn)一步明確任務(wù)場(chǎng)景,以持續(xù)提升風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)雙航態(tài)水下滑翔機(jī)新型平臺(tái)的實(shí)用性。

4 組網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

水下滑翔機(jī)等裝備協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)是目前快速發(fā)展的深海關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)海洋環(huán)境要素的復(fù)雜性以及時(shí)變特征,克服水下通信帶來(lái)的控制延遲難點(diǎn),“海燕”團(tuán)隊(duì)在水下滑翔機(jī)組網(wǎng)協(xié)同控制方面也取得了一定研究進(jìn)展。

文獻(xiàn)[48]回顧總結(jié)了潛水器組網(wǎng)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,包括協(xié)作觀測(cè)、協(xié)同組網(wǎng)和異構(gòu)潛水器組網(wǎng)等,重點(diǎn)介紹了我國(guó)“十三五”期間相關(guān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的最新海上試驗(yàn)進(jìn)展,并對(duì)相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,為后續(xù)我國(guó)無(wú)人水下航行器技術(shù)提升和海上組網(wǎng)應(yīng)用提供了科學(xué)思路和技術(shù)優(yōu)先發(fā)展方向的有益參考。

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的海洋觀測(cè)和探測(cè)任務(wù),Yang等[49]提出了一種基于人工勢(shì)場(chǎng)法的異構(gòu)控制系統(tǒng),其將水下航行器編隊(duì)系統(tǒng)視為一個(gè)多體系統(tǒng),利用人工勢(shì)場(chǎng)法和凱恩方法實(shí)現(xiàn)了水下滑翔機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,生成水下滑翔機(jī)編隊(duì)軌跡,并采用最小化原理將連續(xù)軌跡轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了水下滑翔機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。為了合理規(guī)劃水下滑翔機(jī)的組網(wǎng)布局,Xue 等[50]基于多體力學(xué)分析理論和人工勢(shì)場(chǎng)方法,考慮海洋流場(chǎng)和水下滑翔機(jī)能耗模型,針對(duì)水下滑翔機(jī)自主感知、自主控制、近實(shí)時(shí)通信及其運(yùn)動(dòng)耦合等工作特點(diǎn),提出了多層級(jí)水下滑翔機(jī)編隊(duì)協(xié)同控制模型,并設(shè)計(jì)了水下滑翔機(jī)編隊(duì)任務(wù)控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖16),最終通過(guò)數(shù)值分析和水域試驗(yàn),證明了該任務(wù)控制系統(tǒng)的可行性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋特征的時(shí)空同步觀測(cè)。

圖16 水下滑翔機(jī)多層級(jí)編隊(duì)協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.16 Architecture of the multi-level formation collaborative control system of underwater glides

此外,沈新蕊等[51]基于水下滑翔機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了其動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域的研究成果,概述了國(guó)內(nèi)外具有代表性的協(xié)作組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù),并且對(duì)傳感器設(shè)計(jì)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)格式與協(xié)議以及水下滑翔機(jī)功耗優(yōu)化等方面進(jìn)行了綜述。Li等[52]基于渦旋溫度異常場(chǎng)的參數(shù)化模型,利用不同配置的水下滑翔機(jī)觀測(cè)網(wǎng)采集中尺度渦三維結(jié)構(gòu)信息并進(jìn)行重構(gòu)的能力,進(jìn)行了數(shù)值仿真分析及海域試驗(yàn)驗(yàn)證,確定了協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)中水下滑翔機(jī)的最優(yōu)數(shù)目和最佳布局結(jié)構(gòu)。Li 等[53]基于“海燕-II”水下滑翔機(jī)觀測(cè)平臺(tái),對(duì)面向南海北部中尺度渦三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)的水下滑翔機(jī)觀測(cè)網(wǎng)有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,并通過(guò)分析組網(wǎng)中的水下滑翔機(jī)斷面觀測(cè)數(shù)據(jù),揭示了中尺度渦內(nèi)位勢(shì)溫度、鹽度及位勢(shì)密度異常垂直分布特征,就渦內(nèi)溶解氧、葉綠素及有色溶解有機(jī)物濃度的垂直分布進(jìn)行了討論分析,全面揭示了反氣旋中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)特征。Zhang 等[54]結(jié)合3 臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)在南海北部的定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù),采用經(jīng)驗(yàn)克里金(Kriging)方法重構(gòu)出了該區(qū)域的深度平均流場(chǎng),解釋了南海北部海洋流場(chǎng)的時(shí)空分布特征,為后續(xù)水下滑翔機(jī)的組網(wǎng)路徑規(guī)劃與實(shí)施決策提供了數(shù)據(jù)參考。此外,Zhang 等[55]采用改進(jìn)Kriging 插值方法進(jìn)行了海洋動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)重構(gòu),考慮采樣數(shù)據(jù)的離散性和非均勻特征,利用積合模型改進(jìn)Kriging插值時(shí)空變異函數(shù),根據(jù)7 臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)編隊(duì)組網(wǎng)觀測(cè)資料,重構(gòu)了三維溫鹽場(chǎng)和特征面,揭示了南海北部水團(tuán)溫鹽流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。針對(duì)異構(gòu)海洋滑翔機(jī)編隊(duì)及變換問(wèn)題,Ma 等[56]提出了一種基于離散信息并采用一致性算法的異構(gòu)多滑翔機(jī)編隊(duì)控制新算法,建立了其非線性離散水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,采用前向速度控制和縱向路徑跟蹤相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了無(wú)法直接獲得速度信息的異步通信編隊(duì)控制協(xié)議,并得到了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。在水下滑翔機(jī)組網(wǎng)穩(wěn)定性方面,張潤(rùn)鋒等[57]對(duì)強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下組網(wǎng)構(gòu)型穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,考慮水下滑翔機(jī)組網(wǎng)隊(duì)形動(dòng)態(tài)變化,提出了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的穩(wěn)定性評(píng)估方法,之后采用領(lǐng)導(dǎo)-跟隨者法建立了有無(wú)擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并對(duì)編隊(duì)構(gòu)型穩(wěn)定性進(jìn)行分析仿真,驗(yàn)證了不同編隊(duì)構(gòu)型的穩(wěn)定性,為水下滑翔機(jī)規(guī)?；M網(wǎng)提供了理論支撐。

5 海上試驗(yàn)應(yīng)用

5.1 傳感集成應(yīng)用

水下滑翔機(jī)作為一種新型海洋觀測(cè)與探測(cè)平臺(tái),以海洋現(xiàn)象觀測(cè)和目標(biāo)探測(cè)為目的,需要搭配相應(yīng)的任務(wù)傳感器,同時(shí)集成的任務(wù)傳感器還需要保證水下滑翔機(jī)低能耗、長(zhǎng)續(xù)航等的觀測(cè)與探測(cè)能力要求。因此,需要在水下滑翔機(jī)的體積、質(zhì)量和能耗等方面進(jìn)行適應(yīng)性集成和改進(jìn)。目前,如湍流傳感器、水聽(tīng)器、深海相機(jī)、電磁海流計(jì)(electromagnetic current,EMC)、溫鹽深儀(conductivity-temperature-depth,CTD)、多波束測(cè)深探測(cè)儀及全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)等多種傳感器已經(jīng)在“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)上實(shí)現(xiàn)了集成應(yīng)用。圖17 為集成有湍流傳感器、EMC 和CTD 的“海燕-L”水下滑翔機(jī)。

圖17 “海燕-L”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)Fig.17 Petrel-L long-range underwater glider

2013 年,Wang 等[58]基于天津大學(xué)與中海油田服務(wù)股份有限公司合作開(kāi)發(fā)的一艘深海自主式潛水器平臺(tái)相關(guān)任務(wù)傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,得出了TUCOS-I 型自主水下航行器的測(cè)量誤差來(lái)源。其傳感器的分布如圖18 所示,包括SBE49 型號(hào)的CTD、EM 2040(M)型號(hào)的多波束測(cè)深系統(tǒng)、超短基線(ultra short base line,USBL)應(yīng)答器、導(dǎo)航定位系統(tǒng)(navigation and positioning system,NPS)。建立的估計(jì)模型,為該水下航行器多波束測(cè)量誤差分析提供了一種簡(jiǎn)單可行的方法。這些工作對(duì)多波束測(cè)深探測(cè)儀系統(tǒng)的集成和提高測(cè)量精度給予一定的指導(dǎo)意義。

圖18 TUCOS-I 型自主水下航行器傳感器分布Fig.18 Sensors distribution of the TUCOS-I autonomous undersea vehicle

Li 等[59]開(kāi)發(fā)了一款集成有水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)“海燕-II”,并于2014 年7 月在丹江口水庫(kù)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。該水下滑翔機(jī)攜帶水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器,運(yùn)行平穩(wěn),為國(guó)家“南水北調(diào)”工程應(yīng)急水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了先進(jìn)平臺(tái)技術(shù)支持。

自由落體微結(jié)構(gòu)剖面儀(free-fall micro-structure profilers,FFMP)是測(cè)量海洋湍流微結(jié)構(gòu)的有效平臺(tái)之一?！昂Ｑ唷眻F(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了FFMP1000 湍流剖面儀,其前端集成有微結(jié)構(gòu)輪廓儀、剪切力傳感器、CTD 以及壓力傳感器等。Liu 等[60]通過(guò)采用流固耦合仿真和實(shí)船海上試驗(yàn),對(duì)FFMP 的振動(dòng)特性和機(jī)理進(jìn)行了研究,利用FFMP1000 型湍流剖面儀在黃海海域進(jìn)行了海上試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)FFMP1000在自由下落過(guò)程中存在一個(gè)0.14°小角度的復(fù)擺振蕩,并對(duì)于給定的船體形狀,以運(yùn)動(dòng)慣量、恢復(fù)力矩和下降速度為自變量,推導(dǎo)了預(yù)測(cè)船體振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度幅值的經(jīng)驗(yàn)公式。該公式可方便、有效地預(yù)測(cè)FFMP 的振動(dòng)頻率和加速度,甚至可以在初步設(shè)計(jì)階段計(jì)算FFMP 的低端檢測(cè)限,進(jìn)而為改進(jìn)FFMP 的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),具有集成于水下滑翔機(jī)等深海裝備平臺(tái)的應(yīng)用前景。

Ma 等[61]通過(guò)在水下滑翔機(jī)上集成電磁速度傳感器,優(yōu)化電磁式速度傳感器布置位置和距離,得到了能更準(zhǔn)確地反映水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)行為的水動(dòng)力參數(shù)。在2016 年8 月—2017 年9 月,集成有EVS(enhanced vision system)、GPCTD(glider payload CTD)、TCM 3 型數(shù)字羅盤的“海燕-II”水下滑翔機(jī)在中國(guó)南海進(jìn)行了海上試驗(yàn),共完成了156 次下潛,最深達(dá)1 000 m。針對(duì)不同俯仰角,水下滑翔機(jī)收集了大量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù),為其垂向速度的計(jì)算及其理論研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

此外,水下滑翔機(jī)還具有對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序大范圍的觀測(cè)能力。尹云龍等[62]開(kāi)展了水聽(tīng)器與“海燕”水下滑翔機(jī)的集成應(yīng)用研究,結(jié)合CFD 仿真,優(yōu)化了水聽(tīng)器在水下滑翔機(jī)本體的安裝位置,并于2019 年在南海試驗(yàn)過(guò)程中取得了大量聲學(xué)數(shù)據(jù)。

目前,任務(wù)傳感器設(shè)計(jì)與集成技術(shù)發(fā)展迅速,“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與水聽(tīng)器、深海相機(jī)、CTD、湍流儀、流速計(jì)和磁力儀等聲光電磁和重力等小型低功耗傳感器的集成,廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境參數(shù)的觀測(cè)與探測(cè)等海上試驗(yàn)研究任務(wù),效果顯著。

5.2 科學(xué)觀測(cè)應(yīng)用

水下滑翔機(jī)搭載多類型的任務(wù)傳感器,在眾多的海洋觀測(cè)與探測(cè)平臺(tái)中,具有重要優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。水下滑翔機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航、大范圍和自主性等特點(diǎn)在科學(xué)觀測(cè)中被充分證明,與其他觀測(cè)手段的互補(bǔ)使用,可使針對(duì)海洋現(xiàn)象的觀測(cè)立體化、精細(xì)化。楊紹瓊等[63]從水下滑翔機(jī)發(fā)展歷程、運(yùn)行方式以及專用傳感器三部分出發(fā),結(jié)合國(guó)內(nèi)外海洋學(xué)綜述文獻(xiàn),重點(diǎn)對(duì)水下滑翔機(jī)觀測(cè)典型海洋現(xiàn)象(包括中尺度渦、內(nèi)波、海洋鋒面及聲學(xué)等)的應(yīng)用進(jìn)行了綜述總結(jié)。

水下導(dǎo)航定位精度的提高對(duì)于水下滑翔機(jī)完成海洋環(huán)境觀測(cè)與相關(guān)目標(biāo)探測(cè)等任務(wù)至關(guān)重要。吳尚尚等[64]研究歸納了水下導(dǎo)航技術(shù)原理、分類以及常用算法,綜述了水下滑翔機(jī)導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,探討了水下滑翔機(jī)冰下導(dǎo)航的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。在觀測(cè)過(guò)程中,水下滑翔機(jī)還容易受到海流等因素影響發(fā)生航向偏離,針對(duì)理論出水位置和實(shí)際出水位置偏離的問(wèn)題,何柏巖等[65]提出了基于變分模態(tài)分解(variational mode decomposition,VMD)和LSSVM方法的深平均流預(yù)測(cè)模型,可指導(dǎo)水下滑翔機(jī)進(jìn)行有效航向修正和局部路徑規(guī)劃。

湍流是發(fā)生在各類流體中的普遍現(xiàn)象,海洋湍流對(duì)海洋中的動(dòng)量、熱量以及物質(zhì)的擴(kuò)散,對(duì)海洋中物質(zhì)和能量的輸運(yùn),以及全球氣候變化都有著重要的影響。近年來(lái),隨著海洋湍流的相關(guān)理論和技術(shù)不斷發(fā)展,海洋湍流混合觀測(cè)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)入了一個(gè)新的研究階段。Liu 等[66]使用“海燕-湍流”水下滑翔機(jī)研究了海洋湍動(dòng)能耗散率與時(shí)變的滑翔參數(shù)之間的關(guān)系,建立了基于模擬退火算法的滑翔參數(shù)模型,并在127 d 的湍流觀測(cè)海上試驗(yàn)中獲取了準(zhǔn)確的滑翔參數(shù),校正了水下滑翔機(jī)在下潛和上浮剖面的耗散率測(cè)量誤差,為減少不確定性因素對(duì)水下滑翔機(jī)湍流微結(jié)構(gòu)觀測(cè)研究的影響提供了一種有效方法。圖19 為該次試驗(yàn)回收現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖19 “海燕-湍流”水下滑翔機(jī)為期127 d 湍流觀測(cè)海上試驗(yàn)任務(wù)的布放與回收現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.19 Petrel-turbulence underwater glider deployment and recovery of its 127-day marine turbulence observation mission

Wang 等[67]提出了一種懸臂和壓電陶瓷片的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,為了驗(yàn)證該剪切探針傳感器的實(shí)用性,研制了一種用于攜帶剪切探針測(cè)量海洋剪切速度的海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀。2010 年11 月—2011年1 月,該剖面儀歷經(jīng)50 d 的巡航,測(cè)量了西太平洋的湍流。馬偉等[68]以團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的翼型剪切流傳感器為核心測(cè)量單元,開(kāi)發(fā)了面向海洋微結(jié)構(gòu)湍流測(cè)量的水下滑翔機(jī)系統(tǒng),并于2015 年2 月在中國(guó)南海進(jìn)行了海試測(cè)試,獲得了南海春季200 m 以淺剖面的湍流動(dòng)能耗散率分布情況。

內(nèi)孤立波(internal solitary waves,ISW)是海洋(特別在南海)中經(jīng)常能夠觀測(cè)到的現(xiàn)象,它們攜帶有巨大的能量,并在傳播過(guò)程中保持形狀和速度。ISW 會(huì)引起海水嚴(yán)重的垂向混合,對(duì)海洋能量輸送和海洋環(huán)流產(chǎn)生重要影響,并進(jìn)一步影響聲傳播和海洋設(shè)備的安全。研究如何科學(xué)觀測(cè)ISW 并獲得研究數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行海洋科學(xué)發(fā)展具有重要意義。2017 年8 月,Ma 等[69]利用“海燕-II”水下滑翔機(jī)在南海北方開(kāi)展了ISW 觀測(cè)活動(dòng)。一般情況下,在呂宋海峽產(chǎn)生的向西傳播的內(nèi)波會(huì)變陡,并演變成大振幅的ISW,可以在衛(wèi)星圖像中識(shí)別。在對(duì)中等分辨率成像分光儀真彩色圖像分析的基礎(chǔ)上,利用內(nèi)波效應(yīng)驗(yàn)證了溫鹽起伏的存在。同時(shí)采用水下滑翔機(jī)模型計(jì)算了其垂直速度,估計(jì)得到了ISW 的特征。Ma 等[70]利用水下滑翔機(jī)搭載聲學(xué)多普勒雙海流剖面儀測(cè)量了南海海域的流速,并將其應(yīng)用于南海北方ISW 的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。2017 年8 月,“海燕-II”水下滑翔機(jī)在南海北部海上試驗(yàn)時(shí)捕捉到了一個(gè)典型ISW,并通過(guò)分析海水溫度和水下滑翔機(jī)垂直速度的波動(dòng)特征進(jìn)行了確認(rèn)。

中尺度渦是一種普遍存在的中尺度海洋現(xiàn)象,通常指時(shí)間尺度為幾天至幾個(gè)月、空間尺度達(dá)到幾百公里甚至上千公里的封閉式渦旋,對(duì)海洋環(huán)境中的溫鹽輸運(yùn)、能量傳遞、浮游生物的濃度及海洋氣候等具有較大影響。目前在太平洋、大西洋等海域進(jìn)行的大量面向該現(xiàn)象的海上試驗(yàn)充分驗(yàn)證了水下滑翔機(jī)對(duì)其觀測(cè)的適用性。Li 等[71]利用“海燕”水下滑翔機(jī)在南海對(duì)中尺度渦進(jìn)行了精細(xì)化觀測(cè),4 臺(tái)“海燕”沿著東北-西南方向穿過(guò)渦旋,得到了其垂直方向的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),采用復(fù)合分析的方法在以渦心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中構(gòu)建了反氣旋渦旋的三維結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示,該渦旋溫度影響深度達(dá)700 m、鹽度影響深度達(dá)300 m。

溫度和鹽度是重要的海洋動(dòng)力環(huán)境水文要素,在水團(tuán)劃分以及海洋環(huán)流研究過(guò)程中起著重要作用。此外,溶解氧的分布也是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,在一定程度上可以反映海水中的生物活動(dòng)和物理化學(xué)過(guò)程。楊紹瓊等[72]采用在2019 年夏季中國(guó)第10 次北極科學(xué)考察中使用的3 臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)在北極海域組網(wǎng)觀測(cè)得到的溫度、鹽度和溶解氧數(shù)據(jù),對(duì)北極白令海海盆區(qū)水團(tuán)分類、溫度和溶解氧分布特征等進(jìn)行了分析研究,觀測(cè)結(jié)果如圖20 所示,為我國(guó)認(rèn)識(shí)極地、探索極地提供了新的應(yīng)用示范。

圖20 2019 年夏季中國(guó)第10 次北極科學(xué)考察中“海燕”水下滑翔機(jī)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)垂直斷面溫度分布Fig.20 Vertical distribution of temperature observed by Petrel underwater gliders in the summer of 2019,China’s tenth Arctic scientific expedition

6 結(jié)束語(yǔ)

作為執(zhí)行海洋觀測(cè)與探測(cè)等任務(wù)的重要工具之一,“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展受到國(guó)家部委等重點(diǎn)支持,近幾年得到快速發(fā)展。為了滿足我國(guó)海洋科學(xué)研究、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋災(zāi)害預(yù)防等需求,近年來(lái)“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)在外形設(shè)計(jì)、耐壓主體設(shè)計(jì)、浮力驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)、能源捕獲與利用、協(xié)同組網(wǎng)和任務(wù)傳感器集成應(yīng)用等方面均取得了重要進(jìn)展,并開(kāi)展了大量的海上試驗(yàn)應(yīng)用。

而隨著新一代信息技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用,數(shù)字孿生為復(fù)雜裝備系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)與全生命周期智能運(yùn)維提供了新的技術(shù)手段。當(dāng)前“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展主要有兩大挑戰(zhàn): 1) 海洋觀測(cè)與探測(cè)任務(wù)的日益多樣化發(fā)展趨勢(shì),對(duì)工作深度、續(xù)航里程及任務(wù)負(fù)載等多維度、多層次、多學(xué)科的譜系化水下滑翔機(jī)系統(tǒng)的快速智能化設(shè)計(jì)提出了更高的要求;2) 復(fù)雜多變的海洋環(huán)境存在著海流、生物污損及腐蝕等多源不確定性,為長(zhǎng)續(xù)航下水下滑翔機(jī)系統(tǒng)的全生命周期管理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)?；凇昂Ｑ唷眻F(tuán)隊(duì)多年的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新與工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),Yang 等[3]提出了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展框架(見(jiàn)圖21),并將其分為“數(shù)字模型”、“設(shè)計(jì)優(yōu)化”、“虛擬驗(yàn)證”和“工程應(yīng)用”等4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),為“海燕”號(hào)譜系化水下滑翔機(jī)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程指明了發(fā)展方向,也為我國(guó)其他深海裝備與技術(shù)的產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化提供了一定的借鑒。

圖21 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的快速個(gè)性化設(shè)計(jì)和全生命周期體系結(jié)構(gòu)水下滑翔機(jī)管理框架Fig.21 Architecture of Digital twin-driven rapid individualized design and full lifecycle management of underwater gliders

未來(lái),隨著水下滑翔機(jī)等深海智能裝備平臺(tái)繼續(xù)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海,其探索能力不斷增強(qiáng),也必然會(huì)面臨更多的技術(shù)難題和未知挑戰(zhàn),“海燕”團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開(kāi)展系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),堅(jiān)持為國(guó)家海洋事業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做好服務(wù)。

致謝 感謝編輯部邀稿及專家辛勤審稿,天津大學(xué)深海智能裝備“海燕”團(tuán)隊(duì)發(fā)展剛逾二十載,感謝國(guó)家大力支持,同仁鼎力相助,團(tuán)隊(duì)潛心攻關(guān),又喜逢《水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊三十周年慶,謹(jǐn)以此文,同賀共進(jìn)步。