潛空跨介質(zhì)無人航行器研究現(xiàn)狀與分析

周 正，黃大志，唐雯鎧，周弘駿

（江蘇海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222000）

潛空跨介質(zhì)無人航行器是一種不僅可以在空中飛行而且可以在水下潛行，還可以完成多次跨介質(zhì)運(yùn)動的無人航行器。但是由于水體環(huán)境和空氣環(huán)境存在很大的差異，能夠同時滿足在2 種介質(zhì)中運(yùn)動并非易事。自20 世紀(jì)30 年代提出飛行潛艇設(shè)計(jì)理念以來，各國研究人員把目光投向潛空跨介質(zhì)無人航行器的研發(fā)，取得了相當(dāng)可觀的成果。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

2016 年，奧克蘭大學(xué)研發(fā)了一款名為“Loon Copter”的潛空跨介質(zhì)無人航行器，如圖1 所示[1]。其內(nèi)部搭載儲水艙用以調(diào)節(jié)航行器重量實(shí)現(xiàn)下潛與上浮，吸水下潛時，航行器通過所設(shè)計(jì)的壓載系統(tǒng)重心不斷左移，直到機(jī)身達(dá)到90°狀態(tài)，然后由4 個螺旋槳推進(jìn)實(shí)現(xiàn)水中的航行，空中的控制策略則是與四旋翼飛行器類似[1]。

圖1 “Loon copter”

2019 年，倫敦帝國理工學(xué)院公布了一款通過化學(xué)反應(yīng)獲得動力的潛空跨介質(zhì)無人航行器，如圖2 所示[2]。其從周圍水環(huán)境中抽取少量的水注入一個裝有電石粉（CaC2）的容器中，水與電石粉發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生乙炔氣體，乙炔氣體溢出到燃燒室中被電弧點(diǎn)燃。該反應(yīng)是高度放熱的，腔室中溫度和壓力迅速增加，迫使反應(yīng)所產(chǎn)生的水通過噴嘴離開燃燒室，產(chǎn)生離開水面所需的推力，每次僅消耗53 mg 的電石粉即可將160 g 的航行器噴射出水面[2]。

圖2 倫敦帝國理工航行器

2021 年，瑞士蘇黎世理工學(xué)院公布了一款名為“Dipper”的潛空跨介質(zhì)無人航行器，如圖3 所示[3]。該航行器在很大程度上受到了諸如塘鵝之類潛水鳥的啟發(fā)，從空中入水的過程中，機(jī)翼會像潛水鳥的翼一樣向后折疊，減小入水時的沖擊力，水下航行時機(jī)翼也保持折疊狀態(tài)。該航行器擁有空氣螺旋槳和水下螺旋槳2 種推進(jìn)裝置，為了減輕機(jī)身的重量和體積，其并沒有使用2 個單獨(dú)的電機(jī)。在單個電機(jī)系統(tǒng)中，分別在電機(jī)兩端各加裝一個離合器就能夠獨(dú)立地控制水下螺旋槳和空氣螺旋槳[3]。

圖3 “Dipper”

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2015 年，北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一款仿鰹鳥潛空兩棲跨介質(zhì)航行器，如圖4 所示[4]。該航行器在機(jī)身最前端設(shè)置了空中推進(jìn)器，是一對同軸反轉(zhuǎn)螺旋槳，可以提供足夠的動力將航行器推出水面，其水下推進(jìn)器則是設(shè)置在航行器的末端。該航行器還設(shè)計(jì)了一個氣球直立系統(tǒng)，系統(tǒng)配備了4 個氣球、1 個用于充氣和放氣的氣泵，通過對氣球的充氣和放氣改變航行器的平均密度，從而實(shí)現(xiàn)潛水、上浮和姿態(tài)調(diào)整。新一代仿鰹鳥水空兩棲跨介質(zhì)航行器還是沿襲了上一代“飛魚”航行器的可變后掠翼結(jié)構(gòu)[4]。

圖4 仿鰹鳥航行器

2022 年，上海交通大學(xué)發(fā)布了一款旋翼、固定翼與水下滑翔機(jī)相結(jié)合的潛空跨介質(zhì)無人航行器“哪吒III”，如圖5 所示[5]?？罩酗w行和懸停通過4 個旋翼和固定翼來實(shí)現(xiàn)，水下航行通過基于活塞的浮力控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其水下航行的原理是，當(dāng)航行器降落在水面，活塞向內(nèi)拉動，浮力降低，航行器以俯沖姿態(tài)下沉；到達(dá)水下一定位置時，活塞向外拉動，浮力提高，航行器上??；航行器一直在鋸齒路徑中滑行，直到完成水下任務(wù)為止，滑行路徑如圖6 所示。這種高效且低功耗的水下推進(jìn)裝置極大地增加了航行器的航程[5]。上海交通大學(xué)還研發(fā)了“哪吒IV號”“哪吒-Mini”等潛空跨介質(zhì)無人航行器。

圖5 “哪吒III”

圖6 水下運(yùn)動軌跡

2 研究難點(diǎn)

2.1 能量來源

潛空跨介質(zhì)無人航行器需要在水下航行，水下環(huán)境無法提供氧氣，所以不能使用傳統(tǒng)的燃料作為能量來源。早期的水下無人航行器以鉛酸電池作為動力源，后來鉛酸電池因?yàn)槟芰棵芏鹊?、充電困難、質(zhì)量大等缺點(diǎn)，不再用作水下無人航行器的動力源，后面所發(fā)展的銀鋅電池也因?yàn)槌杀靖叱潆娐仍驔]有被廣泛使用[6]。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在潛空跨介質(zhì)無人航行器運(yùn)用最多的能量來源。另一方面，燃料電池具有極高的能量密度、不受卡諾循環(huán)限制的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率以及安靜特性，有望作為一種可以替代鋰離子電池的潛在能源，將顯著提升水下運(yùn)動的航程和工作時間[7]。目前已用于水下航行器的燃料電池有質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池和固體氧化物燃料電池等。

表1 水下航行器使用的電池類型特性比較

2.2 水空跨越問題

潛空跨介質(zhì)無人航行器在空中飛行、水下潛航時與無人飛行器和水下航行器并無差別，核心問題就在于由水到空和由空入水跨介質(zhì)的過程。航行器在水空混合交替反復(fù)的運(yùn)動中，伴隨著力和力矩突變、氣液擾動及復(fù)雜的碰撞現(xiàn)象。這種多耦合、非線性、強(qiáng)擾動的物理過程會對航行器控制造成不利影響，從而嚴(yán)重制約介質(zhì)跨越后航行器空中飛行、水下潛航的穩(wěn)定性。從目前公布的樣機(jī)來看，入水方式主要分為旋翼式航行器垂直降落和固定翼式航行器變體濺落，然后通過浮力調(diào)節(jié)裝置或者推進(jìn)器帶動入水。濺落雖然速度較快，但是對航行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊能力要求較高。出水方式主要分為高壓氣體助力起飛、水面滑跑起飛和螺旋槳垂直起飛。螺旋槳起飛通常要通過一些浮力調(diào)節(jié)裝置調(diào)整航行器的姿態(tài)，使螺旋槳離開水面，以便給航行器更好地提供動力。加之出水過程還會受到水面風(fēng)浪影響，進(jìn)一步增加了出水過程的隨機(jī)性和不可控性。相對而言，出水難度比入水難度更大。因此，跨介質(zhì)航行器水空一體化控制器設(shè)計(jì)需要作為水空跨越的關(guān)鍵問題深入研究分析。

2.3 通信技術(shù)

潛空跨介質(zhì)無人航行器應(yīng)該具備與地面控制端實(shí)時信息交互的能力。由于空氣介質(zhì)和水介質(zhì)存在巨大差異，空中和水下的通信方式存在很大不同。空氣介質(zhì)以無線電通信為主，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。水介質(zhì)對電磁波的衰減使得水下無線通信受到了極大的限制，水下多采用線纜通信或者水聲通信。線纜不符合飛行要求，只能通過水聲通信的方式進(jìn)行操控?？紤]到航行器的輕量化設(shè)計(jì)，研究微小型化的水聲通信設(shè)備是未來實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離高速通信的關(guān)鍵。

3 未來應(yīng)用

3.1 民用方面

潛空跨介質(zhì)無人航行器可應(yīng)用于災(zāi)情監(jiān)測、水文取樣、環(huán)境檢測和橋梁檢修等多個領(lǐng)域。其同時具備水中航行和空中飛行2 種能力，與單介質(zhì)航行器相比，響應(yīng)更快速，作業(yè)范圍更廣，適應(yīng)能力更強(qiáng)。圖7 為國外研究人員描繪成群的“AqualMAV”潛空跨介質(zhì)無人航行器檢測海上有毒物質(zhì)泄露的設(shè)想圖[8]。

圖7 成群的“AqualMAV”檢測海上有毒物質(zhì)泄露

3.2 軍用方面

在信息化戰(zhàn)爭時代，智能無人設(shè)備已經(jīng)廣泛運(yùn)用在戰(zhàn)場偵察、信息收集和數(shù)據(jù)分析等方面[9]。潛空跨介質(zhì)無人航行器的任務(wù)范圍涉及空氣和水2 種介質(zhì)，偵察監(jiān)視和覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一介質(zhì)航行器。因?yàn)槠涮匦允蛊渚邆涑掷m(xù)收集水聲信號、電磁信號、光電圖像等情報數(shù)據(jù)的能力，可應(yīng)用于爆炸物和生化武器的搜索定位、水下預(yù)警等多種任務(wù)場景[10]。潛空跨介質(zhì)無人航行器還可以向低成本集群作戰(zhàn)方向發(fā)展，利用其空中飛行速度快、水下航行隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過艦船或者潛艇釋放幾十架甚至數(shù)百架潛伏于水面之下，時機(jī)成熟后從水下升空迅速向敵人發(fā)起自殺式襲擊，以雷達(dá)和武器作為首要攻擊目標(biāo)，給予敵人沉重打擊。

4 結(jié)束語

本文介紹了近年國內(nèi)外潛空跨介質(zhì)無人航行器現(xiàn)有的研究成果，分析了研究過程中存在的一些技術(shù)難點(diǎn)。潛空跨介質(zhì)無人航行器有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ壳爸挥袠O少數(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了真正意義上可以多次跨越水空介質(zhì)的航行器。水下無線通信、跨介質(zhì)控制算法和續(xù)航時間等問題會是未來發(fā)展的重點(diǎn)。