1.1 常規UG
最早的UG是由Teledyne Webb Research (TWR)公司於1991年研製成功的Slocum[17]。該UG經多年不斷完善, 已成為當前應用最為廣泛的UG產品之一。1999年美國Scripps和Woods Hole海洋研究所共同研製成功Spray, 其工作深度可達1 500 m[18]。同年, 美國華盛頓大學研製成功Seaglider, 其採用新型技術的耐壓殼體減小浮力改變量, 可有效節省能源[19]。目前, Slocum、Spray和Seaglider是國際上的主流UG產品[20]。近年來, 美國Exocetus公司還研發了用於淺海觀測任務的ANT Littoral Glider和Exocetus Coastal Glider, 與其他UG相比, 其運行速度性能優勢明顯[21]。國際上, 當前典型常規UG如圖1所示, 其相應主要技術指標見表1。
(a) Slocum
(b) Spray
(c) Seaglider
(d) Littoral Glider
圖1 常規水下滑翔機
Fig.1 Conventional underwater glider
表1 典型常規水下滑翔機主要技術指標
Table 1 Major technical parameters of typical conventional underwater glider
名稱
國家
主要性能參數
Slocum
美國
機身: 1.5~2 m 直徑: 0.22 m
翼展: 1.01 m 淨重: 52 kg
平均水平速度: 0.35 m/s
下潛深度: 30 m/50 m/100 m/200 m /350 m/1 000 m級
設計航程: 600~1 500 km, 15~50天, 鋰電池續航4 000~6 000 km, 4~12個月; 1 000 m級持續運行時間: 最短22天, 最長360天
Spray
美國
機身: 2 m 直徑: 0.2 m
翼展: 1.1 m 淨重: 51.8 kg
設計航程: 4 800 km
運行速度: 0.19~0.25 m/s
最大下潛深度: 1 500 m
Seaglider
美國
機身: 1.8~2 m直徑: 0.3 m
淨重: 52 kg
平均水平速度: 0.2~0.3 m/s
工作深度: 200 m/1 000 m/6 000 m
設計航程: 4 600 km
鋰離子電池續航2個月，一次鋰電池續航約10個月
Littoral Glider
美國
機身: 2 .87 m 直徑: 0.32 m
翼展: 2 m 淨重: 120 kg
最大下潛深度: 200 m
Exocetus Coastal Glider
美國
機身: 2.87 m(含天線)
直徑: 0.324 m 淨重: 109 kg
鋰電池續航約60天, 鹼性電池約14天;
最大速度: 1 m/s
1.2 多模式混合推進UG
針對UG運動速度慢、抗流能力相對較弱的問題, Bachmayer等[22]首次提出了"Hybrid Glider"的概念。經過近20年發展, 混合推進水下滑翔機(hybrid-driven underwater gliders, HUG)平臺技術逐漸成熟。國外已達到實用水平和商品化的HUG, 包括法國研發的Sea Explorer[23]、Sterne[24]和北約研製的Folaga[25]。它們均在UG的尾部加裝螺旋槳推進器, 實現多模式混合推進。
我國在HUG研發方面與國際基本同步, 也取得了關鍵性技術突破。天津大學經多年研發, 完成了HUG "海燕-II"(Petrel-II)的研製, 在工作深度、航行速度方面具有一定優勢[26-27]。同時, 中國科學院瀋陽自動化研究所也開展了HUG的單元技術攻關, 部分關鍵技術獲得突破。當前國內外典型HUG如圖2所示, 相應主要技術指標見表2。
(a) Sea Explorer
(b) Sterne
(c) Folaga
(d) Petrel-Ⅱ
圖2 典型的混合推進水下滑翔機
Fig. 2 Typical hybrid-driven underwater glider(HUG)
表2 HUG主要技術指標
Table 2 Major technical parameters of HUG
名稱
國家
主要性能參數
Sea Explorer
法國
機身: 2 m 直徑: 0.25 m
天線: 0.7 m, 可摺疊
翼展: 0.565 m 淨重: 59 kg
體積變化: ±500 mL
最大水平速度: 1 m/s
負載: 8 kg 下潛深度: 700 m
航程: 1 300 km(64天)/
3 200 km(160天)
Sterne
法國
機身: 4.5 m 外徑: 0.6 m
淨重: 990 kg 航程: 120 mile
滑翔速度: 1.3 m/s
推進速度: 1.8 m/s
Folaga
北約
機身: 2 m 直徑: 0.14 m
淨重: 30 kg
最大水平速度: 1 m/s
負載: 8 kg
下潛深度: 100 m
Petrel-Ⅱ
中國
機身: 1.8 m 直徑: 0.3 m
淨重: 70~100 kg
工作深度: 200~1 500 m
航程: 數千公裡, 連續工作時間數個月, 具備獨立在水下全天候工作的能力
1.3 深海UG
美國華盛頓大學為突破UG深度極限, 通過採用碳纖維複合材料耐壓殼體, 研製出了用於監測深海環境的大深度UG——Deep Glider, 其設計工作深度6 000 m, 可搭載溫度、鹽度和溶解氧等多種任務傳感器[28], 並實現了工作深度近6 000 m的實際應用。
國內, 中國科學院瀋陽自動化研究所於2017年研製成功7 000 m級「海翼」深海UG, 並在馬裡亞納海溝完成了6 329 m大深度下潛試驗[29]。青島海洋科學與技術國家實驗室自2016年實施「問海計劃」項目, 支持天津大學和中國船舶重工集團公司第710研究所等多家單位進行4 000 m級深海UG關鍵技術攻關, 已研發完成的深海UG 4 000 m級樣機於2018年4月成功開展系列化的海上試驗驗證。同期, 天津大學的「海燕-10000」首次下潛至8 213 m, 刷新了此前也是由我國深海UG保持的世界紀錄。當前國內外部分深海UG如圖3所示, 相應主要技術指標在表3中列出。
(a) Deep glider
(b) 海翼-7000
圖3 深海UG
Fig.3 Deep-sea UGs
表3 深海UG主要技術指標
Table 3 Major technical parameters of deep-sea UGs
名稱
國家
主要性能參數
Deep Glider
美國
機身: 1.8 m 淨重: 62 kg
浮力調節量: 3.5 L
下潛深度: 6 km
航程: 10 000 km
續航工作18個月
海翼-7000
(Sea-Wing7000)
中國
機身: 3.3 m 翼展: 1.5 m
淨重: 140 kg
最大下潛深度: 6 329 m
1.4 飛翼UG
美國Scripps海洋學研究所和華盛頓大學聯合在2003年開發了Liberdade級翼身融合大型UG[30]。該類UG分為聲學滑翔機X-Ray和Z-Ray, 是世界上已知體積和質量最大的UG[31]。
1) X-Ray
X-Ray是一種基於"飛翼"設計的UG, 其整體結構如圖4所示。X-Ray翼身融合, 設計獨特, 可實現翼展水平距離最大化和功率消耗最小化, 最大限度地提高其探測和定位能力, 並在蒙特利灣開展了相關的海試應用[32]。
圖4 X-Ray水下滑翔機
Fig. 4 X-Ray underwater glider
2) Z-Ray
Z-Ray是X-Ray的改進型, 搭載有聲學傳感器, 其主要功能是跟蹤和自動識別海洋哺乳動物[33]。Z-Ray升阻比為35: 1, 具有良好的姿態控制和航行能力, 目前已應用於聖地牙哥海底被動聲學自主監測海洋哺乳動物計劃(passive acoustic autonomous monitoring of marine mammals program), 如圖5所示。
圖5 Z-Ray水下滑翔機
Fig. 5 Z-Ray underwater glider
美國X-Ray和Z-Ray兩型號翼身融合設計的UG, 與傳統UG相比融合了展弦比大的機翼, 可提供更高的升阻比, 並提升能源利用效率, 但降低了內部空間利用率。因此, 在提高UG水動力性能的基礎上, 儘可能地增加內部空間, 是翼身融合UG的設計難點和需要突破的技術方向。
在國內, 孫春亞等[34]針對翼身融合UG的設計難點, 以最大航程為目標對UG外形設計進行優化, 提高了UG的升阻比並增大了機體體積, 兼顧了高水動力性能和大能源攜帶量兩方面的需求; 何衍儒等[35]使用非支配排序多目標遺傳算法對翼身融合UG機身結構進行了質量和外形的多目標設計優化, 其結果對翼身融合UG機身結構優化設計具有一定工程參考價值。
1.5 溫差能UG
溫差能驅動UG是指利用水域表層與深層的溫度差實現動力驅動功能。美國TWR公司是國外唯一開展溫差能UG的研究機構, 已完成了4代樣機的研製[36]。其於1988年研製出世界首臺溫差能驅動UG原理樣機, 通過水域試驗驗證了溫差能UG方案的可行性[3]; 於2005年研製成功了具備連續俘獲海洋溫差能, 執行遠航任務能力的第2代Slocum Thermal WT01[37]; 2008年, 第3代Slocum Thermal研製成功, 其溫差能換熱器性能有了較大提升, 換熱器基本定型[38]; 並於2013年研製成功了第4代Slocum Thermal E-Twin溫差能驅動UG, 其具有將溫差能轉化為電能的功能, 可為主控等耗電系統供電, 且不受自身攜帶電池能量的限制[39](見圖6)。
(a) Slocum Thermal
(b) Slocum WT01
(c) Thermal-Drake/
Thermal-Cook
(d) Thermal Glider E Twin
圖6 4代Slocum溫差能水下滑翔機
Fig. 6 Four generations of Slocum underwater glider
國內, 天津大學自2002年開始進行溫差能驅動UG的關鍵技術攻關。2005年7月, 其溫差能UG在千島湖進行水域試驗, 完成了25個剖面運動後回收[40-41]。2006年, 王樹新等[6]對此溫差能UG進行了動力學分析, 為溫差能UG技術的進一步發展提供了理論支撐。目前, 天津大學已開發出溫差能UG的工程樣機, 並在2015年實現了連續700餘公裡, 200餘剖面的海上應用。
溫差能UG利用相變材料(phase change material, PCM)的熱脹冷縮獲取海洋熱能, 並將其轉化為機械能或電能, 以實現浮力驅動。其中相變材料對周圍海水溫度變化敏感, 可通過增加位移和降低UG滑翔角的絕對值來消除主溫躍層對熱機性能的負面影響並提高UG的相關性能[42-44]。Xia等[45]分析了PCM熔化凝固的新型數學模型, 驗證了熔融率與膠囊過冷度的影響因素, 其研究結果為溫差能UG的設計提供了有用信息。在熱機的基本原理上, Ma等[46]建立了系統壓力與相變率之間關係的非線性模型, 綜合分析了影響系統壓力和儲能的因素。此外, Zhang等[47]還介紹了一種獨特的層間熱機, 其可有效提高溫差能UG的換熱效率。
1.6 波浪滑翔機
嚴格來說, 波浪滑翔機(wave glider)利用波浪能實現驅動, 只能完成水面表層觀測, 但其彌補了傳統UG信息採集的盲區, 是對採用傳統運動原理UG作業區域的補充, 是一種特殊的UG。波浪滑翔機最早由美國Liquid Robotics公司於2009年成功研發, 命名為Red Flash, 並完成了一系列海上試驗[48]。2011~2013年, 該型波浪滑翔機穿越太平洋, 打破了「無人船」最遠航程的世界紀錄。Red Flash波浪滑翔機由水面船和水下滑翔動力機構兩部分組成, 其整體結構如圖7所示。
圖7 波浪滑翔機
Fig. 7 Wave glider
我國對于波浪滑翔機的研究起步較晚。為增強我國海洋探索能力, 中國船舶重工集團公司第710研究所於2017年成功研製出了具有國際技術水平的波浪滑翔機「海鰩」, 並於同年6月成功海試, 見圖8。同期, 桑宏強等[49]共同參與的大型「黑珍珠」和小型「海哨兵」波浪滑翔機也研製成功並通過海試, 目前可小批量生產。
圖8 「海鰩」波浪滑翔機
Fig. 8 「Sea Ray」 Wave glider