水下滑翔機水動力外形研究綜述

李志偉，崔維成

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

1 引 言

據美國國家地理網站報道[1]，2012年3月26日，美國導演卡梅隆已經駕駛其請人秘密研制的單人深潛器“深海挑戰者（DEEPSEA CHALLENGE）”號，見圖1，成功下潛至世界海洋的最深處—馬里亞納海溝的挑戰者海淵底部，最大下潛深度10 898 m。事實上，卡梅隆并不是唯一一個夢想著潛入海洋最深處的探險家。美國探險家Steve Fossett也在2005年曾委托豪克思海洋技術公司 （Hawkes Ocean Technologies，簡稱H.O.T）[2]幫他設計制造能到達全海深的兩座位的Deep Flight Challenger（DFC）號載人潛水器，見圖2。由于Steve Fossett在2007年9月駕機探險過程中意外身亡，DFC潛水器的設計制造工作由于資金中斷而停滯過一段時間，但在2010年，另一位探險家Chris Welsh獲得英國實業巨頭理查德·布蘭森（Richard Branson）的資金支持，使得該項目得以繼續。他們兩人現計劃于2012年沖刺大西洋最深海溝—波多黎各海溝[3]。

圖1 “深海挑戰者”號載人潛水器 Fig.1 Deepsea Challenger

圖2 H.O.T公司的DFC概念圖Fig.2 Conceptual painting of DFC

這兩種類型的載人潛水器與目前國際上著名的第二代科學作業型載人潛水器[4]有明顯的不同，主要區別有兩個方面：（1）通過減人的辦法來回避大載人艙制造的困難，如卡梅隆的單人載人艙，內直徑只有1.1 m，采用普通的高強度鋼就可以制造。（2）顯著提高下潛上浮速度。第二代載人潛水器的下潛上浮速度一般在1～2 Kn之間，我國的“蛟龍”號的平均速度是1.5 Kn。如果以這樣的速度下潛到挑戰者深淵，則需要4小時，來回就要8小時，這樣在海底的工作時間就很短了，下潛一次的經濟性就變差。目前比較希望的海底工作時間是6小時，因此，下潛上浮的時間最好能控制在4小時之內。這有兩種辦法來實現，如繼續使用無動力下潛上浮的原理，則用魚雷的外形來提高速度。另一種手段是把水下滑翔的原理引入載人潛水器，用較少的動力實現較高速度的航行。“深海挑戰者”號采用了第一種方式，初始下潛速度是4.5 Kn，接近海底時1.5 Kn。初始上浮速度5.7 Kn，靠近水面時降到4.8 Kn，平均上浮速度約5 Kn。Deep Flight Challenger（DFC）號載人潛水器采用的是第二種方式，如圖2所示，他們自己稱為“飛行”式載人潛水器。我們把下潛上浮速度在5 Kn左右的載人潛水器稱為第三代載人潛水器。而目前這兩款第三代的載人潛水器的作業能力均是不強的，它們是以探險和創造吉尼斯紀錄作為主要目的，但具有較強作業能力的第三代全海深載人潛水器是未來的發展方向[5]，如果我們真想成為海洋高技術強國，必須對這一發展方向引起重視。對于第三代全海深載人潛水器的研發來說，除了承壓能力比“蛟龍”號增大以外，最主要的技術差別就是要把水下滑翔機的原理搞清楚并應用到載人潛水器的設計上，本項工作就是在這樣的需求背景下開展的。

2 水下滑翔機發展歷程

1989年，美國人Henry Stommel在海洋學雜志（Journal of Oceanography）上發表了一篇題為“The Slocum Mission”的論文[6]，作者以一位生活在2021年的海洋學者的身份對當時水下滑翔機的工作狀態作了如下的描述：“每天有上千艘水下滑翔機不間斷地進行著全球海洋資料的搜集工作，它們通過調整壓載水艙來實現縱向的運動，而水平方向的運動則由水翼進行控制，同時使用內部執行機構對滑翔姿態進行調整；這些水下滑翔機每天浮出水面6次，通過衛星傳輸收集到海洋信息，并接受控制指令”。文中同時提出了水下滑翔機所必須具備的四大特點：建造和作業費用低，作業時間長，航行距離大，能夠實現自動控制和協同作業。這些優點保證了水下滑翔機對海洋進行高時空密度的監測與測量能力，提高了人類對海洋環境的認知水平。

正是在Stommel對水下滑翔機最初構想的引導下和美國海軍研究所（Office of Naval Research,ONR）的資助下，美國于上世紀末開始了3種型號的電池驅動水下滑翔機的研制工作：Webb Research Corp（WRC）研制的高機動性、適合在淺海工作的Slocum（Battery）[7]，適合在1000m級深海工作的Spray[8]（Scripps Institution of Oceanography，SIO）和 Seaglider[9]（華盛頓大學）。 同一時期，Webb Research Corp還開展了不依靠電池驅動、而是利用大洋主溫躍層鉛直方向的溫度梯度從周圍海水環境中獲取能量的Slocum（Thermal）[10]的研制工作。本世紀初，美國開展了大量的水下滑翔機海上航行試驗和不同型號滑翔機之間的協同作業試驗[11-14]。由于作業任務和運輸、布放要求等條件的限制，上述4種型號的水下滑翔機在外形尺寸和重量方面比較接近：長約2 m、重約50 kg，由于長達數月和數千公里的續航要求，為了節省能源，水下滑翔機的設計航速通常較低，約為0.5 Kn，因而所需調節的凈浮力僅為其排水量的0.5%至1%[12]。已有文獻[15-16]對上述4種型號的水下滑翔機作了比較詳細的綜述，在此不做重復，僅將一些主要性能指標列于表1，便于比較和分析。

表1 4種型號水下滑翔機的主要性能指標Tab.1 The main parameters of four underwater gliders

此外，美國的普林斯頓大學建造了一艘實驗室級別的水下滑翔機ROGUE，主要用于水下滑翔機建模和控制方法的研究[17]。日本和法國也研制了各自的水下滑翔機，并且各具特色。日本東京大學研制的ALBAC[18]號水下滑翔機并沒有搭載浮力調節系統，而是使用可棄壓載實現下潛和上浮，完成一次下潛上浮動作后即進行回收。由于未搭載浮力調節系統（對于使用浮力調節系統實現下潛上浮運動的水下滑翔機，改變自身浮力所消耗的能量約占其所攜帶電池能源總量的80%[19]），ALBAC可以攜帶更多的傳感器，幫助科學家更加準確地掌握其在海流等周圍環境影響下的真實航行狀態。法國ENSIETA研制的STERNE[20]號是一艘結合了水下滑翔機和傳統AUV概念設計而成的混合型水下滑翔機，擁有兩種不同的運動模式：無動力推進的滑翔狀態和使用動力推進的水平飛行狀態。當使用動力推進時，ENSIETA可以像傳統的AUV那樣執行海底附近的搜索工作，同時還具備水雷探測等軍事用途。

國內對于水下滑翔機的研究起步較晚，但近年來，有不少的高校和科研單位開始了水下滑翔機的研究工作。中國科學院沈陽自動化研究所在載體設計、運動分析等方面做了大量的工作[21-23]，并且完成了實驗原理樣機SEA-WING的湖中試驗[24]。天津大學對水下滑翔機的航行效率進行了分析[25]，并且對帶螺旋槳的混合驅動水下滑翔機進行了探究[26]。中國船舶科學研究中心對水下滑翔機的水動力性能進行了研究[27-28]，采用動網格計算，對非穩態運動進行了探究[29]。上海交通大學對溫差能驅動水下滑翔機浮力系統的工作原理、浮力調節部件的體積變化規律進行了分析[30-31]，為將來在我國發展更節能、續航力更強的溫差能驅動水下滑翔機打下了基礎。此外，浙江大學[32]、西北工業大學[33-35]、海軍工程大學[36-37]等高校和其它一些科研院所均在水下滑翔機的研制方面做了一些工作，限于篇幅，在此不一一列舉。

3 水動力外形研究進展

水下滑翔機主要用于海洋環境長時間、大范圍的實時監測，因此要求其具有優良的水動力性能。水下滑翔機的水動力外形主要由艇體、水翼和附體三部分組成，本節將分別討論它們對水動力性能的影響，并通過水翼的安裝位置、水翼弦線和艇體縱軸的夾角等參數來討論水翼和艇體之間的相互作用。

3.1 艇體外形

水下滑翔機的艇體外形主要有兩種：帶平行中體的水滴形和低阻層流形。Slocum和Seaglider號水下滑翔機分別采用了上述兩種艇體外形，如圖3所示。

圖3 采用水滴形和低阻層流形的艇體外形Fig.3 Hull with drop-shape(left)and low-drag shape

3.1.1 水滴形艇體

水滴形回轉體母線線型的公式由瑞典NYSTROM于1868年提出，用1/4可以調整指數的橢圓及一段可以調整指數的拋物線來描述[38]：

其中：D為平行中體直徑；Lf、La分別為首、尾部的長度；nf為首部橢圓指數，對首部的豐滿度起主要控制作用；na為尾部拋物線指數，對尾部去流角起主要控制作用，nf、na對回轉體的縱向棱形系數同時起作用。

為了獲得優良的水動力性能，首部橢圓一般取a/b≥1.5～2.0（其中a為橢圓長軸，b為短軸）為宜，瘦長的尾部線型使來流均勻，防止水流分離[39]。文獻[40]采用計算流體力學軟件CFX分別對半球形首尾的艇體和首尾線型經過橢圓修正的艇體的阻力進行了計算，發現首尾線型經過橢圓修正的艇體壓力梯度明顯減小，壓力分布曲線比較平坦，因而形狀阻力顯著減小，阻力性能得到改善。對于圓柱形的平行中體段，在滿足裝配空間的要求下，適當增加細長比，有利于提高艇體的升阻力，從而獲得較高的經濟性。AUV的長細比通常設計為5～8，這是仿魚雷的設計，能同時獲得較大的艇體容積和優良的阻力性能[41]。

3.1.2 低阻層流形艇體

該線型由Huggins和Packwood提出[42]，通過形成合理的壓力梯度，使得總長中大部分是層流段，從而阻力非常低。研究表明，即使在7 m/s的高速下，Seaglider依然能維持其80%的部分為層流狀態[9]。但是，加工和安裝艇體的標準是非常嚴格的，因為艇體首部微小的偏差都會影響艇體的阻力，從而失去其外形優勢[41]。因此，對于低阻層流形艇體，必須將突出的附體布置得遠離層流區域，此時，附體形成的阻力對整體阻力影響不大。

低雷諾數下，擁有細長形艇體的Spray和Slocum的阻力系數較小；而在高雷諾數下，采用低阻層流形艇體的Seaglider擁有阻力方面的優勢；分界點約為ReL=6×105，此時水下滑翔機的速度約為0.3 m/s[8]。對于其它回轉體型的艇體，文獻[43]討論了修長度系數、棱形系數、首部半徑、尾部半徑、最大截面位置等5個參數對艇體水動力性能的影響。

3.2 水翼外形

現有水下滑翔機的水翼大都采用NACA翼型（Slocum號水下滑翔機采用平板翼），由于作業任務的需要，希望水下滑翔機在下潛和上浮時擁有相同的滑翔姿態（相同的滑翔角和速度），因此選用對稱翼型（拱度比為0），即NACA00xx翼型，后2個數字表示厚度百分比（NACA剖面的最大厚度位于離前緣30%剖面弦長的地方），常用的厚度比取0.10～0.15[26-27，33]。文獻[44]通過風洞試驗測量了矩形、橢圓、齊莫曼和反齊莫曼四種平面形狀的機翼的升力系數和阻力系數，結果表明，在大部分試驗迎角內，矩形翼的升力特性相對較好，反齊莫曼翼的升阻比特性較好。由于反齊莫曼翼的外形相對復雜，加工比較困難，因此，現有水下滑翔機采用矩形翼（梯形翼可以看成是帶前緣后掠角的矩形翼，后掠角的影響將在3.2.1節中討論）。下面將分別討論弦長、展弦比、后掠角對水翼水動力性能的影響，并通過水翼的安裝位置、水翼弦線和艇體縱軸的夾角等參數來討論水翼和艇體之間的相互作用。

3.2.1 弦長、展弦比和后掠角對水動力性能的影響

文獻[26]通過正交數值試驗表明，水翼弦長對升阻比L/D的影響很大，見圖4，同時，水翼弦長的選擇還要防止水翼處的流動分離[8]。

圖4 L/D變化趨勢Fig.4 L/D trend of change

圖5 不同展弦比矩形翼的CL/CD～αFig.5 CL/CDvs α of rectangular wings of various AR

水翼的升力和阻力系數隨攻角的變化受水翼展弦比的影響很大，理論和實驗研究表明[15，19，26，45]：隨著展弦比的增加，水翼的升阻比L/D也隨之增加。這是因為，對于有限翼展水翼，上下兩翼面產生了從高壓面繞過端部向低壓面的橫向流動，減小了上下兩翼面的壓力差，因而導致了誘導阻力的產生，這種影響對于小展弦比的水翼更為嚴重。在對小展弦比機翼進行試驗研究時，發現了升阻比不隨展弦比單調變化的異常現象[44]，如圖5所示。此外，展弦比對升力系數和失速角的影響是相反的，即相同攻角下升力系數越大的水翼，其失速角越小。

帶后掠角的水翼不僅可以有效地減少水草的堆積[10]，同時對提高縱向穩定性也有好處[19]。隨著后掠角的增加，作用在水翼上的水動力臂隨之增加，提高了水下滑翔機對周圍環境干擾的抵抗能力[40]。文獻[44]的研究表明，后掠角的增加使得升力系數和阻力系數同時增加，對滑翔經濟性，即升阻比L/D的影響不大。同時，后掠角的增加使得水翼的失速角亦有所增大。

3.2.2 水翼的布置

升降翼的安裝位置主要從動穩性來考慮，主載體是引起方向不穩定的部件，其水動力作用點一般靠近首部，因此升降翼的位置通常位于載體的中后部位[46]。升降翼的安裝位置的選擇同時還要兼顧經濟性的影響，當升降翼形心位于浮心略后方時升阻比較大，而當布置位置再往后時，阻力上升而升力不變，滑翔經濟性下降[47]。對于不同外形的水下滑翔機，水翼的最佳布置位置各不相同，需要通過詳細的水動力性能計算和實驗驗證才能獲得。

文獻[48]研究了水翼與水下滑翔機主軸之間的夾角（簡稱“水翼角”）對水動力性能的影響，結果表明，當水翼角為20°而水下滑翔機的攻角為0°時測量得到的升力系數與水翼角為0°而攻角為20°時的升力系數大致相同，如圖6。由此我們可以斷定，水下滑翔機上的升力主要由水翼產生。

圖6 不同水翼角三角翼的CL～α曲線Fig.6 CLvs α of triangular wings with various wing angles

正是基于這一“等效”，有學者提出在水下滑翔機工作時保持艇體為零攻角，以獲得最小的阻力，同時調整水翼與艇體主軸之間的夾角，以產生所需的升力，從而獲得更高的滑翔效率[19]。文獻[49]對主翼水翼角可調的水下滑翔機進行了研究，發現該型水下滑翔機可在比固定翼式水下滑翔機小得多的滑翔角下實現巡航運動。但是，對于水翼角的實時調控會帶來機械上的復雜性以及對電池能源更多的消耗，因此，對于該型水下滑翔機的滑翔經濟性還需要詳細的綜合評估。

3.3 附體對水動力性能的影響

這里的附體主要指安裝在水下滑翔機艇體以外的各類有效負載，其中大部分是各類傳感器。對于Slocum（Thermal）型水下滑翔機，附體還包括安裝在艇體上方的溫差能轉換裝置。水下滑翔機所受到的阻力對幾何變化十分敏感，僅占總面積2%的傳感器所產生的阻力可以高達整個水下滑翔機總阻力的25%[19]。因此，對于附體外形及其布置的優化，將對提升水下滑翔機的阻力性能起到至關重要的作用。文獻[50]中的水下自航行器為了滿足坐底測量的功能要求，具有相對復雜的附體結構，附體阻力超過了總阻力的50%，作者通過一系列措施減小了迎流面積，從而減小了航行器的阻力。

本節中所提到的滑翔經濟性，是針對水下滑翔機上的升阻比而言的，升阻比的增加也可能是升力和阻力同時增加，只是升力增加得更多而已。然而，對于那些采用大滑翔角的水下滑翔機而言，減小阻力比增大升阻比和升力更重要，由于水下滑翔機主尺度和速度決定了它們航行狀態下的雷諾數大多處于轉折區附近，此時增加水翼的展弦比有可能增加阻力[19]。因此，需要根據具體的工作要求，為水下滑翔機選擇合適的水動力外形。

4 混合驅動和飛翼等概念在水下滑翔機上的應用研究

飛翼（Fly wings）和帶翼體（blended wing body，簡稱BWB）的概念源于航空工業，由于機體本身也呈機翼形狀，因此可以產生較大的升力，從而整架飛機可以獲得很高的升阻比。將飛翼的概念引入水下滑翔機，正是希望借助其獨特的構型，獲得更高的滑翔經濟性。但是，水下滑翔機工作在數百米，甚至上千米深的水域，許多設備需要布置在耐壓艙室內，飛翼構型內部容積小的缺點就凸現起來。文獻[19]在內部容積相等的前提下，對飛翼和傳統的水下滑翔機的水動力性能進行了初步的對比探究，結果如下：

（1）為了獲得同樣的內部容積，飛翼構型的濕表面積更大，從而摩擦阻力也大，因此在零升力狀態下，其阻力比傳統的水下滑翔機大50%～100%；

（2）采用飛翼構型的水下滑翔機的升阻比最大可達25～30，而采用傳統對稱構型的水下滑翔機即使在搭載了高展弦比水翼的情況下，其最大升阻比只能達到5左右。

綜上所述，傳統的水下滑翔機更適合在小攻角、大滑翔角的狀態下工作，此時對升力的要求不高，有利于其發揮小攻角下阻力小的優點；而采用飛翼構型的水下滑翔機則更適于大攻角、小滑翔角的滑翔姿態，此時能充分發揮其升阻比大、滑翔經濟性高的優勢。美國海軍利用飛翼概念設計的原型機XRay[51]如圖7所示。

圖8 天津大學研制的混合驅動水下滑翔機Fig.8 Hybrid-driven underwater glider of Tianjin University

混合驅動水下滑翔機的設計目標就是尋求一種既具有超長航程又有水平航行能力及較高機動性的新型水下航行器。該航行器實現途徑以結合水下滑翔機和水下自航行器兩種航行器的主要功能來完成，其技術關鍵是實現航行器平臺上集成浮力驅動和螺旋槳驅動兩種驅動方式[52]。相對于傳統的水下滑翔機，混合驅動水下滑翔機增加了舵和螺旋槳的阻力，這部分阻力會減小滑翔狀態下的航程。以天津大學研制的混合驅動水下滑翔機為例，如圖8所示，根據攻角的不同，螺旋槳和舵所產生的阻力占整個航行器總阻力的比值大約在10%～35%，這意味著其航程會比傳統的水下滑翔機減小10%～35%。因此，混合驅動水下滑翔機的設計是在航程和機動性之間的折中。更多關于國外混合驅動水下滑翔機的介紹可以參考文獻[53]。

5 展 望

目前，研究水下滑翔機水動力性能的方法主要有三種：理論/經驗公式、數值計算和試驗研究。流體動力學是一門古老的學科，至今已有幾百年的歷史，在其漫長的發展過程中，發展了豐富的計算理論，給出了大量用于計算升力和阻力的理論和經驗公式[54-55]。近年來，隨著計算機技術的發展，已經出現了Fluent等大型商用計算流體力學軟件。但是，在使用商用軟件進行計算時，發現了一些與傳統理論不相符的異常現象，比如文獻[44]中提到的水翼升阻比不隨其展弦比單調變化的現象。究竟是發展新的理論來解釋這些異常現象，還是發展精度更高的數值計算方法以期消除這些異常現象，是值得探索的問題。同時，就實驗本身而言，不同的實驗手段也會得到完全不同的結論。文獻[48]分別采用水池實驗和風洞試驗對三角形平板翼和帶拱度的矩形翼的水動力性能進行了對比研究，卻得到了相反的實驗結果：水池試驗中，三角翼的水動力性能更優，而在風洞試驗中，帶拱度的矩形翼更佳。是試驗本身的原因、流體介質的影響，還是其他什么因素的作用，這些都還有待探索。

就水下滑翔機水動力外形的研究而言，目前看來已經比較詳細，相關的文獻很多。在不久的將來，一些新的設想或者新的用途或許會給水下滑翔機水動力外形的研究提出新的要求。研究表明，帶拱度的水翼其水動力性能優于對稱型水翼，同時其失速角也更大[48]。那么，我們是否可以采用不對稱的設計形式，而讓水下滑翔機在每次下潛和上浮之間繞其縱軸旋轉180°，以保證在下潛和上浮時均能獲得更加優良的水動力性能。

或許在不久的將來，會如Stommel所描述的那樣，在全球各大海域有著大量的水下滑翔機編隊進行實時的海洋環境監測工作。同時，水下滑翔機由于其不依賴于螺旋槳推進，可以利用浮力驅動，因而噪聲極低的特點，在軍事方面亦有著廣闊的應用前景。如何把水下滑翔機的優點應用到載人潛水器上，讓科學家也能像魚那樣在海洋中自由來往更是一個非常值得期盼的發展方向。

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