波浪滑翔器原理和總體設(shè)計(jì)

李小濤，王 理，吳小濤，佘湖清

(中船重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

我國(guó)擁有廣闊的“海洋國(guó)土”和漫長(zhǎng)的海岸線，海洋維系著中華民族崛起的諸多重大安全和發(fā)展利益問(wèn)題，面臨著海洋權(quán)益維護(hù)、海洋開(kāi)發(fā)和管理等嚴(yán)峻形勢(shì)［1］。與周邊國(guó)家島礁主權(quán)爭(zhēng)端、以及爭(zhēng)議海域的資源勘探等，急需觀測(cè)、獲取翔實(shí)的海洋環(huán)境資料。海洋的開(kāi)發(fā)和利用都離不開(kāi)海洋觀測(cè)等一系列基礎(chǔ)工作，需認(rèn)知海洋空間、了解海洋現(xiàn)象、尋求反映機(jī)理、探討演變過(guò)程、發(fā)現(xiàn)海洋秘密、總結(jié)海洋規(guī)律等逐步做起［2］。波浪滑翔器是一種新型的海洋觀測(cè)平臺(tái)，理論創(chuàng)新性強(qiáng)，在軍事和民用兩方面都有著非常重要的研究和使用價(jià)值。

1 波浪滑翔器

波浪滑翔器是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型海洋觀測(cè)平臺(tái)，它兼具傳統(tǒng)水面定點(diǎn)浮標(biāo)可以觀測(cè)海平面上氣象要素、有動(dòng)力AUV可以按照規(guī)劃航路進(jìn)行機(jī)動(dòng)觀測(cè)、以及無(wú)動(dòng)力水下滑翔器大范圍探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性地以波浪能為主驅(qū)動(dòng)力，輔以太陽(yáng)能充電系統(tǒng)作為傳感器、通信和控制系統(tǒng)的電能來(lái)源，續(xù)航能力達(dá)到前所未有的高度。波浪滑翔器具備自主航行控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞、使用靈活、可遙控等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感區(qū)域、重點(diǎn)海域或特殊時(shí)期的海洋環(huán)境觀測(cè)、巡邏。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

波浪滑翔器總體上分為水面浮體、滑翔體和鏈接掛纜三大部分。水面浮體由太陽(yáng)能電池板、浮體材料包圍的密封艙體、控制系統(tǒng)、電池BD、各類(lèi)傳感器負(fù)載以及可充電電池等組成;滑翔體包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的翼板、翼板支撐框架及舵機(jī)組成，如圖1。

圖1 波浪滑翔器總體結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)理

波浪滑翔器的水面浮體成正浮力，漂浮在水面，隨波起伏;滑翔體成負(fù)浮力，由伸縮性很小的柔性掛纜與浮體連接;波浪滑翔器整體成正浮力。由于掛纜不具伸縮性和滑翔體是負(fù)浮力，因此當(dāng)浮體隨波浪下沿下落時(shí)，滑翔體隨之下潛，此時(shí)翼板受到重力和垂直于翼板的水作用力，此兩個(gè)力產(chǎn)生一個(gè)前向的分力，該分力即驅(qū)使滑翔體向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)浮體隨波浪上升沿上升時(shí)，掛纜拉動(dòng)滑翔體隨之上升，此時(shí)翼板主要受到掛纜拉力和垂直于翼板的水作用力，此兩個(gè)力同樣產(chǎn)生一個(gè)前向的分力，該分力驅(qū)使滑翔體向前運(yùn)動(dòng)。如圖2所示。

圖2 滑翔翼上升和下降時(shí)受力分析

因此，只要有波浪帶動(dòng)水面浮體上升和下降，水下的滑翔體就會(huì)向前運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)浮體也向前運(yùn)動(dòng)。另外，滑翔體上帶有舵板，可以控制波浪滑翔器前進(jìn)的方向，并且該方向和波浪的方向無(wú)關(guān)。

2 波浪滑翔器測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

目前，海洋觀測(cè)的主要手段有現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量、數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感。由于數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感估算的海洋物理效應(yīng)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況誤差較大。因此，現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量方法更受關(guān)注。船只觀測(cè)付出的人力、物力、財(cái)力巨大，出航又受到天氣和海況的限制，續(xù)航能力有限，測(cè)量成本高，取得的數(shù)據(jù)無(wú)論是在空間的廣度和時(shí)間的頻度上都受到極大限制。浮標(biāo)和潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)在獲取海洋數(shù)據(jù)的適時(shí)變化性方面比船只觀測(cè)有優(yōu)勢(shì)，但只能定點(diǎn)觀測(cè)，而且錨泊布陣受成本限制一般較稀疏，而不能真實(shí)地反應(yīng)海洋數(shù)據(jù)在空間上的變化性。另外，大部分潛標(biāo)測(cè)量的水文數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)地傳遞到岸站，只能周期性的回收數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。水下滑翔機(jī)等運(yùn)動(dòng)測(cè)量平臺(tái)能比較好的彌補(bǔ)上述平臺(tái)的不足，可在水下大范圍機(jī)動(dòng)，獲取一定深度的剖面數(shù)據(jù)，但鑒于總體尺寸與能量的局限，其擴(kuò)展能力和續(xù)航力受到制約，并且無(wú)法觀測(cè)海平面氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向以及波浪等要素。

波浪滑翔器具有強(qiáng)大而靈活的傳感器搭載能力，可探測(cè)多種水文、氣象、聲以及化學(xué)等要素。波浪滑翔器的水面浮體具有海面、海表傳感器搭載能力，通過(guò)安裝不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等水氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)，水面浮體和水下滑翔體搭載的傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度、鹽度、流場(chǎng)、浪高等海表、水下水文數(shù)據(jù)的測(cè)量。另外，根據(jù)用戶需求，還可以搭載特殊傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定要素的探測(cè)，例如實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物、CO2、pH值等的測(cè)量，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲的記錄等。

相對(duì)于潛標(biāo)、剖面浮標(biāo)等海洋觀測(cè)裝置不能完全實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，波浪滑翔機(jī)可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。配合對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)處理，可提供更為精確的預(yù)報(bào)。另外，通過(guò)搭載水聲通信機(jī)，波浪滑翔器還可轉(zhuǎn)發(fā)水下觀測(cè)裝置的數(shù)據(jù)到岸站，同時(shí)給水下觀測(cè)裝置發(fā)送岸站指令，成為水下設(shè)施、裝備與岸站溝通的橋梁。

3 波浪滑翔器的用途

波浪滑翔器為解決目前海洋觀測(cè)面臨的范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)效性差、成本高等難題提供了一種可行的技術(shù)手段，將在以下幾個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮顯著作用。

3.1 海洋動(dòng)力環(huán)境研究

眾所周知，海洋動(dòng)力環(huán)境變化對(duì)全球氣候起著決定性的影響。深入了解海洋動(dòng)力環(huán)境變化規(guī)律，建立預(yù)測(cè)模型，是全球海洋環(huán)境科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)研究的課題，目前的研究成果距離完全掌握海洋動(dòng)力環(huán)境變化規(guī)律、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)發(fā)展趨勢(shì)的目標(biāo)還有很大的差距。海洋動(dòng)力環(huán)境研究的基礎(chǔ)工程之一就是通過(guò)布放大量的觀測(cè)裝置獲取大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的水文氣象要素。目前，包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家及國(guó)際組織在不同海域布放了大量的浮標(biāo)、潛標(biāo)及水下滑翔機(jī)用于獲取海洋水文數(shù)據(jù)。

波浪滑翔器與浮標(biāo)、潛標(biāo)以及水下滑翔機(jī)等觀測(cè)裝置相比，在海洋動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)研究方面具備一定的優(yōu)勢(shì)。波浪滑翔器能按照規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍機(jī)動(dòng)測(cè)量，也能實(shí)現(xiàn)虛擬錨泊定點(diǎn)測(cè)量;具有多界面測(cè)量能力，既可測(cè)量水下和水面要素，也可對(duì)水上氣象要素進(jìn)行測(cè)量;且對(duì)測(cè)量得到數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的傳到岸站進(jìn)行分析。因此，將在海洋動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)方面大量應(yīng)用。

波浪滑翔器具有較強(qiáng)的通信能力，能很方便的與浮標(biāo)、潛標(biāo)以及水下滑翔機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，從而大大提高海洋動(dòng)力環(huán)境探測(cè)效率和實(shí)時(shí)性。

3.2 海洋環(huán)境保護(hù)

沿海區(qū)域的水質(zhì)變化，不僅對(duì)沿海居民的生活有極大影響，對(duì)沿海漁業(yè)養(yǎng)殖也影響極大。近年來(lái)，我國(guó)沿海海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，海洋環(huán)境保護(hù)形勢(shì)日益嚴(yán)峻。渤海灣“康菲”漏油及青島海域藻類(lèi)泛濫等事件都導(dǎo)致了相關(guān)海域的生態(tài)災(zāi)難。

以波浪滑翔器為基礎(chǔ)的海洋環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)能為海洋環(huán)境保護(hù)提供日常監(jiān)測(cè)、事前預(yù)警以及事態(tài)監(jiān)控。在美國(guó)，波浪滑翔器已經(jīng)用于在BP公司發(fā)生墨西哥灣石油泄露后的不間斷水質(zhì)檢測(cè)，利用波浪滑翔器在石油鉆井平臺(tái)周?chē)灿危瑢?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漏油情況。

3.3 海洋安全和維權(quán)

1994年《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》生效，使地球表面積35.8%的海洋成為沿海國(guó)家的管轄區(qū)，管轄海區(qū)的“國(guó)土化”及控制權(quán)對(duì)海洋國(guó)家的命運(yùn)具有重大影響。爭(zhēng)奪海洋國(guó)土、海洋資源和海洋通道的斗爭(zhēng)交織，形成一系列的海洋斗爭(zhēng)焦點(diǎn)。目前，世界范圍內(nèi)有370多處海域存在劃界糾紛，近1000個(gè)島礁存在歸屬爭(zhēng)議，尤以我國(guó)的海洋安全和權(quán)益維護(hù)問(wèn)題更為突出。

通過(guò)波浪滑翔器搭載相應(yīng)的傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感海域進(jìn)行無(wú)人、長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)動(dòng)探測(cè)和調(diào)查，獲取信息并實(shí)時(shí)傳遞到岸站，這將為我國(guó)海洋安全和權(quán)益保護(hù)提供強(qiáng)有力的支撐。

4 總體參數(shù)設(shè)計(jì)

Airy波理論比較清晰地描述了波動(dòng)特性，且便于應(yīng)用，是研究復(fù)雜波浪、不規(guī)則波理論的基礎(chǔ)。為了研究方便，我們將問(wèn)題簡(jiǎn)化，取二維小振幅推進(jìn)波作為波浪滑翔艇的設(shè)計(jì)依據(jù)。其特點(diǎn):水面呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧形式的起伏，水質(zhì)點(diǎn)以固定的圓頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，波形以一定的速度向前傳播，波浪中線與靜水面重合［3］，如圖3所示。

圖3 波浪參數(shù)

單個(gè)波長(zhǎng)余弦波的勢(shì)能為EK=1/4ρga2L，則深水波中水下某深度水質(zhì)點(diǎn)作圓周軌跡運(yùn)動(dòng)r=aekz，其位置處的單位波長(zhǎng)勢(shì)能為ER=1/4ρgr2L［4］。兩處位置的勢(shì)能差為

由式(1)可以看出:兩位置處的勢(shì)能差與波面振幅的平方成正比，與波數(shù)K成反比，與水深z數(shù)值上成正比。因此，只要水質(zhì)點(diǎn)水下振幅小于水面振幅，水面質(zhì)點(diǎn)和水下質(zhì)點(diǎn)之間形成勢(shì)能差，波浪滑翔器就能利用該勢(shì)能差，并將其轉(zhuǎn)化為前進(jìn)動(dòng)力。

4.1 水面浮體的波浪能轉(zhuǎn)換分析

根據(jù)Airy波理論，以6 m掛纜長(zhǎng)度為例，可計(jì)算出不同浪級(jí)時(shí)單位寬度、單位長(zhǎng)度內(nèi)的波勢(shì)能差，這些能量傳遞給波浪滑翔器。根據(jù)能量守恒定律，波浪滑翔器向前運(yùn)動(dòng)所需能量應(yīng)該與從波浪中獲得的能量相等，由此可以估算出波浪滑翔器在不同浪級(jí)下可能達(dá)到的航速。

為了有效利用波浪能，并避免發(fā)生跨浪現(xiàn)象而影響波能的利用率，水面浮體長(zhǎng)度應(yīng)該小于1/4波長(zhǎng)為好。海浪的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一級(jí)涌浪波長(zhǎng)為10 m左右，波浪滑翔器以該波浪為設(shè)計(jì)目標(biāo)環(huán)境，考慮到其他設(shè)備限制，取水面浮體長(zhǎng)2.4 m，寬0.6 m。

水面浮體長(zhǎng)2.4 m，艇寬0.6 m，上下掛纜長(zhǎng)度6 m，則水面浮體收到的波能EE=1.44EC，即理論上水面浮體吸收到的波能為單位余弦波勢(shì)能差乘以水面浮體長(zhǎng)寬。假設(shè)水面浮體吸收的波能只有10%能有效轉(zhuǎn)換滑翔動(dòng)能，則EK=10%EE=1/2MV2，因此可以計(jì)算出波浪滑翔器在相應(yīng)海況下的理論航行速度不同涌浪等級(jí)的波浪特性如表1、表2所示。

表1 不同涌浪等級(jí)的波浪特性

表2 不同涌浪等級(jí)的波浪特性

4.2 滑翔翼受力分析

由波浪滑翔器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析得，當(dāng)波浪滑翔器由波谷向波峰爬升時(shí)，由于滑翔器的重力和向上提升時(shí)的阻力，波浪滑翔器的吃水會(huì)增加。增加吃水部分的浮力用于克服水下懸掛部分向上運(yùn)動(dòng)的阻力。阻力的大小與向上運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比。如果水面浮體提供的浮力瞬間不足以克服向上運(yùn)動(dòng)的阻力，則水面浮體會(huì)出現(xiàn)短暫沒(méi)入水下一定深度。波浪滑翔器向上的運(yùn)動(dòng)速度最終應(yīng)與波浪水分子的垂向運(yùn)動(dòng)速度一致。也就是說(shuō)，波浪產(chǎn)生的向上拉力等于水分子圓周運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的加速度力。據(jù)此可以得出不同波浪等級(jí)下波浪滑翔器前進(jìn)方向的分力(圖4)。

圖4 不同海況下滑翔翼的受力分析

由圖4得到的滑翔翼水平方向分力就是拖動(dòng)波浪滑翔器前進(jìn)的動(dòng)力。1級(jí)浪高時(shí)，大概可以得到最大62.4 N的動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要克服流體阻力和前進(jìn)方向的風(fēng)阻力，這個(gè)力是以正弦規(guī)律在變化，也就是從波谷向波峰爬升時(shí)，由零加速到最大，再減速到零。

當(dāng)波浪滑翔器由波峰向波谷下滑時(shí)，水下滑翔體依靠自身重量下沉，按波浪垂直加速度加速下沉。按照目前航行阻力初步計(jì)算結(jié)果，只要有1級(jí)以上的浪，波浪滑翔器的水下滑翔翼產(chǎn)生的滑翔力就能使水面浮體向前航行。波峰和波谷時(shí)航速為零，峰谷中間速度最大，所以波浪滑翔器的速度是以鋸齒形方式變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

波浪滑翔器利用波浪表層水質(zhì)子振動(dòng)幅度和深層水質(zhì)子振動(dòng)幅度的差異而引起的波浪勢(shì)能，將此勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)其整體運(yùn)動(dòng)。波浪滑翔器在中等水深和深水環(huán)境下使用，其連接上下部分的掛纜的長(zhǎng)度直接影響系統(tǒng)產(chǎn)生的勢(shì)能。既滿足波浪滑翔器足夠的運(yùn)動(dòng)速度(＞0.5 kn)，又確保波浪滑翔器的水下滑翔體和水面浮體不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，選取掛纜長(zhǎng)度6 m為宜。

本文闡述了波浪滑翔器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和應(yīng)用前景，并從理論計(jì)算中獲取了大致的波浪滑翔器浮體長(zhǎng)寬及掛纜長(zhǎng)度的選取尺寸，并對(duì)該設(shè)計(jì)下的波浪滑翔器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，從理論上計(jì)算了其運(yùn)動(dòng)速度范圍。

波浪滑翔器是一種創(chuàng)新性的海洋觀測(cè)平臺(tái)，通過(guò)本文的分析可見(jiàn)，其原理可行。將其進(jìn)行工程化，必將在海洋觀測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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