UUV技術發展與系統設計綜述

錢 東, 唐獻平, 趙 江

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UUV技術發展與系統設計綜述

錢 東1, 唐獻平2, 趙 江1

(1. 海軍裝備研究院, 北京, 100161; 2. 中國船舶重工集團公司 研究中心, 北京, 100012)

為了使商用UUV設計能夠滿足軍事需求, 實現軍民兩用, 通過對軍用UUV的分級和口徑約束問題的討論, 以及對國際主流UUV的主要性能特征的分析和歸納, 簡述了UUV市場化和軍方選用情況; 同時, 從總體構型、推進器和控制面、能源系統、耐壓殼體和濕空間、探測傳感器、通信、發射與回收等方面分析了UUV關鍵要素的設計類型及其優劣, 以及UUV典型結構屬性及其影響因素。通過以上分析, 對軍用UUV的設計提出了以下建議: UUV設計應采用開放式結構和模塊化設計, 以適應多任務需求; 中、小型UUV宜采用533 mm和324 mm標準建制口徑, 以滿足軍事適用性要求; 深海UUV宜采用以組部件和載荷密封耐壓設計為主的方案, 以降低對UUV總體結構的密封耐壓要求。

UUV; 系統設計; 軍民兩用

0 引言

與近20年來, 與無人機(unmanned aerial ve- hicle, UAV)的井噴式發展類似, 無人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)也正步入發展快車道。目前世界上的UUV已達數百種, 活躍在海洋科學、海洋工程、水下安保和水下作戰等各領域。馬航MH370失蹤事件更是將UUV推到眾人矚目的前臺。在眾多UUV中, 有些是在國際市場上享有一定聲譽、較為成功的商用或軍民兩用產品, 有些是軍用高端裝備, 更多的是尚未市場化, 或仍處于大學和實驗室開發階段的科研和技術驗證平臺, 其中不乏一些構思奇特的概念樣機。就一般概念而言, 只要換裝合適的任務載荷和功能模塊, 多數商用UUV也可被用于軍事領域。然而, 若當初在UUV系統設計時未充分考慮軍事需求, 則即使經過改裝, 最后形成的任務能力也往往會受到很大限制。因此, 成功的軍民兩用型UUV應在設計之初就充分考慮到軍方用戶需求, 這也是保證其商業成功的重要因素之一。

本文對當今國際上主流UUV的設計特點和優劣進行了初步分析, 探討有關系統設計問題, 提出適合于軍用UUV的設計建議。

1 分析對象及其屬性

1.1 分析對象

所選的分析對象主要是活躍于市場上的有代表性的主流產品和美軍方可能選用的UUV, 主要考慮到: 1) 市場地位, 其主要標志有用戶數、產量、應用面和產品知名度等; 2) 產品成熟度和商業化程度, 其主要標志是用戶可獨立完成操作, 一般情況下無需生產商提供技術支援; 3) 公開了比較詳細的產品數據; 4) 美國軍方裝備、研制可能選用的UUV產品。除此之外, 也選出一些產量雖低、但具有特殊結構屬性、任務能力較強的UUV作為分析對象, 如Lockheed Martin公司的 Marlin和美海軍研制的Seahorse等。低產量UUV、大學和實驗室開發的未商業化的UUV樣機不列入分析對象。此外, Pluto, Seafox, SeaCat等早已被熟知的反水雷UUV也未被列入分析對象。

1.2 屬性

UUV的系統屬性主要取決于用戶需求和可用的成熟技術。能表征UUV特點的基本屬性有: 任務或應用領域、總體布局與構型、推進器、控制、能源系統、耐壓殼體和濕空間、任務載荷(如傳感器)、導航、通信、發射與回收等。這些屬性基本上代表了UUV的主要特征, 勾畫出其總體概貌, 體現了其任務能力和技術水平。

2 UUV分類、級別與主流產品系列

2.1 UUV的分類與級別

目前國際上尚無統一的UUV命名規則和分類方法, 一些UUV的命名方式反映出開發者和用戶的不同視角和主要關注點。根據出現的頻率, 常見的命名方式有以下幾種。

1) 產品名+序列號。這是武器裝備命名的常用方式, 如: Marlin MK1/MK2/MK3(美), Seaotter MKII(丹麥), Seahorse I/II(美), Fetch 2/3(美)等。

2) 產品名+最大工作深度。如: REMUS 100/600/3000/6000(美), Hugin 1000/3000/4500 (挪威), Alistar 3000(法)等, 數字的單位是m, 凸顯出許多用戶所關心的深海工作能力。

3) 產品名+口徑。如: Bluefin-9/12/21(美), 數字的單位是inch(實際上準確值是9.375 in, 12.75 in, 21 in, 分別等于240 mm, 324 mm, 533 mm)。這類命名方式適合于魚雷型UUV, 平臺適裝性一目了然, 且從尺度上可以對UUV的攜載能力和續航力做出粗略判斷。

4) 產品名+用途。如: Gavia Scientific/ Defence/ Offshore Surveyor(冰島)。

商用UUV領域的還有一個常見現象, 就是許多產品名前還冠有公司名, 如: Lockheed Martin Marlin MK3(美), Atlas Maridan Seaotter MKII(丹麥), Boeing Echo Ranger(美), ECA Alistar 3000(法), ISE Explorer(加), SAAB Double Eagle(瑞典), SAAB AUV 62(瑞典)等, 顯然是為了品牌及廣告效應。

目前商用UUV沒有明確的分級方法, 而對軍用UUV而言, 被普遍接受的分級方法是美軍方在UUV主計劃中的4個級別劃分: 大型、重型、輕型和微型, 也可按國內的習慣將其稱為“大、中、小、微”型。近年來出現了更大的UUV, 被稱為“超大型”。類似于艦船噸位在人們概念中的重要地位, UUV的噸位也是間接表征其能力的簡潔而概略的指標, 所以按質量的分級方法更具有實用性, 也符合各國海軍的習慣。在重型和輕型這2個關鍵級別定義中, 美軍同時采用了口徑和質量2個指標。其中, 口徑533 mm和324 mm是強約束指標, 它直接照搬了國際通行的對重型魚雷和輕型魚雷的分類標準; 而質量則是一個參考范圍值, 是弱約束指標, 在口徑已定的條件下, 質量范圍實際上間接限制了UUV的長度。雙指標混合定義方法將這2個級別UUV的外形約束在標準魚雷范疇內, 帶來的好處是明顯的: 平臺適裝性、保障性、運輸性好, 適合部隊裝備和使用; 模塊化程度高, 適合于多任務; 可利用成熟的魚雷制造技術和試驗設施, 有利于裝備通用化, 也有利于控制研發和生產成本。

將533 mm和324 mm口徑分別作為重、輕型UUV的標準, 體現出美軍方對“建制能力”的高度重視, 這是利用各種現役海空平臺實現前沿部署、快速抵達、廣域使用的必要前提。搜索馬航MH370航班的行動過程充分反映出裝備“建制能力”的重要性。因此, 在一定范圍內和一定程度上, 533 mm和324 mm口徑, 尤其是533 mm口徑, 可稱之為軍用UUV的“金標準”。 Bluefin公司瞄準軍方需求, 主推遵循這2個口徑標準的軍民兩用型UUV——Bluefin-12和 Bluefin-21, 后被美海軍選用, 取得商業成功。

美軍方并未對大型和微型UUV的結構參數提出明確要求, 給開發者以充分的自主創新空間和UUV能力提升空間, 體現出張弛有度的靈活策略和對不同需求的合理權衡。

20世紀90年代, 受限于當時的電池技術、載荷技術、電子技術, 人們在面對一些較復雜的水下任務時, 沒有更多選擇, 只能采用偏大的UUV。進入21世紀后, 較小的UUV已能完成同樣的任務。所以, 民用UUV大多在向小型化發展。軍方雖然在研發一些大型甚至超大型UUV, 以滿足一些特殊的軍事需求, 但533 mm以下的UUV仍占主導地位。

2.2 UUV主流產品及其分級

表1給出了主流UUV產品的主要特征及其分級[1-10], 本文將數百千克~1.5噸級的非533 mm口徑的UUV歸為“非建制重型”。

商業上比較成功的UUV主要有5個產品系列: REMUS, HUGIN, Bluefin, ISE Explorer和Gavia。其中銷量最大的是美國的REMUS, 到2012年共交付了200多套系統[7]。除美國海軍外, 日本也訂購了4套REMUS 100, 用于反水雷和海嘯后的海底調查與成像; 挪威的HUGIN到2005年共向軍方和商業用戶賣出8枚UUV, 另生產了2枚用于演示驗證; 美國的Bluefin系列到2006年底已生產了50枚AUV, Bulefin-21的后續軍用型號為Knifefish, 美國海軍計劃采購48枚[8]; 冰島的Gavia(意為“偉大的北方潛水者”)到2010已向用戶提交了20套系統[1]。被軍方采用的比較著名的UUV也主要有5個產品系列: REMUS, Bluefin, HUGIN, Lockheed Martin Marlin和Seahorse。

2.3 評述

國際上比較有名的UUV大多起步于上世紀90年代, 并于本世紀初相繼形成穩定的商用化產品。當時的技術和市場都不太成熟, 軍方也未系統地提出軍事需求, 所以各家基本處于早期自行探索和研發的“百花齊放”階段, 因而UUV種類繁多、形態各異。2004年11月, 美海軍首次公布UUV主計劃, 系統闡述了軍方需求, 以后又不斷更新, 對軍用UUV的發展起到了重要牽引作用。開發商意識到, 要獲得軍方大客戶, 在產品系列設計時就應盡量遵循軍方標準, 這樣才能更好地實現軍民兩用, 從而取得商業成功。生產軍民兩用UUV的好處除了擴大市場外, 還有可能獲得軍方資助。另一潛在好處是有利于提高生產商和產品本身的聲譽, 被軍方選用是公認最成功的商業廣告。最典型的例子是“藍鰭金槍魚機器人”公司(bluefin robotics), 直接瞄準324 mm和533 mm口徑, 主推Bluefin-12和Bluefin-21產品系列, 獲得批量訂貨。Bluefin-21在MH370航班搜索行動中被選用不是偶然的。美國Hydroid 公司是美海軍最早的供貨商之一, 為美海軍開發從微小型到超大型各類UUV, 為了滿足“建制式”需要, 他們專門開發了324 mm模塊化產品REMUS 600, 它既可以用于反水雷, 也可廣泛用于海洋調查、港口安保、環境監測、漁業作業等領域, 在業界也被視為比較成功的產品。

從表1可看出, 微型UUV產品線比較豐富, 主要原因是其成本低廉、使用便捷、技術門檻低、應用面廣、有較廣闊的低端用戶市場等。同樣, 重型UUV產品線也很豐富, 主要原因是: 1) 這一級別的UUV可容納較多或較大尺度的任務載荷, 功能較強; 2) 有較大續航力; 3) 尺度有限, 使用的便易性可以接受。注意到非533 mm口徑的民用UUV產品有較多型號, 這一方面反映出市場需求比較大; 另一方面也說明, 如果不受533 mm口徑限制, 則設計、制造和系統集成的難度相對較低, 因而吸引了較多的開發者。不出意外, 324 mm輕型UUV的型號較少, 主要原因應是較小的尺度/質量限制了它的性能, 介于微型和重型UUV之間的產品定位使它處于有些尷尬的地位。但應指出, 這是一個值得重視的產品系列, 它所具備的獨特優勢是: 幾乎適裝各種海軍水面平臺, 還可由直升機和反潛巡邏機空投, 是非常理想的建制式裝備, 特別適用于需要快速反應的場合。雖然用于完成特定任務的大型UUV的設計自由度較大, 但還是應考慮到遠海使用時平臺的適裝性、高海況布放/回收性和航空運輸性等。

在UUV界有這樣一個現象: 即使是同一個型號名稱, 廠家公布的技術數據和軍方公布的也經常不同。這實際上反映出廠家針對軍方需求所作的設計更改。一個典型的例子是, 廠家公布的Bluefin-21的最大工作深度可達4 500 m, 遠大于軍方公布的Bluefin-21 BPAUV的91 m指標。推測原因是, 廠家最初是按照大深度設計的, 這樣可滿足各類用戶的要求。但海軍從具體任務考慮, 并不需要過大深度。不同深度要求對密封殼體、獨立密封模塊和水密接插件的要求不同, 成本相差很大。因此, 海軍定制降低某些指標的UUV是合理的, “好鋼用在刀刃上”是“精明采辦”的具體體現。

就搜索探測、海洋調查和海底測繪等任務而言, 軍事和商業用戶的需求大同小異。世界市場上商用UUV種類繁多, 對這類通用性強的UUV, 理想的國防采辦策略是盡量選用成熟的商用技術和產品, 實現軍民兩用。從美海軍的計劃中可看出, 多數UUV項目是非計劃項目, 軍方提出需求, 開發商自行研制, 軍方訂貨, 投入戰場試用。軍方主要投資有特定軍事用途的高性能UUV。

3 UUV的主要設計要素分析

本節分析用戶所關心的UUV主要設計要素、不同設計類型及其優缺點、適用對象和場合, 討論UUV的系統方案選擇、典型結構屬性及影響這些屬性的系統因素等問題。主要討論6方面的屬性: 1) 總體構型、推進器和控制面; 2) 耐壓殼體和濕空間; 3) 能源系統; 4) 探測傳感器; 5) 通信; 6) 發射與回收。

3.1 總體構型、推進器和控制面

1) 總體構型

UUV構型主要考慮流體動力特性, 所以大多數UUV采用魚雷形狀, 僅僅是長徑比不同。魚雷形狀UUV的主要優點有: a. 阻力小, 能帶來速度、流體噪聲等方面的好處; b. 便于制成全耐壓結構、非水密結構或混合結構, 適用范圍寬; c. 發射和回收相對容易; d. 圓柱體結構更易于實現模塊化, 便于功能段集成與置換; e. 回轉體在結構上易于加工, 而具有復雜表面曲面的非對稱體制造成本高。所以魚雷形狀是UUV的主流構型。

然而, 魚雷形狀UUV受外形限制, 其內外布局、推進方式和控制方式等的設計靈活性受到一定制約, 所以并不適合于需要精確操控的水下作業場合。因而, 水下作業型UUV一般不采用這種形狀, 用于水下船殼檢查和結構檢查的微型UUV(ROV)也常不采用這種形狀。作業型UUV的共同特點是: 對航速和航程沒有過高要求, 強調的是水下操控性能。

多數商用UUV都采用突出于體外的固定天線或水聲通信換能器導流罩, 影響了UUV線型, 增大了阻力。軍用UUV應盡量采用平順的魚雷外形, 便于潛艇發射管發射。

2) 推進器

對于常規尾部鰭舵布局的魚雷形狀UUV, 如果不采用輔助推進器和前部鰭舵, 正常情況下的航行速度一般不低于2~3 kn, 這是因為過低的表面流速無法在鰭舵上產生足夠的升力, 航行器難以被穩定、有效地操控。而矢量推進則可避免這一低速控制難題。根據廠家公布的信息, 采用矢量推進的Bluefin系列UUV, 速度覆蓋范圍為0.5~5 kn, 能保證足夠的動態控制性能, 且幾乎不受所搭載的載荷影響[2]。其性能令人矚目。

魚雷形狀UUV一般靠鰭舵差動來控制橫滾, 對于無鰭舵的UUV而言, 橫滾控制是一個難題。雖然靠壓艙物產生靜傾或設置外部配平片等傳統方法, 能將UUV配置成靜平衡狀態, 但難以全面適應速度和載荷變化、航行器機動和海流擾動等因素產生的航行器狀態變化。Bluefin公司宣稱, 他們將UUV設計為轉矩平衡, 螺旋槳轉速變化不會對UUV的橫滾產生明顯影響, 但沒有公開所采用的控制技術(見圖1)。盡管如此, 還是有學者對這種無鰭舵布局技術的推廣前景表示懷疑。

圖2為Bluefin尾錐段結構示意圖, 圖中標出了萬向節上的航向樞軸和俯仰(縱傾)樞軸、驅動矢量推進器轉向的作動器、安裝在萬向節上隨導管推進器一同轉向的推進齒輪電機。Bluefin矢量推進器角度調節范圍為±15°, 角速度為30°/s[11]。

圖1 Bluefin-21實物圖

圖2 Bluefin-21的尾錐段

文獻[11]對萬向節式矢量推進器進行了細致的研究, 給出了與Bluefin-21矢量推進器近似的原理示意圖(見圖3)。其中, 圖3(a)給出了直接樞軸式萬向節的結構原理圖, 但圖中的螺旋槳驅動方式與Bluefin-21不同, Bluefin-21用安裝在萬向節上、隨導管一同轉向的推進齒輪電機驅動螺旋槳, 而圖3(a)所示的是采用柔性驅動方式, 驅動電機在UUV本體內, 柔性軸關節處的軸承安裝在萬向節的航向樞軸上, 即隨著導管一同轉動。圖3(b)給出了直線作動器對直接樞軸式矢量推進器的驅動原理圖, 這是Bluefin-21所采用的方式。

文獻[11]認為, 直驅電機具有噪聲小的優勢, 但因直徑較大, 很難像Bluefin-21那樣將其安裝在萬向節上隨之轉動, 所以應采用柔性軸連接和驅動方式。圖4給出了4種連接方式的萬向節, (a)~(b)依次為: 球籠式萬向節、三銷軸式萬向節、柔性萬向節、U型萬向節, 它們的優劣見表2。

圖3 Bluefin-21矢量推進器原理圖

圖4 4種柔性軸連接方式

表2 不同柔性軸連接方式優缺點對比

從矢量推進角度來看, 集成電機推進器(inte- grated motor propulsor, IMP)在UUV上應有更好的應用前景。由于是無軸推進, 簡化了矢量推進器的動力傳遞問題, 可有效降低振動和噪聲, 并規避了深海條件下動力轉軸的動密封難題。

3) 控制面(鰭舵)

UUV控制面的設計目標主要是保證在低速條件下能有效控制航行體的姿態。控制面典型地布置于UUV后部靠近推進器處, 一般采用4或3個控制面, 取決于對控制面面積和驅動能力等因素的考慮。多數UUV采用傳統的十字或X形鰭舵布局, 一般認為X形控制效率更高。而REMUS和HUGIN的部分產品采用尾部反Y形3鰭布局。有的UUV在前部采用2葉(如Explorer) (圖5)或3葉(如REMUS)鴨翼(圖6), 以增加在惡劣環境、近水面等條件下的操控性, 前部鴨翼控制段一般設計為獨立的可選模塊, 視情選裝。Bluefin則取消了控制面, 轉而采用萬向節式矢量推進器。

Gavia采用較為獨特的導管內槳后控制面(見圖7)。這種設計的優點在于槳后流速高, 舵效高, 且管內舵不宜被污損和纏繞。但這類管內舵在安裝、維護和驅動時的復雜性高于開式控制面, 可達性稍顯遜色。泵噴推進器的前端定子葉片也有利于防止雜物纏繞螺旋槳和槳后控制面, Sea horse 的控制面雖不在推進器導流罩內, 但也在設計推進器后, 受前面導管推進器的保護。

圖5 ISE Explorers的前后控制面

圖6 REMUS 600的前后控制面

圖7 Gavia的導管內槳后控制面

近海中遍布繩索、纜、尼龍繩、海藻等“軟”廢棄物, UUV的避碰聲吶一般看不見, 因此最好采用有保護罩的控制面。當UUV需要低速航行或在淺海航行, 或傳感器等載荷對UUV可控性有很高要求時, 可選用線形光滑的前部控制面。

3.2 耐壓殼體和濕空間

UUV的結構分為耐壓殼體密封艙結構和非水密艙結構, 多數UUV采用兩者結合的結構, 只是某一類結構占主導地位。2種結構的比較見表3。

工作深度越大、密封容積越大, 耐壓殼體的制造難度就越大, 所以工作深度大于600 m的重型UUV很少采用全封閉結構, 大多采用混合結構。軍用UUV的工作深度大多小于300 m, 且追求大容積多載荷, 所以多采用類似魚雷的全密閉結構。UUV一般采用圓柱形或球形耐壓容器, 同時采用一些位置靈活的非水密艙。從非水密艙到耐壓艙的過渡部分一般采用嵌入水密連接器的隔壁。多數UUV將電池置于耐壓殼內, 但Bluefin和HUGIN采用可直接浸泡在海水中的密封耐壓電池, 減少了對耐壓殼體容積的需求。

表3 UUV 耐壓殼體密封艙結構和非水密艙結構比較

結構設計中要考慮到工作深度、材料、浮力、結構和可達性(表征拆裝和維修難度)。

1) 工作深度和耐壓容器形狀。耐壓殼體的設計主要考慮工作深度和水密容積的需求。工作深度較小的UUV一般采用類似魚雷的圓柱形耐壓殼體, 且占據UUV大部分體積, 如REMUS 100和REMUS 600。由于球形容器耐壓能力更強, 所以大深度UUV則趨向采用球形耐壓容器, 一般占據UUV較少體積, 如: HUGIN 1000(見圖8)和Boeing Echo Ranger(3000m)。而ISE Explorer (2 200m)采用圓柱形耐壓艙, 兩端采用半球形隔壁, 其水密與非水密部分體積基本相同。

圖8 HUGIN 1000的總體布局和球形密封艙

2) 材料。UUV常用的10種材料: ABS塑料、塑膠、鋁、碳素纖維、玻璃纖維、石墨環氧樹脂、GRP(玻璃加強塑料)、HDPE(高密度聚乙烯)、鋼、鈦[1]。文獻[1]給出了不同材料在不同工作深度UUV上的應用情況(見圖9)。由圖可見, 當深度大于2000m后, 就不再使用相對廉價的鋼和鋁了, 深水UUV一般采用HDPE, GRP, ABS和鈦。大深度UUV趨向于采用球形非金屬材料耐壓容器。材料的強度不是唯一考慮的因素, 還要考慮抗腐蝕性和成本等因素。

圖9 不同深度UUV的殼體材料

3) 浮力。UUV采用不同方法補償正負浮力: a. 利用航行體速度、縱傾角和控制面上的力來控制升降; b. 用泵或壓載水艙來調節浮力; c. 利用垂直面的推力來控制升降。對于大型UUV而言, 即使海水密度發生微小變化, 較大的排水體積也會產生明顯的浮力變化, 所以大型UUV多采用浮力調節方法。對于負浮力大的UUV, 通常采用的方法是在非水密艙中配置浮材(比重輕于海水, 但不會被深海壓力壓壞), 或在耐壓艙內增加空氣空間。對于正浮力大的UUV, 通常在水密或非水密段中安裝固體壓載物。

4) 結構。除了考慮靜壓下的結構完整性外, UUV的結構設計還須考慮到: 水壓對段連接的影響; 突出物的安裝、殼體凹槽(用于電纜連接器和傳感器)會引起應力集中; 有效載荷容積等。還要考慮到操作方便性、發射與回收方便性, 以及一些特定任務需求(如: 錨泊)。

5) 可達性和維修性。UUV耐壓結構設計中的另一個關鍵考慮因素是UUV組件和子系統的可達性和維修性。

3.3 能源系統

能量是UUV航程的表征, 功率是速度和加速度的表征。對于低速UUV而言, 關注的主要是能量, 因此鋰電池就成了必然的選擇。UUV一般采用鋰離子電池或鋰聚合物電池。文獻[1]分別給出了不同類型電池的比能量(見圖10)和不同動力能源的Ragone圖(見圖11)。

圖10 不同電池的比能量

圖11 不同動力能源的Ragone圖

Bluefin和HUGIN采用水密耐壓電池模塊設計, 即電池模塊直接浸泡在海水中。模塊化密封耐壓電池設計的主要優點: 1) 可大幅減少對耐壓空間要求, 避免研制大型耐壓殼體, 減少相關成本; 2) 有利于深潛; 3) 電池浸泡在海水中利于散熱, 提高電池安全性; 4) 這種設計可用于各種非密封UUV結構, 適用面廣。對用戶而言, 最大的優點在于: 可實現現場快速更換電池模塊, 而無需現場充電, 即插即用, 大大縮短了周轉周期。例如: Bluefin-21采用了9塊耐壓密封的鋰聚合物電池模塊(9×1.5 kWh=13.5 kWh), 便于更換和維護(見圖12)[2]。在搜索馬航MH370期間, 每次下水超過20 h后, 只需在艙面維護(更換電池、下載數據) 2 h就可再次下水。對于深海作業UUV, 現場打開密封艙操作幾乎是不可能的。如果采用傳統的充電方式, 則一般需要多條UUV輪流下水, 作業效率和裝備使用率遠低于更換電池方式。所以, 采用水密耐壓電池模塊設計是深海UUV的一個重要技術方向。

圖12 Bluefin-21的1.5 kWh水密耐壓電池模塊

目前人們關注的重點仍是鋰離子和鋰聚合物電池的安全性。Bluefin Robotic公司開發的密封耐壓電池的每個指標都按照指令9310.1b 經受了NAVSEA的濫用試驗, 通過了潛艇使用認證[1]。

對于軍用UUV, 應開發模塊化能源系統開放式結構、標準的鋰電池模塊, 最好采用已經過認證的密封耐壓鋰二次電池, 適應多種UUV、多任務和多系統需求。一般電壓30~50 V。

3.4 探測傳感器

商用UUV攜帶的探測傳感器有數十種, 攜帶最多的是雙頻側掃聲吶(side scan sonar, SSS)和溫鹽深儀(conductivity temperature depth, CTD); 其次是水下攝像機、前視聲吶(forward looking sonar, FLS)、合成孔徑聲吶(synthetic aperture sonar, SAS)、海底淺層剖面儀(sub-bottom profiler, SBP)、聲學多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profiler, ADCP); 攜帶較少的傳感器有多波束測深儀(multi-beam echo, MBE)、濁度儀(tur- bidity)、磁力儀(magnetic anomaly detection, MAD); 偶爾也有UUV攜帶掩埋物掃描聲吶(buried object scanning sonar, BOSS)、3D成像聲吶、重力計、螢光計。為了配合導航定位, 有的UUV需攜帶超短基線(ultra short base line, USBL)、長基線(long base line, LBL)、合成長基線(synthetic long base line, SLBL)等聲學傳感器。

商用UUV最常見的用途是水下探測和成像, 因此SSS, 水下電視和CTD就幾乎成了基線配置。SSS用于大范圍掃測, 水下電視用于近距確認, CTD則為聲吶工作深度選擇和性能預測提供實測環境參數。由于SAS的分辨率比常規SSS高出1~2個數量級, 且與距離無關, 所以應用面日趨增加。

UUV傳感器配置設計中主要考慮的因素有: 1) 盡量避免突出航行體外, 以防止受到撞擊、纏繞或其他損傷; 2) 電磁兼容性; 3) 航行體自噪聲對聲學傳感器的影響; 4) 可測性等。

3.5 通信

幾乎所有的UUV都同時采用4種通信方式[1]: 衛星通信(satellite communication, SATCOM)、射頻通信(radio frequency, RF/Wi-Fi)、GPS通信和水聲通信(acoustic communication system, ACOM- MS), 這可視為是UUV通信系統的基線配置。設計中要考慮的因素包括以下幾個方面。

1) 天線水線以上高度。天線高度決定了水面狀態UUV的通信距離, 特別是視距內RF通信。SATCOM(如: 商用銥星)對水濺和海面反向散射均很敏感, 所以其性能也受到天線高度影響。除了天線高度外, 還要考慮到天線運動(如: 橫滾)對穩定接收的影響。大多數商用UUV采用突出于航行體外的固定式天線, 建制式UUV一般采用伸出或折疊式天線, 以保持UUV的線形, 并可從魚雷發射管發射。

2) 通信協議與數據操作。商用和軍事通信的需求決定了UUV采用的數據格式和通信標準, 例如: 商用銥星系統采用自身數據/信息格式及UUV上的收發機, RF通信可采用典型的IEEE 802.11標準, 軍用UUV可采用加密系統。

3)外部硬件的抗海水和抗壓保護。ACOMMS和SATCOM都必須安裝在殼體上, 與海水直接接觸。設計中要考慮如何在UUV的工作環境中保護天線, 也要考慮保護天線用的材料, 圓頂形保護罩可能降低天線的效能。

4) 硬件布置與集成。水聲通信基陣的布置取決于UUV對ACOMMS使用方式的需求。有些UUV, 如REMUS 600, 水聲通信基陣典型地布置在UUV的較低部位, 以保證UUV在近水面狀態時可與水面支援船有效通信。深潛型UUV, 如HUGIN 1000, 基陣布置在UUV的較高部位, 以保證UUV在深海航行時能與水面支援船有效通信。

3.6 發射與回收

UUV的發射和回收方式對總體設計有很大影響, 它決定了UUV諸多子系統的設計方案。

多數UUV從水面艦船的斜架滑入水中, 這是最簡單的布放方式; “標準口徑”的UUV可用魚雷發射管發射; 大型UUV一般用專用裝置布放。

已應用或研發成功的UUV回收方法主要有以下幾種。

1) 小艇人工回收。只適合于微型UUV和海況較好的場合。

2) 水面吊車垂直回收。大多數UUV采用這種方法。水面船和UUV相互機動到合適位置, 船上人員捕獲UUV放出的回收纜, 將UUV拉至船邊后, 用吊車垂直吊起, 但這種方式只適合于海況較好的情形(如: REMUS 600)。

3) 斜槽水面回收。UUV放出較長回收纜, 船上人員捕獲后, 用絞車將UUV沿斜槽拉上甲板。斜槽一般位于船尾。這種回收方式適合于海況較差的情況(如: HUGIN 1000)。

4) 水下塢站回收。回收船放出喇叭狀的柵狀籠(塢站), UUV跟蹤回收籠上的水聲應答器, 自主游入籠中, UUV與籠中定位銷及插頭連接后, 可以直接與船上系統交換數據, 并進行充電, 或被回收纜拖回到船上(如: REMUS 100, 見圖13)。這種導引和水下自動對接回收方法原理上也可應用于潛艇回收UUV。

圖13 塢站中的 REMUS 100

5) 垂直纜捕獲導引。這是一種較為特殊的水下回收方法。回收船放出垂直纜, UUV用水聲跟蹤系統尋的, 并利用頭部放出的八字叉形捕捉機構捕獲并鎖定回收纜, UUV利用垂直推進器或改變浮力的方法來沿垂直纜上下移動(如: Lockheed Martin Marlin, 見圖14)。對于軍用UUV, 除了水面艦船可放出下垂的回收纜外, 潛艇也可放出垂直上浮的回收纜, UUV扣住后, 可利用回收纜將其拉入回收艙[1]。

(a)張開捕捉叉逼近回收纜 (b)捕獲回收纜后沿纜上浮

6) 自主進艙。此種回收方式由美國海軍開發。潛艇上馱負一個UUV艙, 用于攜載、布放和回收大型UUV。回收時, UUV自主游入艙中。

7) 潛艇魚雷管機械臂回收。此種回收方式由波音公司開發。從上部魚雷發射管中伸出的裝有導引、攝像等系統的回收臂, 抓住533 mm口徑UUV后從下部魚雷管倒推入艇內。

8) 潛艇垂直導彈發射筒回收。美海軍與通用動力電船公司2014年剛測試的“通用發射與回收模塊”(universal launch and recovery module, ULRM)原型, 從巡航導彈核潛艇的導彈發射筒發射和回收UUV或其他有效載荷(見圖15)。潛艇內部的升降機傳送裝置將UUV從潛艇內部運送到艇體之外, UUV通過液壓和機械裝置臨時固定。潛艇先釋放與導彈發射筒頂部相連的通信浮標, 隨后UUV從導彈發射筒發射, 通過浮標通信。任務完成后, UUV返回, 被收回發射筒內, 浮標亦被收回。前期測試采用的是約4.5 t的Marlin UUV原型(Lockheed Martin), 計劃2015年在巡航導彈核潛艇上進行海試, 該系統的最終戰術版本將可發射和回收1.524 m口徑、長度7 m、總重約13.6 t的大型UUV[12]。

圖15 美國大型UUV潛艇回收裝置——“通用發射與回收模塊”

4 結束語

在UxV(UAV, UUV, USV, UGV的統稱)領域,人們對UUV的關注僅次于UAV, 因此越來越多的UUV被相繼開發出來, 有數百種之多。如果僅僅滿足于在淺水進行簡單作業, 則技術門檻似乎并不高, 許多研究機構、大學、企業都可以開發出演示樣機。然而, 要開發出真正具有市場價值的UUV產品卻并非易事。要取得商業成功, 就應該充分了解用戶需求、仔細進行系統設計, 使UUV產品不僅具有優良性能, 還具有廣泛的適用性和足夠的保障性。

盡管與其他UxV相比, UUV的工作環境更不利, 給探測、通信及導航帶來一系列困難, 但人們還是可以通過合理的設計, 充分利用UUV所具有的一些獨特優勢, 使之發揮出更高的效能。例如: 與UAV相比, UUV最大的優勢可能在于對質量不敏感, 不會像飛行器那樣對任務載荷“斤斤計較”。這意味著, 可以充分利用這一特性, 采用開放式結構和以“段”形式出現的模塊化任務載荷, 只要將“段”配置成合適的正/負浮力, UUV的長度、質量、形狀就幾乎不受限制(在動力能源允許的情況下), 這使得UUV可以通過換裝或增加功能模塊執行多種任務, 尤其是具有很強的投送能力。再如, 與UAV不同, UUV能以低功耗方式靜止懸停, 可利用這一特性為其設計完成水下精確識別和作業任務的載荷; 也可利用其可長時隱蔽待機的特點, 為其設計相應的任務能力。

若產品能被軍方選用, 則在很大程度上表明該產品具有較高的技術水平和能力, 往往會進一步帶來商業上的成功。因此, 設計軍民兩用UUV應是較好的開發和商業策略。從適用性角度考慮, 對這類UUV的系統設計有以下建議: 1) 盡量采用回轉體外形, 重型(中型)、輕型(小型)UUV盡量采用533 mm和324 mm“標準建制口徑”; 2) 為滿足多任務需求, 應采用開放式結構和模塊化設計; 3) 深潛型UUV宜采用以濕空間為主的結構, 以降低對大容積耐壓容器的要求; 4) 盡量采用經過認證的標準化密封耐壓電池模塊, 標準電池模塊不應太大, 這樣能夠以組合的方式適用于不同級別的UUV, 并易于保障; 5) 基線通信方式采用RF (Wi-Fi), SATCOM及GPS/BD, 雙向ACOMM, 采用折疊(或升降)天線, 防止纏繞, 降低易損性, 并適用于潛艇發射; 6) 盡量采用適合于較高海況的回收方式, 如斜槽回收、自主導引回收等。

可以預見, 在未來幾年內將會出現更多的像Bluefin和REMUS那樣世界著名、商業成功、受軍方青睞的UUV產品。

[1] Daniel W. French. Analysis of Unmanned Undersea Vehicle(UUV) Architectures and an Assessment of UUV Integration Undersea Applications[R]. Naval Postgraduate School, 2010.

[2] Monterey Bay Aquarium Research Institute. 藍鰭金槍魚設計技術[EB/OL]. [2014-04-01] US: Bluefinrobotics Corporation. http://www.bluefinrobotics.com/technology/.

[3] United States Department of Defense. Unmanned Systems Roadmap 2007-2032[R]. US: United States Department of Defense, 2007.

[4] Anon. Seahorse AUV[EB/OL]. [2014-04-01] http://www. naval-drones.com/ Seahorse.html.

[5] Senke W, Phaneuf B. Extremely Large Unmanned Underwater Vehicles (ELUUV) as a Force Multiplier[C]// Hamburg: UDT′2013, 2013.

[6] Defense Advanced Research Projects Agency. Hydra [EB/OL].[2014-04-01] http://www.darpa.mil/Our_Work /TTO/Programs/ Hydra.aspx.

[7] Lundquist E H. Unmanned Underwater Vehicles, Is Bigger Better, or Smaller Smarter?[J]. Naval Foeces, 2012, 32(3).

[8] Anon. Knifefish Artemis[EB/OL]. [2014-06-01]http:// www.navaldrones.com/knifefish.html.

[9] Autonomous Undersea Vehicle Applications Center. Echo Ranger Con-figuration[EB/OL]. [2014-06-01] http://auvac. org/configurations/view/13.

[10] Autonomous Undersea Vehicle Applications Center. Proteus Confi-gura-tion[EB/OL]. [2014-06-01] http://auvac.org /configurations/view/239.

[11] Nawrot M T. Conceptual Design for a Thrust-Vectoring Tailcone for Underwater Robotics[D]. US: Massachu-setts Institute of Technology, 2012.

[12] 美國測試新型潛射潛航器系統[EB/OL]. (2014-02- 08)[2014-06-01] http://www.81tech.com/news/shijie-chu- anbogongye/137438.html.

(責任編輯: 陳 曦)

Overview of Technology Development and System Design of UUVs

QIAN Dong, TANG Xian-ping,ZHAO Jiang

(1. Naval Armament Academy, Beijing 100161, China; 2. Research Center, China Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100012, China)

To promote UUV design for both civil and military applications, the grading and diameter restriction of military UUVs are discussed, and the performances and characteristics of popular UUVs in world market are summarized. The key architectural aspects of UUVs are analyzed, such as overall formations, propulsors, control surfaces, energy systems, pressure hulls and wet volume, sensors, communication, launch and recovery. The typical structure properties of UUVs and the influencing factors are discussed. Suggestions about design of military UUVs are offered as follows: 1) open structure and modularization should be adopted for multi-task requirement; 2) medium-weight and lightweight UUVs should take the diameter of 533 mm or 324 mm to meet the military suitability; and 3) watertight components and payloads should be designed for deep diving UUVs in order to decrease the difficulty in manufacture of pressure hulls.

unmanned underwater vehicle (UUV); system design; civil and military application

TJ630; TP242

A

1673-1948(2014)06-0401-14

2014-07-07;

2014-07-30.

錢 東(1958-), 男, 碩士, 高級工程師, 長期從事魚雷武器系統總體技術研究.