潛空跨介質無人航行器發展現狀與展望

孫祥仁，曹 建，姜言清，李岳明，李 曄

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 水下機器人技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

潛空跨介質無人航行器是一種能同時擁有水中、空中運動能力，且能通過自身能量多次跨越水、空2種介質，通過搭載相應的傳感器能完成水中、空中作業任務的無人航行器。實際上，潛射無人機的發射同樣也經歷了由水下至空中的跨介質過程。但一般潛射無人機在水下不具備作業能力，也不能完成多次出入水作業，因此潛射無人機不屬于本文討論重點。

潛空跨介質航行器綜合了水下航行器的隱蔽性以及空中飛行器的快速性優勢，并可在同一航行器上完成水下和空中的作業任務，這使得各國都對該類航行器產生了較大興趣。二戰之前，就曾有蘇聯人提出過飛行潛艇的概念。20世紀70年代，美國也曾對大型潛水飛機方案進行過概念設計。進入21世紀以來，不斷有研究機構對潛空跨介質航行器進行論證、設計，部分機構做了原理樣機并進行了初步試驗。潛空航行器的跨介質特點也是其研究的最大難點，由于水和空氣2種介質差別巨大，在設計時往往難以兼顧航行器在 2種介質中的航行性能[1]。水下航行器一般使用電池作為能源，并采用細長的流線型外殼以降低航行阻力，所受浮力一般接近于重力；而長航時空中飛行器一般使用內燃機作為動力來源，依靠機翼或旋翼提供升力，機體則是越輕越好。此外，由于出水過程極為耗能，要想達到長航時要求，跨介質航行器一般需攜帶較多電池，這又增加了整體重量。目前為止，潛空跨介質無人航行器的研究多數停留在理論層面上，設計制造出原理樣機的不多，原理樣機能夠完成水下航行、出水、空中航行、入水這一循環的少之又少。

1 國內外研究現狀

本文在此介紹一些國內外較為典型的潛空跨介質無人航行器的相關研究，主要偏向于21世紀以后各研究機構的相關成果。

1.1 國外研究現狀

2010年，英國布里斯托大學的研究人員研制出可應用于潛空跨介質航行器的仿生翼結構[2]。在實驗中，測定了仿生翼在不同運動模式下的功耗，并得出撲翼的運動模式可以為航行器提供足夠的水下前進動力。這種結構對于潛空跨介質航行器有潛在的應用價值，為其設計實現提供了更多研究資料和經驗借鑒[1]。

2011年，麻省理工學院（MIT）機械工程系研制了一型兩棲仿飛魚的原理樣機（如圖1所示），并在飛魚游動理論、機構設計實現、驅動控制方式等方面進行深入研究，對今后仿生樣機的研究有一定指導意義[3]。

圖1 “飛魚”仿生潛空航行器[3]Fig. 1 “Flying Fish” bionic underwater-aerial vehicle

2016年，英國倫敦帝國理工學院設計了一款螺旋槳推進的潛空航行器AquaMAV，如圖2所示。該航行器仿照飛烏賊噴射的方式，將飛行器攜帶的少量水噴出實現起飛。其入水方式為濺落入水，即空中完成機翼折疊，螺旋槳停轉后自動折疊且最先入水，從而完成航行器入水過程，水中、空中航行采用的是同一可折疊螺旋槳完成推進[4-5]。該樣機重量僅有201 g，飛行時間約14 min，期望被用于特定水域的數據收集或環境監測，如監測海洋石油泄漏等[6]。目前尚未找到該樣機完成水下航行—出水—空中航行—入水這一全過程的資料，且由于無法補充噴水所需的高壓氣體，尚無法完成多次出水過程。但該樣機以其輕小的機體，特別的出水方式為潛空跨介質航行器的設計提供了新思路。

圖2 AquaMAV實物圖[6]Fig. 2 Physical image of AquaMAV

2019年 9月發表的論文顯示，倫敦帝國理工學院團隊設計了新一代跨介質航行器[7]，如圖3所示。與上一代樣機相似的是新樣機同樣采用噴水的方式出水，不同之處在于新樣機利用化學反應爆炸而不是高壓氣體來完成噴水動作，且團隊為新樣機設計了三角翼以在出水后提高飛行穩定性。其爆炸的產生方式是：通過微型泵將環境中的水泵裝入有碳化鈣的容器中，水與碳化鈣結合產生乙炔氣體并進入到另一個有少量水和空氣的容器中，通過產生電弧引燃乙炔產生爆炸將容器中的水噴出。每次僅消耗0.2 g碳化鈣即可將160 g的航行器噴射出水面并滑翔約 26 m。通過攜帶少量碳化鈣粉末，入水后用一根較細的金屬管向容器內補充水，即可滿足多次出水的需要。該論文重點對出水過程進行了驗證，并未涉及水、空航行過程的試驗。

圖3 倫敦帝國理工學院的新型航行器[7]Fig. 3 ICL’s new vehicle

2017年 7月，美國羅格斯大學與海軍研究辦公室聯合研制的“航海家”（Naviator）潛空航行器成功用于特拉華紀念大橋的空中和水下橋體檢測，如圖4所示。該航行器自2013年開始研究，是一型經特殊改進的四旋翼無人機。主要改進包括：1）對航行器的關鍵部位進行了防水處理，使其能在一定水深正常工作；2）優化螺旋槳轉速，航行器一旦進入水中，自動切換為較低轉速旋轉，同時機身旋轉90°，此時螺旋槳的升力轉為水平推力，推動航行器前進；3）改進數據傳輸能力，空中采用無線信號傳輸，在水中將采用水聲信號傳輸等。“航海家”可以攜帶多類傳感器執行空中/水下探測偵察任務。此類航行器起降靈活，不足之處在于水中、空中航程提高空間小。

圖4 “航海家”潛空航行器Fig. 4 “Naviator” underwater-aerial vehicle

2018年 2月，北卡羅來納州立大學和特力丹科學與成像公司（Teledyne Scientific and Imaging）聯合開發了“鷹鰩”（EagleRay）固定翼跨介質航行器，可從水面起飛或潛入水下航行。“鷹鰩”長約1.4 m，翼展約1.5 m，重量約5.7 kg，機身主體由碳纖維和鋁合金制成，由同一個電動機驅動的螺旋槳完成空中和水中推進，同時具備手控和自控2種模式[8]，如圖 5-6所示。其起飛流程是：1）在螺旋槳推進下航行至起飛點；2）向機腔后部注水，使航行器轉為直立狀態，由螺旋槳將航行器從水面拉起；3）飛行至一定高度，腔體排水，轉為平飛；4）完成空中任務后，平飛降落水面。潛水流程是：1）腔體注水，航行器潛入水下航行；2）完成水下任務后，腔體排水，浮出水面。該航行器目前已經進行了多次試驗，是目前潛空跨介質航行器中為數不多地完成了各個航行過程試驗的樣機[9]。

圖5 “鷹鰩”在水面和水下航行[8]Fig. 5 “EagleRay” sailing above and below water

圖6 “鷹鰩”出水瞬間Fig. 6 The moment of “EagleRay” flying out of water

1.2 國內研究現狀

當前國內關于潛空跨介質航行器的研究主要有航行器模型的仿真驗證、原理樣機的研制、對水空過渡等關鍵技術進行驗證等。

2009年，北京航空航天大學研制出潛空航行器“飛魚”[10]，如圖7所示。“飛魚”通過浮力調節機構出入水面，在水面滑跑完成起飛，降落也同樣要在水面減速，具有水下運動能力。該樣機采用可變后掠角機翼，以減小水下航行時的阻力，同時也方便在上浮時快速排干機翼內的水[1]。

圖7 “飛魚”潛空航行器[10]Fig. 7 “Flying Fish” underwater-aerial vehicle

2015年，北京航空航天大學開發了一款仿鰹鳥潛空跨介質航行器[11]，如圖8所示。從模型圖上來看，該樣機空中推進器布置于機身最前端，尾部配有水下推進器，并包含了姿態調節機構以在出水時調節機身俯仰角，其結構設計盡可能地輕量化處理。機翼后掠角可根據不同工作狀態進行調節，為了出水時快速排水，機翼為中空結構[12]。該團隊在原理樣機關鍵部件強度設計、分析、入水抨擊試驗等方面進行了深入研究，為后續潛空航行器發展提供了寶貴經驗[1]。

圖8 仿鰹鳥潛空航行器[11]Fig. 8 Gannet-like underwater-aerial vehicle

2011年，南昌航空大學研制了2型潛空航行器樣機。研究人員對幾種氣動外形進行了設計并做了相應的仿真計算，同時對關鍵結構件進行了設計與分析。此外，其中一型航行器采用油電混合的推進方式，但試驗樣機未能進行起飛試驗。盡管如此，通過 2型樣機的研制依然積累了關于機翼變換、油電混合動力在潛空航行器上應用的重要經驗[13-14]。

2 潛空跨介質航行器的未來應用

2.1 民用方面

潛空跨介質航行器可應用于水體環境監測和災害響應中，在海洋學、水庫管理、農業等領域也有多種重要的應用。當前水質監測方法費時費力，而潛空航行器可多次出入水且具備空中、水中航行能力，比單一領域的水中、空中系統響應更快。因此，可在一個水域收集樣本、記錄數據或視頻后出水，并由空中迅速轉移到下一目標水域繼續采集信息，從而可以在較短時間內將不同位置的水質信息提供給基站。這種高效率的工作模式在一些水體污染等災害響應中尤為關鍵。

圖9 AquaMAV用于密閉水域數據收集的設想[4]Fig.9 Assumption of AquaMAV used for data collection in confined spaces

2.2 軍用方面

2.2.1 情報收集

潛空跨介質無人航行器的應用對于海上情報收集、掌握戰場海洋環境有著巨大的幫助[15]，這往往是取得海戰主動權不可或缺的條件。常規的水文調查手段（如水面船、浮標、潛標等）由于目標明顯，往往不適合在敏感水域使用；單純的水下無人航行器（包括水下滑翔機和自主水下機器人）盡管隱蔽性好，但由于速度慢，從安全位置進入目標海域范圍航渡時間過長，不利于執行戰時應急水文調查任務。潛空跨介質航行器兼具水文調查隱蔽性和跨區域航渡高速性，可很好地解決戰時應急水文調查這類難題。使用時，航行器可由水面船、飛機、潛艇等平臺布放，從空中快速抵達目標海域，完成入水并開始執行水中隱蔽水文調查任務。同樣，該類航行器也可以作為水中隱蔽的值守平臺，對目標海域執行長期定點監測任務，當附近有水面目標接近時可隨時出水完成空中監視、情報收集等任務[16]。

2.2.2 集群作戰

隨著技術的進步，潛空跨介質無人航行器可向低成本、集群作戰方向發展。例如：1）可由水面艦船等同時布放數十架潛空航行器，而后經水下航渡到達預定目的地并在水下潛伏。在目標艦艇到達潛伏區域后，潛空航行器編隊可按批次襲擾目標艦艇。第 1批次吸引目標艦艇防空火力，后續批次對艦艇重要目標實施攻擊。2）以蜂群戰術同時攻擊目標艦艇，目標艦艇難以同時應對大量的近距離襲擾，從而可以癱瘓其雷達、通信設備等關鍵設備設施，大幅度降低主力作戰部隊對目標艦艇的攻擊難度。

2.2.3 通信中繼

潛空跨介質無人航行器還可以作為岸上基地、水面艦艇與水下潛艇部隊的通信中繼。潛艇出航后與外界通信難度大，且容易暴露，而潛空跨介質航行器可作為潛艇與外界溝通的“信使”，對潛空航行器通信系統進行必要的加密，并加裝自毀裝置等保險措施，在航行器由水下接近己方潛艇時建立通信，遠離潛艇后出水并回傳信息。這樣可以大幅度降低潛艇遠航時的通信難度，同樣也能降低在緊急時刻潛艇與外界建立通信的暴露幾率。此外，還可將多架潛空航行器分別布置在不同海區待命，在指定時間或接到命令時出水并達到一定飛行高度，在較大范圍內架起“鵲橋”式通信網絡，從而完成特殊情況下的海上遠距離通信。

3 潛空跨介質航行器的技術難點

潛空跨介質航行器同時具備了飛行器和水下航行器的特征，而這兩者在設計理念上有許多矛盾之處，進而產生了一些難點問題。

3.1 航行器重量控制問題

由于水下深度每增加10 m，航行器就要多承受約 1個大氣壓的壓力，因此水下航行器為了承受水壓，各類設備都要做一定的處理。最常見的形式是為電子設備、電池等設計 1個耐壓艙，這顯然要增加航行器的重量。水下航行器對重量要求沒有像飛行器那樣嚴苛，但多數水下航行器為了在水下有更好的航行性能，要求機體受到的浮力近似等于重力。除了設計時考慮機體排水體積和質量的關系外，往往還要在航行器上增加配重和浮力材料以滿足重力、浮力以及重心位置等靜穩性要求，這些對于飛行器來說顯然是增加了不必要的重量。另外，潛空跨介質航行器由水下至空中這一過程要消耗巨大的能量，如果沒有外界能量輸入，達到多次出入水的要求就要靠航行器自身攜帶更多的燃料、電池或者采用噴射出水機構，這些都會導致航行器重量增加。將上述討論的水下航行器設計成會飛的跨介質航行器，顯然難以滿足飛行器輕質化的要求。將一個較重的物體帶到天上往往需要較大的機翼或強大的推進器。一些輕小的航模機翼往往使用輕木制作，考慮到跨介質航行器需要在水中航行，因此木質材料一般不考慮。機翼需要盡可能輕又能夠在出水階段快速排水，因此可以考慮使用碳纖維等材料制作一個中空的機翼。

3.2 航行器出水問題

出水是潛空跨介質航行器一個關鍵技術難題。航行器由水下過渡到空中這一過程消耗巨大的能量，出水過程中水面風浪對航行器的影響，以及出水后作為飛行器的姿態調整等都是亟待解決的問題[17]。當前各研究機構對航行器出水過程有不同的方案，因此要考慮的問題也不盡相同。例如倫敦帝國理工大學的 AquaMAV通過航行器向后噴水的方式出水，進而能夠節約出水過程的能量消耗，但這種方式機構較為復雜，每次出水前都要想辦法向容器中充入適量的水；而北卡羅來納大學和特利丹（Teledyne）公司設計的跨介質航行器則是簡單的通過螺旋槳提供拉力使航行器脫離水面，該方式則需要更多地考慮推進器推力，以及出水前后航行器姿態的調整等問題。

3.3 航行器入水抨擊問題

入水抨擊同樣是潛空航行器設計過程中需要關注的重點。類似于水上飛機的水面降落方式對結構強度要求略低，但其滑行距離遠，整個入水過程耗時長，不適合一些對入水位置要求較精確、快速反應的任務。另一種入水方式是參照鳥類入水捕食的動作，機身有較大俯角，首部最先入水，此方式對機身結構強度要求很高，但整個過程耗時很短，并更容易達到特定入水范圍的要求。一些機構對鰹鳥等由空中入水捕食的鳥類進行了仿生研究，并設計了仿生樣機進行試驗。為了減小入水抨擊帶來的機身結構損害，航行器應擁有盡可能高的強度，但這往往與輕量化設計產生矛盾。此外，入水時應盡可能地降低速度，減小機身投影面積。

3.4 能量來源

能量來源也是關鍵問題之一。長航程飛行器多使用內燃機等依賴空氣的推進器，而水下環境不能提供空氣，若使用內燃機則要航行器自帶氧化劑，目前來看難度較大。因此，推進器一般考慮電動，能源一般考慮使用電池。為滿足多次出水或長航程的要求，除了減阻外還需要增加能源攜帶量，而常用的二次鋰電池能量密度十分有限，使用常規鋰電池就必須要在設計時考慮到巨大的重量對飛行器帶來的影響。一些新型電池的研發可能對潛空跨介質航行器的研發產生較大幫助，通過應用能量密度較高的電池可大幅度降低航行器的重量，例如小型化的氫氧燃料電池、海水溶解氧半燃料電池，特殊情況下為了提高航程還可使用如鋰氟化碳等一次性電池。

3.5 推進器設計

潛空無人航行器推進器設計也決定了航行器的性能。由于水和空氣物理性質差別較大，水下推進器和空中推進器一般各司其職，難以相互取代，如果潛空跨介質航行器同時配備2類推進器，無論是水下或者空中航行都會有1個不工作的推進器，這顯得很不經濟。因此設計一種既能在空氣又能在水中運行的推進器也是研究者考慮的問題。北卡羅來納大學和特力丹公司（Teledyne）所設計的航行器使用同一個推進器完成水下和空中推進，然而其實質仍屬于空中推進器，只是在水下工作時大幅度地限制了功率，可以認為是犧牲了水下航行性能所作的妥協。

輕小型航行器一般選擇電機作為推進器動力源。電機有輕小、調速簡單、不依賴空氣、不產生廢氣等一系列優點。在航行器大功率、長續航的需求下，使用內燃機等熱動力源往往比電機更加經濟有效，電機要使用電池作為電源，而大功率、大容量電池往往伴隨著更大的重量問題，即這種情況下電池的質量比能量要更低，整個系統負載加大，效果不佳。潛空無人航行器熱動力研究一直在進行，熱動力使得高速、大航程航行更加容易。然而，熱動力推進依賴燃料和氧化劑，且往往有廢氣、廢水產生，這就大幅度增加了其在水下應用的難度，目前尚未了解到有成熟產品應用于潛空無人航行器。

4 結束語

綜上所述，潛空跨介質航行器有著相當廣闊的應用前景和發展潛力，目前已有較多的研究機構在從事相關研究。但從現有的資料來看，當前較多的研究是在理論層面，一些研究機構制作了原理樣機，僅少數能完成水下航行、出水、空中航行、入水這一循環，仍沒有航行器能夠搭載載荷完成實際任務。潛空跨介質航行器研究過程中要解決的難點有很多，但隨著越來越多的新思路、新方法產生，難題也將迎刃而解，潛空航行器的實際應用只是時間的問題。