水面無人艇CFRP 結構設計研究

李明明，許志昆，簡開勇

（廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250）

1 前言

隨著遠程控制和人工智能等前沿技術的不斷發展，水面艦船的無人化和智能化技術日趨成熟，各國對于水面無人艇的研發已進入白熱化階段，各類適應于不同需求的水面無人艇不斷涌現，這一趨勢在軍事領域尤為明顯。

水面無人艇自誕生之日起，便攜帶著與眾不同的“基因”，對比有人駕駛的水面艦船，二者的區別絕不僅限于有人/無人駕駛。USV 應具備以下的特點：（1）能夠在惡劣海況下生存；（2）可以全天候執行任務；（3）便于日常檢查、維修、保養；（4）便于設備的安裝、使用和更換；（5）高機動、高耐波性和高航速等；（6）大的續航力和載重量；此外，還應具備隱身、防火防爆等性能。由此可以看出，USV 對艇體結構提出了很高的要求，常用的造船材料碳素鋼和鋁合金等難以達到上述要求，而碳纖維增強復合材料(CFRP)具有較高的比強度、比剛度和耐磨、耐化學腐蝕、絕緣、抗疲勞、抗海生物附著、無磁和透波/吸波等優異性能；還可通過基體、芯材、碳纖維鋪層方向和添加劑等來設計其整體力學性能和屬性；同時 CFRP 也是一種可根據需求進行進一步研發的新型復合材料。以上特點在相當程度上契合了USV 艇體結構材料的發展需求，因此CFRP 在USV 制造領域得到越來越普遍的應用。

CFRP 在高性能艦船結構設計中的應用和相關研究十分豐富。OH Daekyun，韓志強等基于CFRP 層板力學性能隨層板中碳纖維含量的變化而改變的材料特性，設計出一套有效的CFRP艇體結構層板輕量化的方法，并將之應用于11 m 的CFRP 高速艇的設計中；焦明鑫研究了CFRP 在游艇制造中的應用；張祎則提出和論證了CFRP 應用于極地救生艇的可行性。隨著無人艇近年來的飛速發展，其艇體結構的特殊性尚有待進一步的研究，CFRP 作為一種高性能的復合材料，其本身性能和應用也亟需進一步的研究和開發。

2 USV 的結構特點

由于USV 迥異于有人駕駛艦船的特點，對于USV艇體結構的設計需在現有基礎上進行相應的調整，以滿足USV 對于速度、局部載荷、自持力、機動性能和生存能力等方面的苛刻要求，這些結構調整需對應于USV 的設計平臺和平臺載荷的特點。本文基于我院3 t級USV 的結構設計，總結出USV 艇體結構區別于有人駕駛艦船結構的特點：

（1）現階段國內研發的USV 以船長在15 m 以下的小艇為主。小型USV 意味著艇體的內部空間極為有限，為了實現無人系統的功能，USV 上除了與有人駕駛艦船相同的動力與推進等設備外，還需要安裝許多服務于無人系統的硬件設備和電線管路，且為滿足USV 在海上的持久能力，通常會設置艙容很大的油箱，因此空間對結構的限制尤為明顯；USV 雖然在理論上可以省卻人員活動的空間，但現階段國內的USV 多處在半自主階段，故USV 設計通常也考慮了有人駕駛的狀態；

（2）小型USV對重量極為敏感。其重量主要包括：水面無人平臺、基礎載荷和任務載荷。其中，基礎載荷和任務載荷幾乎固定，所以在保證結構安全穩定的前提下，嚴格控制結構的重量對于實現USV 的高速、靈活和高效等性能十分關鍵，這也意味著USV 對結構設計和制造提出了更高的要求；

（3） USV 不需考慮載人狀態對結構設計的影響，但艇上的硬件設備需要檢修，加之模塊化的設計趨勢，使得處于艙室內的硬件設備檢修、更換和保養的便捷性，成為結構設計中必須考慮的因素；

（4）USV 通常放置于母艦和岸基平臺上，布放和回收系統是無人艇正常運行的前提，所以在艇上用于布放回收的結構也是USV 結構的重要組成部分。根據3 t 級USV 的設計經驗并綜合國內外在USV 布放回收技術的應用，雖然有尾滑道布放與回收和搖籃等新型的布放回收系統的相繼開發，但目前最常用的依然是操作簡單、穩定可靠的各類單點收放裝置（見圖1），其不僅需要保證自身的安全可靠，更應使吊放和回收過程中的應力均勻的分散到艇體上；

圖1 單點收放裝置

（5） USV 外形通常較為簡單，對于雷達、天線和監控攝像等對安裝位置高度有要求的設備而言，難以在艇體上層面上找到合適的安裝點，因此USV 上的桅桿不可或缺。但USV 的活動范圍和隱身性能又對桅桿的高度和形式進行了限制，因而桅桿結構的設計不僅影響USV 的外觀，而且直接關系到USV 的功能，可倒式CFRP 桅桿或許是可行的方案。

3 CFRP 應用于USV 的結構分析

目前常用的船舶制造材料有：鋁合金、船用鋼、CFRP 和玻璃纖維增強復合材料等，這些材料各有優缺點。對于USV 而言，考慮重量控制要求，船用鋼不適合作為結構材料；USV 的水下部分的艇體曲面復雜，影響了鋁合金在USV 上的應用；USV 采用CFRP 和玻璃纖維增強復合材料，越來越受到人們的重視，但相比于玻璃纖維增強復合材料，CFRP 在重量、比強度、比剛度和抗拉強度等方面都有較大的優勢，但成本較高。隨著新技術和新工藝的開發和應用，CFRP 價格的下降是可以預期的，因此綜合來看，CFRP 必然成為未來USV 結構材料的主要選項。

CFRP 應用于USV 結構，分析如下：

（1） CFRP 結構形式主要包括：層合板、復合材料夾層結構和帽型材（CFRP 加強筋），其中帽型材對設備和油箱的安裝影響最大。如3 t 級USV 的主機在安裝時，主機表面最高點距甲板骨材僅有不到100 mm的間隙，但由于CFRP 結構有多種手段可以在保證結構安全可靠的前提下，為設備安裝預留足夠的空間，包括增加帽型材的碳纖維布的鋪層厚度以降低帽型材高度、增加帽材料中芯材寬度來降低帽型材高度、部分結構可以通過在帽型材中添加高強度預埋件以減小帽型材尺寸等；

（2）結構輕量化是USV 結構的重要特征，CFRP結構本身在常用的幾種船舶制造材料中密度最小，且與金屬材料不同，其在制造過程中最終成形的重量和屬性與施工工藝和樹脂、碳纖維含量密切相關，所以在保證CFRP 結構力學性能的前提下，設計最優的碳纖維含量也是結構輕量化的一項重要工作；

（3）水面無人平臺、基礎載荷和任務載荷的開放架構和模塊化設計，是USV 發展的必然趨勢，而CFRP 非常適用于此種設計。首先是CFRP 能輕易制作出較為復雜的曲面形狀，滿足模塊化設計中的各種形狀模塊基座的設計制造；其次是CFRP 可以有效保證開放式架構的完整性。

4 3 t USV 結構優化設計

我院設計的3 t 級USV，采用的是CFRP 結構。作者全程參與了該艇的設計與建造，根據在該艇建造過程中所暴露的問題和后期的修改、優化設計中得到的經驗，希望能夠為大家提供參考和借鑒。

（1）在高速行駛過程中，主機本身是一個振動源，長期振動必然會給主機基座造成一定程度的損傷，為減輕振動的損害可以利用輕質的芯材。實驗表明，基座內的輕質芯材能夠有效的減震吸能，因此主機基座中的芯材的選取應考慮減震的需求；依此類推，USV中的設備雖然自身沒有較大振動，但當USV 在高速航行時，船體和水面的撞擊無法避免，因此對于重量較大的設備，在空間允許的情況下，基座采用CFRP 夾層結構優于使用CFRP 層板結構；

（2）充分利用CFRP 結構的特點，可以有效減輕結構重量，優化結構性能。例如對于USV 甲板面而言，使用CFRP 夾層結構無疑是最佳的選擇，因為甲板是人員上船和安裝任務載荷的重要區域，CFRP 夾層結構不僅能夠大幅增加甲板板的剛度，還為甲板上的設備提供更優的夾層結構安裝面；此外，因為甲板板的上表面直接承受設備和人員的撞擊與壓力，因此讓上表面的鋪層厚度增加、下表面的鋪層厚度減小，并保持鋪層總厚度不變；與此類比，對于同樣使用CFRP 夾層結構的艙壁結構，則需設計為兩面的鋪層厚度相同；

（3） USV 上單點收放結構的加強，最初使用兩根可伸縮的金屬柱體，柱體的兩端設有貫穿螺孔，一端連接與單點收放結構，另一端則連接到船底的龍骨上。這種設計雖然能夠有效的將USV 收放過程中的力傳遞到船底，但整套方案所附加到艇上的重量過重，并且極大的占用了艇體內部的空間；而如果將單點收放結構設置于艙壁上，則可以利用整個艙壁來傳遞單點收放結構所受的拉力，這樣即使不增加額外的結構，也可以達到增強的效果，當然艙壁上對應于單點收放結構的區域必須加強。兩種設計方案，見圖2 所示。

圖2 單點收放裝置的加強方式

5 總結與展望

從早期單一的遙控USV，到品種較多的半自主USV，再到種類豐富的自主USV，作為無人裝備體系中的重要一環，USV 的重要性不言而語。CFRP 作為USV 未來重點發展的艇體材料，國內雖有研制成功的CFRP 水面無人艇，但基本都處于樣艇階段，尚未有系列化的CFRP 水面無人艇出現，應通過樣艇的結構設計來不斷累計經驗，這也是發展USV 的必由之路。

本文根據船用CFRP 的應用，分析了CFRP 應用于USV 的優缺點，從3 t 級USV 結構設計出發，分享一些CFRP水面無人艇的優化設計，以期能夠拋磚引玉。

關于未來CFRP水面無人艇結構設計優化和發展，有以下幾點建議：

（1） CFRP 水面無人艇的發展必然會走向系列化和模塊化的道路，在此過程中結構設計的優化應分步完成，從小的細節入手，逐步完善；

（2） CFRP 本身也處在不斷發展的進程中，應當持續關注CFRP 的最新發展，將CFRP 最新技術應用于CFRP 水面無人艇的結構中來；

（3）我國亟需開發復合材料船舶結構設計的專業軟件，對于設計優化和研究至關重要。