大深度無人潛航器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

任 翀，李 楠，杜照鵬

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

0 引言

“海斗深淵”指6 000 m以下深度的海洋空間，簡稱“深淵”，是人類知之甚少又難以企及的區(qū)域[1]。目前，深淵科學(xué)研究是海洋科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。探索深淵需要相應(yīng)的技術(shù)裝備支撐，深淵探測裝備技術(shù)已成為各海洋強(qiáng)國競逐的焦點(diǎn)。

無人潛器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）是深淵科研、工程及軍事應(yīng)用領(lǐng)域的重要技術(shù)裝備。依據(jù)控制方式的不同，UUV可分為無人自主潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、有纜遙控潛器（Remotely Operated Vehicle，ROV）和自主遙控復(fù)合型潛器（Autonomous Remotely-operated Vehicle，ARV/Hybrid Remotely Operated Vehicle，HROV）等。其中，AUV能夠依靠其自治能力完成任務(wù)，具有機(jī)動(dòng)靈活、使用成本低、作業(yè)范圍大、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)；ARV配備與母船連接的纜索，能夠以自主、遙控、半自動(dòng)等多種模式作業(yè)。AUV、ARV已成為各海洋強(qiáng)國競相發(fā)展的熱點(diǎn)深淵技術(shù)裝備。本文介紹了最大作業(yè)深度6 000 m以深的大深度AUV、ARV的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域，分析了其主要關(guān)鍵技術(shù)，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

1 研究現(xiàn)狀

無人潛航器研制始于 20世紀(jì) 50年代。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著結(jié)構(gòu)材料、智能控制、導(dǎo)航定位、能源推進(jìn)及傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，無人潛航器的工作深度、自主控制、續(xù)航時(shí)間及作業(yè)能力均大幅提升。以美歐為代表的海洋科技強(qiáng)國大力發(fā)展大深度無人潛航器裝備，多型大深度AUV、ARV已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用[2-3]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1）美國。

美國在大深度無人潛航器領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，主要研發(fā)應(yīng)用機(jī)構(gòu)包括美國海軍水下作戰(zhàn)中心、海軍研究局、國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）等軍方單位以及伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）、華盛頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院、Hydroid公司、Teledyne公司、波音公司和洛克希德·馬丁公司等科研院所和企業(yè)。上述機(jī)構(gòu)研發(fā)了多型大深度AUV/ARV，部分典型產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

REMUS系列 AUV是美國性能最先進(jìn)、列裝最多、應(yīng)用最廣泛的無人潛航器系列，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠搭載不同類型任務(wù)載荷完成多種使命任務(wù)，已大量出口英、日、澳等國。該系列AUV工作水深最大的型號(hào)為REMUS 6000（圖1（a）），最大工作水深6 000 m，由美國海軍和WHOI聯(lián)合研發(fā)、Hydroid公司制造。該型AUV曾在2010年成功搜尋到法航447的發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸。

WHOI研制了自治遙控混合型無人潛水器（HROV）“海神”號(hào)（Nereus，圖1（b）），工作水深 11 000 m，2009年在馬里亞納海溝完成了10 902 m水深下潛試驗(yàn)，是史上首臺(tái)抵達(dá)海洋最深處的無人潛水器。2014年，“海神”號(hào)在新西蘭克馬德克海溝9 990 m深度丟失。此后，WHOI與美國航空航天局（NASA）合作研發(fā)了Orpheus級(jí)全海深A(yù)UV（圖1（c）），2018年建成2臺(tái)。該AUV借鑒“立方體衛(wèi)星”（CubeSat）理念，采用緊湊型、模塊化、低成本、集群作業(yè)設(shè)計(jì)，可以在海溝狹窄水域航行、著陸并能夠集群作業(yè)，已應(yīng)用于HADEX（Hadal Exploration Program）研究計(jì)劃。

此外，美國還研制了Sentry，MBARI，ABE，Odyssey，Puma，Jaguar等6 000 m級(jí)AUV。

2）俄羅斯。

前蘇聯(lián)在深海潛水器結(jié)構(gòu)材料研發(fā)及制造等方面取得了突出成果，蘇聯(lián)解體后，相關(guān)技術(shù)對(duì)俄羅斯發(fā)展大深度AUV起到了支撐作用。俄羅斯研制了MT-88、“大鍵琴”-2R-PM等6 000 m級(jí)AUV 以及“勇士”-D（Vitjaz-D，圖 1（d））12 000 m級(jí)AUV。“勇士”-D系統(tǒng)由自主下潛器、海底站和指揮控制設(shè)備等組成。其中，海底站通過纜索與母船連接，作為水下基站與下潛器實(shí)現(xiàn)雙向水聲通信。2020年，“勇士”-D在馬里亞納海溝成功下潛至10 028 m，創(chuàng)造了無人深潛系統(tǒng)自主下潛的世界紀(jì)錄。

圖1 國外大深度AUV/ARVFig.1 Foreign deep-sea AUVs/ARVs

3）英國。

英國南安普頓海洋研究中心（NOC）研制了Autosub 系列 AUV。其中，Autosub 6000（圖 1（e））最大工作水深6 000 m，采用雙葉螺旋槳設(shè)計(jì)，曾多次在印度洋熱液區(qū)、南北極冰下區(qū)等海域執(zhí)行任務(wù)。該系列的最新型號(hào)為 Autosub LR，通過融合水下滑翔機(jī)技術(shù)，其重量僅為 Autosub 6000的三分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)6 000 km的長航程以及6 000 m的大潛深。實(shí)現(xiàn)該性能的關(guān)鍵包括單葉螺旋槳減阻技術(shù)與低功耗技術(shù)等。另外，Autosub LR比早期型號(hào)更加緊湊，是Autosub系列中首型不需要布放和回收設(shè)備的AUV。

4）法國。

法國是 AUV技術(shù)水平較高的國家之一，第一臺(tái)用于海洋地球物理調(diào)查的 AUV就誕生在法國。法國研制的Epaulard型和Nautile型AUV最大下潛深度均為6 000 m，完成了多次深海調(diào)查任務(wù)。ECA公司研制了A6K（圖1（f））6 000 m級(jí)AUV，具有較強(qiáng)的續(xù)航及近底作業(yè)能力。

5）挪威。

挪威 Kongsberg公司研制了 HUGIN系列AUV。其中，HUGIN 6000和HUGIN Superior（圖1（g））均具備 6 000 m 水深作業(yè)能力。HUGIN Superior是該系列的最新型號(hào)，采用可熱插拔的62.5 kWh鋰聚合物電池，比同尺寸的HUGIN 6000增加了30%的電池容量，使HUGIN Superior能夠搭載額外的任務(wù)載荷，有助于提升其作業(yè)能力。另外，通過采用先進(jìn)的定位技術(shù)，其導(dǎo)航性能優(yōu)于其他同類AUV。

6）冰島。

冰島Gavia公司研制的SeaRaptor（圖1（h））AUV最大工作水深 6 000 m，具有模塊化載荷接口。因其母公司 Teledyne在海洋傳感器領(lǐng)域居領(lǐng)先地位，SeaRaptor集成了Teledyne旗下RESON、Rd Instruments、BlueView等子公司的眾多高性能傳感器，也可按需定制其它傳感器載荷。另外，SeaRaptor的傳感器、電池、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等均可現(xiàn)場快速更換，有助于提升有效作業(yè)時(shí)間，高效開展深海調(diào)查、測繪、勘探、搜索等多種應(yīng)用。

7）加拿大。

加拿大ISE公司研制的Explorer（圖1（i））AUV采用模塊化設(shè)計(jì)，最大工作水深6 000 m，具有運(yùn)維成本低、配置靈活和續(xù)航時(shí)間長等特點(diǎn)。該AUV曾在北極地區(qū)完成超過 10 D的連續(xù)冰下作業(yè)，實(shí)施了超過1 000 km的持續(xù)觀測，充電和數(shù)據(jù)傳輸也可在冰下完成。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1）中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所。

20世紀(jì)90年代起，沈自所聯(lián)合國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)與俄羅斯共同研制了我國首臺(tái) 6 000 m級(jí)AUV——CR-01（圖2（a）），隨后在此技術(shù)基礎(chǔ)上研制了 CR-02（圖 2（b））。“十二五”、“十三五”期間，沈自所研制了潛龍系列 AUV。其中，潛龍一號(hào)（圖2（c））與其改進(jìn)型潛龍四號(hào)（圖2（d））均為6 000 m級(jí)AUV，已交付國家深海基地、大洋協(xié)會(huì)等應(yīng)用單位。在ARV方面，沈自所研制了問海1號(hào)（圖2（e））6 000 m級(jí)ARV，已交付中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，這是我國首臺(tái)交付工程應(yīng)用的ARV。沈自所還研制了海斗號(hào)（圖2（f））和海斗一號(hào)（圖 2（g））全海深 ARV，填補(bǔ)了我國萬米作業(yè)型無人潛水器的空白。海斗一號(hào)自2020年起多次開展萬米深潛與科考應(yīng)用，最大下潛深度為10 908 m，刷新了我國潛水器下潛深度紀(jì)錄，全球首次實(shí)現(xiàn)了挑戰(zhàn)者深淵西部凹陷區(qū)大范圍、全覆蓋巡航探測[4]。

2）哈爾濱工程大學(xué)。

哈爾濱工程大學(xué)研制了悟空號(hào)（圖2（h））全海深A(yù)UV，2021年實(shí)現(xiàn)10 896 m深潛，刷新了俄羅斯“勇士”-D創(chuàng)造的10 028 m的AUV潛深世界紀(jì)錄。悟空號(hào)在萬米深海中與母船直線距離超過15 km，仍可準(zhǔn)確傳輸狀態(tài)信息至母船，上行峰值通信速率達(dá)2 003 bps，數(shù)據(jù)包接收正確率超過93%。

3）上海海洋大學(xué)。

上海海洋大學(xué)研制了彩虹魚號(hào)（圖 2（i））全海深A(yù)RV，2016-2017年在馬里亞納及新不列顛海域5 000～11 000 m深度的多條海溝開展了海試。該項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)“深淵科學(xué)技術(shù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)室”，由 1艘科考母船、1臺(tái)全海深 HOV、1臺(tái)全海深 UUV和3臺(tái)全海深著陸器組成。

4）上海交通大學(xué)。

上海交通大學(xué)研制了思源號(hào)（圖 2（j））全海深A(yù)RV，2021年完成了深海試驗(yàn)，最大下潛深度8 072 m，最長海底工作時(shí)間超過8 h，完成了海底探測和取樣等多種測試。

5）青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室。

海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋高端裝備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（中船重工集團(tuán)部分）研制了問海號(hào)（圖2（k））全海深A(yù)UV，2021年完成了萬米級(jí)海試及試驗(yàn)性應(yīng)用，最大下潛深度10 218 m，最高航速5 kn，最長續(xù)航里程40 n mile（2 kn航速條件），是目前國內(nèi)航速最快、續(xù)航里程最長的全海深無人自主潛航器。

圖2 國內(nèi)大深度AUV/ARVFig.2 Domestic deep-sea AUVs/ARVs

2 應(yīng)用領(lǐng)域

1）深淵科學(xué)研究。

深淵是指水深大于6 000 m的海域，雖然只占全球海底面積的 2%，但是垂直深度占全海深的45%，在海洋科學(xué)研究中具有重要意義。深淵環(huán)境的特點(diǎn)是高壓、低溫、黑暗、地殼運(yùn)動(dòng)活躍、生態(tài)系統(tǒng)奇特。作為國際海洋科學(xué)研究的前沿，深淵科學(xué)正逐漸形成深淵地質(zhì)學(xué)、深淵水文學(xué)、深淵化學(xué)、深淵生物學(xué)、深淵微生物學(xué)和深淵生態(tài)學(xué)等各個(gè)分支科學(xué)。由于深淵的獨(dú)特性和重要性，發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)中葉開始對(duì)深淵展開調(diào)查，實(shí)施了多項(xiàng)深淵科學(xué)研究計(jì)劃，為未來開發(fā)利用深淵資源搶占先機(jī)。例如，美國開展了HADES（Hadal Ecosystem Study）、HADEX等研究計(jì)劃并發(fā)展了 Orpheus全海深 AUV等探測裝備，英國和日本聯(lián)合開展了HADEEP（Hadal Environment and Education Program）深淵探測計(jì)劃等。我國也瞄準(zhǔn)深淵科學(xué)研究前沿，大力發(fā)展深淵科技，以提升我國在全球深淵科學(xué)領(lǐng)域的影響力。

表2 國內(nèi)大深度AUV/ARV主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical specifications of domestic deep-sea AUVs/ARVs

2）深海資源勘探開發(fā)。

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，陸地資源開發(fā)程度激增，資源匱乏矛盾凸顯，各國紛紛將視線轉(zhuǎn)向海洋。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各國海洋資源開發(fā)進(jìn)程持續(xù)加速，未來海洋資源勘探開發(fā)將逐步由淺海轉(zhuǎn)向深海。除了常規(guī)油氣資源，深海礦產(chǎn)資源還有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、富稀土沉積物等多種類型，多分布在數(shù)千米水深的海底區(qū)域。另外，天然氣水合物也主要分布在數(shù)百至數(shù)千米水深區(qū)域。我國潛龍系列AUV 用于多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、天然氣水合物等多種深海資源勘查已累計(jì)下潛近百次。大深度無人潛航器在深海資源勘探、開發(fā)作業(yè)等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。

3）深遠(yuǎn)海水下搜救。

深遠(yuǎn)海水下搜救是大深度無人潛航器的重要應(yīng)用方向之一。早在1963年，就有美國“阿爾文”號(hào)與“科夫”號(hào)無人潛水器協(xié)作搜尋、打撈西班牙海溝失落氫彈的成功案例。近年來，荷蘭將HUGIN AUV用于馬航MH370水下搜尋；美國軍方也曾使用Bluefin AUV搜尋馬航失聯(lián)客機(jī)；REMUS AUV成功搜尋到法航447的發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸。大深度無人潛航器因其作業(yè)可靠、智能化程度高而成為深遠(yuǎn)海水下搜救的重要工具。

4）深海地形測繪。

目前水下地形測繪主要依靠多波束測深系統(tǒng)。在淺海地形測繪任務(wù)中，船載多波束測深系統(tǒng)可獲得高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)，但在深水區(qū)域，受到水深影響，即便是開角較小的多波束也會(huì)因傳播距離的增加而導(dǎo)致其分辨率降低，無法獲得高精度的水下地形數(shù)據(jù)。大深度無人潛航器能夠抵近海底航行測繪，可以獲得高精度的深海地形數(shù)據(jù)，是深海地形測繪的關(guān)鍵技術(shù)裝備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

大深度無人潛航器研制與應(yīng)用是多學(xué)科交叉融合的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要重點(diǎn)突破總體設(shè)計(jì)與集成、深海結(jié)構(gòu)與材料、高效能源動(dòng)力、高速水下通信、組合定位導(dǎo)航、自主感知與控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1）總體設(shè)計(jì)與集成技術(shù)。

大深度無人潛航器涉及的專業(yè)學(xué)科多達(dá)數(shù)十種，在總體設(shè)計(jì)方面需要加強(qiáng)協(xié)調(diào)，在滿足總體技術(shù)要求的前提下，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)予以統(tǒng)籌兼顧。另外，大深度無人潛航器要在深海環(huán)境以及有限的空間、能源等約束條件下集成搭載多種設(shè)備，對(duì)總體布局、電磁兼容、能耗控制和作業(yè)模式等提出了挑戰(zhàn)。總體設(shè)計(jì)與集成的目標(biāo)是既要實(shí)現(xiàn)無人潛航器低阻力和高效率的空間運(yùn)動(dòng)，又要保證能源、推進(jìn)、控制、感知、通信、作業(yè)等模塊高效工作。在無人潛航器總體設(shè)計(jì)與集成方面，需要根據(jù)任務(wù)需求，采用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）、建模仿真等手段，通過分析、優(yōu)化、決策反復(fù)迭代，對(duì)無人潛航器的總體布局、流體外形、結(jié)構(gòu)材料以及能源動(dòng)力、作業(yè)載荷、通信、導(dǎo)航與控制模塊等進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高空間利用率，降低系統(tǒng)重量，提升多任務(wù)能力，降低運(yùn)維成本，利用有限的資源實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

2）深海結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)。

大深度無人潛航器工作于深海惡劣環(huán)境，其結(jié)構(gòu)與材料需滿足耐高壓/沖擊、耐腐蝕、抗附著等要求。在結(jié)構(gòu)方面，耐壓殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、密封以及制造工藝等技術(shù)是重要突破方向。在材料方面，金屬結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)了從鋼到鈦合金的轉(zhuǎn)變，高分子材料和復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了耐壓應(yīng)用，結(jié)構(gòu)功能一體化材料發(fā)展迅速。

耐壓殼常規(guī)結(jié)構(gòu)形式包括球形、圓柱形、橢球形、錐形、倒楔形及其組合形式等。目前，環(huán)形肋骨加強(qiáng)的耐壓圓柱殼在無人潛航器中應(yīng)用最為廣泛。結(jié)合球殼的最佳重排比與圓柱殼較高空間利用率的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展出了藕節(jié)形耐壓殼結(jié)構(gòu)形式，球殼之間的連接方式是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外，基于仿生學(xué)原理，還發(fā)展出了以鵝蛋殼為原型的蛋形及多蛋交接形耐壓殼等新型結(jié)構(gòu)形式。

傳統(tǒng)無人潛航器結(jié)構(gòu)材料以鋼、鈦等金屬及其合金材料為主，鈦及鈦合金因具有較高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性能而應(yīng)用廣泛。考慮到結(jié)構(gòu)減重需求，減重后兼具高強(qiáng)度、高韌性的鈦合金成為無人潛航器研制的關(guān)鍵技術(shù)問題。在高分子復(fù)合材料方面，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、提供靜浮力等特性成為大深度輕量化耐壓艙體的候選材料之一。在固體浮力材料方面，目前主要采用空心玻璃微球與樹脂基材通過熱固化成型制備。由于浮力材料在大深度無人潛航器中占比巨大，輕量化的固體浮力材料是重要的突破方向。在密封材料方面，深海耐壓結(jié)構(gòu)主要采用橡膠密封，存在長期使用老化、溫度適應(yīng)性差和易磨損等隱患，近年來，具有低模超彈、可形狀自回復(fù)、耐腐蝕、耐磨損特征的鈦鎳形狀記憶合金成為備受關(guān)注的新型類橡膠金屬密封材料[5]。另外，深海潤滑材料、減阻材料、聲隱身材料及抗腐蝕涂層等也是重要的突破方向。

3）高效能源動(dòng)力技術(shù)。

大深度無人潛航器需要在深海長時(shí)間作業(yè)，對(duì)能源動(dòng)力提出了較高要求，需要滿足能源密度高、安全性好、易于維護(hù)、成本低、能夠承受深海水壓等條件，因此，高效能源動(dòng)力技術(shù)是無人潛航器技術(shù)的重要突破方向，具體包括鋰離子電池、燃料電池、小型核能裝置以及水下能源補(bǔ)給等。

鋰離子電池能量密度約為160 Wh/kg，具有電動(dòng)勢(shì)高、循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是無人潛航器普遍采用的水下能源，但易形成枝晶，引起短路、著火、爆炸，存在一定安全隱患。鋰聚合物電池可以避免鋰離子電池不正確充放電導(dǎo)致能量蓄積引發(fā)爆炸燃燒情況的發(fā)生，且電芯可以塑造成不同形狀，也是無人潛航器主流電池類型之一。各國正在研發(fā)鋰離子電池的替代品，目前鋰硫電池能量密度已達(dá)450 Wh/kg，鋰-空氣電池也在研制過程中。

美國海軍正在開發(fā)大容量、高功率密度的燃料電池技術(shù)，其制定的中遠(yuǎn)期 UUV動(dòng)力系統(tǒng)功率密度發(fā)展目標(biāo)達(dá)500 Wh/kg。Fuel Cell Energy公司、General Atomics公司和Infinity公司等參與了該技術(shù)研究，這些公司采用了多種技術(shù)路線，包括質(zhì)子交換膜、固態(tài)氧化物、金屬燃料等燃料電池類型，以及甲醇、JP-10燃油、鋁水反應(yīng)等制氫方式。挪威國防研究機(jī)構(gòu)FFI（Forsvarets Forsknings Institutt）也設(shè)計(jì)了基于質(zhì)子交換膜燃料電池的長航時(shí) AUV燃料電池方案，其比能量達(dá)260 ～ 400 Wh/kg[6]。

小型核動(dòng)力裝置因水下續(xù)航長、隱蔽性好、可達(dá)航速高等特點(diǎn)受到重視，美、英等國潛艇已實(shí)現(xiàn)全核化。美、俄、韓等國大力發(fā)展小型壓水堆，單堆熱輸出功率數(shù)百兆瓦至一千兆瓦。小型核能裝置在無人潛航器上具有良好的應(yīng)用前景，例如美國NASA已研制出迷你反應(yīng)爐，日本開發(fā)了小型潛水器反應(yīng)堆SCR等。

在功耗控制方面，由于各任務(wù)模塊需在能源受限的情況下共用系統(tǒng)電力，這就要求各任務(wù)模塊嚴(yán)格控制功耗，通過元器件高度集成和各模塊工作模式的優(yōu)化，在滿足任務(wù)需求的條件下，降低作業(yè)功耗，增加可執(zhí)行任務(wù)時(shí)間。

在推進(jìn)方式方面，無舵化矢量推進(jìn)已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)AUV多采用螺旋槳推進(jìn)、槳舵協(xié)同姿態(tài)控制方式。導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)裝置能夠提高推進(jìn)效率、降低噪聲，在軍用潛航器上應(yīng)用較多。噴水推進(jìn)器推進(jìn)效率高于螺旋槳，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂等缺點(diǎn)，在矢量推進(jìn)領(lǐng)域有所應(yīng)用。

另外，通過水下充電提供能源補(bǔ)給，利用溫差能等可再生能源補(bǔ)給，柴電混合動(dòng)力，以及通過與水下滑翔機(jī)技術(shù)融合降低推進(jìn)能耗等技術(shù)也將得到更多研究和應(yīng)用[7]。

4）高速水下通信技術(shù)。

目前，水聲通信是無人潛航器主要的通信手段。由于水聲信道受到多途效應(yīng)影響嚴(yán)重、頻率信道選擇性衰落、可用頻帶資源有限、誤碼率高等因素限制，致使其通信距離和速率的提升空間有限，而藍(lán)綠激光、中微子等新型通信技術(shù)正在快速發(fā)展。在跨介質(zhì)隱蔽通信方面，利用中繼浮標(biāo)/潛標(biāo)/海底基站建立數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)通信是目前最成熟的手段，甚低頻/超低頻（VLF/SLF）無線電通信、激光致聲等隱蔽性更高的通信手段也是各國競相發(fā)展的重要方向[8]。

高速水聲通信技術(shù)已由非相干通信向相干通信發(fā)展。正交頻分復(fù)用（OFDM）通信技術(shù)已應(yīng)用于水聲高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，取得了較大的數(shù)據(jù)速率與通信距離積，其他技術(shù)如多入多出（MIMO）和時(shí)反水聲通信技術(shù)等也在不斷發(fā)展和完善。

藍(lán)綠激光通信在海水中的穿透距離可達(dá)300 m，通信穩(wěn)定，信息容量大，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是通信前要進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)。美國海軍通過試驗(yàn)證實(shí)了藍(lán)綠激光通信能夠在幾乎全天候氣象和海洋條件下高速傳輸數(shù)據(jù)。DARPA認(rèn)為藍(lán)綠激光通信各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)足以應(yīng)用于實(shí)際軍事系統(tǒng)。

中微子穿透能力強(qiáng)，在海水中的衰減小，可以使無人潛航器在深水中不間斷地實(shí)時(shí)傳輸信息，信道穩(wěn)定，傳輸信息容量大。美國實(shí)施了以中微子為載體的通信試驗(yàn)，結(jié)果表明，必須借助類似大功率粒子加速器這樣的大型設(shè)備才能進(jìn)行中微子通信，技術(shù)要求復(fù)雜，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。

利用浮標(biāo)/潛標(biāo)/海底基站等作為中繼通信節(jié)點(diǎn)可以使無人潛航器無需上浮便能與岸基進(jìn)行跨介質(zhì)隱蔽通信。除了預(yù)先布設(shè)的中繼節(jié)點(diǎn)，無人潛航器自身也可攜帶中繼通信浮標(biāo)載荷，例如洛克希德·馬丁公司的深海快速通信系統(tǒng)（CSD）即以此方式實(shí)現(xiàn)了水下與陸空的雙向通信。未來中繼通信浮標(biāo)將向大深度、小型化、雙向雙工等方向發(fā)展，功能也將由單一的中繼通信向?qū)Ш健⑻綔y等多功能一體化方向發(fā)展。

甚低頻/超低頻無線電通信作為傳統(tǒng)的跨介質(zhì)通信手段，可以穿透到水下100 m左右。該技術(shù)的缺點(diǎn)是岸站生存能力差、傳輸頻帶窄、隱蔽性差，冷戰(zhàn)后逐漸退出使用，但相關(guān)技術(shù)研究并未停止。例如，美國高頻主動(dòng)極光研究項(xiàng)目（HAARP）能夠激活大氣層中的電離層作為天線產(chǎn)生極端低頻波束穿透海水傳輸信息。

基于激光致聲原理，從空中向水中發(fā)射帶信息編碼的激光信號(hào)，在水中轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，無人潛航器接收該聲信號(hào)并恢復(fù)編碼信息，可以實(shí)現(xiàn)空中到水下的激光致聲通信。利用該技術(shù)，在深遠(yuǎn)海環(huán)境下，空中節(jié)點(diǎn)與無人潛航器之間能夠建立可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。激光致聲通信機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性高，已經(jīng)成為各海洋強(qiáng)國競相發(fā)展的新興技術(shù)。

5）組合定位導(dǎo)航技術(shù)。

目前水下定位導(dǎo)航面臨環(huán)境復(fù)雜、信息源缺乏的局面，發(fā)展高精度、高可靠性的定位導(dǎo)航技術(shù)是大深度無人潛航器研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體包括深海環(huán)境下組合定位導(dǎo)航、海底高精度定位、海底地形匹配定位導(dǎo)航、重力場與地磁場定位導(dǎo)航等[9]。

無人潛航器普遍采用慣性導(dǎo)航裝置與多普勒計(jì)程儀組合的方式進(jìn)行導(dǎo)航，由于大深度無人潛航器難以頻繁浮出水面對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行校準(zhǔn)，國外一些機(jī)構(gòu)采用其它設(shè)備輔助定位的方式，例如挪威HUGIN系列 AUV通過采用慣導(dǎo)及計(jì)程儀利用水下超短基線定位裝置進(jìn)行輔助定位的組合導(dǎo)航，提升了導(dǎo)航精度。

隨著深海慣性導(dǎo)航裝備技術(shù)的發(fā)展，使得大深度無人潛航器的導(dǎo)航定位精度持續(xù)提升，有望不依賴輔助設(shè)備便可達(dá)到較高的導(dǎo)航精度。

目前發(fā)展最快的水下導(dǎo)航技術(shù)是多傳感器配置、多信息融合的組合導(dǎo)航技術(shù)，以慣導(dǎo)/計(jì)程儀導(dǎo)航為核心，配置多種傳感器加以輔助，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、長基線/超短基線聲學(xué)導(dǎo)航、水下定位應(yīng)答（UTP）、地球物理信息導(dǎo)航等。針對(duì)不同應(yīng)用場景，水下導(dǎo)航系統(tǒng)配置可靈活變換，以滿足不同任務(wù)需求。

6）自主感知與控制技術(shù)。

無人潛航器在航行與作業(yè)過程中無須人工實(shí)時(shí)控制，能夠根據(jù)自身狀態(tài)及外部環(huán)境自主做出決策。由于大深度AUV與母船通信不便，其自主作業(yè)能力的重要性更加凸顯。無人潛航器自主感知與控制技術(shù)包括自主感知、自主航行控制、自主路徑規(guī)劃、自主對(duì)接與回收、集群協(xié)同等技術(shù)。

自主感知技術(shù)是指無人潛航器通過傳感器采集數(shù)據(jù)，對(duì)多傳感器信息進(jìn)行融合處理，獲取環(huán)境及目標(biāo)信息，支撐態(tài)勢(shì)評(píng)估、行為決策和作業(yè)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)目標(biāo)的智能信息感知與融合處理等。

自主航行控制是指無人潛航器具備適應(yīng)海洋環(huán)境而自主控制運(yùn)動(dòng)的能力。例如根據(jù)海水密度或海流等外界環(huán)境參數(shù)，無人潛航器自主調(diào)整航行控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效航行；根據(jù)海底地形起伏，無人潛航器自主控制距底高度，實(shí)現(xiàn)海底地形測繪等。

自主路徑規(guī)劃技術(shù)是指無人潛航器能夠根據(jù)任務(wù)需求、海洋環(huán)境、運(yùn)動(dòng)約束、通信約束等約束條件，自主規(guī)劃出最優(yōu)航跡航路，以規(guī)避障礙或危險(xiǎn)區(qū)域、節(jié)約能源、高效完成任務(wù)等。

自主對(duì)接與回收技術(shù)是指無人潛航器在水面/水下對(duì)接機(jī)構(gòu)支持下，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)引對(duì)接、能源補(bǔ)給、數(shù)據(jù)交換和裝備回收等。導(dǎo)引方式包括聲、光、電磁等多種；能量與數(shù)據(jù)傳輸可通過有線、無線等方式實(shí)現(xiàn)；對(duì)接回收機(jī)構(gòu)包括平臺(tái)式、箱（籠）式、導(dǎo)向罩式、魚雷管式等多種類型。

集群協(xié)同技術(shù)是指在作業(yè)集群中無人潛航器及其它作業(yè)裝備具備信息共享能力、任務(wù)規(guī)劃能力、協(xié)同導(dǎo)航能力、協(xié)同作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)集群協(xié)同作業(yè)。各種水下裝備協(xié)同作業(yè)能夠打破單一裝備作業(yè)效率有限的制約，是執(zhí)行水下復(fù)雜任務(wù)的有效方式。

4 發(fā)展趨勢(shì)

1）深海遠(yuǎn)程長續(xù)航。

隨著能源、導(dǎo)航等技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展、改進(jìn)及應(yīng)用全海深、長航程無人潛航器已成為各海洋科技強(qiáng)國的目標(biāo)。多國正在研究燃料電池、小型核能裝置等體積小、能量密度高的能源，結(jié)合推進(jìn)與減阻等技術(shù)，可顯著提升無人潛航器續(xù)航力。適應(yīng)深海應(yīng)用場景的組合導(dǎo)航技術(shù)正獲得重點(diǎn)發(fā)展，通過高效率、高精度水下導(dǎo)航來支撐無人潛航器深遠(yuǎn)海作業(yè)。

2）模塊化標(biāo)準(zhǔn)化。

大深度無人潛航器通常搭載多種類型的探測及作業(yè)設(shè)備，以應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)需求，但這也增加了無人潛航器本身的負(fù)載，降低了作業(yè)效率。通過軟硬件模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)面向不同需求的快速配置變更，同時(shí)減輕無人潛航器自身重量及體積，提高作業(yè)效率。通過標(biāo)準(zhǔn)化通用化設(shè)計(jì)，能夠提升系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性并降低運(yùn)維成本。

3）智能集群協(xié)同。

由于單一無人潛航器的作業(yè)效能有限，通過搭載無人機(jī)、中繼浮標(biāo)、小型AUV等任務(wù)載荷，以及與其它類型裝備構(gòu)建智能集群，通過多種類型裝備有機(jī)結(jié)合、異構(gòu)集群協(xié)同作業(yè)，能夠提升作業(yè)效率，已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，大深度無人潛航器作為海洋物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。

5 結(jié)束語

2016年習(xí)近平總書記指出，“深海蘊(yùn)藏著地球上遠(yuǎn)未認(rèn)知和開發(fā)的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)方面掌握關(guān)鍵技術(shù)”，為我國深海裝備技術(shù)發(fā)展指明了方向。無人潛航器在深淵科研、工程、軍事等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的應(yīng)用前景。可以預(yù)見，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，作業(yè)范圍更廣、續(xù)航能力更強(qiáng)、智能化程度更高、多種功能集于一體的大深度無人潛航器將得到快速發(fā)展。目前，部分國家錯(cuò)誤地視我國崛起為其挑戰(zhàn)，對(duì)我國實(shí)施技術(shù)封鎖，包括無人潛航器在內(nèi)的多種設(shè)備都對(duì)我國禁售。面對(duì)這種國際環(huán)境，我國發(fā)展大深度無人潛航器技術(shù)只能走自主創(chuàng)新的道路。聚焦我國重大戰(zhàn)略需求，開展大深度無人潛航器及相關(guān)技術(shù)研究，推動(dòng)深海觀測技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于支撐海洋強(qiáng)國建設(shè)具有重要意義。