喷水推进型深海滑翔机技术研究进展

作者:高磊、李宝仁       发布于:2015-06-26 11:13:00       浏览次数:3573次

 《机械学院科研进展简报》2015年第4总第14 

编辑:科研管理科  日期:2015616


一、 前言

为充分、高效、可持续利用海洋资源,需要走向深海大洋。海洋环境的探测与观测方法大致可分为海洋调查船走航、航空和卫星遥感、海洋浮标观测以及水下自主航行器探测等方式。海洋调查船走航是传统的海洋调查方法,受风浪和气象的影响难以做到全天时和全天候的调查,日均费用高且效率低,探测与观测存在很大的局限性。遥感技术探测海洋表层是有效的,表层以下的海洋要素受到微波穿透能力的限制尚无法获取。海洋浮标观测可做到全天时和全天候定点的海洋要素与气象资料的观测,但任意海域内设置浮标(锚定或潜标等)存在操作困难。

近二十年来,水下自主航行器(UUV、AUV)得到发展,其隐蔽性和自主机动性配合现代传感器技术,实现了海洋调查与测绘、目标探测与侦察等功能,在军事上的反潜、反水雷作用十分突出,是发达国家海军重点发展的方向之一。

水下滑翔平台是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下机器人系统。水下滑翔机机动灵活,可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行水下作业。水下滑翔机具有路径规划、姿态调整、避障等各种控制功能,通过安装定位通讯系统完成信息交换任务,非常适合海洋科学研究。水下滑翔机续航能力强,活动范围比常规水下无人运载器广,海面的风高浪险和海下的危险作业区域对它的影响都比较小,能在水下全天候不间断地搜集信息,成为各项海洋科学研究的理想平台。水下滑翔机具有低噪声、低功耗、长航期、远航程、高隐蔽性等特点,我国水下滑翔机技术研究刚刚起步,发展喷水推进型深海滑翔机技术将打破国外技术封锁。

图1  美国水下滑翔平台应用示意图

二、 项目概况

李宝仁教授牵头承担的“十二五”863计划海洋技术领域支持项目“喷水推进型深海滑翔机观测系统研制”,主要目标是突破喷水推进型深海滑翔机整体水动力优化设计、新型混合驱动融合设计、喷水推进系统、深海浮力调节和远程导航控制技术等关键技术,研究和探讨喷水推进型深海滑翔机功能和技术指标规范化检验标准和方法,开展规范化海上试验,对喷水推进型深海滑翔机样机进行功能测试和考核,加速推进工程化,形成具有自主知识产权喷水推进型深海滑翔机观测系统,完成工程样机的海上性能测试与海试评估。

项目组积极开展理论研究、设计制造、优化改进等创新研究工作,在近四年时间内,项目组研制了七条样机,并组织实施了五次湖泊试验与四次海洋试验。2015年4月中旬,项目组研制的喷水推进型深海滑翔机参加了科技部组织的南海结题考核试验,经过最大下潜深度、最大滑翔速度、最大推进速度、温盐深探测和北斗卫星通讯等单周期性能考核试验以及长航程性能考核试验,达到了预期目标。

项目组研制的喷水推进型深海滑翔机是我国滑翔速度及综合推进速度最快的水下滑翔机,也是863计划项目中唯一使用北斗导航定位的水下滑翔机。喷水推进型深海滑翔机滑翔1000m,水平距离可达10.2km,是国内单周期剖面距离最远和能量转换效率最高的水下滑翔机。其下潜深度可达1200m,长航程滑翔距离达到670km,深度和航程国内先进。表明我国已经掌握了水下滑翔机技术。与国外相比,其性能指标先进,性价比高,已经达到了应用级水平。在未来,将开展以水下滑翔机群体为单位的小尺度、中尺度和大尺度等海洋环境探测,加速我国对深远海洋的探索。

三、 关键技术

1. 喷水推进型深海滑翔机观测系统总体技术

对喷水推进型深海滑翔机进行流体动力外形综合优化设计,高耐压结构设计,完成分系统布置优化设计,进行接口设计,完成总体参数与滑翔指标的综合配置。主要包括:(a)总体参数及结构配置技术研究;(b)流体动力外形优化设计技术研究;(c)水下滑翔观测控制策略优化技术研究。

 

2  水动力性能分析水池试验模型和试验状态

 

3  水动力性能分析仿真分析模型和结果(流线)

 

4  低功耗喷水推进系统湖试

2. 低功耗喷水推进系统优化设计及融合技术

研究小型化、低功耗、高效率、低噪声的喷水推进系统,并研究喷水推进系统与水下滑翔器的匹配与融合技术,主要包括:(a)小型喷泵的研制;(b)喷水推进系统总体优化设计技术;(c)总体匹配与系统融合技术;(d)水下滑翔+喷水推进组合运动技术研究。

3. 水下导航控制技术

研究大深度、长航时、远航程、高可靠性的水下导航控制系统。确定控制系统的总体结构,研究适应各种复杂海情、海况的自适应控制方法及安全防护措施。提高平台环境适应能力,满足对敏感、恶劣海域的自动观测。

 

图5  北斗导航定位系统水面工作中

4. 浮力调节和姿态调节控制技术

在复杂的海洋环境条件下,保证喷水推进型深海滑翔机系统的运动稳定性和航向稳定性是深海滑翔机观测系统按照预定观测计划完成观测任务的必要保证。通过研究系统的工作特点、控制和途径规划,使系统配备的浮力调节和姿态调节装置能够满足在深海滑翔机系统运动偏离设计范围时能够在消耗最少电能的条件下维持稳定航行的能力,完成预定的观测任务。

5. 系统集成及试验技术

20139月上旬,由本项目组研制的“喷水推进型深海滑翔机”在南海北部海区进行了历时10天的试验研究,取得了阶段性成功。这次试验完成了对喷水推进型深海滑翔机最大航行速度、最大下潜深度、多周期滑翔、喷水推进、数据采集与传输等多项功能测试,积累了四级海况下的海上作业经验,为优化完善样机奠定了良好基础。这次试验是华中科技大学为主开展的首次深海探索试验。

 

6  2013年海试

 

7  2014年海试-甲板布放

 

8  2015年海试-甲板布放

20154月中旬,科技部组织项目海上验收考核,项目组准备了2台喷水推进性喷水推进型深海滑翔机(1501/1502)。达到了滑翔速度(1kt)、推进速度(5kt)、下潜深度(1200m)、CTD、北斗通讯、长航程等性能指标。在长航程考核中,样机成功抵达考核大纲规定的航路点方圆3km内,实现了航路的精确控制。从布放到回收,样机总航程达670km

 

9  长航程考核轨迹

2015516日晚,从湛江出发,乘坐科调8号科考船,克服六七级海况,航行30小时成功回收样机。自此,喷水推进型深海滑翔机海上结题考核试验结束,达到了预期的效果。

 

10  样机打捞回收

四、 主要创新点

1. 喷水推进型深海滑翔机总体设计技术

提出了采用喷水推进和浮力调节组合的混合驱动装置作为喷水推进型深海滑翔机推进装置,完成了滑翔机的总体设计和设备的研制。完成了滑翔机各相关系统集成技术。运用多学科、多目标平衡特性设计技术,在充分考虑航行性能、设备特性和滑翔机功能特性的前提下,采用数值模拟和试验结合的方法,完善了滑翔机的航行性能设计、结构特性和系统相关设备相互之间的平衡关系,保证了功能的最大化。

2. 深海航行器喷水推进技术

将喷水推进技术应用于深海航行器。通过理论分析,系统设计和试验研究,完成了喷水推进型深海滑翔观测系统设备上的喷水推进装置的研制。

3. 大浮力驱动技术

提出并研制了一种大浮力调节装置,形成一套具有自主知识产权的大浮力调节装置的设计理论和技术。