水下滑翔机的工作原理、主要部件组成及核心工作原理

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　　转自深海智人

　　近年来，在空中、陆地和水中使用的无人机的总数在增加。这篇文章的重点是水下无人机的一种——水下滑翔机技术，小智认为，这种低能耗，长航程，自主或半自主、性价比超高的无人机是未来海洋领域研究最有前途的科学研究和海洋调查工具之一。

　　水下滑翔机是一种遥控水下运载工具，任务执行时长可达数月，即使在恶劣的环境下也能航行数千公里。根据它们搭载的有效载荷，它们可以用于不同的具体的研究任务，也可以用于环境监测。与其他技术相结合，可以作为现有海洋观测网络的一部分，它们具有巨大的优势，从而有助于对世界海洋有更全面的了解。

　　我们主要描述这些飞行器的功能系统，并对滑翔机主要部件(例如动力引擎、机壳设计、导航、通信、能源和科考仪器有效载荷)做一解释。

　　机翼一体式水下滑翔机

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　　动力引擎

　　滑翔机动力引擎的总体原理是通过改变滑翔机的外部体积，从而改变滑翔机的浮力。体积变化的原理是通过在内胆和外胆之间来回泵送低粘度液压油，或通过将海水推入或推出空腔来实现的。

　　因此，滑翔机的质量保持不变，但其密度相对于周围的水发生变化，从而上升或下降。

　　典型滑翔机的主要组成

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　　运动轨迹

　　与浮标不同，滑翔机以锯齿形在水体中上下循环，因为当飞行器上升和下降时，它们的机翼和机身升力也将垂直运动转化为水平运动。体积变化的能量可以由不同的来源提供。前文提到的三款滑翔机：斯洛克姆（Slocum）、斯普雷（Spray）和西格莱德滑翔机（Seaglider）都有内部能源，如锂电池或碱性电池组，因此他们还可以归类为电动水下机器人这一类。

　　斯洛克姆热动力滑翔机（Slocum thermal）是另外一种热动力驱动的滑翔机，从海水温度梯度变化中获取体积变化所需的能量。斯洛克姆热动力滑翔机的体积变化与石蜡的融化和冻结有关。在温暖的表层水中，石蜡融化，而在寒冷的深层水中，石蜡冻结。蜡的熔化和冻结分别导致膨胀和收缩过程，并且这些过程最终驱动体积变化所需的内部和外部容器之间的流体转移。天津大学研制的滑翔机也是采用了热动力，可以实现大约124W的功率。

　　由于这种创新的概念，热动力滑翔机的航程是电动滑翔机的3到4倍，只要温度差足以产生保持热系统运行所需的能量就能够驱动滑翔机运行。这是一个强大的推进概念，肯定会在未来广泛应用于滑翔机和漂浮技术。

　　斯洛科姆也在研究使用混合动力引擎，可以提高飞行效率和扩大任务能力。这种特殊的滑翔机的浮力是通过使用活塞来调节的，它用海水来填充或排空一个舱室，而不是将油移入或移出一个外部气囊。

　　此外，斯洛克姆混动滑翔机还融合了推进和浮力引擎，因此是唯一能够利用内部能量产生水平运动的滑翔机。

　　与使用高压摆盘往复式(多冲程)液压泵的Seaglider和Spray相比，Slocum 滑翔机使用更强劲的单冲程泵来驱动其浮力引擎。由于大容量单冲程泵的高功率，单冲程滑翔机具有快速的机动性，因此非常适合浅水作业(水深30米至200米)。然而，Slocum浮力引擎也可用于深水配置(1000米水深)。Seaglider和Spray的最大操作深度分别为1000米和1500米。

　　总之，可以说，与传统的推进驱动的自主水下航行器(AUV)不同，滑翔机通过改变它们的体积，从而改变它们的浮力来产生向前运动。这种技术导致了相对较慢的滑行速度(20 - 30厘米/秒)，但却是高能效的。因此，滑翔机实际上是低功率的AUV，可以在很长的时间内部署很长的距离，而对大型母船的依赖性很小。因此，滑翔机比其他水下机器人更适合持续性的海洋观测。

　　一种热力引擎

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　　机壳

　　滑翔机的机壳非常重要，需要提供流线型的流体动力学形状，以抵抗外部压力，从而保护内部电子设备。此外，还需要确定行进阻力和整体可压缩性，它们对重要的操作参数有影响，例如持续时间，以及因此的布放成本，尤其是电动滑翔机。

　　滑翔机的机壳结构各不相同。Seaglider滑翔机的机壳最复杂，采用玻璃纤维整流罩和铝制机壳组成，可压缩性小，这种壳体结构可以节省引擎泵送能量，因此允许更大的操作深度。外部和内部机壳之间的任何滞留空气在每次潜水前都通过集成在整流罩中的气口排出。

　　斯洛克姆电动滑翔机的机壳是延续典型AUV的外观设计，模块化结构，由前后复合碳纤维机壳和中间的铝制有效载荷舱组成。斯洛科姆热动力滑翔机则依靠热能提供的能量，采用简单的结构和最大化填充效率的形状。

　　Spray机壳包括三个部分，由6061铝合金加工而成，其中集成了加强环箍，以防止压力下的屈曲失效。它的入水头形状比斯洛科姆电动滑翔机更细，阻力减少50%，因此更节能。所以Spray非常适合长距离、长时间和深海使用。

　　a Seaglider滑翔机, b Slocum 电动滑翔机, c Spray滑翔机

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　　导航

　　要从一个航路点导航到下一个航路点，滑翔机必须沿着水下的特定轨迹飞行。这种有针对性的水下运动称为飞行，其特征参数有两个：滑翔角和航向。

　　为了能够调整这些参数，滑翔机的实时性能必须被持续监控。因此滑翔机导航既包括监控性能，也包括随后对滑翔角和航向的调整。

　　监控由可由电子罗盘传感器模块执行，该模块结合了3轴磁力计和2轴倾角传感器。滑翔角和航向的调整分别由俯仰和滚转控制。这又通过内部电池组的轴向平移(Spray,Slocum,Seaglider)和旋转(Spray,Seaglider)来实现，这种转弯半径通常为20米至30米。然而，Slocum滑翔机利用尾翼方向舵来改变航向，因此具有最小的转弯半径(大约7米)。因此，Slocum这种滑翔机非常适合浅水作业和沿海环境。

　　Spray和Seaglider使用内部重物旋转而不是方向舵来滚动，但它们的转向动力学是相反的。由于不同的机翼位置(Seaglider滑翔机的机翼在尾部，Spray滑翔机的机翼在中间)，Seaglide滑翔机向左滚动会产生左转，而Spray滑翔机向左滚动会产生右转。

　　在飞行轨迹中调整飞行路径的参数时，需要考虑滑翔机导航的另一个重要参数——外部洋流的速度和方向。为了考虑到这种影响，三种滑翔机都在水面使用GPS系统导航，对控制的航路点进行精确定位。洋流如潮汐可以被利用起来将滑翔机引导到某个位置，从而节省泵送能量。例如，在不利的海流方向(如落潮)将滑翔机部署在海底，并在海流方向发生变化(如洪水)时从海底收回滑翔机。应该注意的是，这种操作可能危及整个任务以及滑翔机本身，除非用户完全了解任务区的三维潮流。

　　滑翔机的航迹

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　　通信

　　滑翔机使用卫星系统实现海面与任务控制中心通信。天线可以装在尾翼(Slocum)、尾绳(Seaglider)或机翼(Spray)上。当滑翔机需要进行通信或获取GPS定位时，它们会升到水面以上。然而，在高海况下，通信系统的性能可能会下降，但是滑翔机通常有足够的内存用于信息缓冲和数据存储。

　　滑翔机频繁浮出水面使用GPS可由对飞行参数进行调整，也可以对诸如温度和温跃层特性进行优化。即使对于冰下航迹，通信解决方案也已经开发出来。集成到滑翔机中的声学接收器可以用来取代不可用的GPS信号，并最终使用冰覆盖环境中的远程导航。

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　　能源

　　滑翔机携带的能源大小决定滑翔机在回收之前能在水中停留多长时间，因此它决定了能够执行多大的任务。

　　由于浮力泵消耗了大部分可用能量(约70 %)，潜水深度和海水分层参数就显得非常重要，当潜水深度大、速度慢，并且发生在密度变化很小的水中时，滑翔机电池的寿命越长。

　　其他设备如处理器、遥测仪器、科学有效载荷都使用锂电池。一方面，锂电池具有高能量密度，因此可以用于多次布放，减少任务准备时间。另一方面，它们被认为是一种危险材料，因此使用这种电池运输和搬运滑翔机更加困难。

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　　操作模式

　　根据检查类型和任务要求不同，滑翔机可以用于不同的模式。两种最重要的模式是勘测模式和虚拟系泊观测模式。

　　在勘测模式下，滑翔机沿着一系列航路点飞行。这可以是一个相对较短的剖面重复取样，也可以是用一架单独的滑翔机进行一次长时间的调查。

　　在虚拟系泊模式下，滑翔机就停留在一个单一的目标位置，通过保持位置几乎不变，滑翔机在水体中上升和下降时测量连续的深度剖面。因为它的体积小，并且独立于大型船只的操作，滑翔机具有更好的成本效益比。

　　事实上，两种模式的结合可能是最有前途的采样策略。滑翔机可以由小型研究船部署在海岸附近，使用勘测模式转移到预定位置，虚拟系泊一段时间，并通过再次使用勘测模式返回海岸进行恢复，此外，滑翔机队的部署作业是以后水下无人机研究的重点。

　　虽然勘测和虚拟系泊模式是最重要的模式，但其他模式，如水面模式、水下模式和漂移模式也可用于特定目的。例如，水面模式用于天线定位和数据遥测，对于监控滑翔机的实时性能很重要。相反，在浮出水面之前进行多次潜水循环需要水下模式。一方面，这有助于避免滑翔机在高海况区受损或丢失，另一方面，这可以减少在水面上花费的时间，从而缩小收集数据的时间间隙。漂移模式在任何深度都保持中性浮力，可用于将滑翔机转变成浮标或将其停放在海底。

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　　压载

　　滑翔机是一个复杂的技术平台，为特定任务准备合适的滑翔机不是件容易的事。在投放到现场之前，必须在实验室进行压载过程，以确保滑翔机的正常运行。如果滑翔机过轻，则无法达到最大操作深度，如果过重，则很可能无法返回水面。

　　压载是在给定的水密度范围内增加或减少重量来调整滑翔机的过程。初始压载是在充满一定温度和电导率的海水的试验舱中进行的。然后，通过滑翔机的临界温度测量水箱水的温度和电导率，最后用一个软件程序来计算重量，该重量必须加到或减到滑翔机上，以达到目标水性能的最佳浮力。

　　为了配平飞行参数，如俯仰和滚转中心，还需要在部署区进行几次初始浅潜时的试验压载。潜水测试完成后，滑翔机被编程潜入最大深度，真正的任务就可以开始了。由于对滑翔机性能的永久实时监控，当滑翔机在水面上时，可以使用卫星通信系统进行必要的调整。例如，在亚热带和热带水域，必须考虑生物污损。特别是，如果滑翔机是一种在海洋上层透光层工作的浅水型滑翔机，阳光会使滑翔机外壳上的贻贝和藻类生长。在这两种情况下，由于额外的重量，都有失去浮出水面能力的危险。滑翔机操作员需要具备压载方面的知识，还需要具备编程、通信、工程和路径规划方面的知识，以将可能导致任务中止的风险降至最低。

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　　有效载荷

　　如果没有测量海洋参数的科学传感器，滑翔机本身及其所有的通讯、导航技术和浮力引擎最终是没有价值的。

　　每架滑翔机可以携带一定数量的这种传感器，这些传感器可以安装在模块化的中央有效载荷舱(Slocum)，直接安装在壳体上(Seaglider,Spray)，或者安装在的机壳尾部(Slocum, Seaglider, Spray)。目前的传感器多种多样，包括CTD、溶解氧传感器、叶绿素传感器、回声测深仪、ADCP/DVL以及硝酸盐和湍流传感器。还有酸碱度传感器、二氧化碳传感器和荧光计。

　　所用传感器的数量和类型取决于任务的主要目标。例如，为了监测生物质量，必须安装回声测深仪，而反向散射和浊度对石油勘探很重要。对于环境监测，需要化学、光学和物理传感器。对于监测人为噪声，支持地震行动或支持反潜雷达监测系统更为关键。因此，使用的传感器越多，可以提取的信息就越多。然后，目前的趋势不是部署一架滑翔机，而是部署一队装备不同传感器套件的滑翔机。

　　最后，传感器需要满足高可靠性、低成本和良好的流体动力学特性。最困难的挑战是它们的尺寸和能耗都能最小化，因为滑翔机的科学有效载荷的能力和所能携带的能源都是有限的。所以以后的发展趋势是各类传感器都采用集成化的方式。

　　这篇文章简述了滑翔机的主要功能系统，例如动力引擎、机壳设计、导航、通信、能源和有效载荷，让智友们对滑翔机内部部件有一个简短的认识。相信在不久的将来，滑翔机的性能会不断完善提高，同时也会借鉴其他领域的一些创新思路，融入新的理念，从而能够更好的进行海洋观测，包括深海取样、长时间工作和更远的航程。

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　　信息来源：转载自深海智人

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