国外自主式水下航行体(AUV)研发现状比较.doc

国外自主式水下航行体(AUV)研发现状比较一、现状与趋势背景自主式水下航行体（AUV）是水下无人航行器（UUV）的一种。水下无人航行器（UUV）技术无论在军事上、还是民用方面都已不是新事物，其研制始于50年代，早期主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器（如鱼雷），后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，自主式水下航行体（AUV）得到了大力发展。由于AUV摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。AUV的战略意义AUV是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了深潜器、传感器、环境效应、计算机软件、能量储存、转换与推进、新材料与新工艺、以及水下智能武器等高科技，军事上用于反潜战、水雷战、侦察与监视和后勤支援等领域。（1）反潜战AUV上装备有先进的探测设备和攻击武器，可用于跟踪并攻击敌方潜艇，并在完成任务后返回母艇。AUV也可作为诱饵，将敌方潜艇引开。AUV还可作潜艇远距离水下通信的中继站，增加母艇的隐蔽性。在搜索侦察方面，AUV可作为艇外水声或尾流传感平台进行区域监视和情报收集。（2）水雷战在水雷战中，AUV可携带1枚或多枚水雷头自主航行到目标海域实施水雷布放，装备前视声纳和侧视声纳，可用于探测水雷、监视可疑雷场。（3）目标靶装上靶雷的有关设备后，AUV可用于靶场试验、鱼雷鉴定、或日常操练中充当靶雷，以试验、鉴定鱼雷的性能或提高海军使用鱼雷的作战能力。（4）侦察与监视大型AUV续航时间长，可航行至敌方或危险海域执行侦察和监视任务，能够长时间隐蔽地采集信息。战争时期，还可为两栖突击队侦察水雷、障碍等开辟水下进攻通道。（5）后勤支援AUV可向海水中投放通信和导航装置，成为前方部署的网络中心的节点。还可以为前方运送急需物资，战后还可用来清理水下战场。此外，AUV还可用于寻找和打捞沉入海底的物体，比如鱼雷、导弹、人造卫星等。（6）其他使用AUV还可用于其他一些水下领域，如：海洋测绘、近岸巡逻、破坏、干扰、潜水支援、水下导向和求援，此外也可用为工作平台，在海洋施工中发挥作用。国外AUV研发现状（1）美国根据1994年美国海军制定的水下无人航行器（UUV）发展计划，包括AUV和ROV（遥控航行器）两个方面的研究涉及五个领域：运载器、能源、传感器、导航与控制、通信。其它方面的研究包括：1）AUV和ROV探测网反潜的研究，利用探测网进行水下三维探测，通过就地采样或层析获得的环境信息有利于提高反潜探测，同时还可以利用多个小型分散平台与有人平台一起构成反潜作战探测网；2）作为武器平台，携带近程攻防武器对敌方潜艇进行秘密攻击；3）布设水下通信网络；4）进行海洋探测。美国海军主要研制UUV的单位包括：美国海军水下作战中心（NUWC）、美国海军研究局（ONR）、美国海军海洋系统中心（NAVOCEANO）、美国海军空间和海战（SPAWAR）系统中心、美国国防高级研究计划局（DARPA）和查尔斯斯塔克德雷珀实验室（CSDL）、美国海军研究生院（NPS）等。此外，麻省理工学院、Woods Hole海洋研究所、通用动力公司和雷声公司、洛克希德导弹和宇航公司、佩里技术公司等，下面分别就各单位的AUV研发情况进行介绍。美国海军空间和海战（SPAWAR）系统中心该中心主要从事AUV的指挥和控制系统、光纤和水声通信系统、非金属材料和运载器总体的研制。该中心拥有三个UUV试验运载器：先进的无人搜索系统（AUSS）、自游者II（Free Swimmer II-SFII）和飞行插塞（Flying Plug）。AUSS是一个用于深海搜索的鱼雷形AUV，全长5200mm，直径800mm，重量1230kg，以最大速度6kn航行航力为10小时，采用20kWh银锌电池，推进装置为2个垂直推进器和2个纵向推进器。AUSS带有水声通信设备，可在水深6000m的水下向水面传送侧视声纳数据或CCD电视枷瘛捎贏USS是自主式的，它对目标的搜索时间只需常规拖曳式搜索系统的1/10。该AUV通过声遥链控制，已经通过了演示和鉴定。此外，自游者是一种可用作自主式运载器的鱼雷形UUV，飞行插头是一种小型运载器。麻省理工学院由麻省理工学院研制的ODYSSEY AUV主要用于科学考察和海洋自动取样网络研究，该AUV长度为2200mm，直径570mm，水平运动速度大于4kn，爬升速度大于3kn，续航力6小时（3kn时），如果采用最大电池结构，续航力可达24小时。该AUV主要采用1.1kWh的银锌电池（采用最大电池结构时5kWh），推进系统在四个控制面之后有一个电动推进器。Woods Hole海洋研究所由该海洋研究所研发的ABE AUV主要用于深海海底观察，其特点是机动性好，能完全在水中悬停，或以极低的速度进行定位、地形勘测和自动回坞。该AUV长2200mm，速度2kn，续航力根据电池类型在12.87193.08km之间。其动力采用铅酸电池、碱性电池或锂电池。通用动力公司和雷声公司1988年，通用动力公司开始研制XP-21 AUV，该AUV的研制工作目前已由雷声公司承担。XP-21是一型直径为533mm的自主式AUV，采用模块化设计，长度可在2.447.32之间任意选择，其标准型的重量为635kg，速度为05kn，工作深度为9.143653.63m。该AUV主要用于水雷战。其侧视声纳为双频、单波束、数字式声纳，频率为100kHz和500kHz。高频用于探测大型水雷，低频用于探测沉底雷并对其进行分类。前视声纳采用多波束数字式声纳，可填补侧视声纳的探测盲区，以探测和分类沉底雷和锚雷，同时也可用于避障。美国国防高级研究计划局（DARPA）和CSDLDARPA和CSDL已经建成了两个可用作试验平台的AUV，该AUV长10.97m，直径1.112m，重6804kg，第一个AUV的最大工作深度为304.48m，第二个为457.2m。该航行体采用12马力的无刷电机，最大航速为10kn，续航力为24小时。这两个AUV已经成功完成了海试。佩里技术公司佩里技术公司研制的MUST（机动系统试验）AUV是一种供试验和演示用的AUV，长9.144m，重8834.8kg，工作深度60.96m。该AUV采用10马力主推进电机，电源为铅酸悬挂式电解电池组，航速为08kn。推进系统采用于个推进器，使航行体可作悬停、垂直或横向运动。美国海军研究生院（NPS）NPS于1987年开始研制AUV，其第一代AUV为NPS AUV I，全长只有76.2cm，宽17.78cm，高1016cm。第二代NPS AUV II 全长2.1336m，可用作控制技术、人工智能和系统综合等基础研究的平台，采用场台高频定向换能器、2台正反转10cm螺旋桨、铅酸电池、Gespac计算机和平面的控制面。其推进器可使航行体的姿态得到控制，并在水中保持稳定。其他单位的UUV研制情况美国海军水下作战中心（NUWC）正在研制两个供试验用的UUV：大直径水下无人航行体（LDUUV）和直径21英寸的UUV（21UUV），这两种UUV是为评价UUV的各种负载及先进技术而研制的，其中的许多先进技术将直接应用于远期水雷侦察方案（LMRS）中。美国海军研究局（ONR）的工程部、材料部、物理科学和技术部都在从事UUV的研究工作，主要涉及UUV的续航力、能源与推进、传感器信号处理、通信、使命管理控制、导航和运载器设计等，这些技术的发展还将涉及到海军的其他单位和地方科研院所。美国海军海洋系统中心（NAVOCEANO）购进了一型先进的AUV用于获取海洋数据，并在此基础上开展一项研究，以使各种UUV都能适应对水下军事海洋学观察的需要。洛克希德导弹和宇航公司的航海部于1990年获得了研制MSS（水雷搜索系统）/SOMSS（潜艇舷外水雷搜索系统） UUV的合同，其研究目的是验证AUV能够引导水面战舰和潜艇通过雷区，并自主探测水雷。该研究的演示和鉴定从1994年一直延续到1998年（或更久），预计要到2006年以后才能投入使用。由于研制周期过长，该计划已被美国国会取消，MSS/SOMSS将由NMRS（近期水雷探测系统）和LMSS（远期水雷探测系统）取代。1997年10月，诺期罗普格鲁曼公司和波音公司竞争设计、制造一种长航时水下探雷系统。1999年，波音公司获胜，于2000年11月向美国海军交付首套样机（包括回收装置、任务规划/分析计算机、两条AUV），其中AUV长6m，直径530mm，重约450kg，可从鱼雷发射管发射，航行时间4050小时。（2）加拿大加拿大在UUV领域的研究工作已开展了20多年，除了各种各样的ROV，他们也在建造AUV，其中几家公司已研制出了铝-氧化银电池，正在AUV进行试验。（3）英国在AUV的研制方面，虽然英国国防研究局起着关键作用，但其他私营公司也是AUV技术的主要参与者和研制者。由英国政府出资研制的AUV在不久前的伦敦水下技术展览会上首次亮相。该AUV由三家公司联合研制（马可尼水下系统公司是总承包商），其首要技术目标是开展极地冰下研究和搜集近海海洋学信息。该AUV的主体采用鱼雷壳体改进而成，全长6.5m，直径533mm，稳定鳍直径900mm，重量1315kg，额定航速度5kn，工作深度300m，续航力36小时，航程大于300km。能源采用耐高温钠硫电池，电池组向48伏总线上提供37kWh的有效电能，无刷直流推进电机靠48伏总线供电。控制舱内装有精确测量航向与航速的导航系统，能修正潮汐与海流引起的误码率差。尾舱装备有通信电子设备、卫星定位信标、雷达遥控器与应答器等。尾端的推进电机安装在耐压壳上，直接与推进器连接。此外，英国还参加了欧共体的一项合作研究，目前正从事AUTOSUB方案的研究，为欧共体开发一个试验型AUV，该AUV被称为海豚（Dolphin），其工作深度为6000m，据称其续航力很长，能从英国航行到美国，并搜集海洋数据。（4）德国德国的STN、HDW等几家公司正在为德国海军研制一种用于反潜战的水下无人航行体TCM/TAU 2000鱼雷对抗系统。该系统主要由探测设备及信号处理装置、指挥控制装置、发射集装箱、4个铰接盖板和TAU效应器组成，能进行全方位的区域侦察，作战系统信号处理时间短、反应速度快；发射速度快、使用效应器后可不受潜艇战术的限制；效应器对付轻型鱼雷和重型鱼雷的威胁，都有很高的效能。由于采用了模块化设计，该系统能很容易地装配到209、212级潜艇上，其费效比很好。STN公司开发的名为“深海”C（DeePC）的新型自主水下航行器，续航时间60小时，潜深达4000m，直径1m，重约2000kg。STN公司计划在DeePC上使用许多新技术，包括碳纤维增强塑料、缩微燃料电池、长航时水下导航系统等。STN公司计划2007年研制出完整的DeePC，2010年达到实用。（5）挪威挪威国防研究机构研制了一种流体阻力较低的AUV，它原来的任务是用于进行侦察，现在主要是用于进行海洋研究。该AUV采用镁海水电池作动力，通过水声链进行遥控，遥控距离达110海里。如果采用比能高的电池（低压镁海水电池），该AUV的潜在航程可达11001200海里。（6）前苏联前苏联于70年代就开始了AUV的研制工作，尽管冷战期受到西方技术封锁，缺少先进的电子和计算机技术设备，但前苏联在AUV的研制方面仍然取得了一定的成果并积累了相当丰富的经验。90年代中期建造的几个AUV就在太平洋、大西洋和挪威海成功地进行了深海搜索和回收工作。前苏联在水下航行体的结构材料方面取得了突出的研究成果，其钛合金加工制造和焊接方面居世界先进水平。此外，在发展复合材料、陶瓷材料方面也取得了很大成就。这些技术对其他国家发展AUV起到了促进作用。由于AUV的生产基地在俄罗斯和乌克兰，苏联解体后，这些优势就被俄罗斯和乌克兰所继承。目前，俄罗斯和乌克兰两国在国际市场上积极出售AUV产品和相应技术，韩国就向俄斯购进了有关技术，并合作开展了AUV的研制。（7）日本日本的UUV技术在民用方面主要用于地震预报和海洋开发（如：水下采矿、海底石油和天然气的开发等），参与部门和机构包括日本科学技术中心（JAMSTEC）、国际贸易工业部、运输部、建设部、机器人技术协会、日本深海技术协会等。日本耗资6千万美元建造的Kaiko Rox 现在已经能下潜到世界上最深的海底。在军用方面主要是用于灭雷具的ROV研制，如：日本海军的S-5和S-7灭雷具。此外，日本海军也在研究AUV的技术工作，但相关报道很少。（8）韩国韩国Daewoo重工业公司的船舶海洋研究所同俄罗斯海洋研究所共同合作研制了名为OKPL-6000的自主式水下无人航行体，该AUV形状象鱼雷，主要用于深海探测、搜索与观察海底沉没物体、以及科学研究。该AUV长3.8m，直径0.7m，重980kg，最大工作深度6000m，最大巡航速度3kn，续航力10小时，动力采用银锌二次蓄电池，推进系统采用四个电动推进装置。OKPL-6000 AUV已进行了三次考察试验，记录了大量的图像、视频电影和海底地图。此外，该AUV还对水深为2300m的东海以及5500m的太平洋海底进行了观察。二、重点技术及其发展各国研究机构及制造厂商在AUV关键技术及关键部件的研制方面取得了一些成果，但由于工作环境及任务要求等因素的限制，仍存在一些技术难点。AUV的设计材料：AUV材料技术开发的重点是廉价的轻型材料，这类材料应具有大浮力、大强度、耐腐蚀及抗生物附着等特点。材料类型包括塑料、玻璃钢、陶瓷和合成物等，可以用玻璃纤维和石墨碳复合材料制造高强度轻型非铁质壳体。使用石墨复合材料的难点是穿透壳体的零件的密封、壳体连接、肋骨配置形式以及散热问题。采用金属基体复合材料也许能解决上述难题。低阻力技术：设计AUV形状时，需综合考虑其内部空间的使用情况及释放/回收的难易程度等因素。目前各研究机构正在继续研发AUV的新型流体动力设计，但近期的设计大多采用鱼雷形状。低速控制：水下航行器的低速控制装置包括五个基本部分，即控制水下航行平衡和攻角的可变压载系统、六自由度定位的垂直和横向推进器、为高速航行提供升力的艉控制面和控制前进/后退运动的轴向推进器。目前已对AUV的低速控制进行了成功模拟，并将非线性自适应滑动方式控制理论应用于水下航行器上。试验证明，滑动方式控制可以有效地进行精确跟踪和控制。降噪：目前在研的AUV降噪方法包括采用机械隔离装置、吸声外壳涂层、低噪音推进电机和螺旋桨等。推进/能源系统常规推进/能源系统（如：铝-氧化银和铝-过氧化氢新型电池）能给AUV提供2天的工作时间，而燃料电池和热推进系统可为AUV提供数天（并有望长达数周）的作业时间。由美国Alupower公司开发的铝-氧半燃料电池采用铝阳极为燃料、外部氧化剂为反应剂、氢氧化钾为电解液。这种电池有一个独特的自管理电池外壳，使反应时产生的铝沉淀物聚积在电池外壳的底部，避免了使用其它燃料电池中所用的电解液泵和循环系统。然而，与采用电解液泵系统的电池相比，这种电池的功率密度较低。相比之下，银氧化物-锌电池是现有商用电池中能量密度最高的一种，它也是美国海军大量使用的一种水下航行体动力电池。不过，银氧化物-锌充电电池的缺点在于：充电时间长（30小时），使用寿命短，且在低温下性能差。美国海军水下武器中心（NUWC）达尔根分部正在开发的充电式锂钴电池的能量密度和使用寿命预计比银锌-氧化物电池都有所提高。他们用一个30安培小时的锂电池与一个30安培小时的银锌氧化物电池进行试验比较，结果证明锂电池的能量密度比预计的提高了40%-50%，使用寿命提高了一倍。此外，锂电池的运行效率在低温（零下2摄氏度）下是银锌氧化物电池的四倍。由于采用了具有良好的电化稳定性的液体甲酸盐电解液，这种锂电池的充电速度也得到提高（10小时）。在热系统方面，宾夕法尼亚州立大学的应用研究实验室在MK50鱼雷的SCEPS（存贮化学能量推进系统）的基础上开发出高能量和高功率密度的鱼雷和AUV热推进系统，该系统通过毛细管作用缓慢吸入燃料，以便产生高能量的远距离推进。燃料与六氟化硫在燃料室中混合，从而产生热量，并通过工作液传给兰金或斯特林热发动机。此外，宾夕法尼亚州立大学的应用研究实验室还开发了一种用于AUV的复合推进器，该推进器的核心是一台单轴旋转导管螺旋桨，其余部分是前导流片，以便获得桨叶的最大效率；位于桨后出流处的控制面可以保持较好的低速控制；后导流片可以消除翼片周围的旋涡并减小辐射噪音。该推进器的设计有效利用了能量，导管式螺旋桨控制流入的水量，从而降低了推进器对设计以外的作业条件下的灵敏度，并提高了效率。导航系统由于受到尺寸、重量及电源使用的限制，要在水下无人航行器上实现非常精确的导航系统是相当困难的，再加上对AUV的一些其他要求，如：隐蔽作业、高可靠性、恶劣环境下的作业及全球作业等，就使得AUV的导航更加复杂化了。对于AUV导航系统来说，有两个关键的领域，即传感器数据的综合和导航传感器技术的进展。AUV导航系统仍面临的一些问题：由于传感器固有的误差，惯性导航系统不能满足所有水下无人航行器的导航要求；隐身、功率及尺寸等要求使速度声纳受到限制；尽管全球定位系统接收机可提供理想的修正装置，但需要航行器浮出水面定位，隐