UUV技術(shù)發(fā)展與系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

錢 東, 唐獻(xiàn)平, 趙 江

?

UUV技術(shù)發(fā)展與系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

錢 東1, 唐獻(xiàn)平2, 趙 江1

(1. 海軍裝備研究院, 北京, 100161; 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 研究中心, 北京, 100012)

為了使商用UUV設(shè)計(jì)能夠滿足軍事需求, 實(shí)現(xiàn)軍民兩用, 通過對(duì)軍用UUV的分級(jí)和口徑約束問題的討論, 以及對(duì)國(guó)際主流UUV的主要性能特征的分析和歸納, 簡(jiǎn)述了UUV市場(chǎng)化和軍方選用情況; 同時(shí), 從總體構(gòu)型、推進(jìn)器和控制面、能源系統(tǒng)、耐壓殼體和濕空間、探測(cè)傳感器、通信、發(fā)射與回收等方面分析了UUV關(guān)鍵要素的設(shè)計(jì)類型及其優(yōu)劣, 以及UUV典型結(jié)構(gòu)屬性及其影響因素。通過以上分析, 對(duì)軍用UUV的設(shè)計(jì)提出了以下建議: UUV設(shè)計(jì)應(yīng)采用開放式結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì), 以適應(yīng)多任務(wù)需求; 中、小型UUV宜采用533 mm和324 mm標(biāo)準(zhǔn)建制口徑, 以滿足軍事適用性要求; 深海UUV宜采用以組部件和載荷密封耐壓設(shè)計(jì)為主的方案, 以降低對(duì)UUV總體結(jié)構(gòu)的密封耐壓要求。

UUV; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 軍民兩用

0 引言

與近20年來, 與無人機(jī)(unmanned aerial ve- hicle, UAV)的井噴式發(fā)展類似, 無人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)也正步入發(fā)展快車道。目前世界上的UUV已達(dá)數(shù)百種, 活躍在海洋科學(xué)、海洋工程、水下安保和水下作戰(zhàn)等各領(lǐng)域。馬航MH370失蹤事件更是將UUV推到眾人矚目的前臺(tái)。在眾多UUV中, 有些是在國(guó)際市場(chǎng)上享有一定聲譽(yù)、較為成功的商用或軍民兩用產(chǎn)品, 有些是軍用高端裝備, 更多的是尚未市場(chǎng)化, 或仍處于大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段的科研和技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái), 其中不乏一些構(gòu)思奇特的概念樣機(jī)。就一般概念而言, 只要換裝合適的任務(wù)載荷和功能模塊, 多數(shù)商用UUV也可被用于軍事領(lǐng)域。然而, 若當(dāng)初在UUV系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮軍事需求, 則即使經(jīng)過改裝, 最后形成的任務(wù)能力也往往會(huì)受到很大限制。因此, 成功的軍民兩用型UUV應(yīng)在設(shè)計(jì)之初就充分考慮到軍方用戶需求, 這也是保證其商業(yè)成功的重要因素之一。

本文對(duì)當(dāng)今國(guó)際上主流UUV的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和優(yōu)劣進(jìn)行了初步分析, 探討有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題, 提出適合于軍用UUV的設(shè)計(jì)建議。

1 分析對(duì)象及其屬性

1.1 分析對(duì)象

所選的分析對(duì)象主要是活躍于市場(chǎng)上的有代表性的主流產(chǎn)品和美軍方可能選用的UUV, 主要考慮到: 1) 市場(chǎng)地位, 其主要標(biāo)志有用戶數(shù)、產(chǎn)量、應(yīng)用面和產(chǎn)品知名度等; 2) 產(chǎn)品成熟度和商業(yè)化程度, 其主要標(biāo)志是用戶可獨(dú)立完成操作, 一般情況下無需生產(chǎn)商提供技術(shù)支援; 3) 公開了比較詳細(xì)的產(chǎn)品數(shù)據(jù); 4) 美國(guó)軍方裝備、研制可能選用的UUV產(chǎn)品。除此之外, 也選出一些產(chǎn)量雖低、但具有特殊結(jié)構(gòu)屬性、任務(wù)能力較強(qiáng)的UUV作為分析對(duì)象, 如Lockheed Martin公司的 Marlin和美海軍研制的Seahorse等。低產(chǎn)量UUV、大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的未商業(yè)化的UUV樣機(jī)不列入分析對(duì)象。此外, Pluto, Seafox, SeaCat等早已被熟知的反水雷UUV也未被列入分析對(duì)象。

1.2 屬性

UUV的系統(tǒng)屬性主要取決于用戶需求和可用的成熟技術(shù)。能表征UUV特點(diǎn)的基本屬性有: 任務(wù)或應(yīng)用領(lǐng)域、總體布局與構(gòu)型、推進(jìn)器、控制、能源系統(tǒng)、耐壓殼體和濕空間、任務(wù)載荷(如傳感器)、導(dǎo)航、通信、發(fā)射與回收等。這些屬性基本上代表了UUV的主要特征, 勾畫出其總體概貌, 體現(xiàn)了其任務(wù)能力和技術(shù)水平。

2 UUV分類、級(jí)別與主流產(chǎn)品系列

2.1 UUV的分類與級(jí)別

目前國(guó)際上尚無統(tǒng)一的UUV命名規(guī)則和分類方法, 一些UUV的命名方式反映出開發(fā)者和用戶的不同視角和主要關(guān)注點(diǎn)。根據(jù)出現(xiàn)的頻率, 常見的命名方式有以下幾種。

1) 產(chǎn)品名+序列號(hào)。這是武器裝備命名的常用方式, 如: Marlin MK1/MK2/MK3(美), Seaotter MKII(丹麥), Seahorse I/II(美), Fetch 2/3(美)等。

2) 產(chǎn)品名+最大工作深度。如: REMUS 100/600/3000/6000(美), Hugin 1000/3000/4500 (挪威), Alistar 3000(法)等, 數(shù)字的單位是m, 凸顯出許多用戶所關(guān)心的深海工作能力。

3) 產(chǎn)品名+口徑。如: Bluefin-9/12/21(美), 數(shù)字的單位是inch(實(shí)際上準(zhǔn)確值是9.375 in, 12.75 in, 21 in, 分別等于240 mm, 324 mm, 533 mm)。這類命名方式適合于魚雷型UUV, 平臺(tái)適裝性一目了然, 且從尺度上可以對(duì)UUV的攜載能力和續(xù)航力做出粗略判斷。

4) 產(chǎn)品名+用途。如: Gavia Scientific/ Defence/ Offshore Surveyor(冰島)。

商用UUV領(lǐng)域的還有一個(gè)常見現(xiàn)象, 就是許多產(chǎn)品名前還冠有公司名, 如: Lockheed Martin Marlin MK3(美), Atlas Maridan Seaotter MKII(丹麥), Boeing Echo Ranger(美), ECA Alistar 3000(法), ISE Explorer(加), SAAB Double Eagle(瑞典), SAAB AUV 62(瑞典)等, 顯然是為了品牌及廣告效應(yīng)。

目前商用UUV沒有明確的分級(jí)方法, 而對(duì)軍用UUV而言, 被普遍接受的分級(jí)方法是美軍方在UUV主計(jì)劃中的4個(gè)級(jí)別劃分: 大型、重型、輕型和微型, 也可按國(guó)內(nèi)的習(xí)慣將其稱為“大、中、小、微”型。近年來出現(xiàn)了更大的UUV, 被稱為“超大型”。類似于艦船噸位在人們概念中的重要地位, UUV的噸位也是間接表征其能力的簡(jiǎn)潔而概略的指標(biāo), 所以按質(zhì)量的分級(jí)方法更具有實(shí)用性, 也符合各國(guó)海軍的習(xí)慣。在重型和輕型這2個(gè)關(guān)鍵級(jí)別定義中, 美軍同時(shí)采用了口徑和質(zhì)量2個(gè)指標(biāo)。其中, 口徑533 mm和324 mm是強(qiáng)約束指標(biāo), 它直接照搬了國(guó)際通行的對(duì)重型魚雷和輕型魚雷的分類標(biāo)準(zhǔn); 而質(zhì)量則是一個(gè)參考范圍值, 是弱約束指標(biāo), 在口徑已定的條件下, 質(zhì)量范圍實(shí)際上間接限制了UUV的長(zhǎng)度。雙指標(biāo)混合定義方法將這2個(gè)級(jí)別UUV的外形約束在標(biāo)準(zhǔn)魚雷范疇內(nèi), 帶來的好處是明顯的: 平臺(tái)適裝性、保障性、運(yùn)輸性好, 適合部隊(duì)裝備和使用; 模塊化程度高, 適合于多任務(wù); 可利用成熟的魚雷制造技術(shù)和試驗(yàn)設(shè)施, 有利于裝備通用化, 也有利于控制研發(fā)和生產(chǎn)成本。

將533 mm和324 mm口徑分別作為重、輕型UUV的標(biāo)準(zhǔn), 體現(xiàn)出美軍方對(duì)“建制能力”的高度重視, 這是利用各種現(xiàn)役?？掌脚_(tái)實(shí)現(xiàn)前沿部署、快速抵達(dá)、廣域使用的必要前提。搜索馬航MH370航班的行動(dòng)過程充分反映出裝備“建制能力”的重要性。因此, 在一定范圍內(nèi)和一定程度上, 533 mm和324 mm口徑, 尤其是533 mm口徑, 可稱之為軍用UUV的“金標(biāo)準(zhǔn)”。 Bluefin公司瞄準(zhǔn)軍方需求, 主推遵循這2個(gè)口徑標(biāo)準(zhǔn)的軍民兩用型UUV——Bluefin-12和 Bluefin-21, 后被美海軍選用, 取得商業(yè)成功。

美軍方并未對(duì)大型和微型UUV的結(jié)構(gòu)參數(shù)提出明確要求, 給開發(fā)者以充分的自主創(chuàng)新空間和UUV能力提升空間, 體現(xiàn)出張弛有度的靈活策略和對(duì)不同需求的合理權(quán)衡。

20世紀(jì)90年代, 受限于當(dāng)時(shí)的電池技術(shù)、載荷技術(shù)、電子技術(shù), 人們?cè)诿鎸?duì)一些較復(fù)雜的水下任務(wù)時(shí), 沒有更多選擇, 只能采用偏大的UUV。進(jìn)入21世紀(jì)后, 較小的UUV已能完成同樣的任務(wù)。所以, 民用UUV大多在向小型化發(fā)展。軍方雖然在研發(fā)一些大型甚至超大型UUV, 以滿足一些特殊的軍事需求, 但533 mm以下的UUV仍占主導(dǎo)地位。

2.2 UUV主流產(chǎn)品及其分級(jí)

表1給出了主流UUV產(chǎn)品的主要特征及其分級(jí)[1-10], 本文將數(shù)百千克~1.5噸級(jí)的非533 mm口徑的UUV歸為“非建制重型”。

商業(yè)上比較成功的UUV主要有5個(gè)產(chǎn)品系列: REMUS, HUGIN, Bluefin, ISE Explorer和Gavia。其中銷量最大的是美國(guó)的REMUS, 到2012年共交付了200多套系統(tǒng)[7]。除美國(guó)海軍外, 日本也訂購了4套R(shí)EMUS 100, 用于反水雷和海嘯后的海底調(diào)查與成像; 挪威的HUGIN到2005年共向軍方和商業(yè)用戶賣出8枚UUV, 另生產(chǎn)了2枚用于演示驗(yàn)證; 美國(guó)的Bluefin系列到2006年底已生產(chǎn)了50枚AUV, Bulefin-21的后續(xù)軍用型號(hào)為Knifefish, 美國(guó)海軍計(jì)劃采購48枚[8]; 冰島的Gavia(意為“偉大的北方潛水者”)到2010已向用戶提交了20套系統(tǒng)[1]。被軍方采用的比較著名的UUV也主要有5個(gè)產(chǎn)品系列: REMUS, Bluefin, HUGIN, Lockheed Martin Marlin和Seahorse。

2.3 評(píng)述

國(guó)際上比較有名的UUV大多起步于上世紀(jì)90年代, 并于本世紀(jì)初相繼形成穩(wěn)定的商用化產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)的技術(shù)和市場(chǎng)都不太成熟, 軍方也未系統(tǒng)地提出軍事需求, 所以各家基本處于早期自行探索和研發(fā)的“百花齊放”階段, 因而UUV種類繁多、形態(tài)各異。2004年11月, 美海軍首次公布UUV主計(jì)劃, 系統(tǒng)闡述了軍方需求, 以后又不斷更新, 對(duì)軍用UUV的發(fā)展起到了重要牽引作用。開發(fā)商意識(shí)到, 要獲得軍方大客戶, 在產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)盡量遵循軍方標(biāo)準(zhǔn), 這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)軍民兩用, 從而取得商業(yè)成功。生產(chǎn)軍民兩用UUV的好處除了擴(kuò)大市場(chǎng)外, 還有可能獲得軍方資助。另一潛在好處是有利于提高生產(chǎn)商和產(chǎn)品本身的聲譽(yù), 被軍方選用是公認(rèn)最成功的商業(yè)廣告。最典型的例子是“藍(lán)鰭金槍魚機(jī)器人”公司(bluefin robotics), 直接瞄準(zhǔn)324 mm和533 mm口徑, 主推Bluefin-12和Bluefin-21產(chǎn)品系列, 獲得批量訂貨。Bluefin-21在MH370航班搜索行動(dòng)中被選用不是偶然的。美國(guó)Hydroid 公司是美海軍最早的供貨商之一, 為美海軍開發(fā)從微小型到超大型各類UUV, 為了滿足“建制式”需要, 他們專門開發(fā)了324 mm模塊化產(chǎn)品REMUS 600, 它既可以用于反水雷, 也可廣泛用于海洋調(diào)查、港口安保、環(huán)境監(jiān)測(cè)、漁業(yè)作業(yè)等領(lǐng)域, 在業(yè)界也被視為比較成功的產(chǎn)品。

從表1可看出, 微型UUV產(chǎn)品線比較豐富, 主要原因是其成本低廉、使用便捷、技術(shù)門檻低、應(yīng)用面廣、有較廣闊的低端用戶市場(chǎng)等。同樣, 重型UUV產(chǎn)品線也很豐富, 主要原因是: 1) 這一級(jí)別的UUV可容納較多或較大尺度的任務(wù)載荷, 功能較強(qiáng); 2) 有較大續(xù)航力; 3) 尺度有限, 使用的便易性可以接受。注意到非533 mm口徑的民用UUV產(chǎn)品有較多型號(hào), 這一方面反映出市場(chǎng)需求比較大; 另一方面也說明, 如果不受533 mm口徑限制, 則設(shè)計(jì)、制造和系統(tǒng)集成的難度相對(duì)較低, 因而吸引了較多的開發(fā)者。不出意外, 324 mm輕型UUV的型號(hào)較少, 主要原因應(yīng)是較小的尺度/質(zhì)量限制了它的性能, 介于微型和重型UUV之間的產(chǎn)品定位使它處于有些尷尬的地位。但應(yīng)指出, 這是一個(gè)值得重視的產(chǎn)品系列, 它所具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是: 幾乎適裝各種海軍水面平臺(tái), 還可由直升機(jī)和反潛巡邏機(jī)空投, 是非常理想的建制式裝備, 特別適用于需要快速反應(yīng)的場(chǎng)合。雖然用于完成特定任務(wù)的大型UUV的設(shè)計(jì)自由度較大, 但還是應(yīng)考慮到遠(yuǎn)海使用時(shí)平臺(tái)的適裝性、高海況布放/回收性和航空運(yùn)輸性等。

在UUV界有這樣一個(gè)現(xiàn)象: 即使是同一個(gè)型號(hào)名稱, 廠家公布的技術(shù)數(shù)據(jù)和軍方公布的也經(jīng)常不同。這實(shí)際上反映出廠家針對(duì)軍方需求所作的設(shè)計(jì)更改。一個(gè)典型的例子是, 廠家公布的Bluefin-21的最大工作深度可達(dá)4 500 m, 遠(yuǎn)大于軍方公布的Bluefin-21 BPAUV的91 m指標(biāo)。推測(cè)原因是, 廠家最初是按照大深度設(shè)計(jì)的, 這樣可滿足各類用戶的要求。但海軍從具體任務(wù)考慮, 并不需要過大深度。不同深度要求對(duì)密封殼體、獨(dú)立密封模塊和水密接插件的要求不同, 成本相差很大。因此, 海軍定制降低某些指標(biāo)的UUV是合理的, “好鋼用在刀刃上”是“精明采辦”的具體體現(xiàn)。

就搜索探測(cè)、海洋調(diào)查和海底測(cè)繪等任務(wù)而言, 軍事和商業(yè)用戶的需求大同小異。世界市場(chǎng)上商用UUV種類繁多, 對(duì)這類通用性強(qiáng)的UUV, 理想的國(guó)防采辦策略是盡量選用成熟的商用技術(shù)和產(chǎn)品, 實(shí)現(xiàn)軍民兩用。從美海軍的計(jì)劃中可看出, 多數(shù)UUV項(xiàng)目是非計(jì)劃項(xiàng)目, 軍方提出需求, 開發(fā)商自行研制, 軍方訂貨, 投入戰(zhàn)場(chǎng)試用。軍方主要投資有特定軍事用途的高性能UUV。

3 UUV的主要設(shè)計(jì)要素分析

本節(jié)分析用戶所關(guān)心的UUV主要設(shè)計(jì)要素、不同設(shè)計(jì)類型及其優(yōu)缺點(diǎn)、適用對(duì)象和場(chǎng)合, 討論UUV的系統(tǒng)方案選擇、典型結(jié)構(gòu)屬性及影響這些屬性的系統(tǒng)因素等問題。主要討論6方面的屬性: 1) 總體構(gòu)型、推進(jìn)器和控制面; 2) 耐壓殼體和濕空間; 3) 能源系統(tǒng); 4) 探測(cè)傳感器; 5) 通信; 6) 發(fā)射與回收。

3.1 總體構(gòu)型、推進(jìn)器和控制面

1) 總體構(gòu)型

UUV構(gòu)型主要考慮流體動(dòng)力特性, 所以大多數(shù)UUV采用魚雷形狀, 僅僅是長(zhǎng)徑比不同。魚雷形狀UUV的主要優(yōu)點(diǎn)有: a. 阻力小, 能帶來速度、流體噪聲等方面的好處; b. 便于制成全耐壓結(jié)構(gòu)、非水密結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu), 適用范圍寬; c. 發(fā)射和回收相對(duì)容易; d. 圓柱體結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)模塊化, 便于功能段集成與置換; e. 回轉(zhuǎn)體在結(jié)構(gòu)上易于加工, 而具有復(fù)雜表面曲面的非對(duì)稱體制造成本高。所以魚雷形狀是UUV的主流構(gòu)型。

然而, 魚雷形狀UUV受外形限制, 其內(nèi)外布局、推進(jìn)方式和控制方式等的設(shè)計(jì)靈活性受到一定制約, 所以并不適合于需要精確操控的水下作業(yè)場(chǎng)合。因而, 水下作業(yè)型UUV一般不采用這種形狀, 用于水下船殼檢查和結(jié)構(gòu)檢查的微型UUV(ROV)也常不采用這種形狀。作業(yè)型UUV的共同特點(diǎn)是: 對(duì)航速和航程沒有過高要求, 強(qiáng)調(diào)的是水下操控性能。

多數(shù)商用UUV都采用突出于體外的固定天線或水聲通信換能器導(dǎo)流罩, 影響了UUV線型, 增大了阻力。軍用UUV應(yīng)盡量采用平順的魚雷外形, 便于潛艇發(fā)射管發(fā)射。

2) 推進(jìn)器

對(duì)于常規(guī)尾部鰭舵布局的魚雷形狀UUV, 如果不采用輔助推進(jìn)器和前部鰭舵, 正常情況下的航行速度一般不低于2~3 kn, 這是因?yàn)檫^低的表面流速無法在鰭舵上產(chǎn)生足夠的升力, 航行器難以被穩(wěn)定、有效地操控。而矢量推進(jìn)則可避免這一低速控制難題。根據(jù)廠家公布的信息, 采用矢量推進(jìn)的Bluefin系列UUV, 速度覆蓋范圍為0.5~5 kn, 能保證足夠的動(dòng)態(tài)控制性能, 且?guī)缀醪皇芩钶d的載荷影響[2]。其性能令人矚目。

魚雷形狀UUV一般靠鰭舵差動(dòng)來控制橫滾, 對(duì)于無鰭舵的UUV而言, 橫滾控制是一個(gè)難題。雖然靠壓艙物產(chǎn)生靜傾或設(shè)置外部配平片等傳統(tǒng)方法, 能將UUV配置成靜平衡狀態(tài), 但難以全面適應(yīng)速度和載荷變化、航行器機(jī)動(dòng)和海流擾動(dòng)等因素產(chǎn)生的航行器狀態(tài)變化。Bluefin公司宣稱, 他們將UUV設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)矩平衡, 螺旋槳轉(zhuǎn)速變化不會(huì)對(duì)UUV的橫滾產(chǎn)生明顯影響, 但沒有公開所采用的控制技術(shù)(見圖1)。盡管如此, 還是有學(xué)者對(duì)這種無鰭舵布局技術(shù)的推廣前景表示懷疑。

圖2為Bluefin尾錐段結(jié)構(gòu)示意圖, 圖中標(biāo)出了萬向節(jié)上的航向樞軸和俯仰(縱傾)樞軸、驅(qū)動(dòng)矢量推進(jìn)器轉(zhuǎn)向的作動(dòng)器、安裝在萬向節(jié)上隨導(dǎo)管推進(jìn)器一同轉(zhuǎn)向的推進(jìn)齒輪電機(jī)。Bluefin矢量推進(jìn)器角度調(diào)節(jié)范圍為±15°, 角速度為30°/s[11]。

圖1 Bluefin-21實(shí)物圖

圖2 Bluefin-21的尾錐段

文獻(xiàn)[11]對(duì)萬向節(jié)式矢量推進(jìn)器進(jìn)行了細(xì)致的研究, 給出了與Bluefin-21矢量推進(jìn)器近似的原理示意圖(見圖3)。其中, 圖3(a)給出了直接樞軸式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)原理圖, 但圖中的螺旋槳驅(qū)動(dòng)方式與Bluefin-21不同, Bluefin-21用安裝在萬向節(jié)上、隨導(dǎo)管一同轉(zhuǎn)向的推進(jìn)齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳, 而圖3(a)所示的是采用柔性驅(qū)動(dòng)方式, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在UUV本體內(nèi), 柔性軸關(guān)節(jié)處的軸承安裝在萬向節(jié)的航向樞軸上, 即隨著導(dǎo)管一同轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3(b)給出了直線作動(dòng)器對(duì)直接樞軸式矢量推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)原理圖, 這是Bluefin-21所采用的方式。

文獻(xiàn)[11]認(rèn)為, 直驅(qū)電機(jī)具有噪聲小的優(yōu)勢(shì), 但因直徑較大, 很難像Bluefin-21那樣將其安裝在萬向節(jié)上隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 所以應(yīng)采用柔性軸連接和驅(qū)動(dòng)方式。圖4給出了4種連接方式的萬向節(jié), (a)~(b)依次為: 球籠式萬向節(jié)、三銷軸式萬向節(jié)、柔性萬向節(jié)、U型萬向節(jié), 它們的優(yōu)劣見表2。

圖3 Bluefin-21矢量推進(jìn)器原理圖

圖4 4種柔性軸連接方式

表2 不同柔性軸連接方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

從矢量推進(jìn)角度來看, 集成電機(jī)推進(jìn)器(inte- grated motor propulsor, IMP)在UUV上應(yīng)有更好的應(yīng)用前景。由于是無軸推進(jìn), 簡(jiǎn)化了矢量推進(jìn)器的動(dòng)力傳遞問題, 可有效降低振動(dòng)和噪聲, 并規(guī)避了深海條件下動(dòng)力轉(zhuǎn)軸的動(dòng)密封難題。

3) 控制面(鰭舵)

UUV控制面的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是保證在低速條件下能有效控制航行體的姿態(tài)。控制面典型地布置于UUV后部靠近推進(jìn)器處, 一般采用4或3個(gè)控制面, 取決于對(duì)控制面面積和驅(qū)動(dòng)能力等因素的考慮。多數(shù)UUV采用傳統(tǒng)的十字或X形鰭舵布局, 一般認(rèn)為X形控制效率更高。而REMUS和HUGIN的部分產(chǎn)品采用尾部反Y形3鰭布局。有的UUV在前部采用2葉(如Explorer) (圖5)或3葉(如REMUS)鴨翼(圖6), 以增加在惡劣環(huán)境、近水面等條件下的操控性, 前部鴨翼控制段一般設(shè)計(jì)為獨(dú)立的可選模塊, 視情選裝。Bluefin則取消了控制面, 轉(zhuǎn)而采用萬向節(jié)式矢量推進(jìn)器。

Gavia采用較為獨(dú)特的導(dǎo)管內(nèi)槳后控制面(見圖7)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于槳后流速高, 舵效高, 且管內(nèi)舵不宜被污損和纏繞。但這類管內(nèi)舵在安裝、維護(hù)和驅(qū)動(dòng)時(shí)的復(fù)雜性高于開式控制面, 可達(dá)性稍顯遜色。泵噴推進(jìn)器的前端定子葉片也有利于防止雜物纏繞螺旋槳和槳后控制面, Sea horse 的控制面雖不在推進(jìn)器導(dǎo)流罩內(nèi), 但也在設(shè)計(jì)推進(jìn)器后, 受前面導(dǎo)管推進(jìn)器的保護(hù)。

圖5 ISE Explorers的前后控制面

圖6 REMUS 600的前后控制面

圖7 Gavia的導(dǎo)管內(nèi)槳后控制面

近海中遍布繩索、纜、尼龍繩、海藻等“軟”廢棄物, UUV的避碰聲吶一般看不見, 因此最好采用有保護(hù)罩的控制面。當(dāng)UUV需要低速航行或在淺海航行, 或傳感器等載荷對(duì)UUV可控性有很高要求時(shí), 可選用線形光滑的前部控制面。

3.2 耐壓殼體和濕空間

UUV的結(jié)構(gòu)分為耐壓殼體密封艙結(jié)構(gòu)和非水密艙結(jié)構(gòu), 多數(shù)UUV采用兩者結(jié)合的結(jié)構(gòu), 只是某一類結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。2種結(jié)構(gòu)的比較見表3。

工作深度越大、密封容積越大, 耐壓殼體的制造難度就越大, 所以工作深度大于600 m的重型UUV很少采用全封閉結(jié)構(gòu), 大多采用混合結(jié)構(gòu)。軍用UUV的工作深度大多小于300 m, 且追求大容積多載荷, 所以多采用類似魚雷的全密閉結(jié)構(gòu)。UUV一般采用圓柱形或球形耐壓容器, 同時(shí)采用一些位置靈活的非水密艙。從非水密艙到耐壓艙的過渡部分一般采用嵌入水密連接器的隔壁。多數(shù)UUV將電池置于耐壓殼內(nèi), 但Bluefin和HUGIN采用可直接浸泡在海水中的密封耐壓電池, 減少了對(duì)耐壓殼體容積的需求。

表3 UUV 耐壓殼體密封艙結(jié)構(gòu)和非水密艙結(jié)構(gòu)比較

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮到工作深度、材料、浮力、結(jié)構(gòu)和可達(dá)性(表征拆裝和維修難度)。

1) 工作深度和耐壓容器形狀。耐壓殼體的設(shè)計(jì)主要考慮工作深度和水密容積的需求。工作深度較小的UUV一般采用類似魚雷的圓柱形耐壓殼體, 且占據(jù)UUV大部分體積, 如REMUS 100和REMUS 600。由于球形容器耐壓能力更強(qiáng), 所以大深度UUV則趨向采用球形耐壓容器, 一般占據(jù)UUV較少體積, 如: HUGIN 1000(見圖8)和Boeing Echo Ranger(3000m)。而ISE Explorer (2 200m)采用圓柱形耐壓艙, 兩端采用半球形隔壁, 其水密與非水密部分體積基本相同。

圖8 HUGIN 1000的總體布局和球形密封艙

2) 材料。UUV常用的10種材料: ABS塑料、塑膠、鋁、碳素纖維、玻璃纖維、石墨環(huán)氧樹脂、GRP(玻璃加強(qiáng)塑料)、HDPE(高密度聚乙烯)、鋼、鈦[1]。文獻(xiàn)[1]給出了不同材料在不同工作深度UUV上的應(yīng)用情況(見圖9)。由圖可見, 當(dāng)深度大于2000m后, 就不再使用相對(duì)廉價(jià)的鋼和鋁了, 深水UUV一般采用HDPE, GRP, ABS和鈦。大深度UUV趨向于采用球形非金屬材料耐壓容器。材料的強(qiáng)度不是唯一考慮的因素, 還要考慮抗腐蝕性和成本等因素。

圖9 不同深度UUV的殼體材料

3) 浮力。UUV采用不同方法補(bǔ)償正負(fù)浮力: a. 利用航行體速度、縱傾角和控制面上的力來控制升降; b. 用泵或壓載水艙來調(diào)節(jié)浮力; c. 利用垂直面的推力來控制升降。對(duì)于大型UUV而言, 即使海水密度發(fā)生微小變化, 較大的排水體積也會(huì)產(chǎn)生明顯的浮力變化, 所以大型UUV多采用浮力調(diào)節(jié)方法。對(duì)于負(fù)浮力大的UUV, 通常采用的方法是在非水密艙中配置浮材(比重輕于海水, 但不會(huì)被深海壓力壓壞), 或在耐壓艙內(nèi)增加空氣空間。對(duì)于正浮力大的UUV, 通常在水密或非水密段中安裝固體壓載物。

4) 結(jié)構(gòu)。除了考慮靜壓下的結(jié)構(gòu)完整性外, UUV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還須考慮到: 水壓對(duì)段連接的影響; 突出物的安裝、殼體凹槽(用于電纜連接器和傳感器)會(huì)引起應(yīng)力集中; 有效載荷容積等。還要考慮到操作方便性、發(fā)射與回收方便性, 以及一些特定任務(wù)需求(如: 錨泊)。

5) 可達(dá)性和維修性。UUV耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是UUV組件和子系統(tǒng)的可達(dá)性和維修性。

3.3 能源系統(tǒng)

能量是UUV航程的表征, 功率是速度和加速度的表征。對(duì)于低速UUV而言, 關(guān)注的主要是能量, 因此鋰電池就成了必然的選擇。UUV一般采用鋰離子電池或鋰聚合物電池。文獻(xiàn)[1]分別給出了不同類型電池的比能量(見圖10)和不同動(dòng)力能源的Ragone圖(見圖11)。

圖10 不同電池的比能量

圖11 不同動(dòng)力能源的Ragone圖

Bluefin和HUGIN采用水密耐壓電池模塊設(shè)計(jì), 即電池模塊直接浸泡在海水中。模塊化密封耐壓電池設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn): 1) 可大幅減少對(duì)耐壓空間要求, 避免研制大型耐壓殼體, 減少相關(guān)成本; 2) 有利于深潛; 3) 電池浸泡在海水中利于散熱, 提高電池安全性; 4) 這種設(shè)計(jì)可用于各種非密封UUV結(jié)構(gòu), 適用面廣。對(duì)用戶而言, 最大的優(yōu)點(diǎn)在于: 可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速更換電池模塊, 而無需現(xiàn)場(chǎng)充電, 即插即用, 大大縮短了周轉(zhuǎn)周期。例如: Bluefin-21采用了9塊耐壓密封的鋰聚合物電池模塊(9×1.5 kWh=13.5 kWh), 便于更換和維護(hù)(見圖12)[2]。在搜索馬航MH370期間, 每次下水超過20 h后, 只需在艙面維護(hù)(更換電池、下載數(shù)據(jù)) 2 h就可再次下水。對(duì)于深海作業(yè)UUV, 現(xiàn)場(chǎng)打開密封艙操作幾乎是不可能的。如果采用傳統(tǒng)的充電方式, 則一般需要多條UUV輪流下水, 作業(yè)效率和裝備使用率遠(yuǎn)低于更換電池方式。所以, 采用水密耐壓電池模塊設(shè)計(jì)是深海UUV的一個(gè)重要技術(shù)方向。

圖12 Bluefin-21的1.5 kWh水密耐壓電池模塊

目前人們關(guān)注的重點(diǎn)仍是鋰離子和鋰聚合物電池的安全性。Bluefin Robotic公司開發(fā)的密封耐壓電池的每個(gè)指標(biāo)都按照指令9310.1b 經(jīng)受了NAVSEA的濫用試驗(yàn), 通過了潛艇使用認(rèn)證[1]。

對(duì)于軍用UUV, 應(yīng)開發(fā)模塊化能源系統(tǒng)開放式結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的鋰電池模塊, 最好采用已經(jīng)過認(rèn)證的密封耐壓鋰二次電池, 適應(yīng)多種UUV、多任務(wù)和多系統(tǒng)需求。一般電壓30~50 V。

3.4 探測(cè)傳感器

商用UUV攜帶的探測(cè)傳感器有數(shù)十種, 攜帶最多的是雙頻側(cè)掃聲吶(side scan sonar, SSS)和溫鹽深儀(conductivity temperature depth, CTD); 其次是水下攝像機(jī)、前視聲吶(forward looking sonar, FLS)、合成孔徑聲吶(synthetic aperture sonar, SAS)、海底淺層剖面儀(sub-bottom profiler, SBP)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profiler, ADCP); 攜帶較少的傳感器有多波束測(cè)深儀(multi-beam echo, MBE)、濁度儀(tur- bidity)、磁力儀(magnetic anomaly detection, MAD); 偶爾也有UUV攜帶掩埋物掃描聲吶(buried object scanning sonar, BOSS)、3D成像聲吶、重力計(jì)、螢光計(jì)。為了配合導(dǎo)航定位, 有的UUV需攜帶超短基線(ultra short base line, USBL)、長(zhǎng)基線(long base line, LBL)、合成長(zhǎng)基線(synthetic long base line, SLBL)等聲學(xué)傳感器。

商用UUV最常見的用途是水下探測(cè)和成像, 因此SSS, 水下電視和CTD就幾乎成了基線配置。SSS用于大范圍掃測(cè), 水下電視用于近距確認(rèn), CTD則為聲吶工作深度選擇和性能預(yù)測(cè)提供實(shí)測(cè)環(huán)境參數(shù)。由于SAS的分辨率比常規(guī)SSS高出1~2個(gè)數(shù)量級(jí), 且與距離無關(guān), 所以應(yīng)用面日趨增加。

UUV傳感器配置設(shè)計(jì)中主要考慮的因素有: 1) 盡量避免突出航行體外, 以防止受到撞擊、纏繞或其他損傷; 2) 電磁兼容性; 3) 航行體自噪聲對(duì)聲學(xué)傳感器的影響; 4) 可測(cè)性等。

3.5 通信

幾乎所有的UUV都同時(shí)采用4種通信方式[1]: 衛(wèi)星通信(satellite communication, SATCOM)、射頻通信(radio frequency, RF/Wi-Fi)、GPS通信和水聲通信(acoustic communication system, ACOM- MS), 這可視為是UUV通信系統(tǒng)的基線配置。設(shè)計(jì)中要考慮的因素包括以下幾個(gè)方面。

1) 天線水線以上高度。天線高度決定了水面狀態(tài)UUV的通信距離, 特別是視距內(nèi)RF通信。SATCOM(如: 商用銥星)對(duì)水濺和海面反向散射均很敏感, 所以其性能也受到天線高度影響。除了天線高度外, 還要考慮到天線運(yùn)動(dòng)(如: 橫滾)對(duì)穩(wěn)定接收的影響。大多數(shù)商用UUV采用突出于航行體外的固定式天線, 建制式UUV一般采用伸出或折疊式天線, 以保持UUV的線形, 并可從魚雷發(fā)射管發(fā)射。

2) 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)操作。商用和軍事通信的需求決定了UUV采用的數(shù)據(jù)格式和通信標(biāo)準(zhǔn), 例如: 商用銥星系統(tǒng)采用自身數(shù)據(jù)/信息格式及UUV上的收發(fā)機(jī), RF通信可采用典型的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn), 軍用UUV可采用加密系統(tǒng)。

3)外部硬件的抗海水和抗壓保護(hù)。ACOMMS和SATCOM都必須安裝在殼體上, 與海水直接接觸。設(shè)計(jì)中要考慮如何在UUV的工作環(huán)境中保護(hù)天線, 也要考慮保護(hù)天線用的材料, 圓頂形保護(hù)罩可能降低天線的效能。

4) 硬件布置與集成。水聲通信基陣的布置取決于UUV對(duì)ACOMMS使用方式的需求。有些UUV, 如REMUS 600, 水聲通信基陣典型地布置在UUV的較低部位, 以保證UUV在近水面狀態(tài)時(shí)可與水面支援船有效通信。深潛型UUV, 如HUGIN 1000, 基陣布置在UUV的較高部位, 以保證UUV在深海航行時(shí)能與水面支援船有效通信。

3.6 發(fā)射與回收

UUV的發(fā)射和回收方式對(duì)總體設(shè)計(jì)有很大影響, 它決定了UUV諸多子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

多數(shù)UUV從水面艦船的斜架滑入水中, 這是最簡(jiǎn)單的布放方式; “標(biāo)準(zhǔn)口徑”的UUV可用魚雷發(fā)射管發(fā)射; 大型UUV一般用專用裝置布放。

已應(yīng)用或研發(fā)成功的UUV回收方法主要有以下幾種。

1) 小艇人工回收。只適合于微型UUV和海況較好的場(chǎng)合。

2) 水面吊車垂直回收。大多數(shù)UUV采用這種方法。水面船和UUV相互機(jī)動(dòng)到合適位置, 船上人員捕獲UUV放出的回收纜, 將UUV拉至船邊后, 用吊車垂直吊起, 但這種方式只適合于海況較好的情形(如: REMUS 600)。

3) 斜槽水面回收。UUV放出較長(zhǎng)回收纜, 船上人員捕獲后, 用絞車將UUV沿斜槽拉上甲板。斜槽一般位于船尾。這種回收方式適合于海況較差的情況(如: HUGIN 1000)。

4) 水下塢站回收?；厥沾懦隼葼畹臇艩罨\(塢站), UUV跟蹤回收籠上的水聲應(yīng)答器, 自主游入籠中, UUV與籠中定位銷及插頭連接后, 可以直接與船上系統(tǒng)交換數(shù)據(jù), 并進(jìn)行充電, 或被回收纜拖回到船上(如: REMUS 100, 見圖13)。這種導(dǎo)引和水下自動(dòng)對(duì)接回收方法原理上也可應(yīng)用于潛艇回收UUV。

圖13 塢站中的 REMUS 100

5) 垂直纜捕獲導(dǎo)引。這是一種較為特殊的水下回收方法?；厥沾懦龃怪崩|, UUV用水聲跟蹤系統(tǒng)尋的, 并利用頭部放出的八字叉形捕捉機(jī)構(gòu)捕獲并鎖定回收纜, UUV利用垂直推進(jìn)器或改變浮力的方法來沿垂直纜上下移動(dòng)(如: Lockheed Martin Marlin, 見圖14)。對(duì)于軍用UUV, 除了水面艦船可放出下垂的回收纜外, 潛艇也可放出垂直上浮的回收纜, UUV扣住后, 可利用回收纜將其拉入回收艙[1]。

(a)張開捕捉叉逼近回收纜 (b)捕獲回收纜后沿纜上浮

6) 自主進(jìn)艙。此種回收方式由美國(guó)海軍開發(fā)。潛艇上馱負(fù)一個(gè)UUV艙, 用于攜載、布放和回收大型UUV?；厥諘r(shí), UUV自主游入艙中。

7) 潛艇魚雷管機(jī)械臂回收。此種回收方式由波音公司開發(fā)。從上部魚雷發(fā)射管中伸出的裝有導(dǎo)引、攝像等系統(tǒng)的回收臂, 抓住533 mm口徑UUV后從下部魚雷管倒推入艇內(nèi)。

8) 潛艇垂直導(dǎo)彈發(fā)射筒回收。美海軍與通用動(dòng)力電船公司2014年剛測(cè)試的“通用發(fā)射與回收模塊”(universal launch and recovery module, ULRM)原型, 從巡航導(dǎo)彈核潛艇的導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)射和回收UUV或其他有效載荷(見圖15)。潛艇內(nèi)部的升降機(jī)傳送裝置將UUV從潛艇內(nèi)部運(yùn)送到艇體之外, UUV通過液壓和機(jī)械裝置臨時(shí)固定。潛艇先釋放與導(dǎo)彈發(fā)射筒頂部相連的通信浮標(biāo), 隨后UUV從導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)射, 通過浮標(biāo)通信。任務(wù)完成后, UUV返回, 被收回發(fā)射筒內(nèi), 浮標(biāo)亦被收回。前期測(cè)試采用的是約4.5 t的Marlin UUV原型(Lockheed Martin), 計(jì)劃2015年在巡航導(dǎo)彈核潛艇上進(jìn)行海試, 該系統(tǒng)的最終戰(zhàn)術(shù)版本將可發(fā)射和回收1.524 m口徑、長(zhǎng)度7 m、總重約13.6 t的大型UUV[12]。

圖15 美國(guó)大型UUV潛艇回收裝置——“通用發(fā)射與回收模塊”

4 結(jié)束語

在UxV(UAV, UUV, USV, UGV的統(tǒng)稱)領(lǐng)域,人們對(duì)UUV的關(guān)注僅次于UAV, 因此越來越多的UUV被相繼開發(fā)出來, 有數(shù)百種之多。如果僅僅滿足于在淺水進(jìn)行簡(jiǎn)單作業(yè), 則技術(shù)門檻似乎并不高, 許多研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)都可以開發(fā)出演示樣機(jī)。然而, 要開發(fā)出真正具有市場(chǎng)價(jià)值的UUV產(chǎn)品卻并非易事。要取得商業(yè)成功, 就應(yīng)該充分了解用戶需求、仔細(xì)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì), 使UUV產(chǎn)品不僅具有優(yōu)良性能, 還具有廣泛的適用性和足夠的保障性。

盡管與其他UxV相比, UUV的工作環(huán)境更不利, 給探測(cè)、通信及導(dǎo)航帶來一系列困難, 但人們還是可以通過合理的設(shè)計(jì), 充分利用UUV所具有的一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 使之發(fā)揮出更高的效能。例如: 與UAV相比, UUV最大的優(yōu)勢(shì)可能在于對(duì)質(zhì)量不敏感, 不會(huì)像飛行器那樣對(duì)任務(wù)載荷“斤斤計(jì)較”。這意味著, 可以充分利用這一特性, 采用開放式結(jié)構(gòu)和以“段”形式出現(xiàn)的模塊化任務(wù)載荷, 只要將“段”配置成合適的正/負(fù)浮力, UUV的長(zhǎng)度、質(zhì)量、形狀就幾乎不受限制(在動(dòng)力能源允許的情況下), 這使得UUV可以通過換裝或增加功能模塊執(zhí)行多種任務(wù), 尤其是具有很強(qiáng)的投送能力。再如, 與UAV不同, UUV能以低功耗方式靜止懸停, 可利用這一特性為其設(shè)計(jì)完成水下精確識(shí)別和作業(yè)任務(wù)的載荷; 也可利用其可長(zhǎng)時(shí)隱蔽待機(jī)的特點(diǎn), 為其設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)能力。

若產(chǎn)品能被軍方選用, 則在很大程度上表明該產(chǎn)品具有較高的技術(shù)水平和能力, 往往會(huì)進(jìn)一步帶來商業(yè)上的成功。因此, 設(shè)計(jì)軍民兩用UUV應(yīng)是較好的開發(fā)和商業(yè)策略。從適用性角度考慮, 對(duì)這類UUV的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下建議: 1) 盡量采用回轉(zhuǎn)體外形, 重型(中型)、輕型(小型)UUV盡量采用533 mm和324 mm“標(biāo)準(zhǔn)建制口徑”; 2) 為滿足多任務(wù)需求, 應(yīng)采用開放式結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì); 3) 深潛型UUV宜采用以濕空間為主的結(jié)構(gòu), 以降低對(duì)大容積耐壓容器的要求; 4) 盡量采用經(jīng)過認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化密封耐壓電池模塊, 標(biāo)準(zhǔn)電池模塊不應(yīng)太大, 這樣能夠以組合的方式適用于不同級(jí)別的UUV, 并易于保障; 5) 基線通信方式采用RF (Wi-Fi), SATCOM及GPS/BD, 雙向ACOMM, 采用折疊(或升降)天線, 防止纏繞, 降低易損性, 并適用于潛艇發(fā)射; 6) 盡量采用適合于較高海況的回收方式, 如斜槽回收、自主導(dǎo)引回收等。

可以預(yù)見, 在未來幾年內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)更多的像Bluefin和REMUS那樣世界著名、商業(yè)成功、受軍方青睞的UUV產(chǎn)品。

[1] Daniel W. French. Analysis of Unmanned Undersea Vehicle(UUV) Architectures and an Assessment of UUV Integration Undersea Applications[R]. Naval Postgraduate School, 2010.

[2] Monterey Bay Aquarium Research Institute. 藍(lán)鰭金槍魚設(shè)計(jì)技術(shù)[EB/OL]. [2014-04-01] US: Bluefinrobotics Corporation. http://www.bluefinrobotics.com/technology/.

[3] United States Department of Defense. Unmanned Systems Roadmap 2007-2032[R]. US: United States Department of Defense, 2007.

[4] Anon. Seahorse AUV[EB/OL]. [2014-04-01] http://www. naval-drones.com/ Seahorse.html.

[5] Senke W, Phaneuf B. Extremely Large Unmanned Underwater Vehicles (ELUUV) as a Force Multiplier[C]// Hamburg: UDT′2013, 2013.

[6] Defense Advanced Research Projects Agency. Hydra [EB/OL].[2014-04-01] http://www.darpa.mil/Our_Work /TTO/Programs/ Hydra.aspx.

[7] Lundquist E H. Unmanned Underwater Vehicles, Is Bigger Better, or Smaller Smarter?[J]. Naval Foeces, 2012, 32(3).

[8] Anon. Knifefish Artemis[EB/OL]. [2014-06-01]http:// www.navaldrones.com/knifefish.html.

[9] Autonomous Undersea Vehicle Applications Center. Echo Ranger Con-figuration[EB/OL]. [2014-06-01] http://auvac. org/configurations/view/13.

[10] Autonomous Undersea Vehicle Applications Center. Proteus Confi-gura-tion[EB/OL]. [2014-06-01] http://auvac.org /configurations/view/239.

[11] Nawrot M T. Conceptual Design for a Thrust-Vectoring Tailcone for Underwater Robotics[D]. US: Massachu-setts Institute of Technology, 2012.

[12] 美國(guó)測(cè)試新型潛射潛航器系統(tǒng)[EB/OL]. (2014-02- 08)[2014-06-01] http://www.81tech.com/news/shijie-chu- anbogongye/137438.html.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Overview of Technology Development and System Design of UUVs

QIAN Dong, TANG Xian-ping,ZHAO Jiang

(1. Naval Armament Academy, Beijing 100161, China; 2. Research Center, China Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100012, China)

To promote UUV design for both civil and military applications, the grading and diameter restriction of military UUVs are discussed, and the performances and characteristics of popular UUVs in world market are summarized. The key architectural aspects of UUVs are analyzed, such as overall formations, propulsors, control surfaces, energy systems, pressure hulls and wet volume, sensors, communication, launch and recovery. The typical structure properties of UUVs and the influencing factors are discussed. Suggestions about design of military UUVs are offered as follows: 1) open structure and modularization should be adopted for multi-task requirement; 2) medium-weight and lightweight UUVs should take the diameter of 533 mm or 324 mm to meet the military suitability; and 3) watertight components and payloads should be designed for deep diving UUVs in order to decrease the difficulty in manufacture of pressure hulls.

unmanned underwater vehicle (UUV); system design; civil and military application

TJ630; TP242

A

1673-1948(2014)06-0401-14

2014-07-07;

2014-07-30.

錢 東(1958-), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 長(zhǎng)期從事魚雷武器系統(tǒng)總體技術(shù)研究.