熱電混合動(dòng)力在水下無人航行體中的應(yīng)用研究

傅 強(qiáng)

（海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處， 昆明 650051）

熱電混合動(dòng)力在水下無人航行體中的應(yīng)用研究

傅 強(qiáng)

（海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處， 昆明 650051）

本文探討了熱電混合動(dòng)力在水下無人航行體中的應(yīng)用，提出了熱電混合動(dòng)力需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，取得了預(yù)期的效果，開展熱電混合動(dòng)力在無人水下航行體中的應(yīng)用研究對(duì)于增加航行體的航時(shí)、提高航程具有重要意義。

混合動(dòng)力 水下 無人航行體

0 引言

水下無人潛航器UUV（Unmanned Undersea Vehicle）[1]是一種無人裝備，包括遙控水下航行器ROV（Remotely Operated Vehicle）和自主式水下航行器AUV（Autonomous Underwater Vehicle）兩類[2-4]。美國海軍對(duì)軍用UUV的最新定義：“UUV是自主推進(jìn)的無人潛航器，其行動(dòng)或完全自主（通過預(yù)編程執(zhí)行任務(wù)，或通過適時(shí)控制調(diào)整任務(wù)），或僅需少量監(jiān)視控制；UUV與其他平臺(tái)或無系留，或僅以數(shù)據(jù)廣纜系留。”[5]

UUV最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代[3,4]，長(zhǎng)期以來主要代替潛水員進(jìn)行深水勘探、沉船打撈和水下電纜鋪設(shè)和維修。例如, 1966 年美國海軍利用遙控水下航行器偵察并參與打撈沉入地中海 870 米深的 8 枚氫彈[6]。1974年美國用“探險(xiǎn)者”號(hào) UUV參與打撈了沉沒在夏威夷附近海域的一艘蘇聯(lián)潛艇[4]。但直到 20 世紀(jì) 90 年代中期才開始用UUV解決水下偵察、通信和反潛、反水雷作戰(zhàn)中遇到的新問題。

UUV是未來奪取水下戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的力量倍增器[1,2,5,7,8]。為了在未來海戰(zhàn)中取得優(yōu)勢(shì)，各海洋大國都在開發(fā)各種用途的軍用UUV，其中美國、俄羅斯、歐洲和日本在水下航行器領(lǐng)域居于世界先進(jìn)水平[2]。特別是美國，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，與世界上其他十幾個(gè)研制UUV的國家相比，美海軍處于領(lǐng)先地位，在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如導(dǎo)航、控制、水聲通信和推進(jìn)各方面都取得了一批研究成果，UUV 發(fā)展已呈現(xiàn)出“無人化”、“模塊化”和“智能化”三大趨勢(shì)[3，9]。

開發(fā)高性能電池，為UUV 提供充足的電力，使其具有長(zhǎng)續(xù)航能力，是當(dāng)前研制工作中面臨的最大挑戰(zhàn)。除了研制比能高、安全性好、費(fèi)效比高、對(duì)環(huán)境無影響、可重復(fù)充電使用的電池外，熱電混合動(dòng)力推進(jìn)具有廣闊的前景，它可為UUV提供數(shù)天（并有望長(zhǎng)達(dá)數(shù)周）的作業(yè)時(shí)間。俄羅斯的Тритон-НН和КТВ，美國的MRCC以及瑞典的The SEAL均使用了柴電混合動(dòng)力推進(jìn)。據(jù)報(bào)道，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局正在研制一種反潛持續(xù)跟蹤無人潛航器（ACTUV），ACTUV要求3000公里的作戰(zhàn)半徑和二個(gè)月的連續(xù)部署。但是在這么小的艇體上滿足大續(xù)航力所需的燃料，和解決高功率動(dòng)力系統(tǒng)的緊湊化，在技術(shù)難度上都不小。

圖1 MRCC示意圖

1 熱電混合動(dòng)力需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

無人水下航行體采用類似于柴電潛艇的熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)，當(dāng)其浮出水面處于通氣管狀態(tài)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)開始啟動(dòng)工作，為電池組充電，當(dāng)充電完畢后，發(fā)電機(jī)停止工作，關(guān)閉相關(guān)閥件，下潛至航行深度，它具有良好的隱蔽性，隨著載油量的增加，其航時(shí)可達(dá)數(shù)月，航程可達(dá)數(shù)千公里，相比單純依靠電池作為能源的航行體，具有極大的優(yōu)越性。其工作原理與柴電潛艇一樣，但是由于其幾何尺度和排水量較小以及航行體上無人操控的特點(diǎn)，其系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)考慮的因素就比較多，也比較復(fù)雜，需要突破解決一系列關(guān)鍵技術(shù)。

1）柴油發(fā)電機(jī)以及充電器的設(shè)計(jì)

柴電潛艇上的柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其功率大，體積也龐大，不適合用于小尺度小排水量的無人水下航行體上。必須根據(jù)需要研制或者選擇適合的柴油發(fā)電機(jī)，并根據(jù)發(fā)電機(jī)和電池組的充電參數(shù)，研制配套的充電器。

2）電池能源的選擇設(shè)計(jì)

UUV在作戰(zhàn)中的性能和作用在很大程度上取決于續(xù)航能力。因此，能源與動(dòng)力技術(shù)的研究對(duì)無人潛航器的發(fā)展至關(guān)重要。目前，UUV使用的能源包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎘電池、閉式柴油機(jī)、堿性錳/鋰電池、氯亞硫酰鋰電池等。選擇能源時(shí)，必須充分考慮機(jī)型的體積、任務(wù)使命、活動(dòng)水域特點(diǎn)和其他方面的設(shè)計(jì)情況。綜合幾方面因素，小型UUV 選擇能量密度較高的一次性或充電鋰電池，大型UUV則可使用技術(shù)發(fā)展較成熟、成本較低的高密度燃料電池或混合動(dòng)力系統(tǒng)[9]。

3）進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

潛艇上的柴油機(jī)有一套比較復(fù)雜的進(jìn)、排氣系統(tǒng)，如圖2所示。但是這樣一套系統(tǒng)用于無人水下航行體上，是不合適的，必須研制一套小型化，全自動(dòng)控制進(jìn)排氣系統(tǒng)。

圖2 常規(guī)潛艇柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)示意圖

4）自動(dòng)疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

潛艇上疏水系統(tǒng)又叫主水管系統(tǒng)，由泵、管路和附件組成，它是保證潛艇抗沉性的重要系統(tǒng)之一[11]。無人水下航行體熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)也需要功能類似的一套自動(dòng)疏水系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)耐壓密封艙以及進(jìn)排、氣系統(tǒng)意外進(jìn)水時(shí)，疏水系統(tǒng)能夠自動(dòng)啟動(dòng)，將水排除艙外，確保熱電系統(tǒng)的安全。

5）自動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)航行體在水下航行時(shí)，要使航行體保持平衡，必須滿足兩個(gè)基本要求：第一、重量等于浮力；第二、重心和浮心在同一鉛垂線上[11]。航行體在航行過程中，隨著攜帶燃油的不斷消耗，航行體的浮力和重量在隨時(shí)發(fā)生變化，對(duì)于無人水下航行體，必須時(shí)時(shí)監(jiān)控這些變化并對(duì)此自動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)調(diào)節(jié)。為此，需要設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)的高精度均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人水下航行體熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)來劃分主要包括艙體和熱電部分。如果是濕式水下航行體，艙體包括艙段殼體、耐壓密封艙、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、疏水及氣源系統(tǒng)、艙段管理系統(tǒng)等。如果是干式水下航行體，則以上的一些系統(tǒng)均可以布置于一個(gè)耐壓密封艙段內(nèi)。熱電部分包括柴油發(fā)電機(jī)、充電器、電池組、自動(dòng)供油及補(bǔ)水平衡系統(tǒng)等。

艙段殼體主要用于支撐裝有發(fā)電機(jī)的耐壓密封艙、艙段管理系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、疏水及氣源系統(tǒng)、浮力筒等，并提供與航行體其它艙段連接的法蘭接口，提供起吊接口。為了安裝維修方便，最好采用上下開式剖分組合結(jié)構(gòu)。

耐壓密封艙主要為柴油發(fā)電機(jī)、充電器、各種閥門、油箱組件等提供安裝和支撐空間和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水下耐壓密封，同時(shí)為發(fā)電、充電電路以及進(jìn)排氣系統(tǒng)、疏水及氣源系統(tǒng)等提供優(yōu)化安裝接口。

進(jìn)氣系統(tǒng)用于在通氣管狀態(tài)下為柴油發(fā)電機(jī)提供新鮮空氣，在下潛時(shí)關(guān)閉相關(guān)閥件，防止海水進(jìn)入耐壓密封艙內(nèi)。

排氣系統(tǒng)用于將柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢氣排至水中，在下潛前關(guān)閉相關(guān)閥件，防止海水進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)。

電氣控制系統(tǒng)用于對(duì)氣瓶氣體的分流、壓力檢測(cè)以及控制水泵通道閥體等的開啟和關(guān)閉等。

疏水及氣源系統(tǒng)包括疏水和供氣兩部分。當(dāng)耐壓密封艙內(nèi)由于意外進(jìn)水進(jìn)入集水艙達(dá)到一定高度，當(dāng)液位計(jì)檢測(cè)到進(jìn)水時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)水泵將水抽出集水艙外。氣源部分實(shí)現(xiàn)對(duì)各種閥門等氣動(dòng)元件的供氣和配氣。

圖3 冷卻水與冷卻液溫升曲線圖

艙段管理系統(tǒng)與上位機(jī)通信，執(zhí)行上位機(jī)進(jìn)排氣通道啟閉、熱機(jī)啟停、充電等有關(guān)指令，監(jiān)測(cè)艙內(nèi)進(jìn)水并自動(dòng)排水，實(shí)現(xiàn)艙段補(bǔ)水平衡等。

柴油發(fā)電機(jī)包括熱機(jī)發(fā)電機(jī)、冷卻、控制等部分。熱機(jī)發(fā)電機(jī)將生物化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能；循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)密封艙內(nèi)發(fā)電機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻，使熱機(jī)溫升控制在允許范圍之內(nèi)；控制系統(tǒng)接受艙段管理器的指令進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、輸出功率調(diào)節(jié)等。充電器用于為電池組充電并進(jìn)行充電管理。自動(dòng)供油及補(bǔ)水平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為柴油機(jī)不間斷供油以及由于油料的消耗，自動(dòng)補(bǔ)水以實(shí)現(xiàn)全艇的平衡。

圖4 排氣壓力與輸出功率的關(guān)系曲線

圖5 排氣壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖6 排氣壓力與排氣溫度的關(guān)系曲線

3 熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)

根據(jù)熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)及組部件的功能和系統(tǒng)協(xié)調(diào)性。

1）水冷系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)中對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)出口冷卻水和冷卻液溫度進(jìn)行采集，關(guān)系曲線如圖3所示。

2）系統(tǒng)工況隨排氣背壓變化試驗(yàn)

進(jìn)行了系統(tǒng)工況隨排氣背壓變化試驗(yàn)，得到了輸出功率、轉(zhuǎn)速、排氣溫度與排氣背壓的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖4、5、6所示。

3）控制系統(tǒng)及充電機(jī)環(huán)境箱內(nèi)溫度試驗(yàn)

在試驗(yàn)中提取了控制系統(tǒng)及充電機(jī)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，關(guān)系曲線如7、8所示。

圖7 控制箱環(huán)境溫度與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線

圖8 控制箱與密閉箱環(huán)境溫度與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線

圖9 1800 rpm時(shí)輸出功率與輸出電壓關(guān)系曲線

4）發(fā)電試驗(yàn)

試驗(yàn)中進(jìn)行了發(fā)電試驗(yàn)，關(guān)系曲線如圖9、10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速與無負(fù)載關(guān)系曲線

圖11 充電電壓電流關(guān)系曲線

圖12 在排氣壓力為150 kPa時(shí)排氣溫度與環(huán)境溫度曲線

圖13 在排氣壓力為150 kPa時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

5）充電控制試驗(yàn)

試驗(yàn)中進(jìn)行了充電控制試驗(yàn)，曲線如圖11所示。

6）在給定排氣背壓下輸出工況變化試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了在給定排氣背壓150 kPa下輸出工況變化試驗(yàn)，曲線如圖12、13、14 所示。

圖14 在排氣壓力為150 kPa時(shí)輸出功率曲線

4 結(jié)束語

熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)，取得了預(yù)期的效果，但還需要針對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。熱電混合動(dòng)力可以大大增加無人水下航行體的航時(shí)，提高航程，開展熱電混合動(dòng)力在無人水下航行體中的應(yīng)用研究具有重要意義。

[1] The Navy Unmanned Undersea Vehicle (UUV) Master Plan. November 9, 2004 Approved for Public Release. Distribution Unlimited.

[2] 王蓬. 軍用UUV的發(fā)展與應(yīng)用前景展望. 魚雷技術(shù), 2009, (2).

[3] 許韋韋, 孟昭香. 新興的水下作戰(zhàn)平臺(tái)UUV. 指揮控制與仿真, 2006, 6.

[4] 袁思鳴, 陳強(qiáng). 美國海軍水下無人航行器發(fā)展綜述.中外船舶科技, 2006,(4).

[5] 美國海軍無人潛航器主計(jì)劃分析報(bào)告. 海軍裝備研究院科技信息研究所, 2005.

[6] 蘭志林. 周家波. 無人水下航行器發(fā)展. 國防科技, 2008, (2).

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[8] 徐玉如等. 海洋空間智能無人運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展展望,中國艦船研究, 2006, (6).

[9] 孫碧嬌等. 美海軍無人潛航器關(guān)鍵技術(shù)綜述. 魚雷技術(shù), 2006.

[10] CB/Z204-82 潛艇柴油機(jī)動(dòng)力裝置進(jìn)、排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法.

[11] 張希賢. 唐榮慶編. 潛艇裝置及系統(tǒng). 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1996年2月第1版.

Application of A Thermoelectric Hybrid Technology to Unmanned undersea Vehicles

Fu Qiang
(Naval Representatives Office in Kunming, Kunming 650051, China)

This paper discusses the application of a thermoelectric hybrid technology in unmanned undersea vehicles, and devises the key technologies needed to solve in this area. It also designed a thermoelectric hybrid technology system and tested the related experiments, which achieved the anticipated results. It's important to investigate the application of thermoelectric hybrid technology in unmatched vehicle under water, because the technology will enhance the sailing time and distance.

hybrid electric vehicle; undersea; unmanned vehicle

TP242

A

1003-4862（2015）04-0067-05

2014-05-12

傅強(qiáng) (1965-)，男。研究方向：魚雷。