無(wú)人水面艇的平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

陳安文 侯國(guó)祥 趙金 耿濤

摘? ? 要：隨著船型設(shè)計(jì)、信息處理、人工智能、運(yùn)動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人水面艇在軍用和民用領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。本文主要針對(duì)無(wú)人水面艇的使用環(huán)境和任務(wù)特點(diǎn)，闡述無(wú)人水面艇平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，及其相對(duì)于有人艇的特殊性，為無(wú)人水面艇技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人水面平臺(tái);關(guān)鍵技術(shù);特殊性

中圖分類(lèi)號(hào)：U674? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With the rapid development of ship type design， information processing， artificial intelligence， motion control and other professional technologies， the unmanned surface boat has a great application prospect in the military and civilian fields. By focusing on the use environment and task characteristics of the unmanned surface boat， this paper expounds the key technology of the platform design of the unmanned surface boat， and its particularity relative to manned boats.

Key words： Unmanned surface boat; Key technology; Specialty

1? ? ?引言

無(wú)人水面艇（簡(jiǎn)稱(chēng)USV）即無(wú)人操作的水面智能機(jī)器人，是將傳統(tǒng)船舶建造技術(shù)與無(wú)人控制技術(shù)相結(jié)合的新產(chǎn)物。USV平臺(tái)主要包括傳統(tǒng)意義上的船體部分和上層建筑部分，其技術(shù)主要涉及船體、動(dòng)力、總布局、外觀造型等方面。與常規(guī)船艇相比，USV因其作業(yè)環(huán)境和任務(wù)特點(diǎn)的不同，在進(jìn)行平臺(tái)總體設(shè)計(jì)時(shí)有一些特殊問(wèn)題需要考慮。

首先，由于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)隨船駕駛員，USV在獨(dú)自執(zhí)行任務(wù)時(shí)應(yīng)對(duì)惡劣海況的能力顯得較為薄弱，船體的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮適航性以及結(jié)構(gòu)可靠性;其次，軍事用途的無(wú)人水面艇，在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，需要針對(duì)偵查結(jié)果進(jìn)行快速作戰(zhàn)部署，迅速集結(jié)、進(jìn)攻或者撤離，要求USV具有良好的操縱性和靈活度;再次，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)木瓤紤]，其上搭載的無(wú)人控制模塊對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性要求較高，USV應(yīng)具有良好的耐波性和穩(wěn)定性?？偟膩?lái)說(shuō)，高適航性、高機(jī)動(dòng)性、高平穩(wěn)性是USV平臺(tái)的必要特征，性能優(yōu)良的USV必然以先進(jìn)的平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)。

2? ? USV船體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1? 面向USV的船型設(shè)計(jì)

技術(shù)先進(jìn)的USV平臺(tái)，必然有優(yōu)秀的船型設(shè)計(jì)。船體不僅是智能模塊的搭載平臺(tái)，更是指令的主要執(zhí)行器。良好的船型設(shè)計(jì)，可以使USV在執(zhí)行任務(wù)時(shí)更安全、可靠、高效。從國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，90%以上的USV船體長(zhǎng)度在15 m以下，排水量一般不超過(guò)5t[1]。由于其尺度小、重量輕，因此對(duì)風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境的響應(yīng)比常規(guī)船舶敏感，其船體設(shè)計(jì)要求顯得更苛刻。

（1）對(duì)航速要求不高的USV，多采用排水型船體或半潛式設(shè)計(jì)。例如：水質(zhì)監(jiān)測(cè)型USV，對(duì)速度無(wú)硬性要求，但需要滿足持續(xù)性工作的續(xù)航能力;排水型USV的特點(diǎn)是吃水較深，大部分艇體淹沒(méi)在水下，因此平臺(tái)的穩(wěn)定性高、低速航行時(shí)的興波阻力小，可以將更多的的船舶動(dòng)力用于其他用途，例如拖曳或?yàn)榇钶d設(shè)備供電;排水型USV速度一般≤10 kn，由于速度較低，可以配備高效率推進(jìn)器（低轉(zhuǎn)速、大直徑），這使得其續(xù)航力優(yōu)于高速船;在拖曳能力方面，7 m級(jí)的排水型USV可具有與11 m級(jí)滑行艇相當(dāng)?shù)耐弦纺芰?排水型USV具有大的水線面積，應(yīng)對(duì)變載荷的能力較強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中還可以根據(jù)需求加裝、更換不同的任務(wù)模塊，如圖1所示。

（2）對(duì)航速要求較高的USV，一般采用滑行艇船體，艇體剖面為V型、深V型或M型。用于軍事用途的偵查、打擊型USV主要采用滑行艇船型。這類(lèi)艇體技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用最為廣泛。其特點(diǎn)是高速航行時(shí)具有良好的破波能力、綜合性能好，采用改變船底斜升角的方式可使V型船體具有更好的耐波性和穩(wěn)定性。由于阻力性能優(yōu)越，因而航速高，最高航速可達(dá)30～40 kn;另外，在運(yùn)輸效率（有效載荷、航程）方面也很有優(yōu)勢(shì);滑行艇也具有一定的拖曳能力，但是船體對(duì)載荷分布（縱向重心位置LCG）、拖曳點(diǎn)和縱傾角度較敏感，因此其拖曳效率低于排水船型;在低速航行時(shí)，滑行艇的穩(wěn)性較差，尤其在靜止時(shí)具有大的橫搖;在高速航行時(shí)，波浪對(duì)船底的抨擊猛烈，具有較大的波浪擾動(dòng)，如果所搭載功能模塊對(duì)穩(wěn)定性要求較高，則一般采用深V型船體或加裝附體以提高穩(wěn)定性，如圖2所示。

（3）為了滿足USV作業(yè)多樣化的需求，目前在研的新船型有：多體船、小水線面船體、穿浪船體等。其中：多體船型通常是USV的首選，因?yàn)榫哂懈叩钠脚_(tái)穩(wěn)定性，可以降低在惡劣海況中傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，載荷能力和抗沉性也比較好[2]如圖3所示;小水線面船型和穿浪船型的技術(shù)要求高、建造難度大，并且控制方面的難度增加、精度和可靠性降低，僅適用于特殊需求，在USV領(lǐng)域的通用性較差[3]。

2.2? ?USV的材料選用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

出于特種用途考慮，船體材料一般采用玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等復(fù)合材料作為主要結(jié)構(gòu)材料。相對(duì)于鋁合金材料，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性更好，可以滿足USV定制化設(shè)計(jì)的需求;復(fù)合材料有較高的自振頻率，可減低噪聲和振動(dòng);復(fù)合材料的抗腐蝕、抗海生物附著能力強(qiáng);復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋁合金的3倍以上，滿足結(jié)構(gòu)性能前提下重量更輕;復(fù)合材料具有較低的機(jī)械振動(dòng)和電磁特征，使USV具有良好隱身性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)是USV船體結(jié)構(gòu)的主要形式，尤其是在一些尺度較大的USV上被廣泛采用。夾芯式結(jié)構(gòu)形式，其中間采用PP板、PVC板等作為結(jié)構(gòu)芯材，內(nèi)外表面包覆玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等復(fù)合材料。夾芯式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度高[4]，不僅可以增加USV的有效載荷，而且抗碰撞、耐摩擦能力強(qiáng)、減振吸能，具有良好的結(jié)構(gòu)安全性。

3? ? USV動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在軍用領(lǐng)域，航速高、操縱性好是USV能夠用于靈活作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，是其海上作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。因此，應(yīng)從船型設(shè)計(jì)、船機(jī)槳匹配兩方面考慮：采用具有最佳排水量的船型主尺度參數(shù)，在確保載重需求的前提下力爭(zhēng)減小船重;提高船體快速性，減小行進(jìn)阻力;在保證其輸出功率的同時(shí)，提高動(dòng)力系統(tǒng)效率、降低能耗、提高USV有效載荷。

為了能夠安全、高效地執(zhí)行任務(wù)，并能在極限狀態(tài)下順利返航，USV必須具備可靠地續(xù)航能力。在燃油配置量已定的前提下，推進(jìn)效率是決定續(xù)航力大小的關(guān)鍵。

從動(dòng)力推進(jìn)方式來(lái)看，小于5 m的USV主要采用電機(jī)作為動(dòng)力，大于5 m的USV一般采用柴油機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源。出于操縱性的考慮，目前在研的USV 40%以上采用的是噴水推進(jìn)方式，尤其對(duì)于吃水淺、雜草泥沙多、水流紊亂的水域環(huán)境，螺旋槳推進(jìn)方式并不合理，同時(shí)在水面漂浮物密布的淺水區(qū)，螺旋槳容易出現(xiàn)拖掛現(xiàn)象，采用隧道螺旋槳推進(jìn)或者噴水推進(jìn)裝置是較好的解決方式[5]。與常規(guī)螺旋槳推進(jìn)不同的是，噴水推進(jìn)器內(nèi)置的螺旋槳可以大大降低水域亂流帶來(lái)的不利影響，保證良好的推進(jìn)效率;吸水口設(shè)有格柵，可以將水草以及其他漂浮物阻擋在船體之外，避免螺旋槳纏繞，并且噴水推進(jìn)器具有更好的操縱性[6]。

4? ? USV總布置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

總布置設(shè)計(jì)是USV功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。USV不同于常規(guī)船艇，其平臺(tái)和無(wú)人系統(tǒng)所包含的電氣、機(jī)械、電子、武器、輔助系統(tǒng)不僅數(shù)量多、品種雜、新研制模塊多，而且需要將這些系統(tǒng)模塊安裝在緊湊的空間內(nèi);指令的傳達(dá)、執(zhí)行和數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換，不僅與無(wú)人控制模塊本身有關(guān)，也極大地取決于安裝布置方式，因此USV除了要考慮通用總布置需求外，還要考慮任務(wù)功能和無(wú)人裝備對(duì)整船安全性的影響。

應(yīng)從整體層面出發(fā)，結(jié)合船體性能與無(wú)人模塊的安裝進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，力求協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同時(shí)又不以降低船體的快速性、穩(wěn)性等船體性能為代價(jià)?？偛贾迷O(shè)計(jì)，要重點(diǎn)解決以下3個(gè)問(wèn)題：

（1）整體布局的科學(xué)性：艙室設(shè)計(jì)、上層建筑設(shè)計(jì)、重量配置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，并能兼顧后期加裝、更換任務(wù)模塊的需求;

（2）增強(qiáng)隱身性：將具有大反射面或者易被探測(cè)結(jié)構(gòu)放置在船體內(nèi)部，并盡量減少上層建筑的高度;

（3）兼顧外觀：總布置必然涉及到外觀，為了整體布局的美觀性，盡量減少附屬結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，也可以減少阻力和船重。

5? ? USV外觀設(shè)計(jì)特點(diǎn)

USV的外觀設(shè)計(jì)不僅為了美觀，對(duì)于軍用USV，先進(jìn)的隱身技術(shù)是提高其戰(zhàn)斗力和生命力的重要保障。

無(wú)論是理論分析還是實(shí)驗(yàn)研究都表明，外觀造型是實(shí)現(xiàn)USV隱身最直接、最有效的手段。對(duì)于雷達(dá)散射截面而言，物體的形狀遠(yuǎn)比尺寸重要。多棱角外形和融合外形是減少雷達(dá)散射截面的兩個(gè)重要途徑：前者是將USV外形設(shè)計(jì)成多棱面體，使得整個(gè)船身只呈現(xiàn)出幾個(gè)有限的窄散射峰值;融合外形技術(shù)主要包括平面和空間的三維融合，通過(guò)對(duì)船艇截面形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其側(cè)向的鏡面散射變?yōu)榕芜吘壚@射，從而大大降低船艇的側(cè)向雷達(dá)散射截面[7]。因此，船體甲板等突出物，多采用傾斜式、圓弧式設(shè)計(jì)，上層建筑采用內(nèi)傾式設(shè)計(jì)，整體外形采用多棱角設(shè)計(jì)，以減少雷達(dá)散射截面積。

實(shí)船驗(yàn)證表明，USV的各面與其甲板面垂直時(shí)，雷達(dá)散射面積最大，若各面傾斜10? °時(shí)則雷達(dá)散射面積將減小80%左右。如同樣一個(gè)駕駛室，在不改變駕駛室的情況下，一個(gè)是做成平板形體，駕駛室兩側(cè)與甲板相垂直;一個(gè)則做球形體，那么二者的雷達(dá)散射面積相差可達(dá)上千倍。因此，合理設(shè)計(jì)無(wú)人水面艇的外形，使艇體的雷達(dá)散射面積減小，可以收到立桿見(jiàn)影的隱身效果。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

USV平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)是以傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)為依托，但又有自己鮮明的特點(diǎn)。只有深入了解USV的使用需求和特點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的USV。在未來(lái)國(guó)家海洋戰(zhàn)略中，成本低廉、智能高效的USV將扮演著越來(lái)越重要的角色。開(kāi)展USV平臺(tái)技術(shù)研究，是實(shí)現(xiàn)“USV+”戰(zhàn)略的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)完善我國(guó)海上智能裝備體系具有重要意義。

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