小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)概念方案及應(yīng)用展望

王天霖 金 翔

（1. 中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 珠海 519000； 2. 大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 大連 116000）

0 引 言

水下滑翔機(jī)是一種浮力驅(qū)動(dòng)、低能耗的水下航行器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、航程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，目前已在海洋觀測(cè)活動(dòng)中得到大量應(yīng)用[1-2]，特別是近年來(lái)開(kāi)展的水下滑翔機(jī)組網(wǎng)觀測(cè)研究，可實(shí)現(xiàn)大范圍機(jī)動(dòng)式海洋觀測(cè)，在海洋水文采集和海底地形調(diào)查等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[3-5]。

水下滑翔機(jī)的概念最早由美國(guó)海洋學(xué)家STOMMEL提出，其設(shè)想了一個(gè)由浮力驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)組成自主海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的愿景，為水下滑翔機(jī)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供了藍(lán)圖[6]。在水下滑翔機(jī)樣機(jī)研制方面，美國(guó)的研究進(jìn)展在世界范圍內(nèi)遙遙領(lǐng)先。1991年，WEBB 等[7]成功開(kāi)發(fā)了電驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)樣機(jī)，并在佛羅里達(dá)州的瓦庫(kù)拉泉進(jìn)行了早期測(cè)試。1995年，美國(guó)海軍研究院同時(shí)資助了3 個(gè)水下滑翔機(jī)項(xiàng)目的研發(fā)工作，分別是Webb 公司的Slocum、Scripps 海洋研究所的Spray 和華盛頓大學(xué)的Seaglider[8-9]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這3 款水下滑翔機(jī)逐漸應(yīng)用于大中尺度海洋觀測(cè)任務(wù)，在實(shí)際布放中都有出色表現(xiàn)，并且已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為當(dāng)前國(guó)際上主流的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于全球各地的海洋觀測(cè)任務(wù)中。

除美國(guó)之外，其他國(guó)家水下滑翔機(jī)尚處于樣機(jī)研制、性能試驗(yàn)或小規(guī)模生產(chǎn)階段，其中以法國(guó)和中國(guó)的研究實(shí)力尤為突出。由于國(guó)外的技術(shù)封鎖，我國(guó)對(duì)于水下滑翔機(jī)的相關(guān)研究工作起步較晚，但是技術(shù)發(fā)展迅速。2002年，天津大學(xué)最早開(kāi)始水下滑翔機(jī)的研究工作[10]，于2005年完成溫差能驅(qū)動(dòng)的原理樣機(jī)[11]，2007年研制出“海燕”混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)[12]。2003年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)展了水下滑翔機(jī)的基礎(chǔ)研究工作，于2005年成功開(kāi)發(fā)出原理樣機(jī)并完成湖試，2009年成功研制出首臺(tái)1 000 m 級(jí)水下滑翔機(jī)“海翼-1000”[13]。

2012年，天津大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、華中科技大學(xué)和中國(guó)海洋大學(xué)共同承擔(dān)了863 計(jì)劃項(xiàng)目“深?；铏C(jī)研制及海上試驗(yàn)研究”，開(kāi)展多型水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)的研制工作，加速推進(jìn)了我國(guó)水下滑翔機(jī)技術(shù)工程化[5]。2017年，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“海翼-7000”在馬里亞納海溝完成了大深度下潛觀測(cè)任務(wù)，最大下潛深度達(dá)到 6 329 m，刷新了當(dāng)時(shí)水下滑翔機(jī)最大潛深的世界紀(jì)錄[14]。2020年7月，天津大學(xué)的“海燕-X”萬(wàn)米滑翔機(jī)最大下潛深度達(dá)到10 619 m，再次打破水下滑翔機(jī)的潛深世界紀(jì)錄[15]。

與單臺(tái)水下滑翔機(jī)相比，多臺(tái)水下滑翔機(jī)開(kāi)展同步組網(wǎng)觀測(cè)可以增強(qiáng)水下滑翔機(jī)的觀測(cè)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到區(qū)域空間的立體觀測(cè)。此外，通過(guò)攜帶不同種類(lèi)的任務(wù)載荷，可以實(shí)現(xiàn)多尺度、多任務(wù)并行探測(cè)，顯著提高海洋觀測(cè)的作業(yè)效率和應(yīng)用范圍[16]。國(guó)內(nèi)外先后開(kāi)始水下滑翔機(jī)編隊(duì)的研究，公開(kāi)報(bào)道顯示，目前最大規(guī)模的編隊(duì)試驗(yàn)中，水下滑翔機(jī)數(shù)量約50 臺(tái)。

水下滑翔機(jī)是目前水下觀測(cè)裝備中唯一具備長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)程機(jī)動(dòng)能力的觀測(cè)平臺(tái)，受到海洋觀測(cè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。但是在環(huán)境適應(yīng)性方面，國(guó)內(nèi)外成熟水下滑翔機(jī)產(chǎn)品都存在同樣問(wèn)題：由于過(guò)重、外形不規(guī)則及抗沖擊/碰撞能力有限等問(wèn)題，在使用過(guò)程中嚴(yán)重依賴(lài)科考船、吊放設(shè)備及專(zhuān)業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足普通艦艇/無(wú)人平臺(tái)、難以應(yīng)對(duì)惡劣作業(yè)海況，以及缺乏技術(shù)支持等環(huán)境的使用要求。受制造成本和使用不便等原因影響，水下滑翔機(jī)只能在海洋科考等領(lǐng)域少量應(yīng)用，無(wú)法在海洋軍事、海洋生產(chǎn)及海洋管理等領(lǐng)域大規(guī)模推廣。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)正在努力開(kāi)展水下滑翔機(jī)小型化研究，如國(guó)內(nèi)天津大學(xué)研制出機(jī)載拋棄型水下滑翔機(jī)“海燕-XA”，僅重10 kg，下潛深度可達(dá)1 300 m；沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)的“海翼 Mini”也僅重13 kg，最大續(xù)航時(shí)間可達(dá)2 個(gè)月。盡管使用的便利性有所提升，但是這些小型水下滑翔機(jī)在續(xù)航力等關(guān)鍵指標(biāo)上大幅縮水，難以滿(mǎn)足長(zhǎng)期化的海洋觀測(cè)任務(wù)需求。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有適用于大型海洋觀測(cè)的水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品。

實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)從科學(xué)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵是降低水下滑翔機(jī)的綜合成本，包含加工制造、運(yùn)輸投放和使用維護(hù)等階段的全鏈條低成本，具體研究則涉及水下滑翔機(jī)的小型化、模塊化、平臺(tái)適應(yīng)性、抗震/抗沖擊性和再生能源利用等諸多技術(shù)瓶頸。大幅降低水下滑翔機(jī)全鏈條成本以及推動(dòng)水下滑翔機(jī)規(guī)?；M網(wǎng)應(yīng)用是水下滑翔機(jī)技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)和方向。

1 小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)

目前水下滑翔機(jī)的性能指標(biāo)主要是圍繞單機(jī)和小型編隊(duì)設(shè)計(jì)的，單機(jī)作業(yè)模式下的水下滑翔機(jī)由于強(qiáng)調(diào)航程、航速等性能，質(zhì)量普遍在50 kg 以上，綜合成本大于100 萬(wàn)/套，使用過(guò)程中嚴(yán)重依賴(lài)運(yùn)載平臺(tái)、吊裝設(shè)備和專(zhuān)業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。作為大型海洋觀測(cè)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，水下滑翔機(jī)更強(qiáng)調(diào)續(xù)航時(shí)間、制造成本和平臺(tái)適應(yīng)性等，其質(zhì)量應(yīng)小于10 kg，綜合成本小于10 萬(wàn)/套。按照現(xiàn)有的水下滑翔機(jī)技術(shù)，如果質(zhì)量減輕到10 kg 級(jí)，電池搭載量將不超過(guò)2 kg，續(xù)航力會(huì)降至500 km 以下或不足20 d， 已經(jīng)無(wú)法體現(xiàn)水下滑翔機(jī)的續(xù)航優(yōu)勢(shì)，不能滿(mǎn)足大時(shí)空跨度海洋觀測(cè)需要。

因此，小型水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮并同時(shí)解決小型化、模塊化、抗沖擊/抗震以及平臺(tái)適應(yīng)性等諸多方面性能，現(xiàn)有的水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)理論和方法難以支持。因而必須突破當(dāng)前水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)慣性思維的束縛，開(kāi)拓新的技術(shù)路線，在大幅降低水下滑翔機(jī)的生產(chǎn)成本之外，避免使用過(guò)程中對(duì)平臺(tái)、團(tuán)隊(duì)和設(shè)備等的依賴(lài)，達(dá)到全面降低水下滑翔機(jī)生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)成本的目的。

本文提出小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)的概念，其核心技術(shù)指標(biāo)包括：

（1）質(zhì)量：小于10 kg，是目前美國(guó)成熟小型水下滑翔機(jī)質(zhì)量的1/5；

（2）潛深：200 m，該深度的海水淺表層蘊(yùn)含豐富的海洋信息，潛深性能基本滿(mǎn)足大部分海上作戰(zhàn)、海洋觀/探測(cè)應(yīng)用需求；

（3）續(xù)航力：不小于2 個(gè)月或2 000 km，基本達(dá)到傳統(tǒng)50 kg 級(jí)水下滑翔機(jī)的續(xù)航水平；

（4）環(huán)境適應(yīng)性：適應(yīng)艦艇、無(wú)人艇及無(wú)人機(jī)等各種運(yùn)載平臺(tái)，能夠?qū)嵤┤旌虻膯稳藪佂?自動(dòng)化布放。

本文所述小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)樣機(jī)如圖1 所示。

圖1 小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)樣機(jī)

本文提出的小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)在外形上和傳統(tǒng)水下滑翔機(jī)保持一致，長(zhǎng)度約為1 m，質(zhì)量不超過(guò)10 kg，但是電池搭載量達(dá)5 kg，續(xù)航力可達(dá)目前50 kg 級(jí)水下滑翔機(jī)的水平。為了達(dá)到這樣的效果，就必須大幅減輕除電池外的其他結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，大幅簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文提出全新的不依賴(lài)重心調(diào)節(jié)的水下滑翔機(jī)構(gòu)型機(jī)理，考慮利用浮力調(diào)節(jié)模塊在改變排水體積的同時(shí)，提供1 個(gè)重心的偏移量，從而可以移除常規(guī)水下滑翔機(jī)的重心調(diào)節(jié)模塊，減輕整機(jī)質(zhì)量并且節(jié)省內(nèi)部空間以搭載更多載荷。

除達(dá)到“減重不減續(xù)航”目標(biāo)之外，本文進(jìn)一步提出如圖2 所示的水下滑翔機(jī)的封裝和自動(dòng)布放技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)載平臺(tái)上的快速批量布放。為了能夠把水下滑翔機(jī)裝進(jìn)筒形封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，需要對(duì)部分組件重新設(shè)計(jì)，例如采用雙層的彈性水平翼和可折疊的尾舵， 并且在艏艉部采用彈性導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)，以提高運(yùn)輸和投放過(guò)程中的抗沖擊性。

圖2 小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)的封裝結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用場(chǎng)景

小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)在續(xù)航力、平臺(tái)適應(yīng)性等方面具有優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)、不同類(lèi)型、不同環(huán)境條件（尤其是惡劣海況等復(fù)雜環(huán)境）下的觀測(cè)設(shè)備的應(yīng)用。自動(dòng)布放技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的批量布放和快速組網(wǎng)觀測(cè)，可以有效提升觀測(cè)效率、降低觀測(cè)成本，為大范圍海洋觀測(cè)提供高機(jī)動(dòng)、低成本和長(zhǎng)續(xù)航的解決方案，在海洋科考、海洋救災(zāi)減災(zāi)等軍事和民事領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

2.1 海洋科考

長(zhǎng)期以來(lái)，應(yīng)用于海洋科考活動(dòng)的水下滑翔機(jī)體積大、操作不便，需要母船和專(zhuān)業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供支持，并且高昂的價(jià)格使每個(gè)航次只能投入少量滑翔機(jī)作業(yè)，造成很多有價(jià)值的海洋科考活動(dòng)難以開(kāi)展。本文提出的小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)，一是成本低，可以在一次科考活動(dòng)中大量使用；二是操作方便，普通科研人員即可進(jìn)行布放，無(wú)需專(zhuān)業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)操作。在批量布放于目標(biāo)海域后，可以快速組建小規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，大大提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集效率，使開(kāi)展更為精細(xì)的海洋科考活動(dòng)成為可能。

2.2 海洋信息預(yù)報(bào)

基于小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)的低成本優(yōu)勢(shì)，通過(guò)快速批量布放大量觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的海洋監(jiān)測(cè)，可以得到更精確的海洋水文數(shù)據(jù)資料，大幅提高我國(guó)的海洋水文預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力，對(duì)可能出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)、海嘯和風(fēng)暴潮等災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，最大限度地減少災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失。

2.3 海洋漁業(yè)

基于小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)組建的海洋漁情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，既可以為漁民提供大范圍的漁情信息，又可以提供漁場(chǎng)水域更為詳細(xì)的漁情信息，使捕魚(yú)作業(yè)目標(biāo)更明確，捕魚(yú)量得到更多保障。此外，還可以向漁業(yè)管理部門(mén)提供實(shí)時(shí)的漁情信息，更有利于漁業(yè)的精細(xì)化管理，對(duì)捕魚(yú)的時(shí)間、地點(diǎn)和捕魚(yú)量等制定出科學(xué)管理決策。

2.4 軍事領(lǐng)域

在軍事領(lǐng)域，小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)可以和推進(jìn)模塊以及水聲探測(cè)、海洋環(huán)境、水下爆炸等載荷相結(jié)合，利用艦艇、無(wú)人艇和無(wú)人機(jī)等平臺(tái)批量投放，以集群的方式快速覆蓋關(guān)鍵水域，完成戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察、水下目標(biāo)搜尋與攻擊、戰(zhàn)場(chǎng)封鎖和介入拒止，以及島鏈封鎖反制等任務(wù)，能夠大幅延伸我軍作戰(zhàn)半徑，極大豐富海上作戰(zhàn)模式。

2.5 南海超大型海洋觀測(cè)網(wǎng)

南海超大型海洋觀測(cè)網(wǎng)是指在我國(guó)南海海域投放10 000 個(gè)以上小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)作為海洋觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)智能控制形成有機(jī)可控的超大型南海觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)?；谛⌒妥詣?dòng)布放水下滑翔機(jī)的南海觀測(cè)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)密度將是Argo 全球海洋觀測(cè)網(wǎng)的500 倍，高密度觀測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠有效提高海洋觀測(cè)的時(shí)空分辨率，為中尺度、亞中尺度及小尺度海洋動(dòng)力學(xué)研究創(chuàng)造條件。南海超大型海洋觀測(cè)網(wǎng)覆蓋南海主要區(qū)域，并在南海長(zhǎng)期連續(xù)地執(zhí)行業(yè)務(wù)化的海洋觀測(cè)，可以大幅降低南海海洋數(shù)據(jù)的采集成本，支持南海海洋資源、海洋考古等涉海信息普查；支持大范圍海洋水下戰(zhàn)場(chǎng)透明化，改變海戰(zhàn)模式等。通過(guò)采用人工智能技術(shù)對(duì)大量觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制（例如改變節(jié)點(diǎn)密度、任務(wù)類(lèi)型以及網(wǎng)絡(luò)陣型等），可以在不同海域執(zhí)行各種觀測(cè)任務(wù)，在同一平臺(tái)上滿(mǎn)足不同單位和領(lǐng)域的需求。這種以大量水下滑翔機(jī)為主形成統(tǒng)一的海洋數(shù)據(jù)采集基本框架，能夠有效克服海洋大數(shù)據(jù)發(fā)展中存在的數(shù)據(jù)量小與數(shù)據(jù)孤島等瓶頸問(wèn)題，是海洋數(shù)字化探索可行的發(fā)展之路。

3 關(guān)鍵技術(shù)

小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)旨在大幅降低水下滑翔機(jī)的綜合成本（包括生產(chǎn)和使用全流程成本），支持規(guī)模化海上組網(wǎng)應(yīng)用，為此需要突破傳統(tǒng)水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)體系，解決水下滑翔機(jī)的小型化、預(yù)封裝和自動(dòng)布放等一系列問(wèn)題，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括輕量化技術(shù)、封裝技術(shù)、能源利用技術(shù)以及智能組網(wǎng)控制技術(shù)。

3.1 輕量化技術(shù)

由于電池搭載能力在很大程度上決定了水下滑翔機(jī)的續(xù)航水平，因此，水下滑翔機(jī)小型化的難點(diǎn)在于最大程度地減輕其他部分的質(zhì)量，從而搭載盡可能多的電池。為了發(fā)揮長(zhǎng)續(xù)航優(yōu)勢(shì)，目前的成熟水下滑翔機(jī)型號(hào)都已將輕量化達(dá)到極致，但是按照當(dāng)前技術(shù)體系設(shè)計(jì)的小型水下滑翔機(jī)，其續(xù)航水平仍然不能滿(mǎn)足海洋觀測(cè)活動(dòng)的需要。要想達(dá)到“減重不減續(xù)航”的目標(biāo)，就必須對(duì)水下滑翔機(jī)輕量化技術(shù)進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新，從構(gòu)型機(jī)理層面突破傳統(tǒng)水下滑翔機(jī)的概念束縛，在保證主要性能的情況下，大幅簡(jiǎn)化內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)。本文提出的不依賴(lài)重心控制的水下滑翔機(jī)構(gòu)型機(jī)理，在傳統(tǒng)的浮力驅(qū)動(dòng)和重心調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，去除重心調(diào)節(jié)模塊，利用水動(dòng)力自動(dòng)獲得滑翔角度，不依賴(lài)重心控制機(jī)構(gòu)，從根本上突破了水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“減重不減續(xù)航”的目標(biāo)。

3.2 封裝技術(shù)

目前水下滑翔機(jī)在使用過(guò)程中嚴(yán)重依賴(lài)人員、設(shè)備和平臺(tái)，使用極不方便，原因在于抗沖擊/抗碰撞性能較差、外形尺寸不規(guī)則以及容積率低，給運(yùn)輸存儲(chǔ)帶來(lái)極大不便；整體較重，必須依賴(lài)吊裝設(shè)備協(xié)助布放和回收；系統(tǒng)復(fù)雜，使用前必須由專(zhuān)業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成部分模塊（如水平翼和天線等）的安裝和整機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試?；谝陨显颍胍獢[脫對(duì)專(zhuān)業(yè)人員的依賴(lài)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布放，對(duì)于當(dāng)前的水下滑翔機(jī)技術(shù)是極為困難的。一體化封裝技術(shù)旨在通過(guò)對(duì)水下滑翔機(jī)的附體結(jié)構(gòu)（包括舵、翼和天線等）重新設(shè)計(jì)，在不影響水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，將小型水下滑翔機(jī)收納進(jìn)筒形封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，其優(yōu)勢(shì)在于：

（1）在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中有效隔離環(huán)境損傷，確保水下滑翔機(jī)性能穩(wěn)定性；

（2）提高平臺(tái)適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)在不同載具上快速、大批量布放；

（3）提高海況適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)全天候布放，封裝結(jié)構(gòu)使水下滑翔機(jī)在入水前完全不受環(huán)境影響，入水后封裝筒自動(dòng)打開(kāi)，水下滑翔機(jī)隨即啟動(dòng)工作。

此外，盡管小型水下滑翔機(jī)可以輕松地實(shí)現(xiàn)單人布放，但是為了滿(mǎn)足大時(shí)空尺度海洋觀測(cè)的需要，有必要實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)快速批量布放，因而還需要設(shè)計(jì)與封裝結(jié)構(gòu)相匹配的自動(dòng)布放裝置，以實(shí)現(xiàn)在無(wú)人機(jī)和無(wú)人艇上的自動(dòng)化布放操作。

3.3 能源利用技術(shù)

當(dāng)前，水下滑翔機(jī)大多依靠機(jī)體攜帶的電池提供能源，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和開(kāi)展觀測(cè)活動(dòng)，續(xù)航力受到電池電量的制約，而且傳感器等工作載荷更進(jìn)一步加劇了水下滑翔機(jī)的能耗負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重限制了水下滑翔機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。盡管輕量化技術(shù)使小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)可以在有限的質(zhì)量下搭載更多電池，但是鋰電池的能量密度在短期看來(lái)很難有質(zhì)的突破，電池技術(shù)越來(lái)越成為限制水下滑翔機(jī)發(fā)展的最大瓶頸。而海洋本身蘊(yùn)藏著巨大的能量，目前可供利用的海洋能量包括潮汐能、波浪能和溫差能等，如何利用這些海洋環(huán)境能源為水下滑翔機(jī)持續(xù)供能是提升水下滑翔機(jī)續(xù)航水平的關(guān)鍵技術(shù)。此外，由于水下滑翔機(jī)工作一段時(shí)間后需要上浮到水面進(jìn)行通信，因此也可使用太陽(yáng)能作為能量補(bǔ)充，此時(shí)則需設(shè)計(jì)合適的外形以最大化利用太陽(yáng)能?？傊?，能源利用技術(shù)的進(jìn)步和能量轉(zhuǎn)化裝置的小型化將推動(dòng)水下滑翔機(jī)的續(xù)航水平達(dá)到新的高度，極大地?cái)U(kuò)展水下滑翔機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.4 智能組網(wǎng)控制技術(shù)

盡管小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)很大程度上解決了常規(guī)水下滑翔機(jī)使用不便的問(wèn)題，但是受限于體積和成本，其單機(jī)性能弱于大尺寸的水下滑翔機(jī)。因此，只有以大規(guī)模組網(wǎng)的形式使用才能最大化其價(jià)值，因而亟需解決大量水下滑翔機(jī)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同控制問(wèn)題。不同于通常意義上的小規(guī)模集群觀測(cè)，大型海洋觀測(cè)網(wǎng)在節(jié)點(diǎn)數(shù)量上遠(yuǎn)超后者，當(dāng)前適用于小規(guī)模水下滑翔機(jī)編隊(duì)的控制方法顯然難以實(shí)現(xiàn)對(duì)成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的有效控制。

考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜性以及小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)有限的運(yùn)動(dòng)能力和續(xù)航水平，有必要開(kāi)發(fā)針對(duì)大型海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大空間尺度下大量觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的高性能組網(wǎng)協(xié)同控制，以保證觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)能夠充分發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢(shì)，并能夠根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)自身運(yùn)行情況和海洋環(huán)境特性實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)控，以提高觀測(cè)的精度和效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究旨在解決常規(guī)水下滑翔機(jī)在成本和使用難度等方面的問(wèn)題。為此，提出低成本小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)的概念，并成功設(shè)計(jì)了10 kg 級(jí)別的樣機(jī)；探討了小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)在海洋科考、海洋經(jīng)濟(jì)和海洋軍事等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，對(duì)實(shí)現(xiàn)小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)及其規(guī)模化應(yīng)用所需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行了深入分析，并提出相應(yīng)的解決思路。

綜上所述，小型自動(dòng)布放水下滑翔機(jī)是具有巨大潛力的新技術(shù)，有望成為海洋科技領(lǐng)域的重要突破點(diǎn)。