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《兵工科技》杂志深度报道航天海纳研制的水下无人柔性航行器

发布日期:2017-07-26 15:19:31
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■观海/文


自然界形形色色的生物,都有着神奇的本领,给了人类很多启发,也成为了各种技术发明和工程进步的源泉,并发展出了仿生学这门学科,目前应用的很多先进科技,都是从仿生而来。


如今,随着技术的进步,我们已经不再满足仿生,而是创造,用技术创造机器生物。本届国防信息化装备与技术博览会上,北京航天海纳科技发展有限公司就带来了他们最新研制的机器鱼——水下无人柔性航行器。

外形像鱼的水下航行器


这款HN-1型水下无人柔性航行器的外形看上去就是一条大鱼,有鱼头、鱼身、背鳍、胸鳍和月牙形鱼尾。其中鱼头和鱼身的前半部分由硬质合金材料制成,内部为耐压密封舱,主要用于布置探测系统、任务系统,航行控制系统、导航通信系统和部分操纵机构。后半部分的鱼身则由柔性材料制成,可以做较大幅度的水平摆动和轻微的上下摆动,尾巴后面安装一个月牙形的尾鳍,能随柔性鱼身一起摆动。

航行器头部靠后的位置高高竖立着一个三角形的背鳍,这块背鳍由轻质复合材料制成,内部集成有导航和通信系统的天线,可以在航行器半潜航行时伸出水面,与母船或后方的指挥控制中心进行通联。同时,高高耸立的背鳍还起到保持航行器侧力和身体的纵向平衡等关键作用,让航行器在航行时保持稳定的姿态,避免侧翻。背鳍下方的艇身体左右两侧,各安装一部全动胸鳍,一方面用于保持航行器的俯仰平衡,控制航行器进行上浮和下潜,另一方面还可通过两部胸鳍的差动偏转,起到刹车和辅助转弯作用,对提高HN-1型水下无人柔性航行器的转弯速率和机动性有积极作用。


像鱼一样游动



HN-1型水下无人柔性航行器最大的亮点是没有安装螺旋桨推进器,而采用和鱼一样的游动方式,主要依靠柔性身体带动尾鳍摆动来产生游动动力,并通过和胸鳍和背鳍协同动作来调整航行姿态与方向,让航行器在水下悬停和机动。


为了能像鱼一样游动,该航行器后半部分的柔性鱼身并没有采用传统的关节结构,使用液压或电动机构驱动关节变化进行摆动,而是采用新型智能材料来实现。柔性鱼身中心骨架的不同间距上分别装有一系列隔框,每个隔框的外缘支持弹性蒙皮,内缘则使用高能量密度的智能材料连接,通过开关函数控制智能材料的伸缩变化,迫使隔框在水平方向上按一定规律偏转,从而是该航行器的柔性尾部和月牙形尾鳍按一定的波形摆动,柔性尾部产生的波形和月牙形尾鳍的摆动波形叠加后,产生推力和机动控制力。

另外,为提高游动速度,HN-1水下无人柔性航行器还在头部安装了一部气泡发生器,在航行时通过制造微气泡将航行器头部与水接触的地方包覆,以降低流体阻力,类似于俄罗斯暴风雪鱼雷的超空泡减阻原理。


通过综合利用流体的惯性力、漩涡推力、前缘吸力、非定常流固耦合等技术来提高该航行器的可用推力和控制力,以及利用微气泡、微表面减阻和非定常流动控制等措施减少流动阻力,让HN-1型水下无人柔性航行器的水下最高航速可达16节。而且由于其是通过身体摆动前进,所以转弯半径非常小,几乎能达到和身体一样长的转弯效果,转速也非常快,机动性远超使用螺旋桨推进的无人潜航器,还没有螺旋桨推进器的涡流和噪声,隐蔽性非常好。


多个级别的产品



北京航天海纳科技发展有限公司此次展出的HN-1型水下无人柔性航行器是整个水下柔性航行器家族的第一款产品,也是最小的一款。该航行器长3米,重200千克,有效载重60千克,最大潜游深度50米,转弯速度70度/秒,转弯半径小于3米,最大航速16节。从现场工作人员处了解到,目前HN-1水下无人柔性航行器的研制十分顺利,已经完成了陆上试验和计算机模拟仿真试验,将很快进行水槽试验。


除了小型的HN-1水下无人柔性航行器,他们还正在研制中型柔性航行器HN-2和大型柔性航行器HN-3。后两款航行器的基本结构和控制原理与HN-1型基本一样,只是体积更大,性能更强,载荷更高。其中,HN-2型的长度为6米,总重达1600千克,有效载荷提高到480千克,最大潜游深度增加到100米,最大航速也提高到了21节。HN-3型柔性航行器的长度更是增加到了12米,总重超过13吨,有效载荷高达3.8吨,最大潜游深度高达500米,最大航速高达27节,潜游能力堪比核潜艇,机动灵活性更是把核潜艇远远甩在后面。

央视报道

由于该系列水下航行器的航行方式异于常规的线性控制的无人潜航器,再加上水下通信困难,因而该无人航行器的航行控制将采用自主航行为主,人工控制为辅的方式,利用声纳系统和激光通信等手段与母船保持通信联系,释放后将根据事先设定的任务程序来执行,可以自行游往目标区域执行任务,完成任务后再自行返回投放点,或是前往事先制定好的汇合点,也可由人工遥控完成。另外,该航行器还可以在投放到水下后保持静默,潜伏在某一海域,然后通过潜艇或水下通信设备发送控制信号将其激活,开始执行侦察或打击任务。


水下“鱼”群作战



相比以螺旋桨为动力的刚性水下无人航行器,以尾鳍为动力的水下无人航行器,具有效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小等优点,而且其外形与鱼非常相似,游动方式和航行轨迹也和鱼一样,因而隐蔽性极高,就算被敌方侦测到,也会因活动轨迹和普通的潜航器截然不同而被误认为鱼类。


这些优势给了水下无人柔性航行器极大的战场生存性和使用灵活性,装上探测设备就是水下探测器,不仅在海洋侦察、海洋勘探和水下救护等方面有着广泛的用途,也可用来探测雷场和反潜网络布置,或是潜入防护严密的港口和海军基地实施侦察和监控。装上战斗部,就成了“鱼雷”,而且是真正像鱼一样游动的鱼类,能在欺骗过敌方的侦查设备后,对潜艇和水下设施实施抵近攻击,让敌人防不胜防。

黄兴中教授接受南方都市报采访

此外,该系列水下柔性航行器未来还将具备类似于无人机“蜂群”战术一样的“鱼群”作战能力。就是将多个航行器编成战斗集群,实现航行控制、态势感知、目标分配和智能决策,依靠整体战斗力,应对复杂、强对抗、高度不确定的水下作战环境。


比如,HN-1型水下无人柔性航行器虽然有效载荷较小,但体积也小,被发现的几率很低,因而可搭载侦察设备成为侦察鱼。可以在作战时撒出去,负责前出侦察或蹲坑监视。HN-2型水下无人柔性航行器的大小和载荷都比较适中,航行速度也快,因而可搭载战斗部充当战斗鱼,摇身一变成为一枚高机动智能“鱼”雷,负责对目标进行贴近攻击。而HN-3型水下无人柔性航行器因为体积堪比鲸鱼,航行特征较大,容易被发现,但胜在有效载荷高,内部空间大,因而可搭载大型综合水声系统、水下通信系统和作战管理系统,充当指挥鱼,指挥编组内的所有航行器配合作战。


这样一来,就可根据任务需求、战场环境和威胁特征,采用合理的兵力编组形式,通过更有效的战场协同,通过“鱼群”作战的规模效应来达成战术目的。



还需解决的问题


综上所述,HN-1型水下无人柔性航行器是一种利用鱼类的游动推进机理实现推进运动的新型水下推进器,其研制领域涉及到的学科和前沿技术非常多,如仿生学、流体力学、材料学、高新材料以及智能控制等,技术难点很多,所以要想达到实用和实战状态,还需解决以下一些关键问题:

一、鱼类推进机理的进一步研究。不论采用何种科技,成型的机器鱼在推进效率、推进速度、加速特性、升潜速度以及转弯半径方面,和真鱼仍有很大差距。要想提高机器鱼推进性能和机动性能指标,就必须开展更为深入的鱼类推进机理研究,对鱼类游动过程中鱼体及尾鳍运动参数进行研究,分析鱼类的减阻机制、快速启动和快速转向机理,然后再进行仿真,让机器鱼游起来更像鱼。


二、控制系统和传感系统的研究。研究机器鱼闭环控制系统,主要包括速度控制、升潜控制以及转向控制,在此基础上研究传感系统,解决机器鱼的水下自主导航和水下避障问题。


三、新型材料的研究。主要是研究适用于鱼体和尾鳍的材料,降低机器鱼推进阻力,提高尾鳍推进效率,改善尾部涡流。此外,柔性鱼体由于时刻处于摆动之中,因而对材料的弹性保持和抗疲劳性要求很高。


四、能源供给。机器鱼的续航能力是制约其水下活动的关键。大多数的机器鱼都采用电池作为能源,但受体积和重量的制约使其往往只能在水下工作几小时。伴随着相关技术的发展,太阳能、波浪能和潮汐能等新型能源,成为机器鱼获得能源补给的新途径。通过结构优化和增加辅助装置使机器鱼能够在水下获得持续的能源供给将是研究的重要方向。


五、水下通讯技术。在水下作业时,机器鱼的控制指令、游动状态反馈和图像信息的传输,主要依赖水声通讯来实现,由于声音在水中的传播速度远远低于光速,因此产生很大传输时延,难以对机器鱼实现实时控制,而且传输距离还受载波频率和发射功率的限制。所以,具有传输范围广、延时小、准确率高等特点的水下通讯技术研究,将大大推进机器鱼的发展。



结语


虽然目前的水下无人柔性航行器还远没有达到真鱼的水平,但这种水下航行器具备的推进效率高、耗能少、噪声低、机动性强等特点,让其成为未来水下机器人的重要组成部分。随着相关技术的发展,这种柔性航行器的功能将日趋完善,必然成为人类探索海洋的重要工具。



航天海纳科技发展有限公司专注于空气动力学及流体力学等综合性产品研发,公司多年来以航天科工、航天科技两大集团为起点,服务全球为愿景,以创造更多的经济效益回馈社会,承担更多的社会责任。航天海纳将新型产品的研发及环保节能产业视为未来重要的发展方向,并积极开拓相关业务。





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