UUV水下自主回收技术(精)

第1章 绪论 1.1 UUV水下回收的意义 地球表面约有71%的面积被海洋占据，广袤的海洋中蕴藏了极其丰富的生物资源、矿产资源及各种形式的能源，同时，海洋作为国家的蓝色国土，是国家重要的“门户”，是与其他国家联系的重要途径，海洋安全是国家安全的重要组成部分，因此，探索研究海洋未知领域、开发利用海洋资源、维护领海权益等需求促进了水下航行器(underwater vehicle，UV)的迅速发展。海洋探测与开发技术的迅速发展对水下作业的任务、领域等提出了极高的要求，考虑到复杂且不可预知的海洋环境、潜航员人身安全、特殊水下作业任务及经济性等问题，自20世纪50年代至今，无人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)在科研、商业、军事等领域占据了不可取代的地位。在科研方面，UUV可以完成对海洋水文资料的搜集、海底地貌的绘制、海床矿脉的探测、海洋生态环境的监控等；在商业方面，UUV经常用于海底管道及光缆的铺设和检查工作等；在军事方面，UUV已被多国用于海洋军事侦察、反水雷探测和反潜作战等。UUV自诞生以来就受到世界各发达国家的高度重视，尤其是20世纪90年代后，UUV的技术得到了飞速发展。目前，美国、英国、德国、法国、加拿大、俄罗斯、丹麦、瑞典、挪威、意大利、乌克兰、日本、韩国、澳大利亚等已将较多的机构和人力投入到UUV的研究和开发中，制造了上百种UUV。 虽然UUV具备隐蔽性强、机动能力高及经济性好等突出的优点，但是其执行任务的能力通常只能依靠自带能源，因此其工作时间及作业范围不可避免地受到能源的限制，这就需要对UUV及时地实施回收，进行能源补充、读取收集到的数据、检修维护、输入新的任务等，为UUV再次布放作业做好准备。此外，UUV自身昂贵的造价及珍贵的数据信息也对UUV回收的必要性和可靠性提出了高要求。 目前，UUV的回收方式按回收平台的类别主要分为水下回收和水面回收。水下回收又分为水下基站回收和水下潜器回收。水面舰船回收是多数UUV采用的水面回收方式，但受海面风浪影响较大。随着UUV回收应用领域的不断拓展，相应的UUV回收技术也由水面回收方式不断向水下自主回收方式发展。UUV水下自主回收技术在民用领域可为UUV连续自主工作提供支持，在军用领域可为水下航行器隐蔽作业提供可能，更是未来构建“深海空间站”不可或缺的支撑技术。因此，UUV水下自主回收技术的研究对建设海洋强国、捍卫国家主权和实现可持续性发展的伟大目标具有重要意义。 1.2 UUV回收的分类及国内外研究现状与进展 在UUV完成任务后，通常会对其实施回收操作。UUV回收方式主要有水面舰船回收、水下基站回收和水下潜器回收。 1.2.1 水面舰船回收 用于UUV回收的水面舰船在船尾或船侧多搭载有对应UUV的回收设备，这些设备通常包括A形架、坞式滑道、悬臂起吊机、网具等(图1-1～图1-4)。水面舰船回收方法应用广泛，适用于各级别UUV和载人水下航行器(manned UV，MUV)，但该方法易受海面风浪的影响。考虑到回收作业人员及UV安全等因素，该方法在海况恶劣的条件下难以实施。 图1-1 采用A形架回收 图1-2 采用坞式滑道回收 图1-3 悬臂起吊机回收 图1-4 采用网具回收 1.2.2 水下基站回收 水下基站通常固定或锚系在海底，可作为海洋环境观测网的一个节点，为入站的UUV提供能源补给和数据交互，是一种完全自主的对接回收方式，对UUV导航及操纵性等有较高的要求。水下基站回收系统中有代表性的为REMUS 100对接系统、蒙特利湾水族馆研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute，MBARI)的对接系统等。 REMUS 100是伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institute，WHOI)设计的小型、低成本AUV，其特征直径为19cm，可用于沿海监测、湍流研究、海洋环境采样、水文地理研究及执行军事任务等。1998年，WHOI分别选取Woods Hole、LEO-15 Observatory及Gulfport对**代系统(图1-5)进行了试验，其中在Gulfport实施的33次试验任务中成功了30次，成功率达到91%。 2005年，WHOI对REMUS 100对接系统进行了升级，升级后的AUV增加了惯性导航系统(inertial navigation system)、数字超短基线(digital ultral-short baseline，DUSBL)传感器等，同时对基站也进行了修改，增加了可弹出式声学探测天线、线性可变差动变压器(linear variable differential transformer，LVDT)以及一组用于数据传输、充电和下载任务的插针式执行机构等。2005年末至2006年初，WHOI对新型对接系统(图1-6)进行了试验，得到29次任务中成功17次的结果，且每次成功对接回收过程中，基站上的LVTD传感器和各执行机构均工作正常，数据交互和充电均100%实现。 图1-5 **代REMUS 100对接系统 图1-6 升级后的REMUS 100对接系统 与REMUS 100对接系统不同，MBARI的对接系统不是以小口径AUV为回收对象，而是针对长358cm、重640kg、特征直径54cm的Dorado/Bluefin AUV (图1-7)进行回收。如图1-8所示，该系统在海试前在1.4×106L海水池中进行了试验，试验中通过一个2.5cm的天线达到了10Mb/s的数据传输速度，在充电测试中1kW的传输效率高达88%。 图1-7 Dorado/Bluefin AUV 图1-8 MBARI的水下对接系统海水池试验 除此之外，还有采用坐落式对接回收的日本川崎重工的Marine-bird系统、佛罗里达大西洋大学(Florida Atlantic University)设计的以UUV腹部杆件为对接目标的对接系统，以及采用V形装置捕捉杆或缆索的OdysseyⅡ AUV对接回收系统等。 1.2.3 水下潜器回收 水下潜器回收多选用潜艇作为回收平台。用潜艇回收UUV的方式主要为以潜艇的鱼雷发射管或导弹发射管作为通道回收UUV，或采用潜艇外搭载回收设备回收UUV。水下潜器回收方式不仅有良好的隐蔽性，而且可拓展潜艇作战能力，是目前各国军事领域研究的热点。 目前，以鱼雷发射管为通道回收UUV的方法可分为：利用单鱼雷发射管水下回收UUV，如近期水雷侦察系统(near term mine reconnaissance system，NMRS)的回收系统；利用双鱼雷发射管水下回收UUV，如美国海军远期水雷侦察系统(long term mine reconnaissance system，LMRS)的水下回收系统；借助遥控潜水器(remotely operated vehicle，ROV)等设备辅助回收UUV，如SeaOwl SUBROV。 单鱼雷发射管水下回收UUV，是以单个潜艇鱼雷发射管为UUV回收通道，并通过一套专用设备对UUV实施回收。该设备主要由绞盘、液压泵体、拖缆浮标、多个同心套管等组成，其中浮标置于内管中，通过拖缆与绞盘连接，具体如图1-9所示。回收UUV时，将该设备连接到鱼雷发射管后部，液压泵体与绞盘配合工作将同心套管沿鱼雷发射管伸出艇外，随后拖缆浮标自航出管向UUV靠近，浮标头部的“凸起”装置用于和UUV尾端对接，浮标与UUV对接完成后由液压泵体和绞盘配合工作将二者拖入艇内，并将UUV留在鱼雷发射管中，*后回收设备复位完成回收。此外，该设备内管与中层套管间设有紧急丢弃装置，出现突发状况时(如浮标或UUV卡管等)，该装置可将内管和浮标与回收设备解脱，采用丢弃浮标及内管的方式终止回收。 图1-9 单管回收方式 双鱼雷发射管水下回收UUV，即通过潜艇的两个鱼雷发射管水下回收UUV，一个管用于布置回收设备，另一个管用于接收容纳UUV。LMRS采用该回收方式，如图1-10所示，该回收设备主要包括长18.3m且重约2t的可伸缩机械臂、寻的装置和对接加紧装置等。回收UUV时，机械回收设备由上方鱼雷发射管伸出展开，UUV自主导引向机械臂对接装置，对接完成后回收设备夹紧UUV，并将其送入下方鱼雷发射管预定位置，随后回收设备复位完成回收。 此外，还有利用ROV辅助潜艇回收UUV。如图1-11所示，SeaOwl SUBROV可在艇内人员的操控下将UUV用缆索锁紧并驮带，将其送入潜艇鱼雷发射管。 潜艇垂直发射管回收方式是指利用潜艇的垂直导弹发射管进行UUV回收的一种方式。潜艇的垂直发射管的空间比常规鱼雷发射管的空间要富裕很多，这为大口径及非回转体型UUV的回收提供了可能，具体回收过程如图1-12所示。 图1-10 LMRS的水下回收系统 图1-11 SeaOwl SUBROV回收UUV 图1-12 基于潜艇垂直发射管的UUV回收方式