海洋前沿▏浅海型水下滑翔机技术研究现状分析

【摘要】美国Teledyne Webb Research公司按照型号系列化、结构模块化和测量多样化的设计思路研制水下滑翔机，其Slocum 200浅海型和和Slocum 1000深海型水下滑翔机在海洋环境观测领域具有广泛的客户需求。本文以200米浅海型和1000米深海型两款水下滑翔机为例，详细对比了两者的技术特点，并在此基础上阐述了两者各自适用的海洋环境观测应用范围，两者优势互补，难以取代对方。浅海型水下滑翔机具有锯齿剖面密度大、折返机动性高和平均前向速度快的特点，适合在近海岸、陆架坡折和深海温跃层等区域对高时空变率海洋现象进行观测。近几年，在我国深海型水下滑翔机技术取得了惊人进步的同时，我国浅海型水下滑翔机技术也在快速发展，这对推动我国海洋环境监测业务水平的提升意义重大。

目前，我国海洋环境观测、监测主要包括调查船、浮标、潜标、海床基、漂流浮标以及航空遥感等^[1-2]。传统的观测方式具有其自身优势，但是存在人力物力消耗庞大、受恶劣海况限制的不足，迫切需求低成本、长时序的自主观测技术，在各种观测方式优势互补的基础上提升我国海洋环境综合观测能力。

近年来，水下滑翔机凭借其工作时间长、航行距离远、自有噪声低、路径可规划、水下可估算定位、垂直往复剖面时水平运动可控、可搭载多种类型传感器实时获取数据并准实时远程回传、以及购置使用成本低廉、运输布放回收操作简便等优点^[3-5]，得到世界各国海洋科学研究组织和军事海洋保障部门的广泛采用。

以美国为代表的欧美发达国家大力发展基于水下滑翔机的海洋环境观测技术，如美国Webb Research公司的Slocum、Scripps海洋研究所的Spray和Washington大学的Seaglider，以及法国ACSA公司的SeaExplorer等均为50kg级排水量的小型水下滑翔机^[6-8]；此外，较有影响力的还有美国Scripps研究所与华盛顿大学共同研制的Liberdade系列XRay1、XRay2和ZRay等近1吨排水量的大型水下滑翔机^[9-10]。

水下滑翔机的设计针对额定下潜深度和搭载传感器类型区分不同型号与系列以实现不同场合的应用，如产业化前景最好、销售量最高的Webb Research公司的Slocum电能水下滑翔机，设计出了200米和1000米两款，其中，200米水下滑翔机以近海岸、温跃层的观测为目标。此外，美国Scripps研究所和Washington大学研制的Liberdade系列水下滑翔机最大下潜深度300米，搭载有八字形布设的27通道水声阵，可以完成水下声源目标的定位和跟踪^[11]。

鉴于在海洋环境监测和海洋安全保障等方面的巨大应用价值，水下滑翔机亦引起了我国海洋领域的高度关注，各高校和科研机构在国家863专项、国家公益性专项筹经费资助下已经开展了不同层面的研究。尤其在国家高技术研究发展计划（863）的资助下，水下滑翔机的科研成果显著，技术水平大幅提升，如天津大学研制的Petrel和沈阳自动化所研制的Seawing等1000米级大深度水下滑翔机已经通过了大量的海试，验证了系统的功能和性能，获取了南海大深度断面的温盐结构数据^[12-13]。

此外，国内有研发基础或者样机的单位还有中船重工710所、华中科技大学、中国海洋大学、浙江大学、中船重工702所等多家单位^[14-18]。然而，大多数研制单位专注于1000米～1500米的深海水下滑翔机的开发，适用于近海岸和温跃层海洋水质、生态、动力和声学环境观测的高机动性、高抗流能力的200米级浅海型水下滑翔机却少有研究。

我国绝大部分海域为浅海，亟需一款如美国Webb Research公司研制的Slocum 200的浅海型水下滑翔机，以满足我国陆架海和近浅海、南海温跃层的海洋动力环境、海洋水质生态以及海洋声学的观测，天津大学、国家海洋技术中心等单位结合国家海洋局海洋环境监测业务实践需要，自2012年初开始研制200米额定潜深Petrel 200和600米额定潜深水下滑翔机Petrel 600，如今已完成样机试制和海上试验，正在加快产品化进程。

一、浅海水下滑翔机国外发展现状

⒈Slocum水下滑翔机的发展理念

美国Webb Research公司的Slocum、Scripps研究所的Spray和Washington大学Seaglider均为50公斤级小型水下滑翔机，三者于上世纪90年度中期同时接受美国海军办公室的项目资助，直到目前，已经实现了近20年的发展。然而，由于Slocum滑翔机的设计理念和公司化运作等独特优势，使其在小型滑翔机市场中脱颖而出，具有更广泛的应用和需求^[19]。Webb Research公司并入Teledyne集团，成为旗下的一个子公司，实现了大规模融资，并为水下滑翔机的产品化的发展铺平了道路。

Webb Research公司根据海洋环境监测需要开发了多种型号和款式的水下滑翔机（见图1），如Slocum Thermal和Slocum Electric，其中Slocum Electric根据设计潜深不同设计了200米和1000米两款（以及后来开发的350米水下滑翔机），200米水下滑翔机通过改变其浮力驱动单元内变速箱的传动比，可以实现30米、100米两种系列的拓展^[20]。这样以来，Webb Research公司的电能水下滑翔机在30米、100米、200米、350米和1000米深度范围内均有适用的滑翔机产品，实现了产品型号的系列化开发。

图1  Slocum水下滑翔机型号系列化

Webb Research公司开发的Slocum水下滑翔机采用模块化的设计理念（见图2），其基本配置模型从前至后共分为三个耐压舱段，如果特殊需要，可以加装其他拓展舱段，如增加能源舱段延长工作时间，或者增加传感器舱段拓展测量功能；前舱段与后舱段排水量基本一致，具有基本相同的质量，如此以来，可以减小水下滑翔机在俯仰姿态配平时的负担，简化操作；前舱段、后舱段、中间舱段（基本配置模型）以及拓展舱段的平均密度与水基本一致，是近似中性浮力状态，这样以来，水下滑翔机将极大地减小中性浮力配中和俯仰姿态配平的负担；前舱段内部设计有浮力驱动单元以及与电池包融合设计的俯仰姿态调节机构，后舱段内部设计有主电池包，总控系统和转向机构等，前后两个舱段结构和工艺固化，无须变动，中间舱段根据搭载传感器的要求不同，经常变化设计；中间舱段变化质量，只对水下滑翔机的中性浮力产生影响，但对水下滑翔机的俯仰姿态影响较小；中间舱段作为负载舱段，可以客户化定制或者直接授权给客户设计生产。总之，模块化的设计思路极大地提高了水下滑翔机拓展功能的能力。

图2  Slocum水下滑翔机结构模块化

Webb Research公司开发的Slocum水下滑翔机具有一个突出的特点，就是其中间舱段作为负载舱段，采用模块化设计，可以根据客户需求加装所需的测量传感器，甚至可以委托客户在模块化舱段的基础上独立设计（见图3），这样以来，Slocum水下滑翔机极大了拓展了其在海洋环境观测中的应用。如美国Rutgers大学的COOL实验室就是根据自身的海洋环境观测的需求，为Slocum水下滑翔机设计传感器舱段的典型代表^[21]。当前，Slocum水下滑翔机客户化订制的传感器涵盖了海洋动力环境、海洋生态水质、海洋背景噪声等声光电传感器，如剪切流探头、单通道水听器、PH值传感器、溶解氧DO传感器、CTD传感器、叶绿素和溢油检测传感器等^[22-23]。

图3  Slocum水下滑翔机测量多样化

⒉Slocum200的广泛应用统计

自2000年至今，美国以及欧洲等国基于水下滑翔机的海洋环境监测大规模展开，而且大部分采用30米、100米、200米和350米额定潜深的水下滑翔机实现海洋的近海岸、陆架坡折和深海区温跃层观测^[24-25]，如根据资料查阅可知，Teledyne Webb Research的Slocum水下滑翔机订单大部分均为350以浅的水下滑翔机。

从Webb Research网站的FAQ(Frequently Asked Questions)获知，水下滑翔机的统计平均航行深度为5米到100米，Slocum 200基本可以完成当前大多数的海洋观测需求，考虑到效率优化，可以选用Slocum 30和Slocum 100^[26]。

2009年4月27日，Rutgers大学从新泽西州布放了一台名为Scarlet Knight的Slocum 200水下滑翔机，完成了8个月的航行，该浅海型水下滑翔机传回1000次数据，完成11000个剖面，其垂向运动位移总计4400公里（200米潜深），按照3:1的滑翔比计算，其前向位移总计约6600公里，按照5:1的滑翔比，其前向位移总计约11000公里，成为横跨大西洋的第一台水下机器人（见图4）。

图4  Slocum 200滑翔机Scarlet Knight横跨大西洋

从“水下滑翔机聚会观测计划GliderPalooza”中可以获知^[27-29]，绝大多数滑翔机的运动轨迹在美国的东西海岸的陆架海区（见图5），其深度大部分在200米或者在350米以浅，这些轨迹有些垂直于海岸行至陆架坡折处，有些平行于海岸弯曲前进，有些直接设计成启航于岸边的三角形（完成测量可以直接在布放地点回收）。根据水下滑翔机的历史轨迹统计，浅海水下滑翔机的使用频次在80%以上。

图5  Slocum浅海型水下滑机的观测历史轨迹

从全球应用水下滑翔机完成的数据采样来看，主要观测对象是温度、盐度、叶绿素、溶解氧和pH值等信息，这些信息在100米以浅的水域变化明显，然而在100米以深变化不大，所以可以查到的网络图片基本上是在200米以浅深度的显示。如图6所示为80米深度范围的环境观测数据图。

图6  水下滑翔机观测的海洋环境数据图

2011年7月，Teledyne集团公司宣布其旗下的Webb Research子公司获得美国海军批准开始大规模生产“近海岸战场感知水下滑翔机Littoral Battlespace Sensing（LBS-G）”，即一款浅海型水下滑翔机，以完成数量为150台价值计5310万美元的采购合同，这是美国海军首次提出的水下滑翔机采购计划。

⒊李贝德Liberdade系列浅海水下滑翔机

2005年，Scripps研究所和Washington大学在美国海军的资助下开发300米额定潜深的翼身融合大型水下滑翔机^[30]。该滑翔机被定名为Liberdade系列，先后经历三次更新，分别为XRay1、XRay2、ZRay（见图7）。该大型水下滑翔机主要针对水下声学目标的定位跟踪而设计，虽然下潜深度为300米，也可以对水下600米以深的水下声源目标进行探测、定位和跟随。

图7  Liberdade系列翼身融合大型水下滑翔机

Slocum 200虽然最大下潜深度只有200米，但是也可以加装单通道水听器或者矢量水听器对200米以深水下声源目标进行探测^[31-32]，如果利用编队作业，可以实现某海域水下行进通道的声学封锁。

水下滑翔机在下潜过程中，自身体积随着压力的增加而发生收缩，如果海水密度不变的情况下，水下滑翔机的净浮力减小，然而相反，海水的密度随着深度的增加而增加，海水密度增加引起的滑翔机净浮力增加大于其自身体积缩小引起的净浮力减小，所以水下滑翔机随着深度的增加，其下潜速度变慢，难以跟踪运动速度较快的目标。设计下潜深度大的水下滑翔机在大深度作业时才具有较高的效率，同时其折返的机动性较低，如果水下滑翔机探测到水下异常声源而需要浮到水面通讯汇报，此时，大深度水下滑翔机将会耗费更多的时间，应急反应能力大大减弱。

二、浅海与深海水下滑翔机技术特点对比

1000米以浅的浅海型水下滑翔机相比1000米以深的深海型滑翔机来说其技术难度并不简单，浅海型滑翔机相比深海型滑翔机而言具有机动性高，折返距离小，剖面密度大，搭载能力强，抗流能力强，搭载能源多，使用更加广泛的特点，深海滑翔机是难以取代浅海滑翔机的，这便是美国研发并大量使用浅海型滑翔机的原因。水下滑翔机根据设计潜深优化工作效率，所以Teledyne Webb Research公司的Slocum水下滑翔机当前设计有30米，100米，200米，350米和1000米等多种型号，而且据知情人透露，事事精细、讲求效率的美国Teledyne Webb Research公司也在根据客户需求研制其他深度的水下滑翔机。

200米浅海型和1000深海型水下滑翔机在技术层面的不同点可列举如表1。

表1  200米和1000米潜深水下滑翔机的参数比较

比较项目	200米水下滑翔机	1000米水下滑翔机
驱动浮力	滚动膜柱塞泵 无摩擦、压力低、排油快	微型轴向柱塞泵 有摩擦、压力高、排油慢
最大潜深	200米	1000米
转弯半径	舵机转弯3～4米	横滚转弯10～15米
折返时间	10～15秒	2～3分钟
折返距离	2～4米	20～40米
壳体重量	10～15千克	20～25千克
自带能源	500Ah@24V	250Ah@24V
有效载荷	6～8千克	3～4千克
剖面密度	单齿跨度600～1000米	单齿跨度3000～5000米
前向速度	平均前向速度高 折返时间间隔短	平均前向速度低 折返时间间隔长

Slocum 200的浮力驱动系统采用的是滚动膜柱塞泵，该泵活塞与活塞缸之间没有摩擦，具有较高的传动效率，同时，该泵活塞直径较大，设计抗压2Mpa，单次行程在15秒左右，吸排油速度快。Slocum 1000采用以微型轴向柱塞泵为核心的高压浮力驱动单元，该高压驱动单元的功率在100W左右，10Mpa泵油所需时间约为3分钟，重要的是该泵单元要在35Mpa时才能发挥最大效率。

浅海型水下滑翔机采用尾舵转向，具有较小的转弯半径3米，然而深海型水下滑翔机（Slocum 1000也采用尾舵转弯，但该技术难度较大，其他种类深海水下滑翔机并未采用）大多采用横滚转向，具有较大的转弯半径15米，转弯机动性差。由于泵油时间的差别，深海和浅海水下滑翔机在最大深度处折返时其折返距离和折返时间存在较大差异，浅海型水下滑翔机在15秒时间垂直移动4米距离完成折返，深海型水下滑翔机折返机动性较差，在3分钟时间内折返移动距离约30米。

浅海型水下滑翔机相比深海型水下滑翔机，其耐压壳体壁厚更薄，质量更轻，在相同排水量的前提下，浅海型水下滑翔机拥有更多的有效载荷和能源搭载能力。比如，浅海型水下滑翔机的壳体质量平均比深海型水下滑翔机重约10千克，这些质量如果置换成锂离子电池安置于浅海型水下滑翔机壳体内部，其能源总量增加近200Ah@24v，相当于增加了深海型水下滑翔机能源的一倍。其次，海水密度和水下滑翔机的浮力随着深度的增加而增加，浅海型水下滑翔机相比深海型水下滑翔机的壳体具有更大的收缩能力，更好地降低了水下滑翔机在下潜过程中的浮力损失。

按照3:1的滑翔比计算，浅海型水下滑翔机的一个200米剖面循环前进距离是600米，耗费时间是30分钟，深海型水下滑翔机的一个1000米剖面循环前进距离是3000米，耗费时间约3个小时，所以浅海型水下滑翔机具有更加细致的剖面密度和卫星数据通讯频率。按照相同的滑翔角计算，由于深海型水下滑翔机折返距离和时间较长，所以其在整个剖面运动过程中的平均前向速度较低，而且，当以浅剖面运动时其平均前向速度的减小将更加明显。

三、深海与浅海水下滑翔机应用特点分析

从不同潜深水下滑翔机工作特点看，200米额定潜深水下滑翔机主要用于近海岸区域以及海洋温盐跃层的动力环境观测，适合中小尺度高时空变率海洋参数测量；1000米额定潜深水下滑翔机主要用于世界大洋的动力环境监测，适合大尺度和跨洋盆尺度的低时空变率海洋参数测量。

如果将1000米额定潜深水下滑翔机用于200米以内浅海作业，其工作效率将缩小为1000米作业时的20%，工作能力大打折扣，而且在40米以内近岸作业时，极易出现海底搁浅的尴尬情况。深海与浅海两型水下滑翔机从事不同的海洋观测任务，两者难以互相取代对方，只能实现海洋环境观测任务优势互补。

我国三大海区中的黄海平均深度44米；东海最大深度300米左右，大部分都是200米以浅的陆架海域；南海的陆架海域平均深度也是200米以浅。我国南海的200米以浅海区以及南海深海区的温盐跃层区域动力环境复杂多变，商用、民用及军用船只来往频繁，是我国海军保障海洋安全和维护海洋权益的重要行动空间。利用200米水下滑翔机对陆架海域及温盐跃层的流场、声场和温盐场的观测，以及利用200米水下滑翔机作为我国近海岸安全保障平台将有重要意义。

海洋运动形式丰富而复杂，除了包含大部分势能但是动能较小的大尺度环流之外，还存在着海洋边界强流，海洋上升流、中尺度涡旋、海洋锋面等蕴藏丰富动能的现象，特别是在初级生产力较高的陆架海域，边界流、上升流、涡旋、锋面相互作用，产生很强的时间-空间变率。边界流、上升流、涡旋、锋面等高时空变率海洋现象的观测需要采用具有长时序（约6个月），精细尺度（约1公里），准实时（每隔1小时一次卫星通讯），机动（运动轨迹可控，指令与信息双向互传）观测功能的海洋动力环境观测装备。

1000米以浅水下滑翔机针对近浅海、陆架海、陆架坡折以及温跃层海洋环境监测而设计，1000米以浅（尤其是350米以浅）海洋环境具有高时空变率，如流速较大、温盐陡变、生物复杂多样、船只往来频繁、海底地貌起伏多变等，因此1000米以浅作业的水下滑翔机需要高抗流性、高机动性、高抗生物附着等能力。浅海型和深海型水下滑翔机在应用层面的不同点可列举如表2所示。

表2 深海型与浅海型水下滑翔机应用情况比较

比较项目	200米水下滑翔机	1000米水下滑翔机
应用海域	近岸海域及温跃层	外海及大洋
观测尺度	中小尺度	宏观尺度，跨洋盆
监测对象	高时空变率	低时空变率
主要客户	海洋学家 海岸环境安全保障	海洋学家 大洋环境安全保障

除海洋动力环境、海洋水质生态环境监测之外，海洋声学环境观测也是水下滑翔机的重要应用领域，比如搭载单通道水听器观测海洋环境背景噪声，搭载矢量水听器或者多通道的水声阵完成声学目标的探测、定位和跟踪，以及搭载声学通讯设备作为水下更大深度观测设备的水面通讯中继站等。然而上述声学应用大可不必使用深海型水下滑翔机，比如美国海军近海岸战场感知计划（Littoral Battle-space Sensing）中采购的150台Slocum浅海型水下滑翔机和当前美国海军大力资助研发和试验的Liberdade系列XRay1、XRay2和ZRay翼身融合水下滑翔机均为300米以浅。

四、浅海型水下滑翔机国内技术现状

2012年初，天津大学借鉴Teledyne Webb Research公司关于Slocum Electric的设计开发思路联合国家海洋技术中心等单位开始研制浅海型水下滑翔机。直到目前，已经研制完成了200米和500米额定潜深的两款海试样机，并命名为Petrel 200和Petrel 500。Petrel 200和Petrel 500除了壳体厚度以及浮力驱动单元不同之外，其他零部件完成一致（见图8）。

图8   Petrel 200和Petrel 500样机

与Petrel 500相比，Petrel 200的单元测试和海试相对充分，直到目前，Petrel 200已经在东海、南海、黄海等海域进行了多次海上试验，试验项目分别包括：数据与指令卫星远程通讯、200米大深度剖面试验、CTD多参数数据采集、轨迹规划及路径跟踪试验、岸基远程任务规划试验等，各项试验均取得预期效果。

同时，基于对Petrel 200的电机减速机的选配拓展出了50米、100米两款水下滑翔机，并开展了部分室内模拟试验、湖试和海试。当前，Petrel 50、Petrel 100和Petrel 200的功能均已完成验证，其中，Petrel 200于2014年6月29日早上7点从海南三亚海区布放，连续工作时间32天，剖面数总计900多次，获取了温度盐度剖面信息，航行直线距离600多公里（见图9）。

图9  Petrel 200南海水下试验

天津大学、国家海洋技术中心等单位根据Teledyne Webb Research公司关于Slocum水下滑翔机配载传感器客户化定制的思路，对Petrel系列水下滑翔机的模块化中间负载舱段进行标准化设计，同时根据自身传感器研究经验和技术积淀，为1000米以浅额定潜深Petrel系列水下滑翔机研制了Glider CTD，单通道水听器，PH值与DO传感器，MEMS测波仪，核监测传感器等（见图10）。其中，Glider CTD，MEMS测波仪和核监测传感器已经完成小规模海试，PH值和DO传感器和单通道水听器正在实验室实验阶段。

图10  Petrel 200水下滑翔机的客户化传感器定制

五、总结

与大洋深处动力环境相对稳定不同，深海区海洋温跃层以及近海岸、陆架坡折等区域海洋动力环境复杂多变，而且与人类生产生活联系密切：如温跃层对往来船只（包括潜艇）产生重要影响，近海岸与海洋渔业、海洋经济和海洋安全密切相关，中小尺度各种海洋现象均在近海岸、陆架坡折和深海区温跃层出现，所以美国的水下滑翔机历史轨迹均密密麻麻的点缀在了美国近海东西两岸的陆架海域，加拿大、澳大利亚和欧洲沿海国家也不例外。

浅海型水下滑翔机（如Slocum 200）相对深海型水下滑翔机（如Slocum 1000、Spray和Seaglider）具有平均前向速度快、转弯与折返机动性高、能源与载荷搭载量大、下潜驱动浮力损失小、数据与指令回报频次多、锯齿形剖面密度高等突出优点，更加适合观测发生在近浅海、陆架坡折和深海温跃层的中尺度涡、上升流等高时空变率海洋现象，同时也会更好的服务于我国近海岸的环境保护和海洋环境安全保障。

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【作者简介】本文来自《海洋技术》（2015年第4期），作者：杨燕、孙秀军、王延辉等，编发已征得作者同意，版权归杂志社与作者共同拥有。通讯作者孙秀军，1981年出生，山东沂源人，博士，副研究员，国家海洋技术中心，主要从事海洋环境机动观测平台技术方向研究；2011年博士毕业于天津大学机械工程学院，美国佐治亚理工学院电气与计算机工程专业联合培养博士，河北工业大学硕士生导师，2014年度863重大研究课题负责人，科技部海洋技术领域专家库成员；连续十年从事水下机器人研究，先后主持研发有缆控水下机器人（ROV）、自主水下航行器（AUV）、水下滑翔机（Underwater Glider）、波浪滑翔器（Wave Glider）、自持式剖面浮标（Profiler）等多型海洋移动观测平台；自2007年至今在科研一线长期从事海洋环境监测移动平台的理论计算、结构设计、电控设计、仿真分析、程序编写和海洋环境监测应用研究等工作，作为项目负责人或技术负责人主持和参加过多项自然科学基金、863 计划（重大项目）和国家科技重大专项项目的研发工作，发表论文20余篇，其中10余篇被SCI或EI 检索，申请发明专利30 余项，其中授权20余项，同时合著发表水动力学学术著作1 篇。在此，特别感谢本文作者对我们微信公众平台的信任与支持，其他平台如需转发，务请备注作者及文章出处，谢谢配合。

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