水下滑翔机工作原理？都有哪些优缺点?

海洋是一座天然宝藏，蕴含着大量的资源。随着海洋技术的快速发展与人类对海洋开发日益增长的需求，用于目标探测、海域信息侦察监测和信息威慑的军事装备以及军事装备的隐身化越来越受到重视。水下滑翔机是近年来诞生的一种新型无人潜航器，其独特的设计显示出了极大的优势。水下滑翔机是认识海洋、经略海洋、保护海洋的重要工具，其在海洋资源探索、海洋资源开发以及海洋国防安全方面具有广泛的应用前景。

“海燕”水下滑翔机，来自科技日报

一、水下滑翔机概述

⒈水下滑翔机概念

与在空中飞行的滑翔机类似，水下滑翔机融合了浮标技术、潜标技术及水下机器人技术，利用鱼鳔的工作原理，依靠自身重力与浮力平衡关系推进的带翼无人水下航行器，其本身并无螺旋桨等主动推进装置。

用于调节水下滑翔机重力与浮力关系的是安装于水下滑翔机内部的浮力变化发动机（简称“浮力发动机”），浮力发动机利用布置于湿端的柔性囊调节排水的体积，实现上浮与下潜，利用机翼或机身内部可前后移动的质量滑块（一般为电池包）形成俯仰力矩，在上浮下潜的过程中保持稳定的攻角滑行，在滑行过程中，仅在水面或水下预定深度调整姿态时消耗少量能量，部分水下滑翔机甚至可以在水面接收太阳能或在滑行过程中利用不同深度的海水温差产生能量，因此非常节能。

目前水下滑翔机的转向方式主要有2种，一种是通过质量滑块的横向移动或不对称电池包的旋转形成横滚力矩，另一种是通过转向舵实现转向。因此水下滑翔机在运动中必须通过上浮下潜才能前进及转向（水下滑翔机没有后退功能），故在无强海流干扰的理想条件下，其运动路线为锯齿形（亦称“之字形”）。在水下滑翔机上浮至海面附近时，利用安装于尾部的通信天线可向外发出其搭载传感器搜集到的数据，实现与空中及水面等平台的双向通信。水下滑翔机巡航速度一般小于1kn，其控制系统及传感器负荷所消耗电能也非常低，平均不超过1W，一些滑翔机续航力可以超过6个月/3000km。

⒉水下滑翔机分类

目前水下滑翔机的浮力发动机主要有2种，一种是基于油液的闭式回路浮力发动机，主要用于剖面滑翔机，该种浮力发动机与潜艇压载系统类似；另一种是基于海水的开式回路浮力发动机，主要用于长途滑翔机。这2种浮力发动机通常都仅由小型电泵驱动，电泵在工作过程中仅产生低水平间歇自噪声，水下声学目标强度低，隐身性能好，适用于被动水下监测应用或需要隐身特性的应用。

相比于基于海水的开式回路浮力发动机，基于油液的闭式回路浮力发动机的缺点是需要一直携带工作流体（油液），导致滑翔机净浮力调节幅度范围较小，约为开式回路浮力发动机的50%，姿态调整相对不灵敏，动力相对较弱。且在滑翔机浮力调整过程中，油液在压力突降时，容易由液态变为气态，造成排水体积膨胀，不利于浮力调整。

⒊水下滑翔机优缺点

⑴优点

①相较于其他水下航行器，水下滑翔机最大的优点是续航持久，待机时间长在水下滑翔机工作过程中，其仅在调整自身姿态时才启动其主要动力调整机构—浮力发动机，其余绝大部分时间保持其姿态稳定即可，浮力发动机动作时间仅占滑翔机潜水总时间的几个百分点，对前进的速度要求并不高，耗费的能量极少。相对于其他水下航行器，水下滑翔机的续航力和待机时间优势非常明显，目前主流水下滑翔机每次水下工作航程都可以达到15000km，待机时间可以超过30天。

②隐身性能好。水下滑翔机的自噪声（声、电、磁等）非常弱，声学截面积比较小，几乎没有尾迹，隐身性能较好，非常适合搭载被动探测设备进行水下监测等任务。

③与螺旋桨驱动相比，带翼结构的水下推进器平台航行稳定性更高，航行效率更高海洋的稳定分层使海水湍流干扰较小，滑翔机在水中上浮下潜过程中，外界水环境对其姿态影响较小，因此不需要太多航行控制，且其自身的水下滑翔翼结构也增加了航行稳定性，有利于提高航行效率。

④效费比高。水下滑翔机可在恶劣环境下连续执行任务长达数月，任务覆盖水域范围可达上千千米，且成本较低，这是有人舰艇和其他无人水下航行器所不具备的优势。水下滑翔机布放回收非常简单经济，投放时，通过小船即可投放入水，也可通过舷侧绞车或门吊投放。回收时，可直接回收至小船上，也可利用较大型水面舰艇甲板上的门吊或绞车回收。

⑤能够适应恶劣复杂的水下环境。水下滑翔机为无人运动平台，因此可深入到人类无法到达的恶劣环境中长时间执行任务，如可在南北极冰盖下方运动数月，也可在几千米的深海或者几十米的浅海区域执行任务，并不需要充足氧气或食物的支持。

⑵缺点

①水下机动性能弱。与潜艇相比，水下滑翔机在水下的航行速度慢，影响了其机动能力，且水下滑翔机要产生前进的推力，其深度必须持续变化，难以在水中同一水平深度保持航行。

②携带负载能力有限。由于水下滑翔机大多体型较小，可调节排水体积一般不到10L，浮力调节能力有限，暂时无法携带鱼水雷等较重的负载。即使重量较轻的武器，在发射后会对水下滑翔机自身重量产生影响，增加了控制系统的工作难度。但水下滑翔机可携带水下轻武器或炸药等对蛙人等敌方目标进行打击，随着水下滑翔机的大型化发展，水下滑翔机的载重能力也会逐步提升。

③水下滑翔机驻留水面附近时容易受损。与其他水下航行器类似，当水下滑翔机驻留水面附近时，由于水面舰船碰撞、恶劣海况、渔网缠绕等原因，滑翔机容易受到损伤，影响正常工作。

④水下滑翔机驻留水面附近时隐身性变差。受水下通信方式的限制，水下滑翔机在长距离航行后，要建立与岸上或空中的通信联系，必须将天线等部位露出水面，以实现较为稳定快速的双向宽带无线通信，这就增加了水下滑翔机被发现的概率。

⑤航行性能较弱。由于水下滑翔机体积小，电能存储能力有限，故其加载水下传感器的能力也受到一定限制。受能源的限制，在反潜战中，水下滑翔机不论是速度还是持久力，都不能满足单滑翔机对潜艇的连续跟踪。另外，水下滑翔机在长时间水下工作过程中，表面会不断附着海生物，增加其航行阻力，改变其运动特性，对水下滑翔机的控制系统提出了挑战。

⑥观测器材探测能力受限。由于水下滑翔机的负载携带能力有限，一些大型的声呐基阵或其他探测系统无法密集地配备于水下滑翔机的机身之上。目前主流的探潜声呐主要为低频声呐，体型重量较大，限制了水下滑翔机的潜艇探测能力。但近年来，随着钹式水听器、拖曳式光纤水听器等一批轻量化、小型化探测器及其基阵的发展与成熟，水下滑翔机所携带的探测器不断丰富，其探测能力也不断提高。

⑦实时通信能力弱。水下滑翔机与外界的通信基本依靠周期性浮出海面时的卫星通信进行，在一个上浮下潜周期内，水下滑翔机大多数时间处于水下，依靠电磁技术的卫星通信在水下无法有效进行，因此滑翔机的实时通信能力较弱。

⑶其他特点

①具备无限深度航行的能力。无限深度航行的能力，是指水下滑翔机在承压范围之内，可自由在大深度水域至水面之间航行，没有特定的深度限制。美国的Seaglider和Spray滑翔机就是为实现无限深度航行而设计的，可以用于获取海洋水团特征垂直剖面。为具备无限深度航行的能力，水下滑翔机在设计上应具备以下功能：航程远；续航速度足够支持水下滑翔机在保持较低能耗的同时穿越大范围海洋环流；有效体积载荷小到中等；无效体积载荷最小；壳体为中等压缩率条件下具备较强耐压能力。

②具备有限深度航行能力。有限深度航行的能力，是指水下滑翔机可在特定水深范围内进行长途航行。美国的Clocum就是为有限深度航行而设计的水下滑翔机，通过活塞泵作为其浮力发动机，使其具备快速调节自身浮力的能力，从而在接近设定深度上限或下限时，快速改变潜水方向。为具备有限深度航行的能力，水下滑翔机在设计上应具备以下功能：冲刺速度快，可冲破强劲的沿岸海流；有效载荷体积小到中等；无效载荷体积最小；俯仰和横滚响应迅速精确，以避免在有限尺寸的海域发生翻转或搁浅；在海面波浪条件下航行控制具有较强的鲁棒性；具备一定拖网渔船防范措施。

③具备二维定位能力。所谓二维定位能力，是指水下滑翔机在完成某项任务后，在海洋中指定地点保持位置的能力，以利于与水上空间的无线通信、收集某经纬度范围内不同深度海洋水文信息或等待回收等，美国的Seaglider、Spray和Clocum均具有二维定位的能力。为具备二维定位的能力，水下滑翔机在设计上应具备以下功能：待机时间长；具备足够的巡航速度，以便穿越海流或在海流中保持位置；可以产生足够的正负浮力或自身携带锚泊装置，以使水下滑翔机可以稳定驻留于海床；有效载荷体积小到中等；无效载荷体积最小；俯仰和横滚响应迅速精确，使水下滑翔机可以在有限空间范围灵活机动；在海面波浪条件下航行控制具有较强的鲁棒性；具备一定拖网渔船防范措施。

④可进行远距离货物隐蔽运输及挂载功能载荷。水下滑翔机所具备的良好水下隐身性能和超长续航能力（航程远、航行时间长），可以应用于水下货物远距离隐蔽运输或自身挂载功能载荷。为具备有挂载运输的能力，水下滑翔机在设计上应具备以下功能：同时具有无限深度和有限深度作业的能力；巡航速度要足以穿越大范围海洋环流和沿岸流；有效载荷体积较大；无效载荷体积最小。

二、国内外发展现状

⒈国外现状

⑴剖面滑翔机

1989年，Stommei根据浮标可在水中长时间工作的特点，提出了一组称为Slocums的水下滑翔机来绘制海水特征剖面。此类水下滑翔机的设计初衷是为了绘制海水特征剖面，与Stommel首先所提出的概念类似，因此也被称为剖面滑翔机，目前美国主流剖面滑翔机包括Slocum，Spray和Seaglider，这3种水下滑翔机外型均为带翼旋转体，此种外型设计可减小水下滑翔机在水中的阻力，并以较大角度上浮和下潜，有利于采集海水垂直剖面数据。

⑵长途滑翔机

在剖面滑翔机不断发展进步的同时，在2005−2010年，又开发出另外一种滑翔机，称为长途滑翔机，主要用于执行长时间长距离的探潜等海洋被动监测任务。该滑翔机具备较大的有效载荷和载货能力，可以进行点对点长途货物输送。目前有多种长途滑翔机被设计制造出来，其中2种飞翼型滑翔机Liberdade/X-Ray和Liberdade/Z-Ray已经过海试验证，X-Ray和Z-Ray使用了基于海水的浮力发动机，而其他长途滑翔机大多采用基于油液的浮力发动机。

在动力学上，飞翼型滑翔机（长途滑翔机）的升阻比通常要比传统带翼旋转体滑翔机（剖面滑翔机）高20%～25%，但在子系统适装性上，相比于扁平壳体结构的飞翼型滑翔机，旋转体滑翔机因其圆柱型或球型壳体结构更易容纳安装子系统设备，装载效率更高。

⑶新型滑翔机

为进一步开发水下滑翔机的潜力，美国、加拿大、法国、日本、挪威、新西兰等国家都着手研制更长续航时间/距离、更低功耗和更大运输载荷的水下滑翔机，在此背景下，依靠混合动力、热能、太阳能和波浪能的一系列新概念滑翔机被提出。

①混合动力水下滑翔机。混合动力水下滑翔机是在滑翔机内加装1台螺旋桨推进器，主要用于提高滑翔机在较强海流环境下的航行能力。混合动力水下滑翔机概念的提出，为高续航力螺旋桨驱动的自主水下航行器的发展奠定了基础。

②热滑翔机。为适用于超长航程、无限深度航行及长时间定位，美国在Slocum电池驱动型水下滑翔机（slocumelectricglider）的基础上，研制出了Slocum的热差能驱动型滑翔机（slocumthermalglider），其原理是依靠周围海水主温跃层铅直方向的温度梯度来获取能量。

③大型滑翔机。为满足更远航程、更大负载的需求，水下滑翔机开始向大型化的方向发展，并研制出了Antlittoral，Tethys等滑翔机。

④深海滑翔机。为实现水下滑翔机大深度作业需求，美国华盛顿大学研制出了深海滑翔机Deepglider，设计深度6000m、航程10000km，连续工作时间为18个月，可搭载多种传感器对深海环境进行长航程监测。

⑤仿生滑翔机。英国南开普顿大学海洋中心根据仿生学原理，提出一种形状类似蝠鲼的仿生滑翔机新概念。

图1 英国蝠鲼滑翔机概念图

⑥编队协同组网。随着水下滑翔机技术的进步，为发挥水下滑翔机在海洋监测方面的更大优势，对多种类型的水下滑翔机进行编队协同组网正逐步成为各国研究的热点。

新概念滑翔机的信息总结如表1所示。

表1 新概念滑翔机信息表

⒉国内现状

我国对水下滑翔机的研究起步较晚，但发展进步相对迅速，成果显著。2003年，天津大学与其他单位合作，研制出一种利用温差能工作的水下滑翔机，并在千岛湖成功进行了样机试验验证。2008年，天津大学改进滑翔机的能源供应问题，设计了PEMFC-Thermoengine系统。该系统利用燃料电池发电过程中所产生的热能作为滑翔机的驱动能源，实现了能量的综合利用，也为滑翔机的动力系统设计与研究提供了新的思路与方法。

2005年10月，中科院沈阳自动化研究所自主研制的“海翼”号水下滑翔机成功进行了水下样机试验。“海翼”号水下滑翔机采用锂电池供电，通信导航方面使用铱星通信和GPS导航，且搭载了CTD传感器用来测量水的电导率(盐度)、温度随着深度的变化。

2009年，“海燕”号水下滑翔机研制成功，并在2014年进行了测试，创造了我国水下滑翔机无故障航程最远、航行时间最长等多项纪录，标志着我国水下滑翔机完全自主研制生产的成功。

图2 沈阳自动化研究所“海翼”号水下滑翔机

中船重工710所是国内较早开展水下滑翔机研制的机构之一，也取得了较为突出的成果。其研制的水下滑翔机在结构上除了常规的主翼之外，还可选配加装一对鸭嘴型的副翼。使用副翼后，在消耗相同能量的前提下，水下滑翔机航行里程更远，但航速会有所降低。

中船重工702所目前已经研制出QianShao、USE-1、“海翔一号”3型水下滑翔机，其中“海翔一号”滑翔机采用一次锂电池供电的方式，搭载了叶绿素仪、溶解氧传感器以及CTD传感器等来测量海水相关参数。

大连海事大学设计了一种全对称结构的新型滑翔机，这种滑翔机无侧翼结构，外观看起来为蝶形，可以使滑翔机获得较大的升阻比，利于滑翔机以较低速度在浅水区域航行。由于其结构较圆滑，海底生物难以将其缠绕，更利于海底潜伏监测。通过内部交叉正交布置的2个质量滑块实现水下滑翔机的俯仰与转向，非常灵活，机动性强。

国家海洋研究中心以美国HybridSlocum混合动力水下滑翔机为原型，研发出SunGlider系列国产混合动力水下滑翔机，其尾部同样采用双叶片螺旋桨，且采用了低转速、小推力、无导流与磁力耦合的推进技术。

2017年，江苏科技大学等机构合作研制出蹼翼型波浪滑翔机样机，并进行了水池试验。该滑翔机采用柔性蹼翼，提高了波浪能的利用率，其海面部分顶部装配有太阳能电池板，能够更好延长其工作时间。

三、水下滑翔机发展趋势

⒈模块化

水下滑翔机无论从设计上，还是搭载的测试仪器方面，都体现了模块化。设计中通过模块化的舱段，提高了设备可靠性与安装调试效率。选择搭载不同的测试仪器功能模块，可快速满足不同作业任务的需求。

⒉低功耗技术

能耗决定了水下滑翔机的航行范围和工作时间，降低功耗对水下滑翔机至关重要。水下滑翔机的水平航行速度决定了在能耗一定的情况下所能巡航的距离，航行时阻力大小随着速度的增加而快速增加。从减阻的角度，需要水下滑翔机的航速越低越好；从航程的角度，需要航速越高越好。因此选择一个节能航速对权衡水下滑翔机航程与使用的功耗具有十分重要的意义。

⒊向深海型发展

随着对水下滑翔机技术研究的逐渐深入，深海型滑翔机的研究逐渐成为新方向、主旋律，该类滑翔机可在水下全天候独立工作，在海洋科学、海洋军事与经济等领域发挥着重要作用。

⒋多传感器

随着技术的发展，水下滑翔机可搭载的传感器越来越多，这样获得的水文资料更加详细，更利于海洋的科学研究。

⒌运输效率提高

随着水下滑翔机对负载运输能力需求的提高，水下滑翔机正朝着大型化或新型结构方向发展。①在给定水下滑翔机内部体积的情况下，尽量增大浮力发动机的体积；②制造更大型体积的水下滑翔机；③增大水下滑翔机机翼面积与浸湿面积之比；④在不减小水下滑翔机机翼翼弦的情况下，尽量增加机翼的长宽比。

四、结语

水下滑翔机因其隐蔽性能好、续航能力强、搭载传感器种类多、经济性好等诸多优势，正越来越多地被应用于军用或民用领域。尤其可以替代潜艇等水下平台实现侦察、反潜等任务，较好地达到了“兵器对抗代替兵力对抗”的目的，催生了新的作战概念，对传统战法产生了深刻影响，显现出了独特的优势。