AUV远距离快速布放方法研究

2020-11-29孙庆鹏黄宏友

数字海洋与水下攻防 2020年4期

孙庆鹏，黄宏友，田彬

（中国人民解放军92213部队，广东湛江 524064）

0 引言

随着海洋技术的发展，无人水下航行器（UUV）的应用越来越广泛。当前无人水下航行器可以分为2大类—自主式无人水下航行器（AUV）和遥控式无人水下航行器（ROV）。AUV在水下航程越来越远，自治程度越来越高，近几十年来发展迅速，为探索大洋发挥了重要的作用；ROV受脐带缆的影响，一般在母船附近，主要执行水下搜寻、救助打捞任务，其型号种类繁多，发展日趋完善。本文将结合近几十年来 AUV的发展状况，基于AUV的常用的布放方法，探讨几种应急情况下AUV远距离的布放方法。

AUV的常用布放方式大致可以分为母船布放方式和潜艇布放方式。母船布放方法在国内外研究较多，技术相对成熟，可靠性高；存在的缺点是快速反应性不够，在应急救援、抢险救灾、环境勘探、态势侦查时反应不够迅速，信息获取速度慢，决策者不能及时获取所需要的信息。

本文主要研究在应急条件下AUV远距离的快速布放方法，其目的是为了在应急条件下更好地发挥AUV的作用，为数据获取、态势掌控、辅助决策等提供支持。本文将主要探讨火箭助飞布放、飞机空投布放、水下运载平台布放、母船雷轨布放、无人水面艇布放等几种方法，以及这几种方法的主要特点和技术难点。

1 火箭助飞布放方法

当前，火箭助飞鱼雷技术的研究比较成熟。火箭助飞鱼雷[1]也称反潜导弹，是 20世纪 50年代发展起来的一种攻击核潜艇和常规潜艇的武器。如果将这种技术移植到AUV的使用上，可以研制出火箭助飞AUV，这将大大促进AUV的使用及相关技术的发展。

1.1 布放方法及工作原理

火箭助飞AUV主要由作为工作部的AUV、作为运载体的导弹和分离组件、作为助推器的火箭发动机等组成。可以由水面舰艇或者潜艇发射，由火箭空中助飞到预定点，在降落伞的作用下稳定减速后入水，并按照预先设定的程序进行水下作业。

AUV在发射前，可以选择处于开机、入水后开机、定时开机等状态形式。其入水时初始状态参数可以从导弹获取或者自身传感器获取。从导弹获取时，需要由信号线从导弹引出到 AUV，这样设计结构比较复杂；AUV本身可以带有GPS、北斗等定位装置，以及惯导、水下DVL等设备，可以实时获取或者推算当前所在的位置信息。在 AUV入水工作后，为更精准获取当前位置，可以定时浮至水面进行位置校准，之后再执行水下任务。

1.2 主要特点及技术难点

火箭助飞AUV应具有以下特点：1）利用火箭作为助推器，使AUV水下工作前的大部分航程依靠火箭助推动力在空中完成，解决了远距离的问题；2）具有全天候作业能力，受海况等影响小；3）具有快速反应能力，使用突发性强，确定海域后可迅速发射；4）可全方位发射，与船舶的航向、航速无关。

火箭助飞AUV的研制主要有以下技术难点。

1）火箭助飞AUV总体方案。

火箭助飞AUV总体方案的研究涉及到水下机器人和导弹两个行业，包括弹道式和飞航式火箭助飞AUV两类。其中弹道式火箭助飞AUV速度高、航程远；飞航式火箭助飞AUV可以根据目标数据修正空中飞行弹道，导引精度高。如何利用现有的研究成果，全面分析弹道式和飞航式火箭助飞AUV的特点，综合各方面的优势，制定出总体方案，是进行火箭助飞AUV研制的关键环节。

2）AUV与导弹分离及接口技术。

火箭助飞AUV是利用导弹将轻型AUV运载到预定位置后，AUV与导弹分离。AUV与导弹分离后的运动状态就是降落伞系统空中运动的初始条件。因此，AUV与导弹分离条件及分离过程直接影响着AUV的入水参数。此外，AUV与导弹分离条件和分离方式的设计关系到AUV与导弹能否安全分离及AUV所需承受的最大载荷，这直接影响着AUV的安全性。

3）空投附件。

空投附件包括空中稳定装置、AUV前端保护帽、螺旋桨制止器等。为了保证与导弹分离之后，AUV按预定的弹道稳定减速飞行，并以符合要求的入水参数入水，必须配备空中稳定装置。AUV入水时，必须采取入水缓冲措施，确保AUV入水时的结构尤其是头部装置不损坏。

2 飞机空投布放方法

空投AUV是飞机携带AUV到达预定海域进行空中布放，弥补了AUV航速低、航程短的缺点，且便于携带、投放简便。AUV投放后经空中弹道在目标区域附近入水，由于入水点位置的随机性，AUV投放存在入水散布的问题。空投AUV的入水散布误差会影响其执行水下任务，从而影响 AUV的工作效能。

2.1 布放方法及工作原理

空投AUV的飞机[2-5]可以是直升机、战斗机，甚至是无人机，不同类型飞机的挂载方式也不同。直升机可以挂载在舱外或者空中吊着 AUV，战斗机可以挂载在导弹的位置，无人机挂载位置要根据无人机自身的设计构造来说。同时，AUV各种挂载方法需要经过试验验证才能正常地投入使用。

这里以直升机为例进行说明，直升机空投AUV在空中必须打开降落伞，并且AUV的开伞充气时间很短（一般小于0.1 s）。打开降落伞的目的是为了给AUV在下落过程中减速，使其接触水面时没有太高的速度，确保AUV入水后各项指标正常，能够正常开展水下作业。

降落伞[6]主要有有肋导向面伞、无肋导向面伞、十字形伞、平面圆形带条伞、盘缝带伞等几种。降落伞的开伞方式有一级开伞和二级开伞。控制降落伞阻力面积的方法有伞衣底边收口、串联降落伞系统、多级伞绳收口等方法。AUV具体选用哪种伞型、开伞方式及控制阻力面积的方法，需要根据AUV的实际情况确定。

AUV入水后，通过本体的微正浮力以及系统自身的控制首先浮出水面，通过 GPS或者北斗信号获取自己目前所在的位置信息。AUV根据自己目前所在的位置能够自动规划航路至执行任务的起始点，到达执行任务的起始点后自主开始水下作业。水下作业完成后，能够按照预先设定的位置出水，发送目前所在的位置，等待回收作业。

2.2 主要特点及技术难点

飞机空投布放的主要特点：

1）反应迅速，准备时间短，能够快速到达预定海域执行水下作业，相比于水下航行至目标海域能够节省很多时间。

2）续航力强，水下作业可持续时间长。AUV空投布放一般是在陌生海域或者有争议的海域作业，如果水下远距离航行过去，势必消耗AUV大量的电量，AUV的实际作业时间会大打折扣，其效用较低。

3）隐蔽性差，易受干扰。在AUV布放入水工作后，敌对势力会千方百计地破坏我方的探测活动，如采用潜艇发射鱼雷、投掷深水炸弹等干扰我方AUV正常作业。

飞机空投布放的主要技术难点：

1）挂载方式多样，通用性不强，难度较大。AUV的样式多种多样，不同型号的挂载方式也不一样，甚至会影响到飞机的飞行安全，对飞机的性能要求较高。

2）飞机空投的降落伞需要特制，其形状大小及安装位置跟AUV的造型有关。安装不恰当的位置会使AUV在空投过程中位置出现较大的偏差，或者降落伞没有起到应有的效果，导致AUV入水时速度过快或入水角度不对。

3）AUV的运动过程及入水位置受直升机运动速度及投放高度的影响。在相同条件下，直升机投放速度越大、高度越高，造成的AUV入水点散布就越大。这些现象都将导致AUV入水位置的不确定性，进而影响其水下作业过程。

4）风速向对AUV入水点有较大的影响。风对AUV空中弹道的影响，将使其飞行方向和飞行距离产生偏差。横风主要影响AUV的飞行方向，纵风则主要影响它的飞行距离。

3 水下运载平台布放方法

水下运载平台即水下运载器[7-9]，是一个水下高技术仪器设备的集成体。它除集成有水下运载器的推进、控制、动力电源、导航等仪器和设备外，还需根据应用目的不同，配备声、光、电等不同类型的探测仪器。这样，水下运载器可以作为人类进行水下研究、观测和作业的动态实验室平台，作为人类智能和各种感官、器官在水下的延伸，去完成人类肌体无法直接达到的各种水下环境的探索任务。

本节介绍的水下运载平台，主要是用来运输AUV的设备。在码头或者母船上将AUV装载到水下运载平台，水下运载平台再按照预定的航向将AUV运送到目标海域。在运送过程中，为了获取更准确的位置信息，中途可以上浮获取 GPS或者北斗信号进行位置校准。

3.1 布放方法及工作原理

水下运载平台到达预定海域后，AUV要开机工作并且从水下运载平台上释放出来，其过程就是在水下运载平台上装载AUV的反过程。水下运载平台通过释放对AUV的束缚，AUV靠自身动力或者浮力离开水下运载平台，或者水下运载平台主动远离AUV。在释放AUV前，水下运载平台可以给AUV初始位置信息；或者释放AUV后，其主动上浮搜索信号，根据获得的位置信息确定目前所在的位置。

AUV与水下运载平台脱离后，水下运载平台的投送任务已经完成，接下来主要依靠 AUV自身的动力及导航设备进行工作。AUV作业完成后可以主动寻找水下运载平台会合或者等待水下运载平台前来会合。二者水下结合后，AUV不再动作，通过水下运载平台将AUV运回码头或者母船附近。

3.2 主要特点及技术难点

水下运载平台的主要特点：

1）航行隐蔽，不易被敌人发现。水下运载平台除进行位置校准外全程在水下航行，在敌人未布放声呐的情况下，很难发现其在水下的位置。

2）航行安全，受外部干扰较小。由于其在我方控制范围内开始布放，航行过程又在水下，敌方很难发现我方水下目标去向。

3）探测距离远，探测范围广。AUV在水下运载平台布放前耗电量较小，主要耗电集中在水下运载平台，所以到达探测区域后有充足的能源进行水下探测。

4）水下航行速度慢，获取信息实时性较差。水下运载平台将AUV运输到目标海域所需的时间远远大于火箭助飞布放或者空投布放，信息比较滞后，影响我方实时掌握态势信息，工作会有一定的被动性。

水下运载平台的主要技术难点：

1）AUV控制技术[10]。AUV需要长时间装载在水下运载平台上进行航行，其位置会对水下运载平台的机动性能有较大的影响。长时间携带 AUV将消耗其大量的能力，对其续航力有较大的影响。同时，为保证运载平台在水下可靠航行，其浮力应该能够动态调节。

2）远距离精确导航控制技术。水下运载平台在远距离航行时，主要依靠自身携带的惯导系统。最常见的惯导设备有加速度计、DVL，其在水下进行航位推算。但是，受海流不规则流动的影响，其航位推算会随着时间产生较大的偏差。为纠正其在航行过程中的位置偏差，可以在航行一段时间或者距离后出水校准位置，然后继续航行，这将会增大其暴露的风险。

3）大航程动力推进技术。水下运载平台要想航行得远，就必须有充足的能源。这就需要研发由直流电动机、无级变速装置、高能电池和高效螺旋桨组成的动力推进系统。同时，其可靠性、安全性、防水性、低噪声特性也要考虑进去。其设计是一个复杂的系统工程。

4）水下数据通信技术。水下运载平台与岸基平台的通信、水下运载平台与码头的通信、水下运载平台与AUV的通信主要是采用水声通信技术。如何实现水声高速率数据传输技术是目前研究的重点，因为水声通信受海域情况的影响比较大。

5）高效低功耗传感器及数据采集技术。水下运载平台在航行过程中为避免障碍物、与其它设备通信、数据采集等都要消耗大量的能量，研究低功耗数据采集技术就是以尽可能少的能量获取需要的数据。

4 母船雷轨布放方法

一般船舶上没有雷轨，但是雷轨加装比较简单。水面舰船一般都有雷轨装置，雷轨的好处是方便用来运输鱼雷、水雷等武器设备。水面舰船布放鱼雷可以通过雷轨运输到发射位置，装填到发射平台后进行气动发射。水雷一般可以通过雷轨直接运输到船尾，在合适的地点直接将水雷推到海水中。如果将水雷这种布放方法移植到AUV布放上，将大大提高AUV的快速反应时间，而且不需要母船，在停车状态下就可以进行布放。将其投放到预定目标点后，可以快速进入水下作业状态，减少了航行至目标点的时间，节省了能源，提高了效率。

4.1 布放方法及工作原理

母船雷轨布放AUV的主要方法步骤：1）到达预定目标点前，在母船上对AUV进行技术准备，准备完毕后将 AUV吊放到雷轨轨车上并固定AUV及雷轨。为保证AUV顺利布放，母船船尾雷轨一般是向下倾斜的。2）准备进行布放时，首先解除雷轨及AUV的限制，推动轨车向母船船尾移动至雷轨倾斜处。到达预定目标点后，推动雷车沿雷轨向下滑动，AUV及雷车借助向下的惯性进入水中，在母船航行的同时可将雷车通过缆绳收回。

AUV入水后，其状态一般是头部向下倾斜的，利用自身的微正浮力和动力调整在水中的状态。AUV首先获取自身所在的位置和状态信息，然后按照预先设定的航路执行水下作业任务，作业完毕后在预定目标点待命等待回收。

4.2 主要特点及技术难点

母船雷轨布放的主要特点：

1）操作简单，技术准备时间短。在母船航行至目标海域的过程中可以进行技术准备，到达预定区域后通过雷轨布放，只需较少的人员就可以完成。

2）安全系数高。船舶在航行状态下通过雷轨布放，受海况影响比漂泊状态下显著减小。

3）布放时间短，效率高。传统通过吊车进行水面布放时，需要母船调整航行然后停车漂泊。吊车在起吊过程中需要较多人员牵引绳子以保障 AUV的安全。因此，传统布放方法消耗的时间较多。

母船雷轨布放的主要技术难点：

1）AUV的造型多种多样，因此，需要根据每个型号的AUV定制特种的雷车，并且固定起来也比较麻烦。

2）AUV的布放过程中要避免磕碰。当 AUV体型较长、重量较大时，在推动雷车滑行入水的过程中，AUV可能会接近垂直入水，并且威胁到人员和母船推进器的安全。

3）没有雷轨的母船需要加装雷轨，这就会造成船体的改动，并影响船体的安全性，因此需要统筹考虑。

4）在航行过程中回收雷车具有较大的危险性，需要统筹考虑航向、航速、风向、流速等多方面的因素。

5 无人水面艇布放方法

无人水面艇[11]（USV）是一种小型水面智能任务平台，其研制过程涉及船舶设计、运动控制、数据融合、人工智能等多个专业领域。当前，国内外关于USV的研究日趋成熟。本节研究的USV布放AUV方法，对于提高AUV快速作战效能具有较强的现实意义。

5.1 布放方法及工作原理

USV布放AUV方法主要可以分为4种：

1）AUV装载在USV艇内。当AUV布放时，首先解脱对AUV的束缚，USV通过减小浮力使本体下沉。AUV接触水面后，USV向前航行，或者AUV向后退车，实现二者分离。分离后，USV通过增加浮力恢复正常状态。

2）AUV装载在USV的底部。解除对AUV的束缚后，AUV首先在重力作用下下沉。USV前进并带动AUV上的重力模块，与AUV分离。分离后AUV呈微正浮力状态。

3）AUV固定在USV的舷侧。解脱束缚后，在海流的作用下，二者可以自动分离，或者 USV主动航行，与AUV分离。

4）USV拖带AUV。到达目标海域后，USV通过发送指令使二者分离，AUV进入自主工作状态。

USV与AUV分离前，AUV要完成启机工作，检测各项功能正常后才可以分离。二者分离后，AUV需要主动获取当前所在的位置信息和状态信息，然后按照预先设定的程序自主执行水下作业任务。作业完毕后，USV与AUV会合，二者结合后，返回预先设定的区域待命。

5.2 主要特点及技术难点

USV布放的主要特点：

1）无人参与。USV与AUV从航渡、开始执行作业任务到返回，全过程都靠预先设定的程序实现，控制人员可以通过无线电、北斗、GPS等获取目标状态及位置信息。

2）成本低，可重复性好。USV由于体积小，消耗的燃油等物资远远少于大型船舶，同时也不易被敌方发现。

3）航速快，效率高。USV的航速可达到30 kn以上，可以迅速完成部署并执行任务。

USV布放的主要技术难点：

1）受海况影响较大。USV由于体积小，重量轻，在风浪较大的情况下无法执行任务，具有一定的局限性。

2）USV携载或者拖曳AUV，对本身的机动性能和浮态具有一定的影响，需要进行综合分析考虑。

3）USV本身的导航精度会存在一定的偏差，航行位置需要定期进行校准，面对风和海流的自我控制能力不是很强，续航力也只有几百海里。

4）USV回收 AUV，在没有人员参与的情况下，具有较大的难度，需要二者高度协同才可完成回收任务。

6 不同平台远距离快速布放的注意事项

在火箭助飞AUV布放过程中，由于AUV飞行速度较快，其内部构造要抗震，入水时要能够抗冲击，整体构架要进行加固，这无疑增加了 AUV的重量；飞机布放AUV时，其布放主要是要做好抗冲击，在入水时其头部会受到较大的冲击力，需要特别加固；使用水下运载平台进行布放时，要克服在水里长期浸泡的影响，防止电器元件老化或者锈蚀引发的系统故障；进行母船雷轨布放时，其入水头部也要做好抗冲击措施；使用USV进行布放时，AUV也要做好加固措施，防止因远距离航行颠簸引起系统故障。

AUV的尺寸也会对布放有较大的影响。AUV重量较大时，在进行火箭助飞布放或空投布放的时候，其所需要加固的部位也就越多，火箭助飞所需要的燃料越多，降落过程中需要的降落伞越大；水下运载平台布放的机动性能也将受到影响，母船雷轨布放的操作也比较麻烦，无人艇的机动性能及浮态也会受到较大影响。从中可以看出，随着 AUV重量的增加，布放难度系数都将加大。

与传统的布放方式相比，这几种布放方式的研究还不是很充分。如何加固AUV、加固强度多少、受冲击的大小还缺乏定性分析和定量计算的数据，需要进行建模仿真计算和实际投放检验。

在使用这几种快速布放方式进行 AUV布放的同时，其海上回收问题也需要进行认真的考虑。在争议海域如何安全回收是一个比较麻烦的问题，有2种解决办法：1）预留足够的电量，执行完任务后航行至无争议区域等待回收；2）预留电量不足的情况下，在无争议区域释放水下运载平台，通过水下运载平台与AUV对接，将其运载或者拖曳至安全区域进行回收。在进行 AUV回收时，同时要考虑的问题是这种非常规的布放方式会对AUV的结构有较大影响，在回收时会增加相应的回收困难。