張曉東,劉世亮,劉宇,胡曉芳,高超
1 海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院,湖北 武漢 430033
2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430064
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和對(duì)無(wú)人系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷深入,無(wú)人水面艇(USV)在導(dǎo)航、巡邏、探測(cè)、搜救、反潛戰(zhàn)、反艦戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、海上攔截、水雷對(duì)抗等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力日漸凸顯[1-2]。各國(guó)不斷加大對(duì)USV的研發(fā)力度,使其進(jìn)入了一個(gè)快速的發(fā)展階段[3]。然而,與USV相匹配的布放回收(以下稱(chēng)“收放”)技術(shù)卻處于相對(duì)滯后的狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中,USV收放過(guò)程的自動(dòng)化程度越高,進(jìn)入工作狀態(tài)越快,其任務(wù)執(zhí)行的成功率就越能得到保證,而母船攜帶更多USV參與任務(wù)就更有意義。從此發(fā)展趨勢(shì)看,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)USV收放技術(shù)發(fā)展方向的分析研究,以便能準(zhǔn)確把握未來(lái)USV收放技術(shù)發(fā)展的核心方向,為開(kāi)展具體研究奠定基礎(chǔ)。
目前,小艇收放裝置操作需要有人負(fù)責(zé)駕駛小艇及解掛鉤等輔助操作,難以適應(yīng)艦船處于高航速、高海況時(shí)的需求,這不僅將耗費(fèi)大量的時(shí)間,而且還增加了人員操作時(shí)的危險(xiǎn)性。因采用的是無(wú)人隨艇航行方式,故現(xiàn)有成熟的載人小艇收放裝置不能直接應(yīng)用于USV收放過(guò)程[4-5]。在USV收放技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),現(xiàn)有收放裝置雖然各具特色,但未出現(xiàn)性能特別突出的類(lèi)型。因此,本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,充分調(diào)研現(xiàn)有載人小艇收放技術(shù),在此基礎(chǔ)上,提出安全可靠、迅速高效、能夠適應(yīng)更高航速和海況且自主化程度更高的USV收放技術(shù)。
USV收放技術(shù)是將其快速、安全地部署到水面并高效、可靠地回收到母船的技術(shù)。國(guó)外早在上世紀(jì)就開(kāi)始了USV收放技術(shù)的可靠性和安全性研究,現(xiàn)階段,各國(guó)對(duì)該技術(shù)更加重視。從國(guó)內(nèi)外USV收放技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,主要研究方向包括吊放式收放技術(shù)、艉滑道式收放技術(shù)和塢艙式快速收放技術(shù)。表1和表2所示為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外USV收放技術(shù)的研究現(xiàn)狀。美國(guó)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,在適應(yīng)海況、航速等方面均比國(guó)內(nèi)領(lǐng)先[6]。
吊放式收放技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種艦艇、民用船舶和其他特種船舶中,其技術(shù)已相對(duì)成熟。吊放式收放技術(shù)包括單吊點(diǎn)和雙吊點(diǎn)兩種。單吊點(diǎn)技術(shù)一般適用于長(zhǎng)度不超過(guò)7.5 m的小艇,因其可靠性高、操作簡(jiǎn)單,日益受到重視;雙吊點(diǎn)技術(shù)起吊小艇時(shí)穩(wěn)定性更好,但操作困難,危險(xiǎn)性高,更適合長(zhǎng)度超過(guò)7.5 m的小艇[7-8]。國(guó)外大型艦船上最常采用3種吊放式收放裝置,包括回轉(zhuǎn)式、A架式和伸縮式[9],如表1所示。其中,德國(guó)Global Davit公司開(kāi)發(fā)的吊艇架式工作艇收放系統(tǒng)[10]為典型的回轉(zhuǎn)式系統(tǒng),該系統(tǒng)由絞車(chē)、離心制動(dòng)器和防護(hù)等級(jí)為IP56的電動(dòng)機(jī)等組成,適用于重量為15~36 kN的USV,如圖1(a)所示;美國(guó)5G海洋國(guó)際公司基于母船上現(xiàn)有的吊艇架,正在研究浮動(dòng)托架式吊放技術(shù),該收放系統(tǒng)的未來(lái)設(shè)計(jì)方向是成為一種集自動(dòng)收放、海上補(bǔ)給于一體,適應(yīng)多種無(wú)人系統(tǒng)、多任務(wù)需求的綜合服務(wù)平臺(tái)[11-12];挪威Vest Davit公司研制的HN型雙吊點(diǎn)吊艇架[13]為典型的A架式收放系統(tǒng),其收放裝置的吊鉤距離可調(diào),并設(shè)計(jì)有獨(dú)立的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)平雙卷?yè)P(yáng)系統(tǒng),如圖1(b)所示;此外,Vest Davit公司還開(kāi)發(fā)出了伸縮式TDB型吊艇架[14],該吊艇架配置有自主研制的動(dòng)態(tài)減震器,提供了可供選擇的波浪補(bǔ)償絞車(chē)、拉索器、限位開(kāi)關(guān)和遙控器,并有液壓和全電動(dòng)2種型號(hào),如圖1(c)所示。國(guó)內(nèi)吊放式USV收放技術(shù)研究起步較晚,典型的研究項(xiàng)目有上海大學(xué)設(shè)計(jì)的托架配合吊艇架收放裝置,該裝置主要是在現(xiàn)有載人艇吊放式收放裝置的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究,使其能適用于USV收放作業(yè)。
吊放式收放技術(shù)按照吊放位置分為舷側(cè)吊放和艉部吊放2種方式。如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示,舷側(cè)吊放技術(shù)需要在母船舷側(cè)設(shè)置吊艇架、小艇存放架(如需要)、艏部牽引索等裝置[15-16],并需要登艇設(shè)備以便于人員登上USV完成輔助掛鉤操作等。該收放設(shè)備既可設(shè)置在艙內(nèi),也可設(shè)置在露天部位。圖1(d)所示為美國(guó)“獨(dú)立”號(hào)瀕海戰(zhàn)斗艦艉部伸縮臂式收放系統(tǒng)[17],該系統(tǒng)在伸縮吊臂下方設(shè)置了具有多個(gè)吊點(diǎn)的浮動(dòng)托架。在回收時(shí),USV駛?cè)敫?dòng)托架,對(duì)接鎖定裝置將二者固定,然后跟隨浮動(dòng)托架一同吊起;在投放時(shí),USV跟隨浮動(dòng)托架放入水中,由對(duì)接鎖定裝置釋放,然后倒航駛出。采取該方式收放作業(yè)需要人工輔助遙控操作USV駛?cè)敫?dòng)托架,而收放設(shè)備設(shè)置在艙內(nèi),并用艉門(mén)遮擋存放。
表1 典型的吊放式收放技術(shù)Table 1 Typical launch and recovery technologies of davit
艉部滑道收放技術(shù)主要應(yīng)用在各種艦艇、公務(wù)船和外貿(mào)船上,包括單滑道系統(tǒng)和雙滑道系統(tǒng)[18-21],如表2所示。早在1997年,美國(guó)“海上貓頭鷹”USV就完成了滑道式收放的工程應(yīng)用方案。為配合瀕海戰(zhàn)斗艦的作戰(zhàn)使命,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于掃雷載具領(lǐng)域。美國(guó)物理科學(xué)公司開(kāi)發(fā)了一種通用型艉滑道收放系統(tǒng)[19],可在母船航速為15~20 kn時(shí)實(shí)現(xiàn)載人艇、USV和無(wú)人水下機(jī)器人(UUV)的收放操作。該系統(tǒng)的傳送滑道安裝有可展開(kāi)、大間隔的彈性皮帶,既可在母船艉部水下工作時(shí)有效降低阻力,也可讓USV在彈性皮帶上柔性登船。荷蘭Marine Systems公司與德國(guó)Global Davit公司合作研制了一種新型艉滑道收放系統(tǒng)[20],該系統(tǒng)主要包括控制單元、起落架式坡道和拖曳體,可在4級(jí)海況下實(shí)現(xiàn)USV的安全收放,如圖2(a)所示。法國(guó)研制的OPV90近海巡邏艦[21]為艉部雙滑道式系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例,如圖2(b)所示。目前,國(guó)內(nèi)艉滑道式載人小艇收放技術(shù)較為成熟[22],并已形成單滑道系統(tǒng)、雙滑道系統(tǒng)等不同系列設(shè)計(jì)。然而,為滿(mǎn)足USV的發(fā)展趨勢(shì)和吊放需求,還需在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出適合USV的艉部滑道收放技術(shù)。
艉滑道式收放技術(shù)通過(guò)滑道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)USV的收放作業(yè)。在回收時(shí),USV將選擇合適的沖排時(shí)機(jī),并以高于母船的航速?zèng)_入艉部滑道,由滑道前方的阻攔索與艇艏掛鉤機(jī)構(gòu)自動(dòng)掛接,阻攔緩沖機(jī)構(gòu)則吸收USV沖排時(shí)的動(dòng)能,讓其在短距離內(nèi)受到阻攔而停止,從而實(shí)現(xiàn)USV的回收。在釋放時(shí),USV的電控機(jī)構(gòu)自動(dòng)打開(kāi)掛鉤,此時(shí)艇艏與阻攔索分離,USV依靠自重下滑至水面。若外部風(fēng)浪較大,此時(shí)可采用阻攔張緊裝置將USV推送至距水面較近的位置,然后由其自由下滑[23]。該收放形式需人工輔助遙控操作以克服尾流影響,并對(duì)準(zhǔn)收放裝置沖入滑道。此收放設(shè)備既可設(shè)置在艙內(nèi),也可設(shè)置在露天部位。
表2 典型的艉部滑道式收放技術(shù)Table 2 Typical launch and recovery technologies of stern ramp
關(guān)于利用塢艙搭載USV的技術(shù),現(xiàn)有研究認(rèn)為需針對(duì)塢艙開(kāi)發(fā)適用于USV的快速收放系統(tǒng),包括托架式和滑道式。該收放技術(shù)應(yīng)具有多樣化的特點(diǎn),并與其他收放技術(shù)相比易于實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外暫無(wú)在塢艙內(nèi)快速收放USV的應(yīng)用案例。
塢艙托架式收放系統(tǒng)是將USV存放在塢艙內(nèi)的托架上,出艙前先打開(kāi)艙門(mén)向艙內(nèi)注水,此時(shí)托架上的USV浮起,然后再打開(kāi)鎖定裝置,遙控其駛離托架便可完成布放,而回收過(guò)程與此相反。塢艙滑道式收放系統(tǒng)則是在塢艙內(nèi)設(shè)置傾斜滑道,回收時(shí)打開(kāi)艙門(mén)向艙內(nèi)注水,系統(tǒng)的USV只需駛?cè)雰A斜滑道便可通過(guò)牽引絞車(chē)等多種方式實(shí)現(xiàn)回收,而布放過(guò)程則僅需從滑道滑入水中即可。該收放系統(tǒng)可借鑒圖3所示的載人小艇收放裝置,其收放設(shè)備布置在艙內(nèi),可用艉門(mén)遮擋存放。
如前所述,目前USV主要有3種收放技術(shù)。下文將從設(shè)備配置、空間需求、波浪影響(主要分析橫搖和縱搖影響)、母船航速、適應(yīng)海況、操作情況、收放耗時(shí)等方面對(duì)3種USV收放技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。
1)設(shè)備配置。
舷側(cè)吊放式收放技術(shù)、艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)、艉滑道式收放技術(shù)、塢艙式快速收放技術(shù)均需根據(jù)技術(shù)需求配置相應(yīng)的成套設(shè)備(表3),若設(shè)備采用艙內(nèi)布置,還需要設(shè)置遮蔽裝置[24-25]。
2)空間需求。
舷側(cè)吊放式收放設(shè)備既可布置在艙內(nèi),也可布置在露天部位,采用艙內(nèi)布置時(shí)需要在舷側(cè)設(shè)置開(kāi)口;艉部伸縮臂吊放式收放設(shè)備布置在艙內(nèi),需在母船艉部設(shè)置開(kāi)口;艉滑道式收放裝置既可布置在艙內(nèi),也可布置在露天部位,但需在母船艉部設(shè)置開(kāi)口;塢艙式快速收放設(shè)備布置在艙內(nèi),需要在船艉配置大型塢艙,且對(duì)船體結(jié)構(gòu)有著特殊要求。
表3 收放技術(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of launch and recovery technologies
3)波浪影響。
USV在波浪作用下會(huì)產(chǎn)生包括橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖及艏搖的六自由度運(yùn)動(dòng),其中橫搖、縱搖對(duì)收放過(guò)程的影響最大[26-27]。舷側(cè)吊放式收放技術(shù)主要受母船的興波和海浪影響,二者疊加后產(chǎn)生的劇烈橫搖可能會(huì)使USV撞上母船,而縱搖則給人工解/掛鉤帶來(lái)較大難度[28-30];艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)主要受母船尾流和海浪影響,橫搖會(huì)妨礙USV對(duì)準(zhǔn)托架,縱搖可能會(huì)使USV與托架分別處于波峰和波谷中,不僅使USV進(jìn)入托架變得困難,而且給快速脫鉤裝置鎖定或釋放USV造成障礙;艉滑道式收放技術(shù)也主要受母船尾流和海浪的影響,橫搖會(huì)妨礙USV對(duì)準(zhǔn)艉部滑道,而劇烈的縱搖可能會(huì)使母船艉部升起、離開(kāi)水面,使USV進(jìn)入滑道時(shí)存在較大難度;波浪對(duì)塢艙式收放技術(shù)的影響相對(duì)較小,一旦USV駛?cè)雺]艙,便可關(guān)閉艉門(mén),在塢艙內(nèi)部通過(guò)人工輔助操作實(shí)現(xiàn)收放,可最大限度地降低波浪對(duì)收放過(guò)程的影響。
4)航速影響。
舷側(cè)吊放式收放過(guò)程不適宜在母船高航速下進(jìn)行。在布放過(guò)程中,當(dāng)USV剛?cè)胨畷r(shí),在纜索的拖拽下可能會(huì)造成艇體傾覆。在回收過(guò)程中,當(dāng)USV為完成掛鉤而減速,在速度不匹配時(shí),仍可能出現(xiàn)拖帶導(dǎo)致傾覆的風(fēng)險(xiǎn)[31-32]。艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)在母船航速過(guò)高時(shí)會(huì)增加USV對(duì)準(zhǔn)駛?cè)胪屑艿碾y度;艉滑道式收放技術(shù)在母船航速過(guò)高時(shí)會(huì)增加USV對(duì)準(zhǔn)駛?cè)牖赖碾y度;塢艙式快速收放技術(shù)僅需USV駛?cè)雺]艙,其收放作業(yè)可在艙內(nèi)完成,對(duì)母船航速適應(yīng)性更好。
5)適應(yīng)海況。
舷側(cè)吊放式收放技術(shù)由于受風(fēng)浪影響較大,難以適應(yīng)高海況下的收放作業(yè);艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)和艉滑道式收放技術(shù)受風(fēng)浪影響較小,可在較高海況下完成收放作業(yè);塢艙式快速收放技術(shù)受風(fēng)浪影響更小,可適應(yīng)更高海況下的作業(yè)。
6)操作方式。
舷側(cè)吊放式收放技術(shù)由于受到航速、海況等因素影響較大,仍需人工遙控USV駛?cè)胫付ㄎ恢煤笤龠M(jìn)行解掛鉤操作;艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)受海況等因素影響較大,需人工遙控USV對(duì)準(zhǔn)駛?cè)胪屑?;艉滑道式收放技術(shù)受波浪影響較大,需人工遙控USV對(duì)準(zhǔn)駛?cè)牖?;塢艙式快速收放技術(shù)受航速、海況等因素影響不大,需要人工遙控USV對(duì)準(zhǔn)駛?cè)胪屑芑蚧馈?/p>
7)收放耗時(shí)。
根據(jù)以上分析可知,在一般情況下,3種收放技術(shù)的收放耗時(shí)由短到長(zhǎng)依次為:塢艙式快速收放技術(shù)<艉滑道式收放技術(shù)<吊放式收放技術(shù)。
綜合以上對(duì)比和分析可知,塢艙式快速收放技術(shù)形式受航速、海況等因素的影響不大,但需配置大型塢艙,且對(duì)船體結(jié)構(gòu)要求比較特殊,適合在各種塢船上推廣應(yīng)用;吊放式收放技術(shù)對(duì)母船航速、海況適應(yīng)性較差,人工解掛鉤等操作比較費(fèi)時(shí),安全性較低,可在已經(jīng)使用吊放式收放技術(shù)的船舶上繼續(xù)發(fā)展;艉滑道式收放技術(shù)在空間需求、母船航速、適應(yīng)海況、操作情況、收放耗時(shí)等方面綜合表現(xiàn)更好。因此,本文認(rèn)為艉滑道式收放技術(shù)更適合于USV的收放需要,也符合未來(lái)收放方式的發(fā)展趨勢(shì)[9]。
美國(guó)《海軍無(wú)人水面艇總體規(guī)劃》對(duì)USV收放技術(shù)提出了長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)路線(xiàn)圖,指出了收放技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn),包括惡劣環(huán)境下收放過(guò)程的安全性、可操作性和收放技術(shù)的簡(jiǎn)便性、通用性、便攜性等。上述對(duì)比分析表明,艉滑道式收放技術(shù)代表了USV收放技術(shù)的發(fā)展方向,結(jié)合國(guó)內(nèi)外收放技術(shù)開(kāi)發(fā)面臨的難點(diǎn),有助于準(zhǔn)確判斷該技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì),并開(kāi)展相關(guān)研究[33-35]。
滑道對(duì)于USV停放可以起到支撐作用。在布放時(shí),可依靠重力沿滑道靈活下滑;回收時(shí),也需滑道保持正確導(dǎo)向,并具有一定的碰撞保護(hù)功能[36]。另外,為保證USV回收的成功率,滑道最底端需低于水線(xiàn)一定的距離,但如此設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致滑道位置更靠近母船底部空間,從而影響?hù)翰颗撌业脑O(shè)備布置,因此,通常采用在下翻式艉門(mén)結(jié)構(gòu)上設(shè)置滑道,以作為滑道的延伸部分來(lái)解決該問(wèn)題[37]。由于母船和USV型號(hào)不盡相同,考慮到收放機(jī)構(gòu)的兼容性問(wèn)題和降低成本的需求,有必要開(kāi)展通用型收放技術(shù)的研究[38]。在艉滑道式收放技術(shù)中,通用型滑道裝置不僅可以在不同母船上安裝,也可通過(guò)調(diào)整滑道結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同USV和UUV的收放要求,如美國(guó)物理科學(xué)公司設(shè)計(jì)的通用型艉滑道收放系統(tǒng)。由此可見(jiàn),通用型滑道技術(shù)是USV收放系統(tǒng)首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
由于母船艉部滑道一般較短,而USV沖排時(shí)會(huì)帶有一定的航速,若不及時(shí)將USV阻攔,可能造成USV沖出滑道、撞擊船體的后果。因此,設(shè)計(jì)自動(dòng)阻攔對(duì)接機(jī)構(gòu),采取適當(dāng)?shù)拇胧⑼w有效阻攔,吸收沖排時(shí)的動(dòng)能并自動(dòng)與艇艏掛鉤。可避免因USV速度過(guò)快沖出滑道而帶來(lái)的損壞;在布放時(shí),阻攔對(duì)接機(jī)構(gòu)也可與艇艏自動(dòng)脫鉤,使USV依靠重力自動(dòng)滑入水中。
高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)需要USV在復(fù)雜海況下持續(xù)跟蹤母船,由遠(yuǎn)及近地分別識(shí)別母船、滑道標(biāo)識(shí)、阻攔對(duì)接標(biāo)識(shí),在躲避障礙物、不斷調(diào)整自身位置、克服海浪和尾流影響后駛?cè)牖啦⑼瓿苫厥者^(guò)程[39-42]。在USV回收過(guò)程中,海況復(fù)雜,艇體晃動(dòng)劇烈,光線(xiàn)雨霧情況會(huì)對(duì)激光雷達(dá)和相機(jī)等傳感器的探測(cè)精度及跟蹤穩(wěn)定性帶來(lái)較大影響,因此,必須采用多傳感器融合的解決途徑,開(kāi)展高精度回收引導(dǎo)算法的研究,以保證跟蹤過(guò)程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[43-44]。國(guó)內(nèi)某單位的研究方案則是利用毫米波雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè),激光雷達(dá)進(jìn)行中距離探測(cè),雙目相機(jī)進(jìn)行近距離精確對(duì)準(zhǔn),并采用多傳感器主、被動(dòng)融合思路和TLD(Track?ing-Learning-Detection)算法,利用跟蹤結(jié)果進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習(xí),最終實(shí)現(xiàn)USV高精度回收引導(dǎo)控制。
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外目前的USV收放技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié),從設(shè)備配置、空間需求、波浪影響、母船航速、適應(yīng)海況、操作方式、收放耗時(shí)等方面,對(duì)國(guó)內(nèi)外主要采取的吊放式、艉滑道式、塢艙式3種收放技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析,指出艉滑道式收放技術(shù)更適合于USV投送的需要。針對(duì)艉滑道式收放裝置的特點(diǎn),借鑒美國(guó)《海軍無(wú)人水面艇總體規(guī)劃》技術(shù)路線(xiàn)圖,提出了有效實(shí)施艉滑道式收放裝置需解決通用型滑道技術(shù)、自動(dòng)阻攔對(duì)接技術(shù)、高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)等核心技術(shù),為后續(xù)收放裝置的技術(shù)攻關(guān)指出了研究方向。
現(xiàn)階段USV收放技術(shù)尚處于發(fā)展初期,國(guó)內(nèi)收放技術(shù)的發(fā)展與先進(jìn)國(guó)家相比仍存在較大差距,國(guó)內(nèi)艦船行業(yè)應(yīng)迎接USV收放過(guò)程中的各種挑戰(zhàn),準(zhǔn)確把握快速發(fā)展中的趨勢(shì),制定出明確的發(fā)展規(guī)劃,開(kāi)展有針對(duì)性的研究,以早日攻克USV自動(dòng)收放技術(shù)的世界性難題。