秦玉峰,齊占峰,彭家忠,史 健,馮志濤

(1.國家海洋技術(shù)中心,天津,300112;2.海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室,遼寧 大連,116024)

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)是一種自主推進,具有水下操控及感知作業(yè)能力的新型海洋監(jiān)測設(shè)備[1-2]。小型長航程AUV(long-range AUV,LRAUV)是針對當前海洋大范圍長時序觀測要求開發(fā)的一種用于海洋長周期巡航監(jiān)測的新型AUV系列,具有小型化、易攜帶、航程大等特點[3],較之傳統(tǒng) AUV(如文獻[4]提到的混合驅(qū)動AUV最大續(xù)航里程僅為116 km),其航程可達上千千米。當前在長航程 AUV的研制方面主要有英國南安普頓研究中心研制的Autosub LRAUV[5-6],美國蒙特利灣水族館研究所研制的Tethys LRAUV[7-8]以及美國海軍研究局研制的太陽能自主航行器(solar AUV,SAUV)[9],3種典型的長航程 AUV的續(xù)航里程均已達到上千千米,Autosub LRAUV和Tethys AUV都屬于中大型 AUV,體積和質(zhì)量較大,攜帶的能量較多,SAUV能源補給方式有別傳統(tǒng)AUV,其主要利用太陽能作為源源不斷的能量供應(yīng)。文獻[10]和[11]提出了小型 AUV 的高效推進方法,文獻[12]和[13]對小型長續(xù)航力潛水器的螺旋槳推進技術(shù)進行了研究,獲得了雙葉螺旋槳的高效推進性能。

上述文獻針對中大型及太陽能供電的長航程AUV進行了續(xù)航力的研究,提供了一些高效推進的方案及方法,然而針對60 kg級小型化AUV的續(xù)航力研究還較少。隨著海洋觀測技術(shù)的發(fā)展,人們對自主移動平臺續(xù)航力及便攜性提出了更高的要求。文章從實際需求出發(fā),研究小型LRAUV的續(xù)航力,以能耗分析作為研究基礎(chǔ),分析不同航行模式下最大有效航程,在有限的能源攜帶前提下獲得提高小型AUV續(xù)航力的方法。

1 驅(qū)動原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 驅(qū)動原理

小型LRAUV整合傳統(tǒng)AUV及水下滑翔機的動力推進方式[14],結(jié)合低速推進和浮力驅(qū)動技術(shù),其巡航速度為 1～4 kn。低速推進是小型LRAUV實現(xiàn)海洋水體大范圍巡航的先決保障,最低速為 1 kn,高效推進時速度為 2 kn(經(jīng)濟航速),機動觀測時速度為 4 kn(機動航速)。小型LRAUV相較于傳統(tǒng)AUV,其僅有1套螺旋槳推進器置于機體尾部,此種螺旋槳為雙葉結(jié)構(gòu)且直徑較大,低速時具有較高的推進效率,高速時具有較大的推力,即“低速下高效,高速下高能”,既可實現(xiàn)常規(guī)推進狀態(tài)下高效率的推進,同時又可實現(xiàn)機動觀測時的高速要求。小型LRAUV的航行過程如圖 1所示,既可漂浮于水面航行,亦可懸浮于水下定深推進。直線航行由尾部低速螺旋槳推進,下潛和上浮運動依靠浮力驅(qū)動,通過浮力調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)自身相對于周圍水體的凈浮力獲得下潛和上浮的動力。當處于水面需要下潛時,浮力調(diào)節(jié)模塊進行吸油動作,調(diào)整小型 LRAUV凈浮力為負值進行下潛,下潛的同時姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作調(diào)節(jié)機體下潛的姿態(tài),使之呈“前俯后仰”態(tài),在下潛過程中獲得一定的前向運動;當小型LRAUV處于水下需要上浮時,浮力調(diào)節(jié)模塊進行排油動作,調(diào)整凈浮力為正值進行上浮,上浮的同時姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作調(diào)節(jié)機體上浮的姿態(tài),使之呈“前仰后俯”態(tài)在上浮過程中同樣獲得一定的前向運動。

圖1 小型長航程自主水下航行器航行示意圖Fig.1 Running schematic of small long-range autonomous undersea vehicle(LRAUV)

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

小型LRAUV側(cè)重于小型化、輕量化、便攜性及長續(xù)航力等技術(shù)層面的研究,以 60 kg級續(xù)航達到或超過1 000 km為技術(shù)突破點,其特征參數(shù)如表1所示。小型LRAUV主體采用擴展性和易用性較強的模塊化三段式結(jié)構(gòu)[15],如圖 2所示。各艙段內(nèi)有相對獨立的功能模塊,如浮力調(diào)節(jié)模塊、姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊、動力推進模塊、尾部轉(zhuǎn)向模塊、定位及通信單元以及傳感器模塊等。

2 續(xù)航力分析

2.1 能量計算

小型LRAUV搭載24 V高能鋰離子電池,有2種能源搭載形式,分別為一次鋰電池組和二次鋰電池組。二次鋰電池組容量為175 Ah,一次鋰容量為475 Ah。以二次鋰電池組計算為例,如圖3為二次鋰電池的實測放電曲線。

由圖 3可知,電池電壓與放電量基本呈線型關(guān)系,只是各放電段斜率不同,以放電量 10 Ah進行分段,直至結(jié)束放電時釋放出173 Ah電量為止,分段計算各放電段電量,并進行累加即為鋰電池組的電池容量。各放電段初始放電電壓記為Ui,結(jié)束電壓記為Ui+1;上一放電段的結(jié)束電壓即為下一放電段的開始放電電壓;各分段釋放電量記為Ci,電量差值記為 ΔCi。讀取圖 3放電量與電池電壓關(guān)系圖,可得各分段的電壓、電量及電量差,如表2所示。

表1 小型LRAUV主要特征參數(shù)Table1 Main characteristic parameters of small LRAUV

圖2 小型LRAUV模塊化布局Fig.2 Modular layout of small LRAUV

圖3 二次鋰電池實測放電曲線Fig.3 Measured discharge curve of secondary Lithium battery

表2 各分段的電壓、電量及電量差參數(shù)Table 2 Parameters of voltage,quantity of electricity and electricity difference of each segment

鋰電池組總電量可表示為

若小型 LRAUV攜帶一次鋰電池組,由一次鋰電池組和二次鋰電池的電量關(guān)系,得其電量為

為方便分析小型LRAUV在不同航行模式下的有效航程,文章僅針對二次鋰電池組進行續(xù)航力分析,可記電池組電量

2.2 水面懸浮

小型LRAUV航行模式包括水面懸浮、水下定深以及水面懸浮和水下定深混合航行3種航行模式。水面懸浮航行時的能耗主要來自于動力推進的螺旋槳模塊、定位及通信單元以及控制、導航及其他電子設(shè)備功耗等三部分。

螺旋槳推進模塊系統(tǒng)能耗

控制、導航及其他電子設(shè)備能耗

通信及定位系統(tǒng)能耗

水面懸浮運動時小型LRAUV總功率

其中:Pp為推進器功率;cP為控制、導航及其他電子設(shè)備功率;Pcp為通信及定位系統(tǒng)功率;ts為水面懸浮航行時間。

水面懸浮運動時小型LRAUV總能耗

小型 LRAUV完成最大距離航行時,系統(tǒng)能耗即為鋰電池組所攜帶的能量,則

因此小型LRAUV水面懸浮時的航行時間可表示為

小型LRAUV總航程可表示為

水面懸浮航行時僅有中間通信天線露出水面,機體仍處于水面以下,阻力狀態(tài)與機體完全置于水下定深航行時相差無幾。螺旋槳推進模塊的能耗主要用于克服小型 LRAUV航行時的水阻力,航行水阻力與機體航速相關(guān),機體航速越大,阻力越大,反之亦然。航行水阻力的近似表達式

螺旋槳推進模塊功耗可表示為

式中:ρ為水體密度;Cd為機體阻力系數(shù);A為機體迎流面積;v為航速;tη為螺旋槳推進器的推進效率。

為更好地了解小型 LRAUV的整體運動形態(tài)及水阻力變化,采用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)方法分別計算不同航速下小型LRAUV的阻力變化。由仿真計算結(jié)果得,1 kn航速時其航行阻力為1.72 N,4 kn航速時的航行阻力為 22.5 N,各航速下的水阻力分析結(jié)果如表3所示,4 kn航速下的壓力分布云圖如圖4所示,機體頭部為迎流面阻力較大,尾部為背流面阻力較小,平均阻力系數(shù)為0.277 2。分析表3及圖4結(jié)果可知,小型LRAUV殼體具有良好的流體動力線型,流體阻力較小。

表3 水阻力流體動力分析結(jié)果Fig.3 Fluid dynamics analysis results of water resistance

圖4 小型LRAUV壓力分布云圖Fig.4 Pressure distribution contour of small LRAUV

小型 LRAUV為實現(xiàn)長航程的續(xù)能要求,采用一種特殊的低速高效雙葉螺旋槳推進器推進,該型螺旋槳結(jié)合無導流、小推力、低轉(zhuǎn)速、磁力耦合等高效推進技術(shù),具有直徑大、轉(zhuǎn)速低、盤面比小、推進效率高等特點,已成功應(yīng)用于混合驅(qū)動水下滑翔機[13,16],圖 5所示為該型螺旋槳的雙葉結(jié)構(gòu)模型。

圖5 雙葉螺旋槳結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure model of double-blade propeller

螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩和效率計算公式

式中:KT為推力系數(shù);KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù);V為螺旋槳進速;D為螺旋槳直徑;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

螺旋槳推進器的推進效率可表示為

式中:ηm為電動機效率;ηg為減速機效率;ηp為姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作效率。

由文獻[16]的分析結(jié)果可知,該型螺旋槳低速推進效率為 0.73,推力為 8 N,高速推進效率0.55,推力 60 N,螺旋槳推力、效率與轉(zhuǎn)速間的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。根據(jù)小型LRAUV水阻力的 CFD仿真結(jié)果,小型 LRAUV最大水阻力為22.5 N,螺旋槳的轉(zhuǎn)速達到720 r/min即可,此時的推進效率為0.66。螺旋槳推進器電機效率為0.9,減速機效率 0.83。由式(18)得螺旋槳推進器低速推進效率為0.55,高速推進效率為0.49。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下螺旋槳推力和推進效率Fig.6 Thrust and propulsive efficiency of propeller at different rotary speeds

螺旋槳推進器低速推進功率可表示為

高速推進功率可表示為

式中:VL為經(jīng)濟航速;VH為機動航速。

實測可知,小型 LRAUV控制、導航及其他電子設(shè)備的平均功耗Pc=5W,通信及定位系統(tǒng)的平均功耗Pcp=3W,小型LRAUV低速推進時的 航 速vL=1m/s,高速推進時vH=2m/s,由式(5)～式(12)及式(19)～式(20)可得小型LRAUV低速推進時的有效航程

高速推進時的有效航程

由結(jié)果可知,水面懸浮運動時,小型LRAUV低速推進可獲得最大約804 km的有效航程,高速推進時可獲得約309 km的機動航程。

2.3 水下定深

水下定深航行分為下潛、懸停、定深推進、上浮及定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程,小型 LRAUV在完成水下定深航行后進行一次定位及數(shù)據(jù)傳輸,持續(xù)時間約為60 s。水下定深航行時的系統(tǒng)能耗主要包括下潛能耗Wd、定深推進能耗Wdmt、上浮能耗Wu及上浮后的定位及數(shù)據(jù)傳輸能耗Wdmcp,小型 LRAUV完成一次定位和數(shù)據(jù)傳輸,其能耗Wdmcp=180W 。則小型LRAUV水下定深航行時的系統(tǒng)能耗可表示為

水下定深航行時的有效航程可表示為

式中:Sd為下潛運動時的有效航程;Su為上浮運動時的有效航程;Sdmt為水下推進時的有效航程。

2.3.1 下潛及上浮

浮力調(diào)節(jié)模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊僅在小型LRAUV進行上浮和下潛的開始階段工作,做下潛運動時,浮力調(diào)節(jié)模塊進行吸油動作,使之凈浮力為負值,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊調(diào)整機體姿態(tài)使之處于前俯后仰姿態(tài)后滑翔下潛;當小型 LRAUV需要做上浮運動時,浮力調(diào)節(jié)模塊進行排油動作,使之凈浮力為正值,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊調(diào)整機體姿態(tài)使之處于前仰后俯姿態(tài)后滑翔上浮。小型LRAUV進行一次的上浮和下潛運動,浮力調(diào)節(jié)模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊組成一次完整的泵系統(tǒng)循環(huán)。下潛運動能耗包括浮力調(diào)節(jié)模塊下潛運動能耗Wdb,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊下潛能耗Wdp,控制、導航及其他電子設(shè)備能耗Wdc等三部分,下潛過程中,通信及定位天線潛入水下無法定位和數(shù)據(jù)傳輸,因此處于關(guān)閉狀態(tài),沒有能耗,則下潛運動時的能耗可表示為

浮力調(diào)節(jié)模塊能耗可表示為

式中:Pdb為下潛運動浮力調(diào)節(jié)模塊功率;tb為浮力調(diào)節(jié)模塊工作時間;ηb浮力調(diào)節(jié)模塊總效率;η1為電機端效率;η2為絲杠螺母幅效率;η3為柔性卷邊柱塞泵效率。

姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊系統(tǒng)能耗可表示為

式中:Pdp為下潛運動姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊功率;tp為姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊工作時間。

控制、導航及其他電子設(shè)備能耗可表示為

式中,td為下潛運動持續(xù)時間。

上浮運動能耗包括浮力調(diào)節(jié)模塊上浮運動能耗Wub、姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊上浮運動能耗Wup及控制、導航及其他電子設(shè)備上浮能耗Wuc等三部分,則上浮運動時系統(tǒng)能耗可表示為

浮力調(diào)節(jié)模塊能耗可表示

式中,Pub為上浮運動浮力調(diào)節(jié)模塊功率。

上浮和下潛垂向速度相同,持續(xù)時間相同,因此姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊上浮時系統(tǒng)功耗與下潛時系統(tǒng)能耗相等,可表示為

控制及其他電子設(shè)備的上浮和下潛過程中能耗相等,可表示為

小型LRAUV完成一次上浮和下潛的循環(huán)動作能耗可表示為

式中:Pup為上浮運動姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊功率;tu為上浮運動持續(xù)時間。

小型LRAUV浮力調(diào)節(jié)模塊與周圍海水相連,其浮力調(diào)節(jié)模塊的能耗取決于外部負載,外部海水壓力大則能耗大,外部海水壓力小則能耗小。通過外接壓力泵系統(tǒng)模擬海水壓力連接小型LRAUV的浮力調(diào)節(jié)模塊進行不同壓力下的能耗測試,蓄能器可保證小型 LRAUV浮力調(diào)節(jié)模塊往復運動時測試管路內(nèi)的壓力恒定,對同一模擬壓力下進行多次往復運動測試以獲得不同海水壓力下浮力調(diào)節(jié)模塊功耗,浮力泵系統(tǒng)能耗測試原理及實測現(xiàn)場如圖7、圖8所示。經(jīng)實測,浮力調(diào)節(jié)模塊空載時能耗為24.2 W,200 m壓力負載時能耗為 130 W,實測功率與壓力深度的測試曲線如圖9所示。實測功率包括傳動系統(tǒng)的效率損失,即電機端、絲杠螺母副、柔性卷邊柱塞泵等效率損失,即小型LRAUV處于水面做下潛運動時浮力調(diào)節(jié)模塊功率Pdb/ηb=24.2W,處于200m水深做上浮運動時Pub/ηb=130W。此外,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊實測功率為4.8W,即Pdp/ηp=Pup/ηp=4.8W。

圖7 浮力泵系統(tǒng)測試原理Fig.7 Test principle of buoyancy pump system

圖8 浮力泵系統(tǒng)實測現(xiàn)場Fig.8 Test site of buoyancy pump system

圖9 實測功率與壓力深度測試曲線Fig.9 Test curve of power versus pressure depth

小型LRAUV做下潛和上浮運動浮力調(diào)節(jié)模塊單次工作31 s,即排油動作和吸油動作各31 s,姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊單次工作26 s,即俯仰電池包前向及后向各運動26 s,其余時間為自由浮潛運動,浮力泵調(diào)節(jié)模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)實測,小型 LRAUV下潛和上浮時的縱向平均速度約為 0.2 m/s,完成 200 m深度的下潛或上浮運動耗時約 1000s,即td=tu=1000s 。此外,小型LRAUV下潛和上浮時通過姿態(tài)調(diào)節(jié)可獲得大約20°的滑翔角,200 m深度的浮潛運動可獲得的前向運動約73 m,有效行程Sdu=146m。根據(jù)式(25)～式(33)可得單次下潛和上浮的循環(huán)運動能耗Wdu=102.68kJ。

2.3.2 水下推進

水下推進能耗包括螺旋槳推進器能耗Wdmp和控制、導航及其他電子設(shè)備能耗Wdmc,則水下推進時系統(tǒng)能耗可表示為

螺旋槳推進器能耗可表示為

控制及其他電子設(shè)備能耗可表示為

定深推進能耗可表示為

則水下推進時的有效航程可表示為

根據(jù)式(23)及式(33)～式(38)可得低速下定深推進的航程

高速下定深推進的航程

由式(24)及式(39)～式(40)的計算結(jié)果可得,小型LRAUV做水下定深航行低速推進時的有效航程

高速推進時的有效航程

分析計算結(jié)果可知,水下定深航行時,小型LRAUV低速推進可獲得最大946 km的有效航程,在進行高速的機動觀測時可獲得約316 km的機動航程。

2.4 多次懸浮及定深的混合航行

AUV執(zhí)行任務(wù)時通常是水面、水下及上浮和下潛混合進行的復雜航行[17-18],為方便分析小型LRAUV的續(xù)航力,設(shè)定5km為單位航行距離,即水面懸浮推進Ss0=5km,然后下潛水下定深Sdm0=5km航行后上浮再繼續(xù)執(zhí)行水面懸浮推進循環(huán)動作的小型LRAUV航行軌跡,如圖10所示。

圖10 小型LRAUV路徑規(guī)劃Fig.10 Path planning of small LRAUV

根據(jù)小型 LRAUV路徑規(guī)劃的特點,其單次混合航行有效航程包括水面懸浮5 km,水下定深5 km,上浮和下潛運動的前向距離146m,單次混合航行的有效航程S0=Ss0+Sdm0+Sdu=10.146km,小型 LRAUV混合航行時的有效航程可表示為

式中,N為循環(huán)次數(shù)。

小型LRAUV進行混合航行時的系統(tǒng)能耗可表示為

式中:Ws0為水面懸浮5 km單位能耗;Wdm0為水下定深5 km單位能耗。

式中:Wsp0為水面懸浮 5 km螺旋槳推進器單位能耗;Wsc0為水面懸浮 5 km控制導航及其他電子設(shè)備單位能耗;Wscp0為水面懸浮5 km通信及定位系統(tǒng)單位能耗;Wdmt0為水下定深螺旋槳推進 5 km單位能耗;ts0為水面懸浮 5 km耗時;tdm0為水下定深5 km耗時。

式中:tsL0為水面懸浮低速航行5km耗時;tsH0為水面懸浮高速航行5km耗時。

由式(41)～式(46)可得

式中:WsL0為水面懸浮低速航行 5 km的單位能耗;WsH0為水面懸浮高速航行5 km的單位能耗;WdmL0為水下定深低速航行 5 km單位能耗;WdmH0水下定深高速航行5 km單位能耗。

則小型LRAUV做混合航行運動時在高低不同航速下的有效航程分別為

式中:SctL為低速航行的有效航程;SctH為高速航行的有效航程。

混合航行作為小型LRAUV航行過程最常應(yīng)用的一種航行模式,其最大航程可達560 km,高速下的機動觀測可實現(xiàn)最大263 km的有效航程,較之傳統(tǒng) AUV的數(shù)十至上百公里的有效航程,已有很大提升。

2.5 多種推進模式比較

由前文計算結(jié)果可知,不同航行模式下的續(xù)航力對比如圖11所示。分析續(xù)航力結(jié)果,3種不同航行模式下,水下定深航行續(xù)航里程最大,混合航行續(xù)航里程最小。3種航行模式在低速推進時最大航程差值較大,高速推進時最大航程差值較小,且不同航行模式下最大的續(xù)航里程都是在低速推進時實現(xiàn)的。此外,同一航行模式下,高速推進和低速推進相比定深航行的差值最大,混合航行的差值最小。由此可知,速度對小型LRAUV的續(xù)航力影響最大,若要實現(xiàn)最大的續(xù)航里程,必須以低速推進,同時降低通信頻率,減少下潛及上浮的次數(shù)。若要實現(xiàn)高速的機動觀測,則可根據(jù)需求任選 3種航行模式之一,對續(xù)航里程影響不大。此外,若換裝一次鋰電池組,由一次鋰電池組與二次鋰電池組的倍數(shù)關(guān)系可知,小型LRAUV低速下可實現(xiàn)的最大航程為2 554.2 km,高速下可實現(xiàn)的最大航程為853 km,混合航行可實現(xiàn)最大續(xù)航1 512 km,機動觀測710 km。

圖11 不同航行模式最大續(xù)航力比較Fig.11 Comparison of maximum endurance for different running modes

3 結(jié)束語

針對小型LRAUV不同的航行模式分析了其在不同航速下的最大續(xù)航里程,由分析計算結(jié)果可知,小型 LRAUV的續(xù)航里程與航行速度、通信頻率及下潛和上浮的頻率有關(guān),綜合分析小型LRAUV的3種不同航行模式。由分析結(jié)果知:60 kg級小型 LRAUV常規(guī)動力條件下可實現(xiàn)最大946 km續(xù)航,一次鋰電池組能源可實現(xiàn)最大 2 554.2 km續(xù)航,低速推進是長續(xù)航力的先決保證。

文章從能耗分析的角度研究不同航行模式下小型 LRAUV的續(xù)航里程,后續(xù)可對其進行動力學建模,從動力學分析和運動仿真的角度研究小型LRAUV的續(xù)航力。