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自主入坞、1小时“变装”,十一院造的无人水下航行器未来可期
2022-01-12

无垠海疆,波光粼粼。大海,覆盖了地球71%的面积,而一望无际的海面下,是一个丰富多彩的世界。

“严格来说,我们流体力学领域的研究工作,既包括空气,也包括水,所以水动力学也在流体力学的研究范畴之内。”航天科技集团十一院21室主任、水动力团队负责人赵俊波说。

作为行业内空气动力技术的引领者,十一院和“飞天”有着密不可分的关系,但如今,他们也“下海”了。

十一院2所的水动力团队瞄准未来海洋开发需求,认准无人水下航行器的研究,致力于解决限制水下航行器有效利用的“卡脖子”难题,先后自主研发了浅水探测版滑翔机和仿生外形水下航行器,成功参与完成跨介质无线通信与控制的综合验证、“海----潜”无人系统跨域联合演示验证,为集团公司面向海洋的无人装备体系填补了关键空白。


2018年,水动力团队开始研制多任务重组型无人水下航行器,这是一条未知的道路,不乏机遇,但也充满挑战。   “智能”加身

相对空气而言,海水是传统陆上通信方式的天然屏障。复杂的海洋环境给潜航器水下作业带来巨大挑战。

过去,潜航器投放入水后,按照设定路径自主航行,好似一个孤胆英雄,勇往直前。如今,潜航器朝着智能化方向发展,在水中的航行变得“聪明”又“勇敢”。

多任务重组型无人水下航行器是一型智能化程度较高的潜航器,可搭载前视声纳、侧扫声纳、水听器、相机等载荷,这些载荷就像潜航器的“眼睛”和“耳朵”。利用它们,潜航器可以感知周围环境,发现障碍自动规避,自主识别、定位并跟踪水下目标。

当前,水下潜航器的能源主要来源于电池,有限的电能对潜航器作业半径、航行速度、任务持续时间及负载设备承载能力等都有较大限制。为了解决能源这一瓶颈,水动力团队进行了一些探索。

海洋波浪能作为一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源,为解决潜航器能源供应问题提供了一种可能的途径。水动力团队与重庆大学合作研发了“随体发电”装置,实现海洋装备的“就地取能”。目前,该装置可为潜航器上的小型机载装置供电。

当潜航器受到洋流和波浪干扰时,本体产生摇摆,这时潜航器还能利用内置的随体发电装置,将摇摆的动能转化成电能。“类似电动汽车动能回收的装置,它能在潜航器航行过程中给它一定的能源补充。”赵俊波说。

此外,水动力团队还开展了基于声学和光学导引的水下自主接驳入坞的研究。潜航器在完成任务或电量不足时,可以自主回到坞站区域,找寻并定位坞站,自主完成入坞。

“水下坞站作为潜航器的水下停靠点,可以对潜航器充电,并在充电过程中借助通信网路实现与岸基的数据传输。”2所航控系统副主任设计师王亭亭介绍,目前水动力团队已与哈尔滨工业大学(威海)联合完成了潜航器自主接驳与无线充电海态测试,充电功率超过1千瓦。

水下“变色龙”

记者了解到,多任务重组型航行器的设计初衷是一款通用型的中型试验平台,采用模块化、标准化设计,扩展能力强,标配有多种功能舱段。


该型潜航器在实际执行任务时,能够针对不同任务需求,快速集成多种载荷,对功能模块进行相适应的优化组合,达到执行多种任务的目的。

2019年初次下海至今,多任务重组型航行器已完成超过200潜次的试验。水动力团队在实践中积累经验,不断验证模块化设计的合理性,以满足多任务需求。

“印象最深的是第一次海上试验和第一次参加实艇比赛。”王亭亭说。

那是水动力团队第一次参加行业级的潜航器实艇比赛。比赛设定了多项任务,每项任务对载荷能力、机动能力的要求不同,潜航器可根据自身性能执行某一个或多个任务。

为了验证快速切换任务的能力,水动力团队选择用1台多任务重组型航行器参加全部比赛任务。

“在比赛中,这会给结构、电气、软件等方面带来挑战,这样的决定显然是吃亏的。”面对记者的提问,王亭亭回答,“希望借此实战机会,摸底当前‘多任务重组’设计和实际操作中的不足。”

公平起见,比赛顺序现场抽签决定。C任务比赛结束后,已经接近晚上。这时D任务的抽签结果就要出来了,水动力团队最担心的是抽到靠前的位置。但怕什么来什么,当天晚上10点左右,D任务抽签结果出来,水动力团队排在第二天上午第3个。两个任务之间的切换涉及多个分系统,是最复杂的一次切换。为了顺利参加第二天的比赛,团队连夜开展模态切换和测试工作。最终顺利参赛。

此次比赛,水动力团队将自己同时作为研发人员和用户,一方面验证研制思路的正确性,另一方面在比赛中不断发现并解决问题。

“百炼成钢”,如今多任务重组型航行器已经完成了多次升级,在多个项目中大显身手。2019年航行器完成搭载光纤水听器阵列的海上试验,拖曳阵长度70米;同年航行器作为水下潜航器编队主节点完成无人系统跨域协同海上演示;2021年航行器完成系列新技术在水下潜航器上的应用探索,在2个月内无故障连续完成6项不同任务状态的海上试验。

“升级后的航行器,仅2~3人在1小时内即可完成技术状态切换和测试。” 水动力团队副组长、航行器总体设计师王奥博说。 

来源:中国航天报

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