The Development and Military Use of Autonomous Underwater

水下滑翔機的發展及其軍事用途

劉濤

水下滑翔機（AUG）是一種新型的水下機器人。由於它是利用淨浮力和姿態角調整獲得推進力的，所以能源消耗極小，只在調整淨浮力和姿態角時消耗少量能源，具有效率高、續航力大、製造成本和維護費用低、可重複使用並可大量投放等特點，可廣泛用於軍事領域，如反潛、反蛙人、情報蒐集、偵察、信息通信中繼點等，有助於維護我國的海洋權益安全。

題圖：水下滑翔機在水下活動的情景

2017年10月12日，我國的“海翼1000”水下滑翔機實現了連續無故障工作91天，航行距離1884千米，共採集488個剖面數據，創造了我國水下滑翔機連續工作時間最長等多項新紀錄。這又一次引起了人們對水下滑翔機的關注以及對水下滑翔機在海洋探測和軍事領域用途的探討。

何爲水下滑翔機

水下滑翔機是一種新型的無人無纜潛航器（AUV），外形似魚雷，其有別於以往的水下平臺，它結合了浮標、潛標技術和傳統的水下機器人技術，無自身動力或外掛推進系統，可以依靠自身浮力驅動沿鋸齒形航跡航行。水下滑翔機由水下控制模塊、俯仰調節模塊、橫滾調節模塊、浮力調節模塊和傳感器模塊組成。它可向艏部或艉部移動電池組，分別使其姿勢變爲艏朝下艉朝上和艏朝上艉朝下。

水下滑翔機在水下運動方式示意圖

水下滑翔機能夠運用活塞原理改變自身浮力在水中移動，通過自身內部的充油皮囊對其浮力進行調整，實現上浮和下潛，通過移動質量塊對自身內部的質量分佈進行調整，改變重心與浮力的相對位置，以產生橫滾力矩和俯仰力矩，實現姿態的迴轉和俯仰運動。以上機構的協同可實現水下滑翔機的週期性運動。

水下滑翔機在國外的發展

水下滑翔機（AUG）源於早期的載人潛水器（HOV）和遙控潛水器（ROV)，它的出現是爲了解決HOV工作時間較短（主要爲人類生理機能的限制）、操作及維修相對昂貴、無法保證人員安全以及ROV需要纜繩連接、需配備專門的水面支持母船、活動範圍有限等問題。國外在20世紀90年代初開始研發水下滑翔機，美國、日本和法國等國家均取得了一定的成就，其中以美國的AUG技術最爲先進。

1989年，美國人Henry Stimmel提出採用一種能夠在水下做滑翔運動的浮標進行海洋環境調查的設想，這是水下滑翔機最初的概念。1995年以後，在美國海軍研究局的資助下，美國多所大學和科研院所研製出了Slocum（Battery）、Seaglider和Spray等多種以二次電池爲能源的水下滑翔機。而後美國普林斯頓大學建造了一個水下滑翔機試驗平臺，專用於建模和控制方法研究。美國的韋伯研製公司先後研製了Slocum電能驅動型水下滑翔機和Slocum溫差能驅動型水下滑翔機。技術的不斷進步爲水下滑翔機帶來了新的發展，華盛頓大學研製的Seaglider可在1000米深的海洋中持續航行6個月，航程達4600米。美國斯克裏普斯海洋研究所研製的Spray Glider最大潛深1500米,有內置天線，可在浮出水面時機身旋轉90°使有天線的一個滑翔翼垂直露出水面，然後可進行GPS定位和衛星通信。法國在美國之後研製了Sea-Explore、STERNE，日本研製了ALBAC，其他發達國家也都開展了水下滑翔機的相關研製工作，並逐漸實現了產品化，足可見水下滑翔機的應用前景之大。

美國Seaglider水下滑翔機回收時的情景

我國對水下滑翔機的早期探索和後續發展

由於國外一直對中國實施水下滑翔機產品及相關技術的禁運，我國的水下滑翔機研究起步較晚，但發展相當較快。2003年中國科學院自動化研究所開展了水下滑翔機的基礎研究工作，並於2008年成功研製出我國自主知識產權的水下滑翔機樣機。“十二五”期間，中科院瀋陽自動化研究所、天津大學、中國海洋大學和華中科技大學4家單位開展了不同驅動類型的水下滑翔機的研發，而後上海交通大學、浙江大學、中船重工和國家海洋技術中心等單位也開始了水下滑翔機的相關研製工作。

經過近年來的發展，我國在水下滑翔機領域取得了不俗的成就。2014年5月22日，天津大學自主研發的“海燕”號水下滑翔機在南海水深大於1500米的海域通過測試，它連續航行21天，航程達600千米,持續時間達30天，創造了當時國內水下滑翔機無故障航程最遠、時間最長、工作深度最大等多項記錄，一舉打破國外對我國的技術封鎖。2014年10月15日由瀋陽自動化研究所研製的“海翼”號AUG進行了一個多月的海試，航程達1022.5千米，創造了新的中國記錄。而後“海翼”號3次突破世界下潛深度記錄，最大下潛深度達6239米。2017年10月12日，新型的“海翼1000”連續無故障工作91天，使我國的水下滑翔機技術又上了一個新的臺階。

中科院瀋陽自動化研究所研製的“海翼”水下滑翔機

在南海試驗的“海翼1000”水下滑翔機

水下滑翔機的優異性

由於水下滑翔機無外加動力系統驅動，僅以浮力做爲推動力，所以續航力強，航程遠，可以從以往HOV、ROV的數小時延長到數月甚至是數年，更遠的航程可擴大執行任務的範圍，能獲取更多的觀測數據。因其特殊的設計，有效地減少了噪聲及紅外和電磁信號，可以與海水的噪聲等同，幾乎與海洋融爲一體，具有較強的隱身性能。它的效費比高，有自主工作模式，不需要過多的外來幹預，不需要水面母船的支持和額外的能源供應，且可重複使用。水下滑翔機能力強大，依據任務的需要可掛載聲、光、化學、生物和核等探測器，以獲取更多的海洋垂直剖面數據。

水下滑翔機在軍事領域的用途

1.在反潛作戰中的作用

反潛一直是我國面臨的一個難題，廣闊的水域爲反潛設備的佈置帶來了諸多不便且成本高昂。而南海又是一個火藥桶，各種摩擦不斷，外國艦機經常侵入我國領海，嚴重威脅了我國的主權安全。水下滑翔機因其低廉的成本可以大量在南海釋放，攜帶反潛設備長期在這一海域執行反潛情報任務，水下滑翔機可以與高新。反潛機、艦載直升機和固定反潛設備一道構成一張強大的反潛網絡，讓國外的潛艇無處遁行。有效維護我國的海洋安全。

2.獲取海洋水文信息

水下滑翔機能夠對海洋進行長時間、大範圍、高精度的立體觀測，以獲取大量高分辨率的深淵區域水體信息，可以爲軍艦、潛艇及時提供大量的水文動態信息，幫助指揮員做出判斷和決策。對潛艇來說，最怕的是海底斷崖，即由高密度海水區突然進入低密度海水區，以致潛艇迅速下沉造成嚴重的事故。水下滑翔機可由潛艇釋放作爲偵察兵，爲母艇探明水體信息，從而有效地預防海底斷崖的發生。

3.對國外特定海域進行偵察

水下滑翔機因其低可探測性、自主性和航程遠的特點，非常適合情報收集及偵察工作。美國就有這樣的先例。它曾以科學考察爲名，用海洋測量船釋放水下滑翔機對我國南海進行抵近偵察，想要獲取我國潛艇的航道和聲紋信息，甚至想抵達三亞探明核潛艇基地的位置。對付它的最好辦法是用AUG以同樣的方式對其進行偵察。

美國海軍的水下滑翔機

4.作爲水底殺手

水下滑翔機能夠攜帶少量的高爆彈頭長期潛伏在水下，同水雷一起構成南海的屏障，戰時對來襲的潛艇、軍艦進行大範圍的自殺式攻擊，使它們失去作戰能力。水下滑翔機還可對來犯的蛙人進行獵殺，讓他們無處遁形。

5.作爲移動通信網絡節點

水下滑翔機可搭載水聲通信、無線通信和衛星通信等設備，作爲通信網絡節點實施中繼通信。它在水下巡航時可通過水聲通信系統與其他水下滑翔機、潛艇和軍艦等傳遞作戰信息。水下滑翔機處於水面狀態時，它可以通過衛星通信數據鏈將信息傳給岸基信息處理中心和高空長航時無人機，也可以通過無線網絡與任務海域的艦機進行信息交換，利用我國的“北斗”衛星和量子衛星對各種類型的水下滑翔機進行定位和控制，保證信息通道的安全暢通。

天津大學研製的“海燕”水下滑翔機

對未來水下滑翔機發展的設想

未來的水下滑翔機應該有更大的下潛深度、更長的續航時間、更遠的航程和更強大的探測能力。針對水下滑翔機運動速度慢、在強流海域難以實現預定航跡的不足，今後應開展包括新型的無軸泵推技術與波浪、浮力相結合的混合驅動技術研究，加強深海有效載荷，提升水下滑翔機在強流海域的適應能力；對水下滑翔機進行模塊化設計，從而增強對多種任務的適應能力，有效降低成本；改進通信方式以增強通信距離及信號強度，改進內部程序以增強運行時的自主性和外界的操控性；還可使用新型的耐壓殼體，加大水下滑翔機的下潛深度。隨着微電子技術、計算機技術的飛速發展以及一些關鍵技術的突破，更多新型的水下滑翔機將會出現在我國廣闊的海域。