水下滑翔机

水下滑翔机（Underwater Glider）和AUV均属于自治拉格朗日型平台与传感器（Autonomous and Lagrangian Platforms and Sensors，ALPS），两者在形态和技术上有不少相似之处。滑翔机可认为是一种轻型的依靠浮力驱动的特殊AUV，又好像是一种可以控制水平走向的特殊ARGO，它与常规AUV的区别主要有：

（1）滑翔机通过调节自身浮力实现上升或下沉，并借助其固定翼的水动力控制水平状态，实现在水中做锯齿状的滑翔运动。而常规AUV靠水下推进器等提供自主动力在水层中按照程序预设轨迹运行。

（2）滑翔机的续航时间可达数周至数年，续航里程可达数千千米以上，可用于中长期较大范围的观测。常规AUV的续航时间一般为数小时至数天，续航里程一般为数百千米，适用于短期较小范围的观测。

（3）滑翔机受能量和体积限制，允许支持的科学载荷较小。常规AUV能量和体积较大，加载科学仪器的能力比较强。

滑翔机可自动通过携带CTD等传感器测量航线上数据，使用卫星或无线通信返回观测数据并接受遥控指令，具有低噪音、低功耗、长航时、远航程、高隐蔽性等特点。在美国和欧洲，滑翔机已广泛应用于海洋科学研究、资源开发、环境保护、海洋安全等领域。利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，同时又具有效率高、续航力大的特点，可长期工作，且成本低廉，受到海洋界的特殊重视。具体讲水下滑翔机在海水中作的是锯齿形航行，通过下潜和攀升的方式前进，在升到水面时获取指令、传输信息。水下滑翔机只装载少量探头以便轻装前进，通常设有测量CTD、流速、含氧量和叶绿素含量的探头。

按照滑翔机的技术特点和发展规律，其技术方向可分为单机技术、组网技术和前沿探索的特种技术。单机技术包括常规滑翔机技术、混合推进滑翔机技术、滑翔机传感器集成技术和滑翔机应用技术等；组网技术包括高可靠性滑翔机的多机协同、编队与网络构建技术等；前沿探索技术包括海洋环境能源的综合利用和仿生滑翔机技术等。

滑翔机具有典型锯齿状剖面运动能力，水平速度可达0.7～1km/h，持续观测时间一般长达几个月，续航能力可达上千千米（俞建成，刘世杰，2016）。滑翔机携带的传感器可测量深度、温度、盐度、洋流、溶解氧、硝酸盐和浮游动植物等，在国外海洋观测计划中有成熟应用先例。

10.2.1 国内外发展现状

当前国外滑翔机技术主要集中在美国、法国、英国和澳大利亚等海洋强国。美国作为起源地和领军者，自20世纪90年代开始研制滑翔机，目前滑翔机单体技术已非常成熟，具有Slocum（Webb，2001），Spray（Sherman，2001），Seaglider（Eriksen，2001）等多款可靠实用的滑翔机产品（图10-6）。Slocum是当前应用最为广泛的一款滑翔机产品，Spray是目前投入实际应用潜深最大的滑翔机，工作深度为1500m（俞建成，刘世杰，2016）。在网络构建技术方面，美国也已开展了多滑翔机编队和网络的应用示范，进一步拓展了滑翔机的单机能力。在探索前沿技术方面，美国开展了利用波浪能推进的Wave Glider（Daniel，2011）和利用海洋温差能驱动的Slo-cum-Thermal Glider（Garau，2011）的研究。欧洲和澳大利亚则从本世纪开始，专注于研究滑翔机的应用技术和组网技术，目前已组建了各自的滑翔机观测网，并有专门的组织机构，用以维护滑翔机编队的日常运行和观测。滑翔机在国外海洋观测计划中实现了长达数月的持续采样能力、安全可靠的近海岸巡航能力和极端天气条件下的观测能力。

图10-6 滑翔机

（a）Slocum；（b）Spray；（c）Seaglider

我国对滑翔机的研究开始于21世纪初期。2005年，天津大学研制完成温差能驱动滑翔机的原理样机，并成功进行了水域试验。同年，中国科学院沈阳自动化研究所开发出了滑翔机的原理样机，并完成了湖上试验。2007年，天津大学研制出混合推进滑翔机的试验样机，并在抚仙湖完成水域试验。此外，浙江大学、国家海洋技术中心、中船重工710所、上海交通大学、西北工业大学等科研单位也对滑翔机进行了相关研究。其中，上海交通大学研究了温差能浮力驱动机理。近年来，中船重工702所研究了500m以浅的滑翔机，并开发了样机。

2012年开始，由总参大气环境研究所、天津大学、中科院沈阳自动化研究所、华中科技大学、中国海洋大学共同承担的“863计划”项目“深海滑翔机研制及海上试验研究”，开发多型滑翔机的工程样机，加速推进深海滑翔机工程化。2014年3—4月，受科技部委托，在解放军海洋环境专项办公室协调和监督下，多型滑翔机参与了南海海试研究（图10-7（a））。此次试验中，天津大学“海燕”滑翔机实现了连续无故障运行219个剖面、航程约600km的航行。2015年4—6月，多型滑翔机参与了解放军海洋环境专项办公室组织的第二次南海考核海试。此次海试中，天津大学“海燕”滑翔机最大下潜深度1514.2m，最大推进速度1.69m/s，单航次连续航程超过1108.4km，持续运行时间达到42天，进入考核指定的回收圈且无故障完成了所有测试科目（图10-7（b））。

图10-7 我国滑翔机研制

（a）2014年中国滑翔机性能评估海试的参试样机；（b）2015年“海燕”滑翔机长航程测试轨迹

近年来，我国滑翔机关键技术取得较大进步，单体技术逐渐成熟，具备了应用基础。但面向实际需求的滑翔机应用技术、多滑翔机编队和组网技术，我国还未开展先期研究。对于混合推进、海洋环境能源利用等前沿技术，我国也仅进行了初步研究，与国外先进水平仍存在较大差距。

10.2.2 滑翔机的关键技术

1.滑翔机混合推进技术

当前滑翔机仅依靠浮力驱动，运动方式单一。当在复杂海洋环境下和需要多种运动模式时，其机动能力缺陷凸显。随着滑翔机的广泛应用和使用需求的逐步深入，提高滑翔机在较强海流下的抗流能力，增加滑翔机的工作模式和应用灵活性，混合推进滑翔机逐渐成为当前的研究热点。国内外几乎同时开展混合推进滑翔机的技术研究，但在一些关键技术上，例如推进方式融合技术、多模态运动控制技术以及高压下小型螺旋桨推进技术等方面，我国与国外仍然存在差距。

2.滑翔机协同编队组网技术

滑翔机作为一种长时序、大航程的AUV，进行编队、组网和协同观测是其最重要的应用方式之一。自20世纪90年代末至今，滑翔机单机技术成熟后，多滑翔机编队和滑翔机网络越来越多地应用到实际海洋探测中。国外海洋观测系统中存在滑翔机编队和网络构建的研究任务和应用试验，显示了滑翔机网络在海洋监测和探测方面的重要作用。我国目前只初步探索了滑翔机组网理论，在多机编队与协同控制以及网络构建技术等方面，与国际先进水平存在较大差距。

3.适于滑翔机的传感器集成技术

当前国外在滑翔机应用的小型、低耗传感器设计方面发展迅速，已成功研发并实现多种传感器与滑翔机的集成，应用效果显著。典型的滑翔机适用的传感器包括：温盐深测量仪（CTD）、溶解氧传感器、光学反向散射计、水听器、高度计、声学多普勒海流剖面仪、剪切流传感器等。我国在面向滑翔机应用的小型低功耗传感器上，与国际先进技术水平差距较大。

4.滑翔机环境能量驱动技术

在电驱滑翔机之外，当前国际上开展了利用海洋环境能量驱动的滑翔机技术研究，包括利用海洋波浪能的波浪滑翔机（Daniel，2011）、利用海洋温差能的温差滑翔机（Garau， 2011）等。当前波浪滑翔机已达到实用水平，温差能滑翔机也开展了多次应用研究，显示了良好的应用前景。目前我国对波浪能滑翔机开展了相关研究，开发了波浪能滑翔机样机，并开展了相关实验研究，关键技术取得了突破。温差能滑翔机研究起步较晚，经十几年的自主研发，在温差能俘获与转换、温差能浮力驱动等关键上取得了突破。目前我国已研制出波浪能和温差能驱动的滑翔机样机，但在波浪能和温差能滑翔机工程化和实用化技术方面有待进一步发展。

10.2.3 滑翔机的发展趋势

滑翔机具有长时序、大航程和低噪音的特点，在海洋科学研究、海洋环境保护、海洋灾害预报、海洋资源勘探、海洋国防安全等方面具有重要的应用价值。滑翔机可携带多种不同功能的传感器，包括各类水质传感器、流速传感器、水听器等。当前在世界范围内，滑翔机的单机技术已成熟，美国、法国均有多型滑翔机产品，实用性和可靠性通过大量应用得到了充分验证。

1.滑翔机单机技术成熟，拓展应用是其研究热点之一

滑翔机作为一种新型的AUV，国外相关科研单位自20世纪90年代初就开展了大量的研究工作，并已取得了显著的研究成果，目前滑翔机单机技术成熟，可靠性通过大量海试研究得到了充分验证。根据2014年公布的美国综合海洋观测系统（IOO）水下滑翔机网络计划，在过去的5年内，包括美国在内的各海洋强国，以政府和私人公司名义进行的滑翔机应用及测试，累计天数已超过25630天（以每台滑翔机在位24h累计为1天）。

当前在美国和法国，已成功跨过滑翔机可靠性和工程化阶段，主要研究热点集中在通过装载和集成不同种类的传感器，拓展滑翔机的应用价值。滑翔机最早搭载传感器只有CTD，且主要由Argo中性漂流浮标中的CTD改装而来，此后，Sea Bird公司针对滑翔机的工作特点，开发了滑翔机专用的Glider Payload CTD，使得滑翔机的温、盐测量精度进一步提高。

由于滑翔机本身重量和能耗的限制，其搭载的传感器受外形大小、海流干扰的限制，同时对传感器在重量和能耗方面也具有严格的要求。目前，已应用于滑翔机的传感器有十几种，除CTD外，包括溶解氧、海流计等。针对滑翔机的使用条件，有些传感器在体积、重量和能耗方面进行了专门的开发和改进，以实现与滑翔机的有效集成。也有对滑翔机平台进行改进，以适于传感器的测量。一些海洋勘察传感器，例如小型地形地貌探测类传感器的融合与集成，也将是未来滑翔机的发展趋势。

2.滑翔机网络功能强大，编队与组网是重要发展方向

多滑翔机构建的网络在海洋探测领域将起到重要作用。滑翔机特殊的工作方式可提供大空间尺度的数据信息，能为海洋数值模型提供参数化、数据同化和模型验证的支持。滑翔机网络大大扩展了单机探测的覆盖区域，同时可提供时变的次表层海洋物理、化学、生物、光学数据信息。滑翔机网络对于观测时变的，分布于中尺度范围内的海洋现象，以及对现象特征的追踪、特征范围的覆盖等，具有无可比拟的优越性。

当前在国际上，多滑翔机编队和组网技术是重要研究热点。美国自2000年就开始AOSN一期试验，测试多台滑翔机协同工作的可能性，此后开展了AOSN二期和ASAP试验，使滑翔机组网技术逐步成熟。目前美国综合海洋观测系统（IOO）水下滑翔机网络计划在美国已提上日程，更多滑翔机组成的观测网正在彰显其强大观测能力。欧洲成立了EGO专门组织，用于协调英、法、意等欧洲国家的滑翔机网络建设和应用情况。澳大利亚也成立了类似国家组织，对全国的滑翔机网络进行维护和管理。鉴于滑翔机编队和组网能有效拓展单机能力，具有更大的应用价值，是当前的研究热点和重要发展方向。

3.混合推进滑翔机，当前技术发展新趋势

滑翔机在大范围、长时序的海洋科学研究中发挥着重要作用，但在强海流区，由于其运动速度慢（典型运动速度0.5knot），无法实现预定的航迹；同时由于滑翔机剖面运动形式固定，无法满足多样的海洋科学任务需求。为此，在美国、法国、加拿大等国，开展了螺旋桨推进与浮力驱动相结合的混合推进型滑翔机，以弥补当前滑翔机的不足，并取得了良好的应用效果。比较有代表性的包括加拿大和美国共同开发的Slocum混合推进滑翔机、美国MBARI研究所开发了混合推进滑翔机Tethys、法国ACSA公司开发的混合推进滑翔机Sea Explorer等，其均具有相似的特点，抗流能力更强、运动形式更加灵活，大大提高了当前滑翔机的技术水平，也是当前滑翔机技术发展的重要趋势。

4.特种滑翔机形式多样，在前沿技术上逐渐探索

美国开展了特殊滑翔机平台的研究，比较有代表性的为利用海洋环境能源驱动的滑翔机系统，包括利用海洋波浪能的波浪滑翔机、利用海洋温差能的温差滑翔机等。当前波浪滑翔机已达到实用水平，温差能滑翔机也开展了多次应用研究，显示出良好的应用前景。在极限潜深滑翔机、仿生滑翔机等方面，也有科研人员开展了先期研究，也是滑翔机技术的重要发展方向。