水下滑翔机的历史、发展以及几款典型机型的比较

水下滑翔机是水下机器人的一种，它可以通过改变浮力横穿海洋，在此过程中，它的翅膀利用重力在水平面上产生向下运动的分量，从而产生向前的力。它们主要用于海洋科学传感探测和数据收集，并在海洋研究和开发中发挥重要作用。自从1989年第一架滑翔机概念的发展以来，这些滑翔机已经有了相当大的发展。本文综述了现有的水下滑翔机，重点介绍了它们各自的工作原理、航程和有效载荷能力。大多数滑翔机的工作深度为1000米，有效载荷小于25公斤。混合机身滑翔机，它的有效载荷约为800公斤，工作深度约为300米。中科院沈阳自动化所、西北工业大学、天津大学等高校都有相应的技术研究和批量应用，形成了海翼、海燕等型号系列产品。

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Liquid Robotics

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水下滑翔机的起源

石油和天然气行业越来越多地冒险在离岸越来越深的地方寻找石油和天然气。深水(水深在200米至1500米之间)和超深水(水深超过1500米)水下设施的增加超出了人类潜水员的极限。这推动了自主水下机器人的发展。一些关于自主水下机器人的早期研究可以追溯到20世纪60年代。20世纪70年代末，不同的大学和机构已经在为这些水下机器人开发试验台。在此期间，水下机器人有了许多发展。1989年，亨利·施托梅尔发表了一篇革命性的文章，论述了在海洋学领域使用运动浮标的可能性。1992年，东京工业科学大学研究所研制出第一架梭式水下滑翔机ALBAC。水下滑翔机是一种特殊类型的水下机器人，用于海洋探测和数据收集。它们之所以有吸引力，是因为自主性和远程、长时间部署的能力。在展开时，水下滑翔机是负浮力的，因此倾向于俯冲，在此期间，它的机翼将向下的运动转换成水平面，从而产生向前的力。一旦到达预定深度，机体改变其浮力，变成正浮力。其中一种方式是可以通过将油从内气囊泵到潜器外气囊来实现，从而增加航行器的体积，但保持质量不变。

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水下滑翔机的发展

ALBAC是第一个在没有任何螺旋桨系统的情况下滑行移动的原型滑翔机，是东京大学1992年研制的一个机型。它有一个带机翼的圆柱形机身以产生最大升力，并有控制滑翔机浮力的致动器。它被设计成携带科学测量设备以20度的滑翔角到达一个固定的目的地。在到达300米深处的目的地后，它变成正浮力。这是通过改变浮力中心来控制轨迹。

东京大学ALBAC水下滑翔机的原型尺寸

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1995年，美国海军研究的自主海洋取样网络(AOSN)开发了三种水下滑翔机，分别是斯洛克姆（Slocum）、斯普雷和西格莱德滑翔机，它们的尺寸和设计用于海洋取样。

韦伯研究公司(WRC)为要求快速转弯和垂直速度的浅海环境任务优化了斯洛克姆滑翔机。它有一个单冲程泵来控制水量。方向舵用来控制转弯运动，俯仰控制是通过改变质量来实现的。机体材料强度重量比和单冲程泵的容积控制能力限制了其在更高深度的操作。

斯克里普斯海洋研究所(SIO)克服了这些限制，开发了一种比斯洛克姆滑翔机阻力小50%的机型，并使用了一种能够在更高压力下工作的往复泵。由此产生的滑翔机，被称为“斯普雷滑翔机”，这是电动滑翔机，经过优化后可用于深海，可长时间飞行。

斯普雷滑翔机（Spray Glider）的航行轨迹

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华盛顿大学设计的“西格莱德滑翔机（Seaglider）”装在一个流体动力玻璃纤维整流罩内，整流罩支撑机翼、垂直稳定器和尾翼天线。它具有低阻力流体动力形状，在其最大直径前保持一个层流边界层。通过在2002年改进船体的强度和水动力形状，他们开发了深度滑翔机，其尺寸与西格莱德滑翔机相似。滑翔机的外壳通过使用热固性树脂和碳纤维达到了最大的强度重量比，达到了6000米的工作深度。深度滑翔机的浮力引擎与西格莱德滑翔机相同，不同之处在于它能够在高压下工作，并且由于浮力控制致动器的能力更强而可以控制更大的体积。

西格雷德滑翔机（Seaglider）

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韦伯研究公司(WRC)开发了用于在温跃层水域进行长期任务的斯洛克姆热探测器。因为不同深度的温度和热量不同，热量被吸收和释放，会导致工作流体的体积发生变化。由于温差很小，热循环的效率很低，约为3%，但与Seaglider水下滑翔机相比，其工作范围更大。

Slocum Glider

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大部分滑翔机用于海洋科学测量，只有少数专门用于海洋监视。一个例子是美国海军的持久沿海海底监视网络(PLUSNet)的XRAY滑翔机，开发于2006年。它是当时最大的水下滑翔机，翼展6.1米，水动力效率更高，能量储存空间更大，有效载荷更大。它是专门为美国海军感兴趣的海洋监视和其他遥感应用而建造的。

XRay水下滑翔机

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ZRAY滑翔机是2010年3月完成的XRAY滑翔机的改进形式，具有450千克的干重和300米的工作深度。新的翼身混合设计是为了提高传统滑翔机的推进效率，例如相比起斯洛克姆、斯普雷和西格莱德滑翔机等。

ZRay水下滑翔机

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水下滑翔机的比较

几款经典水下滑翔机的工作深度比较

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几款经典水下滑翔机的航程对比

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几款经典水下滑翔机的有效荷载对比

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未来趋势

第一代滑翔机在物理和功能目标上非常相似。它们以锯齿形剖面横穿海洋，非常适合在水中进行垂直和水平观测。目前，努力的重点是进一步提高这些滑翔机的推进效率。提高推进效率的一个方法是从海洋的温跃层获取浮力变化所需的能量。斯洛克姆热力滑翔机曾是基于这一概念开发的滑翔机。另一种提高推进效率的方法是通过设计优化，产生一种新型的混合翼身滑翔机。另一个例子是波浪滑翔机，它从波浪和太阳中获取能量。波浪能和太阳能辅助的滑翔机有两个主体，一个漂浮在海面上，另一个是水下滑翔机。两者通过系缆相连。滑翔机通过将海浪能量转化为向前的推力向前移动，就像飞机的向前运动一样（开篇视频）。一种无翼混合式海洋探索水下滑翔机是由法国梅维尔的阿尔肯公司开发的。它是浮力驱动的，在低速时有很高的耐久性。配有额外的推进器，类似于AVU，在需要时驱动它。还有用作水平稳定的鳍。类似的，意大利热那亚的GRAAL Tech制造的eFolaga混合式水下滑翔机具有浮力机制。前向推力、偏航和俯仰修正通过嵌入机身中的推进器提供动力。

为卡梅隆设计万米载人深潜器的 Ron Allum和他成立的Deep Sea Services公司也加入到了滑翔机的研制队伍中，他们设计了一款名为DeepRay的一体式滑翔机

Ron Allum Deep Sea Services

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主要限制和挑战

现有的水下滑翔机在工作深度、有效载荷能力、工作距离和耐久性方面面临着许多挑战。具体来说:

1. 现有的浮力控制机构限制在较浅的工作深度，因为压力随着深度的增加而增加。

2. 低强度重量比使这些滑翔机很难在更深的地方工作。

3. 热力滑翔机的效率较低，因为在有的区域热梯度较小。

4. 机身的水动力形状不支持更深深度和更高有效载荷。

水下滑翔机有多种类型，具有不同的有效载荷投放能力和工作深度。低能耗这一特性可能将在未来的水下航行器甚至运载器上得到利用。

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信息来源：深海智人 草履虫

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