无人航行器动力及其推进系统的研究现状与展望

张 彦， 王恒涛， 杨 瑞， 袁成清

(1. 武汉理工大学 a. 能源与动力工程学院；

b. 国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063;2. 交通运输部水运科学研究院， 北京 100088)

当前海洋已逐渐成为世界各国抢先开发的资源要地，无人航行器(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)作为海洋开发过程中用到的重要工具，得到了各海洋强国的高度重视，在水域数据采集、海洋工程实施、海图绘制和军事等领域得到广泛应用。[1]

UAV是航行于水面和水下的小型航行体，其功能多样且应用范围极其广泛，可根据运行状态和控制模式对其作进一步区分。

根据运行状态可分为水面航行器(Unmanned Surface Vehicle, USV)和水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)。

根据控制模式可分为遥控式航行器 (Remotely Operated Vehicle, ROV)和自主式航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)[2]，其中部分UAV应用到了远程遥控和自主航行双模式控制中，提高航行的安全性。

随着海洋经济的不断发展，UAV的应用领域越来越广，但应用环境越来越复杂，保证其安全可靠、稳定运行和长航时特性显得十分关键，一直是国内外对UAV的研究热点。动力及其推进系统是UAV运行的核心机构之一，影响着其功能性的具体实现，同时需满足针对性强、低噪声和高续航力等要求[3]，因此需要合理地构建。本文对UAV动力及其推进系统各部件的研究现状进行描述，并围绕动力及其推进系统构建的流程，对各部件在具体选型、匹配等方面的关键内容和存在的问题进行分析，以期为UAV动力及其推进系统的应用提供参考依据。

为满足UAV的运行要求，动力及其推进系统通常由动力源、传动机构、推进器等3部分组成。动力源作为能量供给端，经传动机构将力传递到推进器，由推进器推进航行器航行。近年来，国内外相关学者对动力及其推进系统的各部件，特别是动力源与推进器开展了一系列理论研究与应用验证。

1.1 动力源

动力源的合理选择直接决定续航力。当前各国研制的航行器主要采用包括热机、蓄电池和燃料电池等在内的内置能源与包括太阳能、风能和波浪能在内的环境能源2类。

1.2 传动机构

传动机构是动力源与推进器的连接机构。螺旋桨推进的传动轴系种类多样，主要有直接传动、间接传动和Z型传动等，但一般包括联轴器、推力轴承、离合器和支承轴承等机构。UAV一般采用Z型传动，其机构技术成熟，操纵性好，但质量和尺寸较大，极大地增加了航行器的负荷。不断发展的无轴轮缘推进器采用螺旋桨-电机一体化的设计，省去了传动机构。

1.3 推进器

推进器决定UAV的推进效率和适用范围。目前，常用的推进器主要有螺旋桨、喷水推进器、无轴轮缘推进器和逐渐成为研究热点的仿生推进器等。除此以外，若使用的是纯风帆直接推进，或波浪滑翔机，则动力源与推进器往往被认为是一体的。

2.1 内置能源

内置能源主要指热机、蓄电池和燃料电池等可携带能源，具有效率高、成本较低和技术成熟等优势，是现有UAV的主要动力能源。[4]但是采用内置能源会极大地限制航行器的续航能力，同时其自重会对航行器的舱室布置和运行姿态等造成一定的影响。内置能源应用实例见图1。

2.1.1热机

目前，UAV采用的热机主要为柴油机，例如以色列研发的“Silver Marlin”型USV(如图1a所示)采用柴油机作为动力源，主要执行海岸目标识别和近海识别等任务。[5]以柴油机为代表的热机动力源具有可靠性高、热效率高和成本较低等优点，但柴油机工作时噪声较大，静默效果不好，且在航行过程中自身会产生污染物，会对水质监测、环境保护和军事侦察等用途的航行器造成一定的影响，主要在对动力功率需求较大的航行器上使用。近几年无气体产生燃料的外热源热机在UAV上逐步被使用，其在续航力和航速上都优于其他类型的动力装置，且使用无气体产生燃料，能从根本上解决水下气体排放问题，提高航行的隐蔽性，具有良好的军事应用前景。可作为外热源热机无气体产生燃料的化学物质有很多，包括Mg和Li等金属、Si等非金属单质或化合物。[6]

a) Silver Marlin

2.1.2蓄电池

目前，常见的蓄电池主要有以铅酸电池为代表的传统型电池和以锂离子电池为代表的新材料电池。综合对比二者的性能可知，锂电池的体积约为铅酸电池的2/3，其质量约为铅酸电池的1/3。[7]由于UAV通常在体积和质量方面有较为严格的限定，因此航行器常以锂离子电池为动力源。美国[8]研制的“REMUS 100”型AUV动力源就为锂离子电池组(如图1b所示)主要用于近海作战和信息采集等。相较于热机，采用蓄电池作为动力源的UAV具有静默效果好和噪声低等优势，因此是主流动力源。

2.1.3燃料电池

燃料电池具有清洁高效、能量密度高、转换效率高、噪声低和可长时间工作等特点，对于执行特殊工作的USV或执行长距离水下潜航侦察任务的UUV来说都是理想的能量来源方式，其已成为航行器动力源的研究热点。[9]例如，日本“Urashima”型AUV搭载一个完全封闭循环的燃料电池系统，使该型AUV能以3 kn的速度续航300 km。[10]中国科学院沈阳自动化研究所为无人水下机器人研发一种质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)，其包括氢气和氧气循环系统、气水分离系统、排热循环系统和检测与控制系统等。[11]以燃料电池为动力源的UAV在续航能力上具有一定的优势，但机构复杂，对技术条件的要求较高。

2.2 环境能源

由于UAV携带能源有限，续航力成为主要限制因素。近年来，利用环境能源成为提高船舶航行器续航力的主要措施，在UAV上可利用的环境能源主要有太阳能、风能和波浪能。

2.2.1太阳能

在海洋环境中，太阳能主要集中分布于水面以上区域和浅水区域，由于海洋表面空旷且没有覆盖物的遮挡，因此接收光照的条件较好，在安装有各种用电设备的UAV上，通过铺设太阳能电池板进行光伏发电具有广阔的应用前景。太阳能航行器见图2。

a) Charlie号

太阳能在USV上应用较多，例如意大利CNR-ISSIA研发机构研发的“Charlie”号USV利用光伏发电驱动(如图2a所示)主要在南极洲对海洋微表层进行取样和收集大气海洋界面数据[12]；
日本Eco Marine Power公司在2011年研制三体结构的USV“Aquarius”号，该航行器的每个船体间用横跨的太阳能电池板作为甲板进行连接，广阔的甲板面积可为其提供更多的能源供应。[13-14]

在水面下弱光的环境中，太阳能的转化利用效率低下，为解决太阳能难以在水下收集的问题，利用太阳能的UUV普遍采用“水面充电、水下航行”的模式，即航行器浮至水面待航，并利用太阳能进行充电，待电量充满之后再下潜水中进行航行工作。[15]美国海军研究局研制太阳能UUV样机SAUA号(如图2b所示)，该航行器质量为90 kg，长1.7 m，宽0.7 m，表面搭载2个功率为30 W的太阳能电池板，并采用镉镍电池储存电能。[16]

虽然采用太阳能作为动力源具有长航时和无污染等优点，可应用于执行远航任务的航行器上，但发电功率受环境因素的影响较大，且对航行器甲板面积有一定的要求。

2.2.2风能

目前，风能在UAV上的利用可分为直接利用风帆推进和先利用电机进行风力发电再推进2类。其中：直接利用风帧推进的航行器简单、高效，通过在航行器上加载可变换角度的风帆将风力转化为航行器的航行动力；
利用风力发电推进的航行器先通过风叶和风力发电机组将风能转化为机械能再将其转为电能进行电力推进。[17-18]

目前常用的是风帆直接驱动，风能航行器见图3。各国学者改进传统风帆并设计多种更加适合UAV的特殊风帆。例如UOV公司研发以风能作为动力源，理论上续航能力为无限长的USV，适用于海洋数据收集、测量等。[19]美国大西洋大学的学者研究制作利用风能进行推进航行的航行器WASP号(见图3a)，该航行器设计一个新型复合结构翼，利用碳纤维制成骨架，用玻璃纤维和树脂材料融和为肋骨，并用可阻挡紫外线的热塑性薄膜制成帆面，新材料的使用使得风帆的重量大大降低，同时优化了空气动力效率。[20-21]

虽然海洋风能储量巨大，但其是一种聚集于水面以上的能量，因此风能利用在UUV的设计中并不多见。美国OceanAero公司研制的“Submaran S10号”是一种兼具水面和水下航行能力的航行器(见图3b)，该航行器设计一种独立于船体的可旋转的折叠风帆，其在使用时为竖直状态，可将风能转化为推进力，同时通过风速计分析风速和风向，从而调整帆向，优化风帆的推进力并保持航向和航速。当进行水下潜行时，风帆旋转收缩至甲板上的缝隙内，以减小船舶在水下的阻力。[22]

a) WASP号

由于风况具有不稳定性，风能常与其他能源互补利用，同时风帆会对航行器的稳性造成一定的影响，因此结构设计很重要。

2.2.3波浪能

波浪能驱动是常见的UAV驱动形式，通常应用于滑翔机上。[23-25]波浪能航行器见图4。波浪滑翔机通常由处于水面的母船和处于水下的滑翔机2部分组成，二者之间由柔性缆绳连接，其工作原理是：当水面母船随海浪向上运动至波峰位置时，水下滑翔机也经由柔性缆绳被向上带动，这时水流开始以一定角度向下冲击滑翔机，产生的向前分力推动航行器航行；
当水面母船运动至波谷位置时，水下滑翔机也随之下降，水流向上使航行器获得向前的推动力，波浪滑翔机在波浪的连续作用下不断前进，并由舵控制航行方向。[26-27]例如：我国自主研制的“蓝鲸”系列波浪滑翔机(见图4a)；
美国设计完成的飞翼式水下滑翔机“X-Ray”。

有些航行器利用波浪能发电装置，当其工作时，UAV需上浮至近海面，通过波浪能采集装置、能量传递转换装置和发电机等3部分将海洋动能和势能转化为电能。[28]例如：我国西北工业大学的学者提出一种可用于UUV的波浪能发电系统(见图4b)，利用稀土永磁发电机和晃动摆；
另有学者针对航行器波浪能随体发电技术，提出通过在航行器外部2侧加装摆动水翼装置进行波浪能发电。[29-31]虽然波浪能是当前海洋中蕴藏最丰富的能源之一，但其利用受洋流因素的影响较大，前期需对任务区域洋流有深入的了解和分析。

a) “蓝鲸”系列波浪滑翔机

2.3 混合动力

单一动力源为航行器供能，在稳定性和持久性方面存在一定的局限性，因此混合动力被逐步采用。混合动力在航行器上的使用主要采用内置能源与环境能源组合的方式，或多种环境能源相组合的方式，常见的有太阳能与蓄电池组合、风能与太阳能组合和太阳能与波浪能组合等。例如我国海洋国家实验室研发的“海鳐”波浪滑翔机(见图5)，其利用波浪能驱动，太阳能电池板发电供给所搭载电子仪器，连续航行92 d，航程达到3 000 km，在立体组网观测、海水水质监测、岛礁守备、水下目标探测和水文观测等领域具有广泛的应用前景。[32]

图5 混合动力航行器“海鳐号”

3.1 螺旋桨

螺旋桨是指靠桨叶在水中旋转，将电机转动功率转化为推进力的装置。当电机通过轴带动螺旋桨转动时，对水产生一个向后的力，水也会对螺旋桨产生一个反作用力，以此来驱动螺旋桨运转。目前，螺旋桨还是UAV主流采用的推进方式，应用较多的是对转螺旋桨和导管螺旋桨2类以及多螺旋桨协同推进方式。[33]例如英国普利茅斯大学研发的“Springer”型航行器采用直流电机驱动，由螺旋桨推进，具有低速时推进效率较高、建造和维修成本较低等优势。随着技术的不断发展，将推进电机、舵和螺旋桨等元件集成可360°旋转的吊舱桨，解决传统螺旋桨只能提供固定轴线推力的问题，但因造价高和密封性要求高等问题，并未在航行器上大量运用。

3.2 喷水推进器

喷水推进是一种特殊的推进方式，推进机构的喷射部分浸在水中，利用喷射水流产生的反作用力驱动航行器前进，具有吃水浅、复杂水域通过性能较好、传动机构简单和附件阻力小等优点，特别是在高航速时，推进效率较高，能提供较高的航速。例如日本YAMAHA 公司的“UMV-O”号USV采用的就是喷水推进器，最高航速可达40 kn。[34]

3.3 无轴轮缘推进器

无轴轮缘推进器对电机和推进器进行集成，主要由转子轴承、固定轴承、多磁极定子和外壳等组成。无轴轮缘推进器的应用能有效地减少推进系统占用的航行器内舱，提高空间利用率，增加航行器的推进效率，减少振动与噪声，保证航行器的隐蔽性，在军事和民用领域都有极高的应用价值和广阔的市场前景。

英国Rolls-Royce公司在2005年成功研制出了功率为800 kW的无轴轮缘推进器。荷兰的Vander Velden Marine System公司在2006年开发了管道式7叶无轴轮缘推进器。挪威科技大学和国内的702研究所[35]都在开发各种无轴轮缘推进器，部分已在潜航器上有所使用。无轴轮缘推进器的研究在国内还比较少，特别是在航行上的使用尚处于基础性研究阶段，包括智能控制策略，润滑、密封和冷却，振动和噪声的控制方法等关键技术都需要继续突破。

3.4 仿生推进器

海洋生物经过亿万年的进化，在水中形成了一套独特的游动推进方式，特别是鱼类的波动推进和虾类在快速逃逸时的射流推进，具有高机动性、高稳定性、高效率、高隐身性和低干扰等特点，这与当前UAV的需求不谋而合。因此，仿生推进器已成为UAV新的研究方向，在保障国家海洋安全等方面至关重要。仿生推进器应用实例见图6。如今仿生生物主要有：美国研制的仿生金枪鱼(见图6a)、日本研制的仿生海豚(见图6b)和我国研制的仿生鳗鱼与仿生蛇等。[36]

a) 仿生金枪鱼

2014年麻省理工学院研制出仿鲹科柔性机器鱼推进器，该机器鱼的尾鳍通过3D打印，仿照自然模型打印，通体采用柔性材料制作，伸展性和弯曲性能良好。2018年我国研发的ROBO-SHARK采用鲨鱼作为原型，以三关节仿生尾鳍替代传统螺旋桨推进器，推进效率高达80%，最高航速可达8～10 kn，远优于其他仿生类潜航器潜水器约2 kn的平均航速。[37]由于仿生推进器对航行器的外形要求严格，限制航行器的功能且航速较低，在实际工程应用上需进一步研究。

3.5 混合推进

不同的推进方式有其各自的特点，为融合多方的优点，有学者提出采用混合推进形式。例如美国Webb公司在滑翔机的艉部增加1台螺旋桨推进器，使其既可在水中进行锯齿形的剖面滑翔运动，又可在水中推进前进，同时满足远距离、长时序和快速机动。美国佛罗里达理工学院的研究人员设计了一款名为“AUV-Glider”的航行器，在其艏部和艉部都装有喷水推进器，大大提高了在水中的灵活性。

在开展UAV动力及其推进系统各部件研究的基础上，实现整系统的合理构建是最终目标。但是，相比动力源和推进器等核心部件方面的研究，对动力及其推进系统具体构建模式的研究相对较少，缺乏完整描述。因此，本文围绕UAV动力及其推进系统构建的流程进行详细阐述，并在具体选型和匹配方面对各部件进行分析，有利于对动力及其推进系统研究现状的进一步理解。

国内外对于UAV动力及其推进系统的应用研究，主要采取先确定拟选用的动力源或推进器，再进行设计优化、选型与匹配的模式。这种模式过于关注新技术应用本身，而忽略了UAV整体的运行需求。实际上，UAV在主尺寸、航速、运动控制和续航能力等方面均具有特殊要求，运用于军事领域的航行器还对噪声和运载能力等因素有特殊要求，这些都会影响动力及其推进系统。为满足这种特殊要求，动力及其推进系统的构建应以功能需求为启动点，综合考虑运行特征、航速和航时等重要影响因素，开展动力源、传动机构和推进器的具体选型与匹配，并始终以结构可行性为衡量标准。[38-40]同时，本文提出一套UAV动力及其推进系统的构建流程，见图7。

图7 小型航行器动力及推进系统构建流程

基于流程构件UAV动力及其推进系统，对于动力源、传动机构和推进器等各部件而言，在具体选型和匹配等方面需关注的重点内容包括：

1) 对功能需求和运行环境方面数据的掌握。航行器通常根据需求有针对性地设计制造，在设计前，必须先了解UAV的功能需求，例如对噪声、污染排放和续航力等方面的要求，还需获取当地的环境数据，特别是风况、洋流情况和太阳能辐射量等详细数据。

2) 动力源、传动机构和推进器的选择与设计。根据功能需求和运行环境设计适合的动力源、传动机构和推进器，在满足要求的前提下应做到各机构最优适配。

3) 针对不同目标功能的UAV设计的动力源会有很大差别。当目标航行器对续航能力有较高要求时，可采用燃料电池或太阳能等环境能源；
在考虑经济因素时，应考虑采用传统能源。另外，UAV的运行环境也是动力源选择的主要影响因素，USV可有效利用太阳能和风能提高续航力，UUV主要通过利用波浪能提高续航力。

4) 由于UAV的不同结构和功能需求，推进器有很大差异。在设计时，除了要考虑结构和功能需求以外，还需综合考虑运行的环境因素及其推进器与动力源的契合等因素，并通过分析对比确定最优推进方式。

5) 控制系统的构建。控制系统是UAV动力及其推进系统的关键部分，合理地构建控制系统和提高控制精度是UAV高效完成作业任务的前提。

UAV动力及其推进系统的发展必须是面向功能需求的，满足航行器长航时、低噪声和隐蔽性等的特殊要求。

根据动力及其推进系统的研究现状，环境能源、仿生推进器因其具有的优势，会成为主要研究与应用方向，多能源组合、混合推进技术等关键技术会得到重点发展。但是，环境能源不稳定、能量密度低和仿生推进器难以兼顾灵活性与速度性等问题会对其大范围应用带来一定的阻碍。

随着高端智能海洋装备成为海洋科技产品发展的核心，智能化成为了UAV发展的方向，AUV逐渐成为主流。UAV的智能化主要体现在形成智能控制系统，其对于动力及其推进系统而言，能有效实现部件之间的协调与配合，从而有利于克服相关技术的缺点，推动研究与应用进展。

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