潜航器无需回港口即可充电


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今年早些时候,中国权威媒体指出,机器鱼“海豚二号”百米已经进行了深海充电传信的试验。此次试验表明,我国已经攻克了无人潜航器在海底无线充电的重大难关,对未来水下作战具有非常重大的意义。这种技术的使用方法是,一艘无人机潜航器在需要电能时返回一定区域的水下充电站(学名水下接驳站)附近,二者建立无线连接,即可完成充电操作,同时还可以将采集到的水下信息传输给该充电站,又充电站传输给岸上指挥所,大大增强水下作战实施态势感知能力。


在实验中,“海豚二号”先在50米深度海域与海底观测网和对接系统进行了11次回坞对接操作,成功对接了10次,水下接驳站开始对AUV进行充电并下载AUV获得的水下信息,在该深度时充电最高功率可达681W,信号最大传输速率可达3.1MB/s。接着,“海豚二号”被置于105米的深度再次进行同样的实验,也获得了成功。研发该技术的杨灿军教授表示,此次实验成功突破了100米海底深度,在入坞成功率、充电功率和传输速率上达到国际先进水平,为建立水下三维动态感知网创造了条件。


研发海底非接触式电能传输新系统是我国国家“863”计划重点资助扶持的项目,目前的主要成功都是由浙江大学取得的。海底供电系统是各国正在发展的海底观测技术必备设施,传统的供电系统是通过湿插拔水密闭插接来连接负载和电源,说白了就是有线插头。只是这种插头在使用时通过挤压插孔的方式将孔内的水分排出,进而取得安全的充电环境,但这样方式在深海环境中有操作复杂、价格昂贵、使用寿命短、安全隐患大等缺点。



一些国家设计了在AUV上配装蓄电池组的方法增加其续航能力,但这样使得AUV负载明显增大,机动性降低,我国第一台水下蓄电池重126kg,极大的增加了AUV负担,影响了其用途拓展。这些缺点导致了科学家开始谋划使用无线充电方式来取代它,为此各国开始了自己的努力,美国的NEPTUNE和欧洲的ESONET、日本的ARENA专项计划都包含这一技术。


水下无线充电的基本原理是利用电磁感应技术,将电场转化为磁场,再将磁场转化为电场实现电能的传输。充电时电源的直流电经过逆变电路转换成高频交流电,该高频交流电被送入初级耦合线圈,初级耦合线圈则将其转换为交变的磁场送至次级线圈,次级线圈将磁能转换为高频交流电,经过整流和滤波后传给负载,由于存在间隙的耦合器会有较大的漏磁通,因此还需要在初级和次级耦合线圈上附加补偿电路。


在海底环境工作时,初级和次级电路都需要耐高压和耐腐蚀材料密闭容器封装,避免进水发生安全隐患,以上过程其实与变压器的原理基本一致,这种方法也被称为电磁耦合式水下充电。除上述方法外,国外还提出了电磁共振式和电磁波发射式两种充电方式,其中电磁波发射式由于在水下衰减太严重而不具备发展前景,而电磁共振式则由美国麻省理工学院首先发表论文提出,其主要用于短距离需要大功率充电的环境。




我国对该技术的研究起始于2000年前后,开始时主要是各大机构发论文为主,浙江大学走在最前列,利用电磁耦合式方法,在水下电磁耦合器结构、线圈优化设计、充电系统控制上取得了重大进展,最终在2017年取得了工程实践的重大突破。该技术成熟后,不但可将海底接驳站预置在海底为UAV充电,还可以将其放置在移动的潜艇、舰艇平台上,对现代水下作战样式形成三种冲击:


一是可持续封锁航道。UAV在能实施水下无线充电后,只要水下接驳装置能源足够,就可以一直处于巡航状态,特别是在海上重要航道水下和敌军港口外围持续巡航,对经过的敌军各类船只进行探测、识别、火力打击,令敌潜艇、舰艇无法出海、不敢出海,封锁效果相比潜艇这种目标大,难以在浅水区活动的武器来说要大的多。





二可助力水下编队作战。核潜艇拥有几乎无限的电能,在配备水下接驳装置并携带UAV后,可实现与UAV之间的无接触充电和通信。在水下建立态势感知体系,遇敌时,先发射UAV接近目标,利用UAV目标小、反射声波信号弱的特点可做到首先发现目标并对其实施跟踪,引导潜艇鱼雷或直接使用战斗部实施打击。


三是可建立水下动态感知体系。UAV可携带侧扫声呐,利用自身可连续充电的优势,巡航时间长的优势不断对海底实施声呐扫描成像,持续探测水下可能获得的潜艇、水雷等目标,最终促成建成水下动态感知体系,大大提高防御水下渗透和破坏的能力。