作者：陈沙沙东南大学脑与学习科学系

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水下滑翔机概述

不同于能自由翱翔在空中或者驰骋于水面上的滑翔机，水下滑翔机是一种新型的水下机器人，也是一种依靠浮力驱动、以锯齿形轨迹航行的新型水下移动观测平台。它利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大（可达上千公里）的特点。同时，水下滑翔机滑翔时的无动力推进噪音极低，这个重要的特点使得其在军事上也有很大的应用价值，可以由潜艇远程投放，以完成特定的目的，并且不易被发现。

图1：水下滑翔机

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水下滑翔机的应用

水下滑翔机的应用领域极其广泛，包括：物理，化学，生物海洋学，战术海洋学，长周期、大范围海洋侦察和搜索，以及航行辅助等。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；利用水下滑翔机进行海洋环境观测，可以直接或间接获得海水深度温度盐度(CTD)、海水浊度、pH值、叶绿素含量、溶解氧含量、营养盐含量、海水湍动混合、海洋中的声波等等。

图2：在水中“飞翔”的水下滑翔机

水下滑翔机与其他海洋观测设备相比,具有明显的优势。相比于船基海上调查，其调查成本相对较低，特别是现在高油价时代更具意义；其观测具有更高的空间分辨率，例如当下潜水深m时,其测量空间分辨率小于3km，而且由多个水下滑翔机组成的观测阵列可以进行大范围、长时间跨度的不同断面的准同步观测，克服了船基调查站位有限、时间跨度小的缺点；且水下滑翔机还具有体积小，重量轻，易于布放与操作的特点；水下滑翔机的另一突出优势是，可以在船只进出困难海域以及极端气象条件下进行自主观测。

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从STEM看水下滑翔机

S：样机滑翔功能的实现—重心位置调节原理

水下滑翔机通过改变重心相对浮心的位置，实现姿态的调节和控制。根据实际需要，水下滑翔机可以有两种方式实现滑翔。第一种是通过吸入或排出外部液体，改变自身的重量，产生下沉或上浮的动力，同时相应改变载体重心在纵向上的位置，形成一定的攻角，再利用水平翼把该垂向力转化为前行的动力，从而实现纵向滑翔；第二种是通过液压系统将液体从外皮囊内压入密封的滑翔器壳体内部或从密封的滑翔器壳体内部压入外皮囊内，改变自身的体积，产生下沉或上浮的动力，同时调节载体重心，实现纵向滑翔。

图3：水下滑翔机运动参数及受力分析图（图片来源知网参考文献）

T、E：水下滑翔机的结构设计及系统

水动力外形：滑翔机的水动力外形主要由艇体、水翼和附体三部分组成。艇体外形主要有两种：带平行中体的水滴形和低阻层流形；现有水下滑翔机的水翼大都采用NACA翼型（Slocum号水下滑翔机采用平板翼），升降翼的安装位置主要从动稳性来考虑；的附体主要指安装在水下滑翔机艇体以外的各类有效负载，其中大部分是各类传感器。

图4：采用水滴形和低阻层流形的艇体外形（图片来源知网参考文献）

内部结构：为了实可靠的滑翔运动，内部结构设置了三个机械调节机构和对其实施有效控制的控制系统。机械调节机构包括净浮力调节机构、重心调节机构和横滚调节机构；控制系统包括了控制器和传感器组件（GPS、陀螺仪、电子罗盘和深度传感器）。其中，净浮力调节机构就是要调节滑翔机的净浮力（重力与浮力之差），产生运动的驱动力。

图5：原理样机内部结构示意图（图片来源知网参考文献）

控制系统：水下滑翔机控制系统用于采集、处理机体运行参数，并适时控制样机中各运动执行机构，以实现滑翔机水平滑翔距离的最大化。控制系统结构框图如下图所示：

图6：控制系统结构（图片来源知网参考文献）

M：水下滑翔机电池与运动参数优化

为实现水下滑翔机在自带有限能源情况下进一步提升续航能力，就需要对其供电电池和相关运动参数进行优化。

水下滑翔机的能耗E可分为两类，一类与滑翔时间成比例关系（如测量传感器和控制系统的能耗等），定义为Et，一类与滑翔时间无关，与滑翔的周期数相关（如浮力调节系统和俯仰调节系统以及舵的能耗等），定义为En。

当水下滑翔机结构一定时，最大下潜深度hmax、浮力调节范围Bmax和最小滑翔角γmin都是固定的。在一些实际应用中，下潜深度h以及滑翔速度U都是在采样任务开始之前就预先设定好的，而滑翔速度U与净浮力ΔB直接相关，U确定以后，ΔB也就确定了。因此优化问题可以简化为：

（公式来源知网参考文献）

采用高低压两组电池组供电方案，当净浮力取定值时，随着下潜深度的增大，最优滑翔角度呈现阶梯状变大的趋势。如下图所示：

图7：最优滑翔角度与下潜深度的关系（图片来源知网参考文献）

采用高低压两组电池组供电方案，在深度设定成定值时，滑翔距离与运动参数的关系图如下图所示：

图8：滑翔距离与净浮力和滑翔角的关系（图片来源知网参考文献）

当滑翔角度一定时，随着净浮力的增大，滑翔距离的变化趋势呈现2个方面的特征：先由小变大，再由大变小。对于前者，其主要因为随着净浮力的增大，滑翔速度也随着增大，滑翔时间变短。因而，与滑翔时间相关的能耗减少，从而整个能耗减少，滑翔距离增大。对于后者，随着净浮力的增大，液压系统的能耗也随之变大，当由增大浮力减小的与滑翔时间相关的能耗小于相应液压系统增大的能耗时，随着净浮力的增大，总的能耗增大，滑翔距离减小。

不同净浮力情况下，随着净浮力的增大，滑翔距离最大的最优滑翔角度呈现阶梯状逐级递减分布，如上图中折线所示。这是因为当水平距离和下潜深度一定时，因净浮力的增加而增加的与滑翔周期数相关的能耗大于由于净浮力的增加而减小的与滑翔时间相关的能耗时，就需要减小滑翔角来减小滑翔周期数从而保持完成使命所消耗能量最小，从而滑翔距离增大。

图9：我国自主研发的“海燕”号水下滑翔机

年，由我国天津大学组织研制的“海燕”号长航程水下滑翔机样机在南海北部完成首次摸底海试并安全回收，本次海试水下滑翔机实现连续航行天，最大潜深米，完成个剖面海洋温盐等水文环境参数观测，累计航程突破.4公里，刷新了国产水下滑翔机连续工作时间最长、测量剖面最多、续航里程最远等新纪录。打破了国外技术垄断和封锁，有效推进了我国水下滑翔机的实用化进程，创造了中国水下滑翔机多项纪录！

参考文献：

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[2]王冲,张志宏,顾建农,刘巨斌.水下滑翔机原理样机设计与分析[J].固体力学学报,,29(S1):-.

[3]李志伟,崔维成.水下滑翔机水动力外形研究综述[J].船舶力学,,16(07):-.

[4]高颖,马晓辉,姜涛,姬维君.水下滑翔机原理样机设计与运动仿真[J].国外电子测量技术,,30(11):74-78.

[5]陈杰,俞建成.水下滑翔机供电电池与运动参数优化[J].控制工程,,24(10):-.

东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）结合信息技术、生物医学工程、脑科学技术，进行青少年科学素养的国际比较研究和学生核心概念掌握水平的评测系统的研究与开发，我们的目标是：（1）面向中小学学生综合能力发展的steam研究；（2）通过实证教育研究，探究科学素养的本质及有效的培养途径；（3）将科学素养的传统评测方法与现代信息技术相结合，探究基于ECD模型的学生科学素养评测方法研究；（4）运用ERP、EEG和眼动等脑科学技术，开展对学生核心概念熟练掌握程度的评测研究。

责编：罗培

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