吴世其, 洪梅, 陈希, 毛科峰, 刘科峰

国防科技大学气象海洋学院, 江苏 南京 211101

波浪滑翔机是一种新型的无人海洋航行器, 最早由美国Liquid Robotics 公司研发。近年来我国也研制了“黑珍珠”、“海哨兵”、“海鳐”和“蓝鲸”等产品样机(Qi et al, 2013; 杨燕 等, 2014; 张森 等, 2014; 胡滕艳 等, 2018; 李灿, 2018; 桑宏强 等, 2018; 孙秀军 等, 2019)。波浪滑翔机的关键创新之处在于能够从海浪中获取大量能量, 为前进提供动力(Manley et al, 2010b)。同时, 位于母船上的太阳能电池板能够不断补充电量, 供给波浪滑翔机的控制系统、通信系统以及搭载的各类传感器(Mullison et al, 2011; Goebel et al, 2014; Carlon, 2015; O’Reilly et al, 2015; Penna et al, 2018)。

波浪滑翔机由水面母船通过绳缆与水下滑翔体连接而组成, 如图1 所示。推进系统是纯机械式的, 既不产生电力, 也不消耗电力(Hine et al, 2009; Manley et al, 2009)。如图2 所示, 波面上升时, 波浪滑翔机母船随波面上升带动水下滑翔体上升, 翼板偏转并受到向前及向下两个方向的分力; 同理, 波浪滑翔机随波面下沉时, 翼板偏转并受到向前及向上两个方向的分力。在波面的上下起伏中, 翼板带动波浪滑翔机整体向前运动(Manley et al, 2010a)。

由此可见, 水下翼板的各项参数在很大程度上影响着波浪滑翔机的航行效能。关于波浪滑翔机翼板参数设计, 国内外进行了较多研究。Kraus 等基于船舶六自由度模型, 建立了第一个适用于波浪滑翔机的运动模型, 通过模拟得到翼板最大偏转角度为20°最优(Kraus et al, 2011; Kraus, 2012)。Salari 等(2015)模拟了不同海况等级(根据海况等级表, 海况分为0～9 级, 海况越高所对应波高越高), 翼板最大偏转角度为10°或20°时, 波浪滑翔机翼板的运动状 况, 发现海况越高翼板所产生的推力越大。……