滑翔机也能在水下“飞”?

核心提示: 调节好浮力就能“飞”。

众所周知,滑翔机是一种航空器,可最近一段时间,不少小伙伴都惊奇地发现,一些滑翔机不好好地待在天上,偏偏钻进了水中。先是去年底我国在南海俘获了美军的水下滑翔机(又称潜航器),然后是近日我国自主研发的“海翼”号水下滑翔机下潜到6329米的深海,一举打破世界纪录,都让水下滑翔机狠狠地刷了一波存在感。滑翔机为何能在水中航行?它到水中要做什么呢?

“海翼”号水下滑翔机(图源:观察者网)

水下滑翔机怎么“飞”?

一般意义上的滑翔机是指没有动力装置的固定翼航空器,它之所以能在空中飞行,要依赖于伯努利原理:当空气流经机翼时,由于上方翼面拱起,同一时间内,机翼上方空气比下方空气流速快,导致机翼上方比下方气压低,滑翔机也就浮在了空气中。当然,仅仅飞起来是远远不够的,为延长滞空时间,滑翔机的机翼通常设计得较为狭长,机身则呈细长的流线型,以提高升阻比,减小飞行时的下滑角。

空中滑翔机(网络图)

伯努利原理示意图(网络图)

水下滑翔机作为一种新型自主航行器,最早是由美国物理海洋学家亨利·施托梅尔(Henry Stommel)于1989年设计的,他正是在空中滑翔机的启发下设计了水下滑翔机,因此二者的航行原理基本类似。比如水下滑翔机也有“翅膀”(机翼),因为只有具备了“翅膀”才能实现滑翔。

典型的水下滑翔机结构图(图源:www.whoi.edu,图中汉字为作者添加)

不过,虽然水和空气都是流体,但还是有很大差别的,水下滑翔机为了适应水下环境,必然有其独特之处。它并未安装螺旋桨,是如何实现下沉和上浮的呢?

原理并不复杂,水下滑翔机是在浮力和机翼的作用下向前滑行的,而下沉和上浮则通过调节重力和浮力差实现。可见,浮力的调节至关重要。

我们知道,鱼类是通过鱼鳔的收缩和膨胀来调节自身密度,从而实现上升和下沉的,水下滑翔机的浮力调整机构也采用了同样的做法。水下滑翔机的“鱼鳔”是一个安装在外部的油囊(即上图中的flexible oil bladder),它在重力作用下到达预定深度完成任务后,便会将机体内的液压油压入油囊中,由于油囊体积增大,浮力也随之增大。当浮力大于重力时,通过配合合理的俯仰角,水下滑翔机便能在上浮的同时向前滑行。当水下滑翔机抵达水面,将采集的数据向卫星传输完毕后,它便会收缩油囊,使浮力小于重力,从而可以再次下沉,继续在大海里畅游。

除了改变浮力实现下沉和上浮,水下滑翔机还可以通过调整内部重物块的分布,以改变重心和浮心的相对位置,从而完成回转和俯仰等动作,这在空中滑翔机上是难以见到的。

水下滑翔机垂直剖面的周期性滑翔运动示意图(图源:orbitalvector.com)

水下滑翔机运动动画(网络图)

水下滑翔机有何用?

水下滑翔机无需动力装置,能量消耗非常低,仅在调整浮力和姿态时才会消耗少量电力,因此它的续航能力十分强大,可在海洋中连续潜伏数月。又由于它的制造及维护成本低廉,且自主可控,近年来在国内外受到极大关注,已发展成为颇受青睐的海洋观测平台。

水下滑翔机设计的最初目的是为了采集某一特定水域的水文资料,它往往会搭载各种不同类型的传感器,对海水温度、盐度和密度的空间分布规律进行实时监控。海水的变化对气候有很大影响,水下滑翔机带来的科学数据可帮助我们提高气候预报的精度,有效防御严重的气候灾害。

水下滑翔机引起了多国军方的高度关注(图源:www.navaldrones.com)

由于水下滑翔机噪声小、隐蔽性好,且能够大量部署,因而也引起了军方的浓厚兴趣。水下滑翔机监测到的水文资料及海底地形地貌可用于建立完整的海洋物理模型,从而帮助军队的水下装备避开危险水域。除用于侦察外,水下滑翔机还能在改进后携带攻击性武器,对某些特定目标造成破坏,有媒体称将来可同时释放大量水下滑翔机,像狼群一样猎杀潜艇。

当然,水下滑翔机也有缺点,例如定位精度低,航速不足1m/s。而且,如此高精尖的水下滑翔机,它最大的敌人——渔网和鲨鱼却一点也不高精尖。水下滑翔机一旦被渔网俘获,便一筹莫展了;它还会被鲨鱼当成猎物,科学家们曾在它的身上发现鲨鱼咬过的痕迹。

以毒攻毒,美国的一款水下滑翔机采用了鲨鱼涂装(图源:news.usni.org)

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  参考文献

  [1] 程雪梅. 水下滑翔机研究进展及关键技术[J]. 鱼雷技术,2009,17(6):1-6.

  [2] 马冬梅,马铮,张华,等. 水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究[J]. 水动力学研究与进展,2007,22(6):703-708.

  [3] 石新刚,程芮,苏强. 水下滑翔机发展现状及挑战[J]. 声学技术,2015,34(2):12-14.

  [4] 庞重光,连喜虎,俞建成. 水下滑翔机的海洋应用[J]. 海洋科学,2014,38(4):96-100.

 

 

 
   责任编辑:张曦
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