今年早些時候,中國權威媒體指出,機器魚 " 海豚二號 " 百米已經進行瞭深海充電傳信的試驗。此次試驗表明,我國已經攻克瞭無人潛航器在海底無線充電的重大難關,對未來水下作戰具有非常重大的意義。這種技術的使用方法是,一艘無人機潛航器在需要電能時返回一定區域的水下充電站(學名水下接駁站)附近,二者建立無線連接,即可完成充電操作,同時還可以將采集到的水下信息傳輸給該充電站,又充電站傳輸給岸上指揮所,大大增強水下作戰實施態勢感知能力。
在實驗中," 海豚二號 " 先在 50 米深度海域與海底觀測網和對接系統進行瞭 11 次回塢對接操作,成功對接瞭 10 次,水下接駁站開始對 AUV 進行充電並下載 AUV 獲得的水下信息,在該深度時充電最高功率可達 681W,信號最大傳輸速率可達 3.1MB/s。接著, " 海豚二號 " 被置於 105 米的深度再次進行同樣的實驗,也獲得瞭成功。研發該技術的楊燦軍教授表示,此次實驗成功突破瞭 100 米海底深度,在入塢成功率、充電功率和傳輸速率上達到國際先進水平,為建立水下三維動態感知網創造瞭條件。
研發海底非接觸式電能傳輸新系統是我國國傢 "863" 計劃重點資助扶持的項目,目前的主要成功都是由浙江大學取得的。海底供電系統是各國正在發展的海底觀測技術必備設施,傳統的供電系統是通過濕插拔水密閉插接來連接負載和電源,說白瞭就是有線插頭。隻是這種插頭在使用時通過擠壓插孔的方式將孔內的水分排出,進而取得安全的充電環境,但這樣方式在深海環境中有操作復雜、價格昂貴、使用壽命短、安全隱患大等缺點。
一些國傢設計瞭在 AUV 上配裝蓄電池組的方法增加其續航能力,但這樣使得 AUV 負載明顯增大,機動性降低,我國第一臺水下蓄電池重 126kg,極大的增加瞭 AUV 負擔,影響瞭其用途拓展。這些缺點導致瞭科學傢開始謀劃使用無線充電方式來取代它,為此各國開始瞭自己的努力,美國的 NEPTUNE 和歐洲的 ESONET、日本的 ARENA 專項計劃都包含這一技術。
水下無線充電的基本原理是利用電磁感應技術,將電場轉化為磁場,再將磁場轉化為電場實現電能的傳輸。充電時電源的直流電經過逆變電路轉換成高頻交流電,該高頻交流電被送入初級耦合線圈,初級耦合線圈則將其轉換為交變的磁場送至次級線圈,次級線圈將磁能轉換為高頻交流電,經過整流和濾波後傳給負載,由於存在間隙的耦合器會有較大的漏磁通,因此還需要在初級和次級耦合線圈上附加補償電路。
在海底環境工作時,初級和次級電路都需要耐高壓和耐腐蝕材料密閉容器封裝,避免進水發生安全隱患,以上過程其實與變壓器的原理基本一致,這種方法也被稱為電磁耦合式水下充電。除上述方法外,國外還提出瞭電磁共振式和電磁波發射式兩種充電方式,其中電磁波發射式由於在水下衰減太嚴重而不具備發展前景,而電磁共振式則由美國麻省理工學院首先發表論文提出,其主要用於短距離需要大功率充電的環境。
我國對該技術的研究起始於 2000 年前後,開始時主要是各大機構發論文為主,浙江大學走在最前列,利用電磁耦合式方法,在水下電磁耦合器結構、線圈優化設計、充電系統控制上取得瞭重大進展,最終在 2017 年取得瞭工程實踐的重大突破。該技術成熟後,不但可將海底接駁站預置在海底為 UAV 充電,還可以將其放置在移動的潛艇、艦艇平臺上,對現代水下作戰樣式形成三種沖擊:
一是可持續封鎖航道。UAV 在能實施水下無線充電後,隻要水下接駁裝置能源足夠,就可以一直處於巡航狀態,特別是在海上重要航道水下和敵軍港口外圍持續巡航,對經過的敵軍各類船隻進行探測、識別、火力打擊,令敵潛艇、艦艇無法出海、不敢出海,封鎖效果相比潛艇這種目標大,難以在淺水區活動的武器來說要大的多。
二可助力水下編隊作戰。核潛艇擁有幾乎無限的電能,在配備水下接駁裝置並攜帶 UAV 後,可實現與 UAV 之間的無接觸充電和通信。在水下建立態勢感知體系,遇敵時,先發射 UAV 接近目標,利用 UAV 目標小、反射聲波信號弱的特點可做到首先發現目標並對其實施跟蹤,引導潛艇魚雷或直接使用戰鬥部實施打擊。
三是可建立水下動態感知體系。UAV 可攜帶側掃聲吶,利用自身可連續充電的優勢,巡航時間長的優勢不斷對海底實施聲吶掃描成像,持續探測水下可能獲得的潛艇、水雷等目標,最終促成建成水下動態感知體系,大大提高防禦水下滲透和破壞的能力。
全文完,謝謝閱讀。