[00787038]自主水下航行器总体关键技术与应用

自主水下航行器是海洋探测、海洋开发、海洋防卫的重要装备，是集机械、电子、通信、控制、材料等多学科为一体的复杂机电技术产品，在民用领域可应用于海洋水文调査、水下地形地貌勘探、水下地图测绘、水质污染调查、水下考古等；在军用领域可用于水下侦査、战场数据收集、水下反水雷等，具有重要的军民两用价值。 美国已实现自主水下航行器系列化发展，但是却对中国进行严格的技术保密和封锁，实行禁售禁运制度。为了解决核心技术受制于人的问题，并满足国内市场需求，在国家211工程建设、国家863计划、国家自然基金等项目的支持下，项目组历经10多年潜心研究，解决了自主水下航行器航行时间短、低速航行稳定性差、环境适应性弱、产业化产品缺乏等技术难题，发明了五大关键技术，研制了50公斤级、300公斤级、1000公斤级系列化水下航行器，并通过产学研融合，在国内首次实现产业化和商品化。 该项目属机械工程技术领域，主要技术突破和创新成果为： 1)水下航行器多学科设计优化技术：提出了基于耦合伴随和代理模型的多学科设计优化方法，实现了复杂多学科系统的高效求解；将水下航行器分解为外形、结构、动力推进、操稳性等多个学科，建立了水下航行器多学科设计优化模型和各学科的多保真度分析模型，发明了基于分布式并行计算的水下航行器多学科设计优化系统，并在系列化水下航行器中得到了成功应用。 2)水下航行器高稳定性低阻外形设计及仿生减阻技术：发明了一种“本体+大展长全动舵+螺旋桨”的高稳定性低阻流体动力外形，实现了低速条件下定深和定向稳定航行，与美国同尺度水下航行器相比，阻力系数减小10％以上；揭示了水下航行器表面润湿状态转变机制，发明了润湿梯度超疏水表面制备技术，水槽试验减阻效果超过20％；发明了一种水下超疏水表面厚尺度气膜封存新方法，实现了水下航行器全动舵表面厚尺度气膜的稳定封存，减阻效果大于70％。 3)水下航行器复合材料耐压壳体结构设计技术：提出基于多岛遗传算法的TSM(two step method)方法，解决了复合材料耐压壳体轻量化优化中的收敛性问题，优化时间减少40％以上，设计了适用于不同深度的环形肋骨加强复合材料耐压壳体；提出碳纤维与金属材料的耐压壳体连接技术，实现了碳纤维复合材料耐压壳体开孔连接后结构的可靠密封，实现连接结构自身重量比铝合金减轻15％以上。 4)水下航行器矢量控制和容错控制技术：发明了一种基于柔性四连杆并联机构的水下航行器矢量推进装置，提高了低速航行操纵性和机动性，使回转半径缩小了30％以上；发明了水下航行器四通道矢量控制方法和主动容错控制方法，发明了一种基于安全气囊和机械锁紧机构的水下回收装置及变浮力沉浮装置，解决了水下航行器5级海况下的近水面稳定控制、以及数十小时的长航时容错控制和安全回收难题。 5)水下航行器高效电动力推进技术：提出了双轴对转无刷直流电机设计及控制技术，发明了系列化电机及其控制器，1000多次的湖海试验表明电机运行稳定、调速实时性好、响应速度快、可靠性高；提出了受限空间下锂电池成组安全性技术，创新设计了电池组散热结构，提高了电池组安全性和放电额定容量；提出了长航时高效电动力推进系统匹配技术，发明了由高比能电池组件、高效率直流电机和高效轻载螺旋桨组成的电动力推进系统，在空间和重量同时约束下，实现了长航时高效推进。 已获国家授权发明专利10项，受理发明专利20项，登记软件著作权2项，在领域顶尖学术期刊上发表论文60余篇，出版国家、部委规划专著和教材4本，培养硕、博士人才70余人。 与西安天和防务技术股份有限公司、西安美泰航海科技有限公司开展全方位军民融合合作，进行了50-1000公斤级水下航行器的产业化工作，实现了关键技术发明成果的有效转化，发展成6个系列、11种型号，产品累计销售额3000余万元，促进了水下航行器的行业发展。 与中船重工集团、中科院声学所、中船重工集团第705所等联合共建了“水下无人作战平台”陕西省及工业和信息化部协同创新中心，提高了中国水中兵器、水下航行器的研发水平，提升了中国的海洋国防能力。 在中船重工西安东仪科工集团有限公司、山西汾西重工有限责任公司、昆明海威机电技术研究所等多家单位进行了实际应用，参与完成了金砖国家领导人第九次会晤核心区海域的安防监控任务，得到了中央电视台、香港凤凰卫视台、陕西卫视、陕西日报、人民网、凤凰网的系列化报道或专题报道，产生了良好的社会效益。