无人艇自动能源补给系统研究

无人艇自动能源补给系统研究

王 松

中国船舶集团公司第七一〇研究所， 湖北 宜昌 443003

摘 要: 随着军民用无人平台技术的快速发展，舰船平台的无人化和智能化的是必然的趋势，小吨位的无人艇在布放回收、灵活性等具有优势，但受自身吨位影响，燃料存储空间往往较小，续航能力有限，制约了无人艇有效工作周期，通常是通过回收后加油或通过人员转乘后辅助连接加油。存在耗费大量时间和人力，且存在一定安全隐患。采用能够适应恶劣海况的自动加油装置，可缩短准备时间，并降低相应安全风险。。

主题词: 无人艇；自动加油装置；加油浮体；搭载母船；安全性

1. 概述

无人艇在海上作业时，无需人员登乘操作，在燃料充足的条件下可以持续、大范围作业。制约无人艇长期作业能力发挥的一个重要因素是燃料补给。目前无人艇的燃料补给通常是通过回收后加油或通过人员转乘后辅助连接加油。采用回收加油和人员转乘辅助加油的方式均需要耗费大量时间和人力，在恶劣海况下对小艇和人员均存在安全隐患。因此采用能够适应恶劣海况的自动加油装置不但能够大幅缩短无人艇作业准备时间，还可以减少布放回收和登乘作业需求并降低相应安全风险。

2. USV水面加油的要点

2. 1. USV自动受油装置应与母船和USV连接的连接方式兼容

濒海战斗舰（自由级）与反潜USV是通过挂钩装置实现挂接。为了实现与母船的兼容，USV的加油装置应该考虑在母船与USV挂接后进行加油操作，以降低USV与母船保持稳定距离的难度。

2. 2. 油箱容量和加油压力

濒海战斗舰的反潜USV和反水雷USV油箱容积是600～800加仑，一般油量是油箱容积的1半即300～400加仑。一般USV采取成对作业，因此一次加油任务包括两次加油作业。油箱测试压力在4.4～5.8psi之间，油柜和USV油箱均与大气相通，过度加油将导致燃油泄漏。

2. 3. USV拖曳力要求

母船与USV纵向补给时，二者之间的软管会形成悬链线，这种悬链线没入水中会产生额外阻力。由于小艇低速拖曳的阻力比较小，油管下坠会将小艇拉近母船，进而油管大量没入水中导致油管承受更大的冲刷力，此时USV可以进行倒车将油管绷直，但是小艇的姿态稳定性可能大幅度降低。一些USV干舷较低，防止油管下坠的高度不足，只能采用较高的拖缆或者允许油管承受冲刷力。

2. 4. 回收加油现状和局限

目前对小艇包括USV的加油操作都是通过回收至甲板固定后在回收区域的加油站进行燃料和滑油的补给。燃油加油枪需要高的燃料比，干断能力以及自动关闭功能。加油速度一般是15～60加仑/分钟。母船还可以在海上对USV、UUV和其他小艇进行抽油操作。上述加油过程比较常规，但是不自主且受到海况影响等限制。

回收人工加油的最大局限是需要将USV回收至母船甲板。对濒海战斗舰而言，需要在3级收放小艇至少需要45分钟。由于无人艇的尺度和自动收放要求，其回收需要分配更多时间。叠加上300-400加仑的加油量，每次回收加油作业需要花上一个小时。目前在回收区域加油一般一次只能对一条小艇加油。一个小时给一条小艇加油，限制USV快速返回作业以及多USV作业的需求。

串行回收至甲板加油以一切顺利且作业人员回收、加油、布放的效率足够高为前提。而达到这些要求，需要设备可靠、人员训练有素，同时需要在在不可预料的环境里进行挂回收钩作业时足够的幸运。

2. 技术途径

USV除了由搭载母船进行水面加油，还要考虑从其他母船对其进行水面加油。开发出能够与现有海上加油装置及训练相结合的USV水面加油设备可能是达到上述目的的最有效办法。此外还要考虑通过USV为其他USV加油，而USV之间的自主加油将是一个极大的挑战。此外还可以采用静止设备如加油浮体或浮船坞等平台对USV进行加油。

上述技术途径均可扩大USV的作战范围同时让母船远离作战区域。海上布置浮油箱可以确保USV独立的远距离航行。自主加油系统的开发在扩大USV的任务区域和范围方面具有极大的潜力。对USV集群进行加油的场景也需要考虑，因此母船考虑多个加油位同时进行加油，而不是仅仅考虑在母船尾部回收区域进行加油。如图1所示的母船可以在两舷侧对USV进行加油。

图1 两舷侧同时加油

上图舷侧加油，需要拖曳杆摆出到母船舷外一定距离，通过母船定航向的拖曳和USV航向保持配合，可以使USV与母船的相对位置保持稳定。加油臂若能带有自动捕捉装置以及加油装置，仅仅进行加油时就不需要将USV收回母船甲板。同理，加油臂只带加油探头的加油臂可以在平静海况和低速情况下对有人小艇进行加油操作。在自由级濒海战斗舰上可以设置两个船首方向用于有人小艇加油臂，两个船尾方向USV加油臂，同时尾部区域放开用于有人艇的尾滑道回收。

2. 设计挑战、约束、要点

应对加油挑战时不能不同时考虑小艇的海上收放作业。因为任何加油过程都离不开母船和USV之间建立连接。如果能够通过对接装置使USV与母船保持较远的距离同时保持适当稳定，就不需要对接装置能够自动收放USV。一种办法就是小艇通过挂索机构将USV拖曳至加油臂位置，然后用机械手接近小艇并建立加油练级。这种情况下就可以执行非回收加油作业。

所有的加油作业都需要考虑母船和USV的相对运动。不回收加油装置的设计必须考虑能够在不同海况下高效进行加油作业，以取代收放加油设备。濒海战斗舰非回收加油的海况为不超过3级海况，长远的目标是在更高海况下进行非回收加油。设计者必须采取所有的安全因素以应对极限海况的挑战。

2. 无人艇水面加油方法

   1. 自动软管连接系统

罗罗公司采用自动软管连接系统（ABCS, Automated Bulk Hose Connection System）为USV进行水面加油（非回收状态）。

图2 罗罗公司自动软管连接系统工作原理

如图2所示，母船采用吊臂将导引球放入对接系统的漏斗装置中，导引索连同从漏斗装置侧面下坠至漏斗装置下方对接位置，对接系统内部机构对导引索进行回收将加油头拉至对接位置完成对接，油路建立后开始加油。加油完成后油管解除锁定，内部机构释放导引索和导引求，将导引索和导引球从漏斗上方提出完成加油过程。

2. 2. 拖曳滑橇对接加油装置

美国海军水面作战中心卡德洛克分部提出了一种拖曳滑橇式自动加油装置。如下图所示，拖曳滑橇装置由可收回对接头、铰接式V形导向装置、万向锥面加油器等组成。

图3 拖曳滑橇对接加油装置组成

加油时，小艇通过滑橇头部安装的定位导航器进行引导进入滑橇V形导向装置处，通过滑橇后移或小艇前冲，安装于USV艇首的对接加油头与安装于滑橇上的锥面加油器进行对接。

图4 拖曳滑橇结构

对接加油头和锥面加油装置采用弹性弹珠快换接头方式，撞入时完成锁紧顶开单向阀建立油路。解锁时通过释放机构进行解锁和释放，两侧均设置单向阀分离后能够防止燃油漏出。对接加油头和锥面加油装置结构如图5所示。

图5 对接加油头和锥面加油装置

2. 3. 挂接牵引对接加油装置

加拿大渔业和海洋部贝德福德研究所提出了一种布放、加油、回收系统，用于DOLPHIN半潜式航行体的收放和航行状态加油。此装置能够在航行体状态下挂接并拖曳航行体。牵引杆外伸一定距离能够防止航行体与母船相撞，同时可将航行体拖至收放装置处。

图6 挂接牵引对接加油装置

如图6所示加油时，母船侧面牵引杆在离母船一定距离处释放一个小型定深器将牵引索绷直，航行体从母船后方靠近牵引索并利用头部挂钩与牵引索挂接。完成挂接后母船顺着牵引索释放加油装置，同时航行体头部伸出加油探头，在航行体阻力的作用下加油装置喇叭口与对接探头对接，从而接通油路。加油完毕后加油装置解锁并沿牵引索收回，完成加油任务。

2. 总结

本文阐述了USV水面加油的技术要点、技术途径、设计约束，并介绍了几种典型USV水面加油装置原理。目前USV在各领域广泛得到使用，若能够设计出能适应高海况的USV水面加油装置将极大的增大USV的作业航程和作业范围，减少收放作业数量从而降低恶劣海况收放引起的各种风险。

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