0 引　言

自主式水下航行器（AUV）作为一种开发海洋、保卫海洋的重要工具，无论是在民用还是在军用上，都发挥着越来越大的作用^{[1 – 3]}。近些年，AUV作为一种新型运载体越来越广泛用来携带、运送、布放载荷。载荷可以是水下勘探设备、监控设备、侦察设备。载荷的数量可以是单个，也可以是多个。这种航行器是由载荷和运载体组成的一个多体系统^[4]。载荷作为航行器的一部分，其被释放后，航行器一般会由于瞬间浮力发生变化而暂时失去平衡，严重时，AUV甚至会发生与载荷碰撞而失控的危险。文献[5 – 7]对AUV载荷分离方法和安全性进行了一些理论研究和仿真分析，这些研究都是基于AUV运载体与携带的载荷在同一轴线上的方式。本文介绍了一种AUV，其携带的载荷对称布置在AUV两侧。对该型AUV的载荷分离过程作了简单介绍，并主要针对AUV载荷分离过程的试验数据进行分析。

1 AUV载荷布置及分离过程 1.1 AUV与携带载荷布置方案介绍

AUV携带载荷布置如图1所示，该型AUV运载体采用流线型外形设计，携带的2个载荷均为负浮力（重力大于浮力）载荷，对称布置在AUV中部两侧。为了减少航行阻力和方便携带，载荷外形通常做成圆柱流线形。分离装置将载荷与AUV运载体固连成一体，航行过程中起到携带载荷的作用，当载荷与AUV分离时又起到了释放载荷的作用。浮力调节装置用来及时调整AUV在水下航行时因分离载荷引起的浮力变化。

1.2 AUV与载荷分离过程

当AUV携带载荷航行到达目标区域时，一侧分离装置解脱，该侧载荷依靠自身重力与AUV分离，继续航行至下一目标区域时，另一侧分离装置解脱，另一个载荷也依靠自身重力与AUV分离，至此，2个载荷完全实现与AUV分离。为了确保航行安全，通常AUV与载荷组成的多体系统在水下航行时调配成微正浮力^[8]，而载荷自身为负浮力，每次载荷分离后，运载体的浮力将大于重力，如果没有及时平衡这一变化，运载体水下航行将会失去平衡，甚至浮出水面而暴露目标，这一点对军用AUV尤为重要。鉴于此，AUV运载体内设有浮力调节装置，在每次载荷分离后，触发浮力调节装置快速进水，来平衡载荷分离后的重量变化。浮力调节具体过程可参见文献[9]。

2 AUV载荷分离实验数据分析

为了充分验证该AUV载荷分离方法的可行性，将AUV分别携带2种不同重量的载荷在海上进行实际航行实验，航行过程中的数据实时记录在AUV中央控制单元内部，实验结束后下载内计数据，并对AUV航行姿态主要参数进行分析。

2.1 载荷负浮力为150 kg时分离过程AUV航行姿态分析

实验工况1：AUV携带2个载荷水中重量均为150 kg，在水下30 m深以1 m/s的速度直线航行，在每次载荷分离后分别控制浮力调节装置进水150 kg。将载荷分离前后时刻的AUV航行姿态主要参数整理成图2所示，其中图2（a）是载荷分离前后AUV航行深度随时间变化曲线；图2（b）是载荷分离前后AUV航速随时间的变化曲线；图2（c）是载荷分离前后AUV航行俯仰角随时间的变化曲线；图2（d）是载荷分离前后AUV航行横滚角随时间的变化曲线。

从图2可以看出，AUV在水下30 m深度以1 m/s速度航行至10 420 s左右时释放第1个载荷，由于释放载荷后AUV重力小于浮力，AUV先小幅上浮至30.7 m，通过自身浮力调节装置和舵机控制，航行深度小幅震荡后又恢复到30 m左右；第1个载荷分离前，AUV航行时横滚角在1.1°左右往复震荡，俯仰角在–2.5°上下轻微波动。由于第1个载荷位于AUV的右侧，其分离后，横滚角迅速变成在–2.3°左右震荡；俯仰角先降至–5°左右，又恢复至–2.3°左右。AUV继续航行至10 520 s左右时，位于AUV左侧的第2个载荷分离，横滚角迅速变成在1.2°左右震荡，俯仰角经过小幅波动后又恢复至–2.2°左右。可见，2个载荷全部分离后，AUV的航行深度、速度、俯仰角和横滚角又基本恢复到了载荷分离前的状态。

2.2 载荷负浮力为300 kg时分离过程AUV航行姿态分析

实验工况2：AUV携带2个载荷水中重量均为300 kg，在水下30 m深以1 m/s的速度直线航行，在每次载荷分离后分别控制浮力调节装置进水300 kg。将载荷分离前后时刻的AUV航行姿态主要参数整理成图3所示，其中图3（a）是载荷分离前后AUV航行深度随时间变化曲线；图3（b）是载荷分离前后AUV航速随时间的变化曲线；图3（c）是载荷分离前后AUV航行俯仰角随时间的变化曲线；图3（d）是载荷分离前后AUV航行横滚角随时间的变化曲线。

从图3可以看出，AUV在水下30.5 m左右深度以1 m/s速度航行，载荷分离前，AUV航行横滚角在–0.5°~1.5°之间左右往复摆动，俯仰角在–1.7°左右上下波动。AUV航行至33 030 s左右时释放第1个载荷，由于第1个载荷位于AUV的右侧，其分离后，横滚角迅速变成在–4.8°左右震荡；俯仰角先降至–2.9°左右，又恢复至–1.7°左右。AUV继续航行至33 240 s左右时，位于AUV左侧的第2个载荷分离，横滚角由–4.8°迅速变成在0.3°左右震荡，俯仰角经过小幅波动后又恢复至–1.7°左右。可见，2个载荷分离后，AUV的航行深度、速度、俯仰角和横滚角又恢复到了载荷分离前的状态。

该布置方案中，载荷位于AUV运载体的中间两侧位置，载荷轴向重心基本位于AUV的轴向中间位置，而载荷纵向重心与AUV中间位置有一定的偏距，载荷分离前后对AUV航行俯仰角改变不大，对AUV航行横滚角影响较明显，从图2和图3中也可看出载荷分离前后对AUV航行横滚角的影响比对AUV航行俯仰角影响大。另外对比图2和图3还可看出，载荷在水中重量越大，第1个载荷分离后AUV的横滚角变化也越大。

3 结　语

本为介绍了一种AUV左右两侧对称携带载荷布置方法，对AUV与载荷分离过程方案做了简单说明，通过对AUV携带载荷航行实验数据分析，验证了采用该布置方案，载荷分离可靠，且载荷分离前后对AUV水中航行姿态影响不大；同时，携带载荷水中重量越大，载荷分离对AUV水中航行状态，尤其是横滚角影响越大。