0 引　言

随着对海洋的探索的逐渐加深，海底世界进一步吸引了人们的注意。从20世纪50年代起，开始通过缆绳将探测设备从保障母船吊放至海底进行观察、探测。随布放深度的增加，连接母船与探测设备的缆绳逐步加长，这不仅造成了高昂的成本和极大的操作难度，还因探测设备需保障母船时刻陪同，使得保障船只周转效率低下。因此，可独自驻留于海底的深海着陆器被开发了出来。

“深海着陆器(deepsea lander)”的原型是美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)于1938年首度提出的“无动力潜水器(free vehicle)”，是用于将CTD、ADCP、取样器、相机及其他传感器和观测设备运送至海底的无缆运载平台。与早期深海探测手段相比，深海着陆器无需通过缆绳与保障母船相连，不仅大大降低了成本和作业难度还有效避免了缆绳在海流等外部干扰下产生振颤、漂移、扭转造成的探测设备落点偏移过大、布放过程姿态差甚至丢失的问题^[1]。因此，深海着陆器逐步成为当前深海探测设备主要运载和实验平台。

由于深海着陆器布放过程纵向运动距离大且自身携带能源有限，为尽可能延长作业时间，多采用无动力或低能耗方案下潜，并采取适当的减速手段以避免着陆冲击。本文梳理分析深海着陆器、载人潜水器、坐底式UUV等载体的无动力下潜方案。

1 载体下潜减速技术 1.1 无控匀速下潜

无控匀速下潜是深海着陆器最常见的下潜形式之一，采用该方式下潜的深海着陆器构造相对简单，通常由主体结构框架、浮力材料或玻璃浮球、可抛弃式压载、声学释放器、任务载荷及其电子舱、吊钩和回收信标等部件组成，常见结构如Deep-water Buoyancy公司开发的深海着陆器通用框，如图1所示。

深海着陆器仅可在布放入水前通过配置浮力材料及压载的重量调整深海着陆器的衡重状态，入水后衡重状态不可调节。水面布放后首先进入加速下潜阶段，由于水阻力与下潜速度的平方成正比，水阻力快速增加，下潜加速度逐渐降低直至重力、浮力、水阻力三力达到平衡状态，深海着陆器进入匀速下潜过程。回收时，船载声学换能器发出声波信号控制声学释放器工作抛弃压载，深海着陆器受正浮力，上浮至水面等待回收。

根据深海着陆器的匀速下潜的速度与净浮力、迎流面积、海水密度、水阻力系数等因素有关，常见的下潜速度在25～60 m/s。如英国阿伯丁大学海洋实验室Priede I G等^[2]研发的ISIT着陆器工作深度6 000 m、下潜速度34 m/s，如图2(a)所示。Barclay等^[3]开发的Deep Sound着陆器海试坐底深度6 000 m、下潜速度36 m/s，如图2(b)所示。Zhou等^[4]开发的深海着陆器及底栖着陆器海试坐底深度2 000 m、下潜速度约57 m/s，杭州电子科技大学微生物富集着陆器海试深度4 434 m、下潜速度40 m/s^[5]。

张翔^[6]对着陆器下潜致力机理展开研究，发现载体尾部涡流脱落造成的涡激振动是着陆器下潜产生摆动的主要原因，提高雷诺数后，湍流效应增加，涡强度减小，稳定性提高。

1.2 螺旋式下潜

螺旋式下潜是纵倾下潜的一种，常由负浮力或尾部推进器驱动，并利用各种方式制造非对称流场，实现载体做等效垂直的螺旋线运动。

陈俊等^[7-8]研发的“天涯”号和“海角”号深渊着陆器海水中净浮力分别为−98 kg和−75 kg、工作深度7 000 m、使用垂直舵板控制载体做螺旋线运动，下潜速度约30～40 m/s。CR-01 UUV在尾部稳定翼上加装了小襟翼，通过海上试验对小襟翼的作用效果进行了定性分析^[9]。雷阳等^[10]在UUV首部压载加装了一个弧形翼板，诱导升力的侧向分力，使UUV螺旋下潜，其作用与襟翼类似。刘友^[11]通过数值计算方法对滑翔机机翼位置进行了离散化分析，认为机翼的升力的侧向分力的方向与机翼设置在“分水岭”前后有明显相关性。

曹军军^[12-13]为适应深海观测的需要，将Argo浮标与水下滑翔机(Glider)相结合提出了深海混合机动浮标，通过内外油囊与可移动/旋转偏心载荷协同操控载体姿态，实现了90°俯仰角浮潜及螺旋式浮潜两种模式的切换，并在南海试验中成功下潜至1 500 m深度，如图3(a)所示。田国强^[14]通过数值仿真计算比较了负浮力驱动与推进器驱动2种方式的螺旋式下潜，认为负浮力下潜具有更好的快速性及经济性。周晗^[15]发现圆碟形UUV得益于其全翼身外形，螺旋下潜的回转半径大大小于鱼雷型UUV，因此具有更好的灵活性，如图3(b)所示。

高伟^[16-17]以“探索-1000”型UUV为对象，对深海螺旋式下潜方案的静力学设计展开了研究，通过数值计算及1∶10原理样机水池试验，如图4(a)所示。得出结论对于大质量UUV，螺旋下潜过程的纵倾角主要由重心的纵向位移与稳心高的比值决定，负浮力下潜过程的主要驱动力，通过对比分析深海着陆器线性下潜与螺旋式下潜的运动轨迹得出结论，螺旋下潜能有效减小海流干扰造成的落点误差，如图4(b)和图4(c)所示。

1.3 变净浮力下潜

变净浮力下潜是指着陆器通过可变浮力系统吸排海水或耐压油的方式改变载体的湿重或排水体积，从而调节整体净浮力，实现下潜。

载人潜水器出于乘员的安全性考虑，常以分段式抛载下潜。如中国的“蛟龙”号、“奋斗者”号首先通过压载下潜，在到达指定深度后，抛掉部分压载减速，近底时推进器启动，缓慢坐底^[18]；美国“深海挑战者”号同样借助压载下潜，当下潜到合适深度时，抛载刹车，水中悬停，着陆时综合考虑潜水器的速度、姿态和海底底质情况，由乘员操作潜器着陆^[19]。

美国海军研究生院(NPS)于20世纪末首次提出坐底式AUV的概念并开发出原型样机“白羊座”AUV，通过首尾布置的2个压载水舱调节重力^[20]。张宏伟^[21]开发了基于压载水舱的着陆器AUV-VBS，载体底部装有2组可抛弃式压载水舱，通过电机和可分离式联轴器控制水舱内的注水阀开合，上浮时释放模块通电使压载水舱分离与主体分离，AUV获得较大正浮力上浮, 如图5(a)所示。杜冰^[22]和Liu^[23]等将AUV-VBS抛载物由水舱改为与压载舱共形的配重块降低了成本。

改变排水体积调节净浮力的方案如美国“海洋探索者二号(Ocean Explorer II)”AUV，其搭载的可变浮力系统(VBS)可通过高压气瓶-气囊-外界的气体交换改变AUV排水体积。着陆时，气囊排气，体积收缩，AUV呈负浮力着陆于海底；上浮时，高压气瓶通过气管和单向阀向气囊输送压缩气体，气囊膨大，排水体积增加，AUV脱离海床^[24]。

孙庆刚等^[25-26]提出了基于可变体积的油囊双向浮力调节系统，该系统密封舱内外2个油囊相互连通，由液压系统控制传油，通过调节外油囊的油量改变排水体积，控制AUV沉浮, 如图5(b)所示。湖上试验表明，使用该浮力调节系统的AUV航行中下潜和无动力竖直下潜着陆速度相差无几，但航行中下潜定位精度更高且能耗较低。田国强^[14]提出了如图5(c)的浮力调节系统，通过首尾布置可伸缩油囊机构调节浮力状态。张天健^[27]设计了大深度浮力驱动水下运载器缩比模型开展半物理仿真试验，并提出浮潜运动的快速预报方法，结合仿真和试验得出结论，比重对浮潜运动影响最为显著。

1.4 大迎流面下潜

大迎流面下潜指在下潜过程中通过扰流板、减速伞、减速翼等方式增加迎流面积，从而增加水阻力，实现可控减速的下潜方式。

孙斌^[28]等横向对比了潜艇集体逃生舱上浮减速过程中，压载水舱、减速伞及减速翼3种减速方式的减速效果，认为3种方式均能有效将载体上浮速度降低至5 m/s以内，但其中减速翼方案由于运动过程较为稳定，为最优方案。任佰锋等^[29]通过CFD方法计算了水下航行体有无阻尼板的流场变化，认为阻尼板加大航行体的轴向附加质量从而减小尾部流速，证明了扰流板减速的有效性。

薛钢等^[30-31]提出了一种装有3片水力翼板的深海着陆器，其结构如下图6(a)所示。3片翼板由正反丝套筒独立控制开合角度，当传感器感知到下潜速度过快时，翼板开角加大，增加水阻力，但仿真计算表明水力翼板开角较小时着陆器附近可能形成非对称水压场，影响下潜稳定性。

练永庆等^[32]提出使用减速伞减速结合舱段分离方法为水下潜伏式武器减速的方案，并建立了减速伞减速和舱段分离着陆运动的数学模型，通过CFD仿真比较减速伞不同开启角度、开启深度及钢缆长度组合对着陆运动过程的影响，得出了能使载体安全着陆的可行解集，但仿真分析未考虑减速伞开伞和载荷段分离的动态过程，存在一定局限性，如图6(b)所示。

深海着陆器艇体流场与扰流板附近流场耦合叠加形成的流场较为复杂，赵志超等^[33-34]以REMUS-100 UUV为研究对象，提出了一种考虑扰流板和艇体环绕流场耦合效应的动力学方法，针对扰流板的不同开角和来流速度进行CFD仿真计算，求解了扰流板展开过程轴向拖曳力和减速效果的变化关系，表明扰流板动态展开时，潜器作变减速运动，垂直姿态稳定性好，流场速度如图7所示。

1.5 方案对比

无控匀速下潜、螺旋式下潜、变净浮力及大迎流面下潜均是通过调整重力、浮力、水阻力三者关系减速，试验证明4种方案均能使着陆器减速至要求的着陆速度。但由于采取的技术路线不同，4种方案在使用场景上各有侧重。

无控匀速下潜过程的水阻力与净负浮力相平衡达到匀速下潜状态^[35]，下潜过程速度不可控，如预设下潜速度过快会造成距剧烈的着陆冲击，导致探测设备损坏或陷入海底沉积物中；预设下潜速度过慢则载体受海流等外部因素干扰过大，造成实际落点与预期偏差较大，影响作业效果。此外由于下潜过程无控，需要用各式浮体给载体配置较大的稳心高使下潜过程有足够大的恢复力矩保证载体稳定，给结构设计和空间布置带来了难度。但由于无控匀速下潜方式具有结构简单、平台成本较低、成熟度高的特点，仍被中小型敞开式深海着陆器所广泛采用。

螺旋式下潜多应用于回转体着陆器，以负浮力作为下潜过程的主要驱动力，为诱导出令载体进行螺旋线运动的非对称流场，需要在载体上设计流场诱导装置如定舵角、安装小襟翼、偏置重心等。当诱导装置可控时，通过改变流场诱导方向，能够实时的调节螺旋下潜的运动半径，从而在一定程度上修正洋流干扰，提高着陆的位置精度，但控制难度较高，常用于坐底式UUV、水下滑翔机等。

变净浮力下潜通过调整排水体积或自重的方式改变净浮力实现下潜，具有净浮力可调节、下潜速度可控的特点，但为确保浮力调节的有效性，油囊、压载水舱等装置的体积需随着陆器排水量的增加而加大，因此常用于中小型着陆器。变浮力下潜，配合尾部推进器等移位手段，可用于要求落点位置精度高、着陆冲击小的着陆器。如坐底式UUV、载人潜水器(HOV)等。

采用大迎流面减速下潜方案的载体呈大负浮力状态，通过各类机构控制着陆器迎流面积调节水阻力大小，实现变速、减速下潜。由于可以配置较大的负浮力，减少了浮力材料的使用，这种下潜方式具有较高的有效载荷装载率，但载体环绕流场与扰流板附近流场叠加，整体流场分布情况复杂、可动机构较多，设计难度大。常用于较大净浮力的载荷如潜伏式鱼雷、大型深海着陆器。

上述减速下潜方案均有各自优势，因此实际应用中，同一载体常在下潜的不同阶段使用不同的减速方案。

2 着陆定位技术 2.1 推进器近底移位

徐健^[36]等提出了一种基于滑膜控制的精确坐底方法。载体以负浮力快速下近底后，调整为重浮力平衡状态悬停，同时开启多波束声呐和浅层剖面仪对海底地形进行扫描分析，挑选合适的着陆点后启动侧向和尾部推进器移位，随后将UUV调整为微负浮力缓慢坐底，最后调整为较大负浮力牢固驻底，整体结构如图8所示。

Silva等^[37]开发的“海龟(TURTLE)”深海着陆器装有4组垂向推进器、4组水平推进器及一个基于压载水舱的可变浮力系统(VBS)，兼具ROV的航行能力和着陆器的长期驻底能力。布放时，“海龟”着陆器先通过VBS增加湿重下潜；近底时，推进器启动寻找落点精准着陆。全驱动设计令“海龟”着陆器还具备精准定位和二次起浮移位的能力，但也增加了系统功耗，连续工作时间有限。

美国研究生院“白羊座(ARIES)”AUV^[38-39]为平底矩形截面，首尾装有两组稳定翼、2对鳍舵及2个压载水舱。通过调整前后水舱的水量改变浮力状态和着陆姿态、通过鳍舵和尾部推进器控制落点。“白羊座”AUV较高的自由度使其着陆平稳、落点精确但也同时提高了系统复杂度和控制难度。

郑荣等^[40]比较了UUV近底航行时翼舵驱动和垂向推进器驱动2种方案的控制效果，通过湖上试验得出结论，垂向推进方式高度和纵倾角变化平稳，均方差较小，尤其适用于细长型回转体外形UUV。

2.2 海床履带爬行

日本的研究团队于2005年设计出可在海底通过履带爬行的深海着陆器ABISMO，设计坐底深度可达11000 m，具备无动力下潜和海底爬行移位的能力^[41]。蒙特利湾海洋研究所效仿ABISMO的机械结构设计出了“底特律深海漫游者(Benthic Rover)”深海着陆器^[42]。2009年“底特律漫游者”完成了长达半年的海底漫游观测任务，行走里程4 km。卓超^[43]分析了我国大洋底质的力学特点并设计针对履带样式展开研究。张运修等^[44-45]开发的“深海多点位着陆器”搭载了“漫游者”深海爬行机器人，着陆后锁定机构打开释放机器人展开海底调查。

以履带式为代表的可爬行式深海着陆器弥补了深海着陆器的落点误差，但行走模块结构复杂、能耗高、占用空间大，仅适合于有转场或移动观测需求的深海着陆器。

深海着陆器大深度的下潜落点往往与预设落点存在偏差，偏差的成因除了洋流干扰外，还与由于姿态变化造成的非对称流场所形成的非对称水动力有关。因此，落点偏差很难避免，对于着陆定位精度有要求的深海着陆器，着陆定位技术是必不可少的平台能力，近底阶段启动推进器移位、着陆后通过行走模块移位、起浮二次转场等方案均被实验证实在各自使用场景下具备可行性。。

3 驻底防陷技术

海底底质形式多种多样，大体上有以岩石为主的硬底和软黏土为主的软底两类海床。当着陆器在坚硬的岩底着陆时，过大的冲击载荷将导致着陆器框架结构发生形变、载荷设备受损等问题。当在稀软的海床上坐底时，在较长的时间跨度下，深海着陆器易陷入黏土内，造成作业效果不加或回收困难。

张斌^[46]将土壤的弹塑性模型与深海着陆器的数学模型联合求解，对着陆平台坐底过程的稳定性进行了仿真计算。Liu^[23]在AUV-VBS压铁的释放机构上加装了棘轮-弹簧机构，如图9(a)所示。抛载的同时压缩弹簧释放将AUV弹起，使其具有向上的初速度，减少陷入泥底的影响，湖上试验证明了棘轮-弹簧机构抛载上浮的可靠性。徐健^[47]提出了将锚杆与抓泥铲相结合的锚泊装置，该装置将UUV与海床固连的同时将UUV主体抬高，在一定程度上避免了UUV陷入泥底，如图9(b)所示。宋保维^[48]为坐底式UUV设计了如图9(c)的前后2组三级液压油缸作为支撑腿，同样避免了UUV主体与海底接触。朱信尧^[49]对坐底二次启动策略展开研究，认为与只依靠变浮力系统的UUV相比，有首尾垂向槽道推进器的UUV起浮时更加快速、安全，能有效避免首尾触底造成损伤。

4 结　语

随着人类对于海底资源的逐步开发和利用，着陆器将不再仅限于取样、观察、测量之用，而是向着更大深度、更长待机、更多载荷的方向发展，着陆器布放下潜方案及平台技术也将随之发展和进步，主要体现在以下几个方面：

1） 适应大载荷及大负浮力

为能在更长的时间跨度下执行更多的试验任务，深海着陆器将趋于大排量、大深度，装载更多任务载荷及能源储备。由于排量增加带来了更大的下潜阻力，大型深海着陆器需配置更大的负浮力以维持下潜速度。因此布放下潜方案应能适应较大载荷及较大负浮力。

2） 无动力或低能耗下潜能力

深海着陆器自身携带能源有限，为实现长时间的驻底作业时间，应减少上浮、下潜等非工作阶段的能耗。为此，下潜和上浮过程应充分利用浮力和水动力，减少高耗能部件（如推进器）的使用，尽可能降低系统复杂度、降低能耗。

3） 高精度定位能力

着陆器具备洋流等外部环境干扰下的漂移抑制能力或轨迹误差纠正能力，使深海着陆器能准确抵达预定区域坐底。

4） 具备可靠着陆能力

深海着陆器能在近底时启动探测手段，在线筛选合适的着陆地，自主机动并稳定着陆。包括底质在线识别能力、末端轨迹规划能力，小范围机动能力，着陆缓冲能力等。