水下航行器简介及水下面临的挑战
水下航行器简介及水下面临的挑战
- 写在前面
博主本科在海洋类大学就读，同时读的也是海洋科学专业，专业本身对海洋动力学有深入学习，但是博主本人对海洋工程比较感兴趣，追根到底是对电子工程单片机的喜爱吧！楼主本科在实验室期间，很大一部分都是在进行水下航行器的制作，关于水下航行器也有着不一样的情怀，了解过近些年水下航行器的发展情况，各种水下航行器之间的区别及特点，在具体的工程应用中适合使用哪种类型的水下航行器，以及目前水下航行器发展有哪些瓶颈即重难点，本科实验室能做到什么地步。
海洋是广袤无垠的，相信我们国家未来对海洋也会有越来越多的投入开发，越来越多的后来人也会投入到水下航行器的制作过程种，这篇仅简单的仅介绍一下制作一款水下航行器需要具备哪些基本要素及其功能。当成基本的科普文章就行！
- 什么是水下航行器 ？
相信大家应该对水下航行器有着字面上的理解，在水里航行的航行体就叫航行器，我国古代人民就渴望上九天揽月，可下五洋捉鳖，月亮我们已经登上了，航天器载着航天员。下五洋捉鳖也做到了，当然也不是人直接下去，而是驾驶着着载人的水下航行器。
图为西工大制作的微型无人水下航行器
- 水下航行器的分类？
这里我指的水下航行器指的都是无人水下航行器(UUV),还有一种是载人水下航行器，这里不再讨论。无人水下航行器根执行任务是否人工参与分成以下两种。也大概可以理解成是否有缆。
非自主式水下航行器(ROV)，即不能完全自主执行任务，需要人为的远程操控执行任务，一般是有缆控制。
图片来自水印，注意这是有缆ROV，配有机械手，属于作业性ROV自主式水下航行器(AUV)，有独立执行任务的能力。一般是无缆，能够解决水下复杂多变的环境，要解决环境自适应、自主回收、协同控制、导航定位等重难点技术。
图片来自曼宝水下机器人，无缆式，一般用于勘测
下面就是跟我想跟大家分享的一些做水下航行器过程中必须克服的困难，也可以理解成设计制作水下的航行器，必须要克服哪些问题。
- 压力问题
要想下到海洋深处，第一个就要克服的就是压力问题，深海的压力是非常之大的，世界海洋最深处–马里亚纳海沟,最深处达到11521米, 静水压将超过1吨(1000千克/平方厘米)，相当于在你的手指上放上3辆坦克。而人类目前最深的潜水记录应该也没超过200米，水下大约每往下10米就多一个大气压，深海几千米的压力，对航行器的材料都是一个很大的挑战。
所以要想动手制作一款水下航行器，一定要保证你设计的水下航行器的承压处能承受的压力一定要大于你设计的工作最大水深。
- 防水问题
水下航行器是工作在水下的，除了保证所有承压处能够承受足够的压力之外，还要保证水下航行器中所有暴露在水中的接头传感器能够在工作水深中防水，一旦接头或者传感器，极大的降低了水下航行器的安全性，
所以水下航行器一定要保证与水直接接触的所有元件的防水一定要过关，一般选用专用的水下元件，比如水下接头、水下推进器、水下摄像头等，具体防水参数一定要大等于设计的最大水深。
PS：这里选水下一些元件时候，博主建议搜索水下XX元件，不要搜索防水XX元件。
- 腐蚀问题
水下航行器中的所有元件都要注意腐蚀问题，海水是有盐度的，本身就是一种强的腐蚀介质，加上海水的动力过程及微生物的生物活动构成了海水复杂的腐蚀环境，一定程度上加速了一些材料的腐蚀，所以在与海水直接接触的元件一定要注意防腐蚀处理或者使用一些复合材料等。同样，在不是与海水接触元件同样要做好一定的防腐蚀考虑，变现为注意在元件的宽湿度工作范围，水下航行器的舱体内，就算没与海水直接接触其内部也是高湿度的环境。
所以水下航行器中直接与海水接触的元件一定要注意海水腐蚀的问题，内部的舱体也要注意高湿度的工作环境。
- 通信问题
在水下的通信一直都是一个解决不了的难题，水下和空气中差别大了，空气中我们使用的无线网络通过电磁波，但是电磁波在海水中衰减是极快的，基本没有实际使用价值，所有以目前水下航行器一般通过五种方法解决
1 线缆通信，这是最直接的方法，只要做好接口及线缆本身的防水防腐蚀之外，其他的和陆地一样，这也是民用水下航行器大多使用的方式，使用光纤或者电力载波能传送包括高清视频等大量的数据，但是在航行中有了线缆增加了对水下航行器本身的约束。减少了水下航行器的灵活性。
2 水声通讯 ，利用声波在水中传播影响较小的特性发展而来的技术，是目前为止唯一能在深水中可以传播的技术，其通信距离可以高达10公里，我国7000米载人深潜器就是利用载人深潜器和母船之间进行通信，广泛用于军事设备中，但是声波的频率低，所以数据传播的速度慢，一般仅传播简单的文字指令，不用于传播视频数据。
3 低频无线电射频通信，射频是对频率高于10KHz，能够辐射到空间中的交流变化的高频电磁波的简称，今年来，数字通信的发展可将-120dBm以下的弱信号从存在的严重噪声的调制信号中借条下来，目前应用于潜水近距离通信，其通信距离也是实在百米极的，博主了解的目前一些市面上娱乐用途的观光型水下航行器就是使用这种通信方式传输高清视频完全可以。
4 激光通信，博主之前了解过国外一家公司的水下通信的方式就是激光通信，其原理是利用水下衰减较小的蓝绿激光通过激光载波传输数据，其通信速率在近距离极快，但是激光通信收发要精确的对准跟踪。应用博主了解不是特别广泛。
5 终极方法-不用通信，当水下航行器能脱离人为的控制完全应对水中的各种情况单独执行任务的话完全就不需要通信，这个时候就属于自主式无人水下航行器了，航行器出发前接收任务，中间的过程产生的数据完全记录在水下航行器内部存储，任务完成后自动返程将数据提取出来。这种中间没有需要通信的环节，所以这也是目前各国军事上重点研究的对象。
所以在设计一款水下航行器时候，你要根据实际需要，确定是不是要数据交换，适合那种通信方式，如果执行任务不需要数据交换，可以考虑方法5，但是对技术水平要求极高，在下面的文章中我会做详细的阐述。
- 水下动力环境复杂问题
水下和陆地很大区别就是其动力环境复杂，陆地上动力过程简单，一般影响动力因素就是风阻力，但是在陆地有自身的重力，所以在陆地动力环境对行驶影响较小。但是在海洋中水下航行器的设计基本属于零重力状态，即在水中短时间内是完全在停留在某一水层，处于悬浮状态，这个时候任何的波动都会对水下航行器的姿态产生影响，加上水下的环境复杂存在极大的不确定性，比如水团、急流、温盐跃层等都会对水下航行器的航行产生极大的影响。
所以在设计水下航行器时，一定要根据水下环境的实际情况考虑航行器在复杂水动力环境的综合应对能力。
这里楼主能想到的也就这么多了，以后能想到再继续补充，下篇给大家介绍水下航行器的设计主要步骤。见下篇。皮一下！！！
摄自 华为P20
写在最后，水下航行器的设计与制作本身就是多学科之间交叉和融合，楼主也只能分享我现有的知识体系，如有表述不当不全或有错误处，希望多多交流，共同进步。
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