波浪滑翔机：又一个值得重视的神器

晨枫

在不久前“国家安全日”电视节目里，一艘神秘的无人艇引起人们的注意。这个无人艇不仅铺盖着太阳能电池板和安装着信息桅杆，还在艇底拖带着一个鱼雷一样的东西。这是新颖的波浪滑翔机。



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7 T9 ]7 v( j8 D3 H人类在大海上航行几千年了，几千年来，排水量船的基本原理没有大变，变的只是推进方式，从划桨、风帆到明轮、螺旋桨。但无人艇出现后，一些匪夷所思的新型推进原理出现了。水下滑翔机用间隙改变浮力的方式，在靠重力下沉中向前滑翔，赢得了很大的航程。波浪滑翔机利用波浪升沉的能量形成向后的推力，更是做到完全靠自然动力推进，航程只受机械寿命的限制。


推进效率最高的是划桨，所有能量全部用在把水体向后推动、产生推力上了。但划桨动作的机械实现艰难，一般还是用螺旋桨。

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2 p9 C2 w: A( ]' F8 B" j" Y+ v螺旋桨在转动中，不仅把水体带动旋转，还通过桨叶的斜面产生向后的分量，形成推力。同样的推进力也可以在斜面桨叶的直线运动中产生，比如说，摇橹。

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摇橹在左右划动中，斜面对着推进方向，通过来回翻转橹面，在每一次划动中都产生推力。波浪滑翔机是相似的原理，只是改成利用波浪的升沉运动牵拉而上下划动了。

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$ [( Q8 @; `  g9 {波浪滑翔机由两部分组成：水面体和潜航体，两者用拖带索相连，一般长度在8米左右，确保潜航体在波高浪急的时候依然稳定地在水下。水面体一般像滑水板一样扁平，但为了增加载荷容积和加强自翻正能力，也可采用V形船体。潜航体一般就是接近鱼雷的形状，不过两侧各有一排桨叶，好像百足虫一样。桨叶可以自由上下翻转，但在正负45度（或者差不多的位置）锁定，不能继续翻转了。

当在波浪作用下上升时，桨叶后缘自然下垂，但到45度为止，然后就像摇橹一样，只是往上摇；当在波浪作用下沉时，潜航体靠重量自然下沉，桨叶后缘自然上翻，同样到45度为止，然后“橹”往下摇。周而复始，产生前进的推力。所以波浪滑翔机实际上与滑翔没有关系，叫波浪推进更加合理，但习惯上叫波浪滑翔机，就沿用这个称呼了。

波浪滑翔机不怕风浪，风浪越大，速度越快。波浪滑翔机也有很大的力矩，可以拖带沉重的负荷，只是速度不快，通常在3节左右，但好在持之以恒，一段时间下来，也可以航行很远。2013年，美国Liquid Robotics的“本杰明·富兰克林”号波浪滑翔机在一年多一点点的时间里，从旧金山无动力远航到澳大利亚昆士兰的邦达堡，航程14703公里，创造了自主无人艇的世界远航纪录。
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不过波浪滑翔机怕完全无风无浪的情况。海面平静似镜的时候，波浪滑翔机就彻底没有动力了。好在这样的天气一般阳光明媚，所以第二代波浪滑翔机在潜航体尾后增加电动螺旋桨，在无浪的晴天用太阳能电池板直接驱动。当然，无浪的晚上就是死鱼一条、动弹不了了。那就赏月吧。



基本的波浪滑翔机的成本很低，但什么也干不了，需要搭载有效载荷才有用。作为海洋和水文调查，各种气候、温度、盐度、海流测量自然是少不了的。但波浪滑翔机也有明显的军用潜力。

作为侦察平台，波浪滑翔机可搭载主被动声纳、雷达接收机、通信接收机、红外光电摄像头等，当然还有卫星导航、卫星通信甚至一定的任务系统。波浪滑翔机可以在海上长航时巡逻，监听过往的船只、潜艇和飞机，并把搜集的信号片段加上卫星导航的精确时间、位置标签后发送回基地。平台上的天线不需要多复杂，让基地在汇总中建立三角定位就可以了。平台可以随时发送截收到的电磁和水声信号片段，也可以用猝发、压缩、伪随机码等方法降低被截获的概率。基地在汇总后可以建立全面、精确、及时的战区空中、海面、水下态势。这对防御制海和攻势制海都很重要。
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% [5 @% Y! x0 `6 j作为作战平台，波浪滑翔机可以作为受控的自航飘雷使用，水下的潜航体可以是一枚鱼雷，或者一枚导弹，甚至是防空导弹。射程十几公里足够了，反正波浪滑翔机的视点低，看不远。水面体的信息桅杆正好搭载传感器，扫视周围海空，自动识别目标，自主攻击；或者接受基地指令，启动“进入射程就攻击”的模式。这样的飘雷可以用于反舰和反潜，适量释放就可以控制很大的海域。用于伏击低空飞机时，对反潜机、巡逻机、运输机、加油机是很大的威胁，不知道什么时候，海上就飞过来一枚导弹。

波浪滑翔机具有低速的自航和定点巡逻能力，这比随波逐流的浮标更加适合战区监视，或者作为飘雷使用。波浪滑翔机的长航时、低特征、低成本、耐气候特性也适合在高危海区使用。这东西缺乏自卫甚至逃避能力，别说军舰、作战飞机，就是渔船装上机枪也能欺负。问题是，目标小，紧贴水面浮行，暗色调与海面浑然一体，不管是在水面还是空中，不到跟前很难发现。如果需要，可以加一个压载水舱，在感知威胁的时候，自动下潜到水下十几米的深度，一般就可以逃过搜索。过后再上浮，继续工作。实在被抓现行，成本也够低，损失了也就损失了。或者反其道而行之，夹杂一些主动攻击的飘雷，专打前来搜索的巡逻舰船，提高清扫成本。

日本和澳大利亚对台海战争很“热心”，这样的长航时平台为他们量身订造，战时释放一批，与水下滑翔机运载的巡航导弹相结合，看他们还有多“热心”。

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中国在波浪滑翔机方面也很活跃，国家海洋技术中心的“海鲸”号已经试验成功，大量用于海洋水文调查。只要有需要，用作军用毫无困难。
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另一方面，波浪滑翔机的原理也可以用于波浪发电。把套筒固定在浅海海底，潜航体做成套筒内的螺旋桨，套筒壁同时也是定子，螺旋桨为转子，桨叶本身在上行和下行中改变上翻下翻，这样就可以把波浪的升沉运动转化为固定方向的旋转运动，用来发电了。同样的原理可以横过来，用于岸边的潮汐发电，涨潮、落潮中潮水向岸边一进一出地波动，带动桨叶旋转，驱动发电机发电。

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9 l. g* s4 ^: [1 R' g- M+ ~用于波浪发电，潜航体改成这样的推拉螺旋桨，只是要一头吊起，而不是现在这样安装
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* K+ `4 j6 c/ o# I' N8 k环形螺旋桨的电机则是在筒状结构上
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与风电、光电相比，潮汐和波浪是更加可靠的能源，无浪日很少，无潮日则没有。过去因为技术问题，很难利用波浪能和潮汐能，波浪发电还有各种方案，比如在利用升沉运动直接切割浮筒内的磁力线发电，或者利用升沉驱动活塞将海水泵吸到高水位然后发电，但都有各种问题，潮汐能更难利用，波浪滑翔机的原理或许解决了这一难题。
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东湖珞珈

“推进效率最高的是划桨，所有能量全部用在把水体向后推动、产生推力上了”
  t+ o# S* q6 y8 u$ A! b这个不明白啊 。为啥这种方式效率最高？不是每一浆都需要抬高桨叶做往复运动，这部分能量并不是直接用于推动的，只是为了下一次行程不得不做的事情。要是这理论成立，那不是明轮反而成了最有效的最容易实现的驱动方式了？
. A9 E( ^* c* e& T" A为啥螺旋桨不好？暂时不考虑叶片气泡问题，螺旋桨旋转的每一度都能持续的向后推水啊，一点没有浪费的

数值分析

东湖珞珈 发表于 2021-5-9 11:01
3 ]# y# a0 n2 s0 {, @“推进效率最高的是划桨，所有能量全部用在把水体向后推动、产生推力上了”
; l  C) V! }2 Q  ^. z这个不明白啊 。为啥这种方式效 ...

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我觉得晨大这里的推进效率可能是只考虑推进器对水做的功有多少用于向前推动船只，推进器本身的机械效率不在考虑范围内。螺旋桨对水做功有切向分量，并不是全用在向前推进上了，所以划桨效率最高。

晨枫

东湖珞珈 发表于 2021-5-8 21:01
“推进效率最高的是划桨，所有能量全部用在把水体向后推动、产生推力上了”
这个不明白啊 。为啥这种方式效 ...

明轮的推进效率确实高于螺旋桨。明轮的问题在于机械效率，本身太重，而且速度的天花板太低。
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# L6 L( {' z+ m& l1 m* \9 A/ [螺旋桨把大量的功都消耗在对水体产生旋转运动上了，转速越高，浪费越大。潜艇的大弯度、低转速螺旋桨在螺旋桨里是推进效率最高的，由于少作无用功，噪声也低，但制造太复杂，减速齿轮的消耗也太大。