CN111404235B - 用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统。水下执勤航行器、能源补给航行器均为无人水下航行器；水下执勤航行器经潜艇派遣进行巡逻及探测；能源补给航行器经潜艇派遣，根据能源补给航行器所存储的能量为所述水下执勤航行器进行能量补给；根据可移动充电装置所存储的能量和/或深远海能源中继站向其传输的能量，来为移动到可移动充电装置附近的能源补给航行器进行能量补给；深远海能源中继站自身能产生及存储能量，并为与之连接的可移动充电装置进行能量补给。本发明可以实现深远海底无人水下航行器长期、自主、大功率能源供给。

Description

用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统
技术领域
本发明涉及水下能源系统，具体涉及一种适用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统。
背景技术
无人水下航行器（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）是在水下自主航行的无人智能装备平台，可用于侦察、遥控猎雷和作战等任务。大量水下信息，如海底地貌、海洋气象、地质、水文、磁场、声学特性，以及各方舰船的目标特性，水雷布设情况等，都可以通过UUV来获得。
目前，UUV的设备能源来自于所携带的蓄电池组，这种能源供给方式具有以下几个弊端：（1）UUV的续航能力常常受所带蓄电池组容量制约，活动范围大大缩小；（2）由于深海区域缺乏有效地能源补足平台，因此，UUV只能应用在近海、大陆架等小范围海域；（3）UUV装备大量的蓄电池组严重制约UUV有效载荷能力，使其所带有效载荷大大减少；（4）UUV蓄电池组维护需要回收、充电、释放等过程，维护过程比较复杂。
传统的水下航行器供电方式有三种：缆系岸站供电式、自容燃料式和可再生能源式，其中：
缆系岸站供电式是利用海缆将电能传输到海底并以树状、环状、放射状、网状结构等，向水下大量设备提供连续电能的方式，其往往只用于近岸工程，很难延伸到深海远海；
自容燃料式是通过自容式携带能量的方式，一种是通过自带存储式电池进行能量供给，而对于电能需求量较大的水下航行器，常常受电池容量限制，效能大大降低；另一种是通过携带燃料现场发电进行能量供给等，其需定期补充燃料来维持较长时间的电能供给，受限于水面环境，只能短期使用；
可再生能源式是利用潮（海）流能、波浪能、太阳能、温差能等形式的能量为水下航行器提供能量补给，而海流路径未知并且具有时变性、海底环境不存在波浪、多水层间温度变化不明显、太阳光照无法到达，传统的洋流、波浪、温差、光照等多种海洋能量产生方式由于依赖环境因素，不能成为深海海底的能源获取方式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种深远海能源中继系统，适用于无人水下航行器能量补给。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是一种用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统，其中：
水下执勤航行器，经潜艇派遣，进行巡逻及探测；
能源补给航行器，经潜艇派遣，根据能源补给航行器所存储的能量为所述水下执勤航行器进行能量补给；所述水下执勤航行器、能源补给航行器均为无人水下航行器；
可移动充电装置，根据可移动充电装置所存储的能量和/或深远海能源中继站向其传输的能量，来为移动到可移动充电装置附近的能源补给航行器进行能量补给；
所述深远海能源中继站，自身能产生及存储能量，并为与之连接的可移动充电装置进行能量补给。
可选地，所述水下执勤航行器配备有第一能量储蓄设备和第一无线充电装置；所述能源补给航行器配备有第二能量储蓄设备和第二无线充电装置；所述能源补给航行器处第二能量储蓄设备存储的能量，经过第二无线充电装置与第一无线充电装置的配合，无线传输到水下执勤航行器处，存储至第一能量储蓄设备。
可选地，所述水下执勤航行器配备有第一数据传输设备；所述能源补给航行器自身配备有第二数据传输设备；所述水下执勤航行器探测到的数据，通过第一数据传输设备与第二数据传输设备的配合，传输到所述能源补给航行器处。
可选地，所述能源补给航行器的第二无线充电装置与水下执勤航行器的第一无线充电装置之间，利用水下磁感应无线传能技术实施无线充电。
可选地，所述潜艇对水下执勤航行器、能源补给航行器的续航时长进行监测；所述能源补给航行器根据潜艇的指令，移动到续航时长不足的水下执勤航行器处为其进行能量补给；所述能源补给航行器根据潜艇的指令，移动到附近海域的可移动充电装置处，为所述能源补给航行器自身进行能量补给。
可选地，所述能源补给航行器通过其与可移动充电装置之间连接的第一绝缘线缆获得补给的能量。
可选地，所述可移动充电装置通过其与深远海能源中继站之间连接的第二绝缘线缆获得补给的能量。
可选地，所述可移动充电装置内设有功率变换装置和第三能量储蓄设备；功率变换装置的受电端与第二绝缘线缆连接，送电端与第一绝缘线缆连接。
可选地，所述深远海能源中继站，进一步包含：
热管式固态核反应堆；
涡轮发电机，对所述热管式固态核反应堆产生的热能调节后产生电能；
中继站能源电力管理系统，对所述涡轮发电机产生的电能进行统一调配，为可移动充电装置进行能量补给和/或将能量存储至固态电池组；
所述固态电池组，用于存储能量。
可选地，中继站能源电力管理系统的统一调配，包含：在夜间执勤或任务空闲时，将产生的能量存储至固态电池组；在白天执勤或任务紧张时，将固态电池组存储的能量释放。
本发明打破自容式UUV传统“回收—充电—释放”的应用模式，基于能量“自主产生—储存—传输”的思想，提出深远海底能源中继站系统架构，实现深远海底无人水下航行器UUV长期、自主、大功率能源供给。
本发明的实施例，通过热管式固态核反应堆技术，自主、可靠产生能量；通过能量变换及调控技术，控制高安全固态电池对能量的“长时”吸收以及“短时”释放；通过水下磁感应无线传能技术，为无人水下航行器UUV安全、可靠地提供能量补给。
附图说明
图1是本发明所述深远海底能源中继站系统的系统架构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种适用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统，包含：任务潜艇S、若干个水下执勤航行器UUV1、若干能源补给航行器UUV2、若干个可移动充电装置CM，以及深远海能源中继站PS。所述的水下执勤航行器、能源补给航行器，都属于无人水下航行器UUV。
图示的实施例中，水下执勤航行器UUV1有四个，表示为UUV1-1、UUV1-2、UUV1-3、UUV1-4；能源补给航行器UUV2有两个，表示为UUV2-1、UUV2-2；可移动充电装置CM有两个，表示为CM1、CM2。图中的ST表示各条水下执勤航行器UUV1处的传输数据和信号。
在水平面WS下，任务潜艇S执行任务，派遣多条水下执勤航行器UUV1外出执行巡逻和探索任务，每条水下执勤航行器UUV1自身配备有数据传输设备、高比功率高比能量的锂离子蓄电池组，以及支持中近程（如0-100海里）的无线充电装置。水下执勤航行器UUV1执行各自探索任务所需的探测设备，及其巡逻所需的动力驱动装置等，不做赘述。
由于每条水下执勤航行器UUV1的工作和续航时间均依靠于自身携带的蓄电池组的供电能力，为更好地保证水下执勤航行器UUV1完成全方位的巡逻和监测任务，本发明的方案中，不将水下执勤航行器UUV1召回潜艇内进行能量补给，避免其所在区域内出现巡逻空缺。
当任务潜艇S监测到水下执勤航行器UUV1的续航时长不足时，会额外派遣能源补给航行器UUV2，为水下执勤航行器UUV1补给能量，并完成前期数据传输任务来获取水下执勤航行器UUV1捕获的数据。能源补给航行器UUV2自身配备有数据传输设备、高比功率高比能量的锂离子蓄电池组和大功率无线充电装置。
示例地，能源补给航行器UUV2与水下执勤航行器UUV1的无线充电装置，适配地利用水下磁感应无线传能技术来实施无线充电。示例地，一条能源补给航行器UUV2储蓄的能量，可以为4-6条水下执勤航行器UUV1提供满功率能量补给。
能源补给航行器UUV2在执行完成能量补给任务后，任务潜艇S根据其监测情况向能源补给航行器UUV2发出指令，令能源补给航行器UUV2前往附近海域的可移动充电装置CM，为该航行器自身进行能源补给。
当能源补给航行器UUV2抵达附近的可移动充电装置CM时，能源补给航行器UUV2会伸出绝缘线缆与可移动充电装置CM进行交汇对接。可移动充电装置CM内设有大功率（如兆瓦级）的功率变换装置和高比功率高比能量的锂离子蓄电池组。此外，可移动充电装置CM还可以通过另外的绝缘线缆，与数十海里之外的能源中继站PS互联，在能源补给任务形势严峻时，可移动充电装置CM无法完成自身能量产生、转换和传输任务，需要由能源中继站PS统一进行能源调配和传输，以满足对可移动充电装置CM的能源补给。
能源中继站PS，设有兆瓦（MW）级热管式固态核反应堆、兆瓦（MW）级涡轮发电机、中继站能源电力管理系统以及高安全固态电池组，其主要功能在于使核反应堆工作产生的热能通过涡轮发电机调节后产生电能，中继站能源电力管理系统对涡轮发电机产生的能量进行统一调配，用来为可移动充电装置CM进行能源补给，并将多余的能量储能至高安全固态电池组中。
能源中继站PS使用的热管式固态反应堆，利用铀锆氢具有超高固有安全性的特点，以其为燃料避免传统压水堆燃料的固有特性所带来的反应性引入问题；采用热管式反应堆形式，首先，传热工质无需加压，根除加压水回路破裂带来隐患的问题；其次，热管工质不会对堆内部件造成冲刷和腐蚀，具有更高的安全性；此外，传热完全非能动，无需泵等能动部件、单根或几根热管失效的情况下系统仍可正常运行，可靠性高。并且，热管传热性能受振动或摇摆影响较小，可以对其进行适应性改进。
在夜间执勤或任务空闲时，能源中继站PS中产生的能量通过中继站能源电力管理系统调配后，统一将能量调节至高安全固态电池组进行“长时”吸收，此时核反应堆系统的输出压力也得到暂时性的缓解；在白天执勤或任务紧张时，由高安全固态电池组协同中继站能源电力管理系统将存储的能量进行“短时”释放，以满足全部设备的能源需求。
本发明旨在提出一种深远海底能源中继站能源管理系统架构，通过热管式固态核反应堆技术，自主、可靠产生能量；通过能量变换及调控技术，控制高安全固态电池对能量的“长时”吸收以及“短时”释放；通过水下磁感应无线传能技术，为无人水下航行器UUV安全、可靠地提供能量补给。对水下能源补给技术的研究提供了有力的技术支撑。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于无人水下航行器能量补给的深远海能源中继系统，其特征在于：
水下执勤航行器，经潜艇派遣，进行巡逻及探测任务；
能源补给航行器，经潜艇派遣，根据能源补给航行器所存储的能量为处在巡逻及探测区域的所述水下执勤航行器进行能量补给；所述水下执勤航行器、能源补给航行器均为无人水下航行器；
可移动充电装置，根据可移动充电装置所存储的能量和/或深远海能源中继站向其传输的能量，来为移动到可移动充电装置附近的能源补给航行器进行能量补给；
所述深远海能源中继站，设有热管式固态核反应堆，自身能产生及存储能量，并为通过线缆与之连接的可移动充电装置进行能源的统一调配传输，使所述可移动充电装置得以获得能量补给；
其中，所述潜艇对水下执勤航行器、能源补给航行器的续航时长进行监测；所述能源补给航行器根据潜艇的指令，移动到续航时长不足的水下执勤航行器处为其进行能量补给；所述能源补给航行器根据潜艇的指令，移动到附近海域的可移动充电装置处，为所述能源补给航行器自身进行能量补给；
所述潜艇还派遣所述能源补给航行器，来获取所述水下执勤航行器获得的数据；所述水下执勤航行器配备有第一数据传输设备；所述能源补给航行器自身配备有第二数据传输设备；所述水下执勤航行器探测到的数据，通过第一数据传输设备与第二数据传输设备的配合，传输到所述能源补给航行器处。
2.如权利要求1所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
所述水下执勤航行器配备有第一能量储蓄设备和第一无线充电装置；
所述能源补给航行器配备有第二能量储蓄设备和第二无线充电装置；
所述能源补给航行器处第二能量储蓄设备存储的能量，经过第二无线充电装置与第一无线充电装置的配合，无线传输到水下执勤航行器处，存储至第一能量储蓄设备。
3.如权利要求2所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
所述能源补给航行器的第二无线充电装置与水下执勤航行器的第一无线充电装置之间，利用水下磁感应无线传能技术实施无线充电。
4.如权利要求1所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
所述能源补给航行器通过其与可移动充电装置之间连接的第一绝缘线缆获得补给的能量。
5.如权利要求4所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
所述可移动充电装置通过其与深远海能源中继站之间连接的第二绝缘线缆获得补给的能量。
6.如权利要求5所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
所述可移动充电装置内设有功率变换装置和第三能量储蓄设备；功率变换装置的受电端与第二绝缘线缆连接，送电端与第一绝缘线缆连接。
7.如权利要求1所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
所述深远海能源中继站，进一步包含：
涡轮发电机，对所述热管式固态核反应堆产生的热能调节后产生电能；
中继站能源电力管理系统，对所述涡轮发电机产生的电能进行统一调配，为可移动充电装置进行能量补给和/或将能量存储至固态电池组；
所述固态电池组，用于存储能量。
8.如权利要求7所述的深远海能源中继系统，其特征在于：
中继站能源电力管理系统的统一调配，包含：在夜间执勤或任务空闲时，将产生的能量存储至固态电池组；在白天执勤或任务紧张时，将固态电池组存储的能量释放。
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