1 目的及意义

1.1 研究的目的和意义

随着各领域对技术研究的不断深入，人们逐渐脱离了那些枯燥而危险的工作，让各种各样的智能化机器代替人类完成工作，从很大程度上降低了人们因一些危险工作而受到伤害的可能性。无人船(Unmanned Surface Vehicle， USV)作为一种无人化，利用自身智能操控系统和无线通信遥控系统来航行的一种水面船舶，将是未来水面环境下各种危险、重复、枯燥任务的主要承担者。随着人工智能与信息通信技术的发展，无人船具有的智能化、无人化、高效率、降低成本等优点，将在海洋智能化装备和未来海洋开发应用领域占据越来越重要的地位。无人船要想顺利的完成水面自主作业，依赖于无人船的动力系统，动力系统可靠性决定了无人船任务执行的效果，将影响无人船在行进过程中的安全性与航行稳定性^[1]。因此研究无人船的动力系统是推动无人船技术发展的不可或缺的工作。

而当下民用船舶动力系统主要有传统的柴油机和电力推进系统。当今社会人们的生活质量不断提高，环保意识也是越来越强，“雾霾”不时地充斥在报刊杂志头条，大气污染受关注的程度与日俱增，当今社会对各式船舶的性能同样提出更高的要求。但是原油价格的不断上涨造成船舶运营者的既得利益下降，使得越来越多的劣质船用柴油被非法使用，而且石油资源是不可再生能源，随着时间推进终究有耗尽的时候，就算人们不断采用新技术改善和提高热机性能也难以满足这些要求，同时发现采用电力推进形式能更有效地解决传统推进形式所存在的问题。无论是更为严格的排放要求，还是提高船舶整个营运期间的经济效益，以及满足各种船舶的特殊要求，采用电力推进方式都能得到圆满的解决^[2]。

电力推进系统的发展促进了吊舱式推进器的出现。目前，吊舱式电力推进系统是最先进的船舶电力推进系统。吊舱推进器作为一种新型的船舶推进装置，在其发展的过程中，得到了船舶推进系统开发领域的重视。它的设计思想具有相当的革命性，它把驱动螺旋桨的电机安置到一个能进行360°回转的吊舱内，并悬挂于船尾，将推进系统和操舵系统融为一体。吊舱推进器省去了常规推进装置所使用的轴系和船舵，极大提高了船舶的设计、建造和使用过程中的机动性和灵活性。同时，使用吊舱推进器可以降低船舶建造过程中的成本，节省船舶行驶中的燃油消耗，在水面行驶的船舶中具有十分广阔的应用前景。与常规推进器相比，由于结构的特殊性，吊舱推进器有很多的优点：比如设计自由度、灵活性强、节省舱室空间 、可独立制造、方便安装、性能优势明显、改善推进空性能、降低水动力噪音。因此研究吊舱式电力推进系统对于节能减排，增加无人船动力系统的可靠性有着重要的意义。

因此，如果将吊舱推进器应用于无人船，将会提高了人们的生活水平，使船员脱离枯燥而危险的工作，也减少了人为操作的难度，同时降低船舶运营成本，该研究对于提高无人船动力系统的可靠性，船员工作环境的舒适性，船舶经济性，实现船舶节能减排具有重大意义。

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 无人船国内外研究现状

无人船作为一种智能化、机动化、无人化、网络化的水面交通工具，在海洋医药领域、海面上的生态监控、赤潮监控、滨海湿地生态监控、海上救援、海巡逻等领域发挥了极其重要的作用。随着计算机应用技术、无线蜂窝通信技术和高性能传感器技术的一次次的技术突破，无人船的技术也随之日益发展与成熟。

当前，国内外的研究单位均已对无人船相关技术作出研究，在国外，自从2002年开始，美国海军投资巨资进行名为“斯巴达”高速无人船的研究，无人船“斯巴达”有两种运行方式，摇杆操纵模式和自主式模式^[3] “斯巴达”无人船项目最初主要用于军事领域，项目提出者主要是美国海军，同时也包括美国国防部部长，除此之外新加坡海军也加入了该项目发起。目前主要有Raytheon Company和Northrop Grumman Group这两家公司从事相关的研发工作。“斯巴达”是美国国防部选中的概念技术之一，主要承载着沿海地区反潜战、反水雷战、情报收集、侦查和监视等。为提高其续航能力，研究者们还研制出压燃重油发动机，其以柴油为动力油，具有较大的高功率密度，为斯巴达的远距离航行提供了强大的保障，同时也提高了“斯巴达”的速度，提高了发动机的效率，使其单机具有高达720马力的动力。同时，“斯巴达”集人工智能、高精度传感器技术和基于VXZ成像技术的三维数字成像技术相结合，极大增强了其自主航行的能力。

在国内，中国的无人船起步较晚，不过发展速度却是相对较高的。2008年是一个伟大的一年，一个不平凡的一年，中国举办了举世瞩目的奥林匹克运动会，就是在这一年，沈阳航天新光集团在无人船的研发上取得了突破性的进展，“天象一号”成功研制^[4]。“天象一号”是中国史上第一艘无人船，也是世界上第一次将无人船应用领域扩展到气象探测领域，按照北京奥组委的要求，“天象一号”在营口港附近的海域进行试验，并取得了完满成功，各项指标全部符合奥组委的要求，顺利为北京奥林匹克运动会青岛奥帆赛保驾护航。“天象一号”长度为6.70米，宽度极限2.45米，高度高达3.5米，船体重量为2.3吨，船体的材料采用碳纤维作为材料，航行的持久性能力较强，可以在海面连续工作二十天左右。在海洋气象动态观测领域发挥了前所未有的功能，是中国国内无人船发展史上的里程碑，具有划时代的意义^[5]。其行驶方式与国际差不多，都是采用两种方式，一种是人工遥控，操作者通过遥控手柄进行可视范围的操作，其次就是自动驾驶，人为的设定目的地，无人船可以自己行驶到约定的地点，当无人船遇到障碍物的时候，无人船可以自主的进行智能化的避障处理。

1.2.2 无人船电力推进系统国内外研究现状

船舶电力推进是利用船舶发电装置获取电能，并通过电动机驱动船舶运动的一种推进方式。

船舶电力推进系统由原动机、发电机、电动机、控制设备以及螺旋桨组成，原动机将机械能转换成电能，电动机螺旋桨产生推力，驱动船舶运动。推进系统的原动机一般采用中、高速柴油机，发电机通常采用交流同步发电机、直流他励发电机等，电动机可以采用交流同步电机、交流异步电机、永磁电动机或者直流电动机等^[7]。

当前，国内外的研究单位均有关于无人船电力推进系统的研究。实际上船舶电力推进系统有几百年的发展历史，早在19世纪的60年代世界上第一艘电力推进型船舶就已经出现，它是用蓄电池给直流电机供电以此为动力推动船舶航行。进入下一个世纪后，更多用途的船舶相继加入到电力推进的行列中来，其中就包括潜艇。此时世界上传统的柴油式潜艇大幅减少，大部分都改为了电力推进，这是因为其静音特性。在电力推进式船舶发展中，其变流装置发展扮演着极为重要的角色。20世纪70年代晶闸管的发明，将其运用到电机的变流装置上并且取代了使用己久的Ward-Leonard变流装置，这使得电力推进系统变得更为可靠，同时也成为当时主流的调速方法^[8]。随后半导体开关的出现又逐步取代了晶闸管在调速系统中的应用。另外，推进器本身也在不断地发展，吊舱式推进器的出现使得电力推进型船舶的应用范围越来越广。

在国内，电力推进还处于起步阶段，电力推进的应用也还不广泛。2000年上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造了一艘1917吨化学品船，名为“帕劳斯佩拉”，这是我国制造的首艘吊舱式电力推进船舶。2002年广船国际为COSCO建造的18000吨级半潜船“泰安口”，是中国建造的第二艘电力推进船舶，所采用的两套SSP吊舱电力推进系统由德国Siemens公司Schottel公司联合研制^[10]。“泰安口”号的姐妹船“康盛口”号，烟台一大连火车轮渡、3000吨级海事船、自航式全回转起重船及一些中小型船舶也采用了电力推进方式^[12]。

众多与船舶相关的院校、科研院所紧跟国际形势，相继开展了船舶电力推进研究。如武汉理工大学在其新一轮“轮机工程”国家重点学科建设中组建船舶电力推进系统仿真实验室，开展船舶电力推进系统研究;哈尔滨工程大学也建有电力推进实验室，开展全电力推进船舶科学研究，并将其研究成果应用在某型号深潜救生艇上;另外七院下属的711、712所也有电力推进科研项目。

1.2.3 无人船吊舱式电力推进系统国内外研究现状

吊舱式电力推进是指推进电机直接驱动螺旋桨从而实现能量的转换，其结构组成主要由支架、舱体、推进电机等主要部件组成，整个吊舱通过支架悬挂在船体下面，螺旋桨联结在舱体的首端或者尾端，推进电动机置于吊舱内部与螺旋桨直接相连，由此减少中间轴系设备，推动船舶前进。

当前，国内外的研究单位均已对无人船吊舱式电力推进系统作出研究，国外很早就开始对吊舱推进系统进行研究，并且取得了一定的研究成果，主要研究的方向和领域有一下几个方面:1)设计领域的研究国外学者Islam等对吊舱推进器的几何外形展开了研究，并且分析了系列外形变化对推进性能的影响，由此推出了影响推进性能的几个关键的几何参数，并且对参数组合的优化进行了分析研究^[18]。瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers university of technology)以典型的Azipod和Mermaid型吊舱推进器为研究对象，详细分析研究了吊舱电系统的不同配型以及设计方法，此外对现在的驱动电机的现状作了详细的阐述，提出了未来驱动电机的发展趋势^[20]。2)吊舱推进器水动力性能领域的研究美国麻省理工学院(MIT) T W StettlerHover教授、F S Hover教授、M S Triantafyllou教授对由吊舱引起的力矩和操纵力的变化情况以及尾流特性进行了课题研究，采用的数值方法，结果表明矢量推进方式可以产生很大的法向力，推力还会随着方位角的变化产生显著的变化，此外，还对吊舱推进器的稳态和非稳态进行了分析，用粒子速度记录仪记录了尾流特性。加拿大纽芬兰大学(Memorial University of Newfoundland)海洋科技研究中心以及加拿大海洋科技研究委员会等可以单位对吊舱螺旋桨的推进特性展开了研究，其主要研究方法采用数值模拟的方法来研究吊舱支架、吊舱锥度、吊舱间隙等对吊舱螺旋桨水动力特性的影响。3)吊舱推进方式领域的研究国外对新颖的吊舱推进方式也展开了研究，如对转式CRP (CounterRotating Pod，CRP)型吊舱推进器，该推进器是在传统推进器后方再安装一个吊舱式推进器形成螺旋桨对转，研究结果表明这样的推进方式阻力降低、能源消耗减少。美国GDEB ( General Dynamics Electric Boat，GDEB)提出了RDP型吊舱推进器，该推进器与常规吊舱推进器相比减少了吊舱与螺旋桨之间的相互影响，减少了舱体压力和噪声，操纵性能得到改善，它采用的是优化的水动力学设计技术、特殊电机、轴承密封技术，具有很高的实用价值和广阔的应用前景，美国海军己经对此推进方式展开了全面的研究和实验。

我国对吊舱推进的研究也在加紧步伐，马聘、冀路明及陈新刚等研究人员对吊舱推进器给予了高度的重视并进行了相关的研究，分析论证了吊舱推进器的可靠性、水动力性能分析计算、吊舱推进器装置实验方法研究^[13]等。熊鹰^[14]等主要研究的领域是吊舱电力系统的性能评估，研究了其水动力特性。上海交通大学的研究人员研究了吊舱推进器定常水动力性能、吊舱推进器的不同配置方案以及其斜航的性能^[13]、吊舱对螺旋桨水动力性能的影响^[15]等。张晓飞、王晓三研究设计了由同步电机来进行转矩控制系统作为吊舱推进系统。马聘在其博士论文中运用数值计算和模型试验两种方法，对吊舱推进器的水动力性能进行了研究。大连海事大学研究人员研究了Azipod系统，主要对管理控制系统和推进系统原理进行了研究^[16];薛式龙在其博士论文中提出了采用三相异步电动机构成推进和负载系统来仿真船舶电力推进系统的总体设计方案^[17]。

1.2.4 国内外研究现状分析

综上所述，在实际设计过程中，国内外无人船动力系统的设计方案存在诸多不足之处，

（1）常规柴油机动力系统维护困难；

（2）排放大且产生噪音大；

（3）推进轴长、轴加工难度大；

（4）动力系统占用船舶空间大；

（5）操纵性差；

（6）纯电动系统在续航能力上，蓄电池电量有限，不能进行长时间的续航。

因此开展近海无人船吊舱式电力推进系统设计和动力系统经济性分析研究具有一定的前瞻性，也具有一定的现实意义。

2.1 研究目标

本研究以一艘近海无人船为研究对象，设计一种适用于无人船并能解决船舶传统柴油机动力系统造成的高排放，系统维护困难等问题的吊舱式电力推进系统。

2.2 研究的基本内容

（1）无人船的国内外研究现状分析。

（2）未来近海无人船动力系统设计需求
（2）未来近海无人船动力系统设计。
（3）未来近海无人船动力系统经济性分析。

2.3 拟采用的技术方案和措施

（1）通过在知网和EI检索等数据库下载国内外关于无人船的论文和期刊，了解无人船的国内外进展，并分析存在的不足；

（2）根据国内外关于无人船动力系统设计上的不足，做出系统设计需求分析；

（3）通过去图书的查阅船舶设计手册和无人船设计手册以及国内外关于未来近海无人船动力系统设计的资料，结合系统设计，研究未来近海无人船动力系统设计；

（4）通过去图书以及在网络上查阅关于船舶动力系统经济性分析的文献

完成未来近海无人船动力系统经济性的分析；

（5）分析（4）中的框架，确定设计过程中的难点，对该难点进行分析。