仿生无人水下航行器推进系统效率研究：开启高效低噪水下探索新时代

《Scientific Reports》：Biomimetic propulsion system efficiency for unmanned underwater vehicle

为解决水下航行器推进系统高噪声、低能效问题，研究人员开展仿生无人水下航行器（BUUV）推进系统效率的研究。通过水洞实验，对比不同控制参数下的推力与电能消耗，得出一系列 Pareto 最优解，为波动推进系统设计提供重要参考17。

　　在广袤深邃的海洋中，水下航行器就像神秘的 “海洋使者”，承担着环境监测、海洋探索等诸多重要使命。然而，传统水下航行器的推进系统却存在着明显的短板。一方面，其产生的强烈水动力噪声，不仅会惊扰海洋生物，还容易暴露自身位置，不利于执行隐蔽任务；另一方面，能源利用效率较低，这意味着有限的能源无法支持航行器进行长时间、远距离的作业，极大地限制了其应用范围。

为了突破这些困境，波兰海军学院与克拉科夫工业大学的研究人员携手合作，开展了关于仿生无人水下航行器（Biomimetic Unmanned Underwater Vehicle，BUUV）推进系统效率的研究。相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在本次研究中，主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 水洞实验：在宽和深均为 0.5m 的实验室水洞中进行测试，通过调节水洞水流速度、模拟不同的水下环境，为研究提供了稳定且可控制的实验条件2。
2. 粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术：利用 PIVLab 软件分析鳍与流体之间的相互作用。通过在水中添加微小标记物，用激光照射后，高速相机捕捉标记物的运动轨迹，进而获取流体的速度场信息，直观展现流体的流动特性3。
3. 力传感器测量：使用力传感器直接测量推进系统产生的推力，为后续计算推进系统效率提供关键数据支持。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 不同鳍长的流动特性差异：通过 PIV 分析发现，较短的鳍（150mm）在产生较大垂直流动区域的同时，会出现明显的湍流，尤其是在鳍尖部位；而较长的鳍（250mm）由于其柔韧性，在鳍尖附近能产生更层流的流动，且鳍中间部分能有效带动水的运动，形成与 BUUV 运动方向相反的速度向量4。
2. 控制参数对推进系统的影响：研究不同的鳍角偏转和振荡频率对推进系统的影响时发现，振荡频率为 3Hz、鳍角偏转α=40°时，能实现最大净推力。并且随着净推力的增加，能量效率会降低，这与海洋生物自由游动和逃避危险时的情况相似8。
3. 推进系统效率的计算与分析：定义推进效率η=CP?CT??，其中CT?=0.5ρu2cLT?，CP?=0.5ρu3cLP? 。由于柔性鳍产生的推力和阻力难以分离，通过测量净推力与电能消耗来估算推进系统的性能。根据实验数据计算出不同参数下的能量效率，并分析其变化规律56。

研究结论表明，通过对仿生推进系统的研究，获得了一系列 Pareto 最优解，为设计低水动力噪声、高能效的推进系统提供了重要依据。同时，明确了影响推进系统效率的关键因素，如鳍的材料、控制参数、流体特性等，这有助于指导后续优化推进系统的设计。在讨论部分，研究人员指出，本次研究虽然取得了一定成果，但仍存在一些可改进之处。例如，对于流体湍流的复杂性研究还不够深入，未来可借助人工智能技术，如物理信息神经网络（Physics-Informed Neural Networks，PINNs），进一步深入分析柔性鳍与湍流之间的相互作用。此外，还计划利用智能水洞进行实时测试和自适应鳍调整，以不断提高推进系统的性能。

这项研究的重要意义在于，为水下航行器推进系统的设计提供了全新的思路和方法。其成果有助于推动仿生水下航行器在海洋科学研究、水下基础设施检测等领域的广泛应用，有望开启高效低噪的水下探索新时代，让人类能够更深入、更全面地了解神秘的海洋世界。