滑翔机也能在水下“飞”？

众所周知，滑翔机是飞行器，但最近，许多小伙伴惊讶地发现，一些滑翔机没有在空中停留好，而是刚刚进入水中。首先，去年年底，中国在南中国海捕获了美国潜艇滑翔机(也称为潜水器)。然后，最近，中国自主开发的“海翼”水下滑翔机下降到6329米的深海，一举打破了世界纪录。所有这些都让水下滑翔机产生了一种存在的感觉。为什么滑翔机可以在水中航行？它在水里做什么？

水下滑翔机“海翼”(来源:观察网)

水下滑翔机如何“飞行”？

滑翔机一般指没有动力装置的固定翼飞机。它能在空中飞行的原因取决于伯努利原理:当空气流过机翼时，同时机翼上方的空气比机翼下方的空气流动得更快，导致机翼上方的空气压力低于下方，滑翔机漂浮在空中。当然，独自飞行是远远不够的。为了延长停滞时间，滑翔机的机翼通常被设计得相对长而窄，机身被流线型化以增加升阻比并减小飞行中的下滑角。

空中滑翔机(网络图)

伯努利原理示意图(网络图)

水下滑翔机是一种新型的自主飞行器，由美国物理海洋学家亨利·施托梅尔于1989年首次设计。他受一架空中滑翔机的启发设计了一架水下滑翔机，因此两者的航行原理基本相似。例如，水下滑翔机也有“翅膀”，因为只有有“翅膀”才能实现滑翔。

典型水下滑翔机结构图(来源:www.whoi.edu，作者加汉字)

然而，尽管水和空气是流体，但仍有很大的不同。水下滑翔机必须有自己独特的特点，以适应水下环境。它没有配备螺旋桨。它是如何下沉和漂浮的？

原理并不复杂。水下滑翔机在浮力和机翼的作用下向前滑行，而下沉和漂浮是通过调节重力和浮力的差值来实现的。显然，浮力的调整非常重要。

我们知道鱼通过鱼鳔的收缩和膨胀来调节它们的密度，从而上升和下降。水下滑翔机的浮力调节机构也采用同样的方法。水下滑翔机的“游动囊”是一个外部安装的油囊(即上图中的柔性油囊)。当它在重力作用下到达预定深度以完成其任务后，它将把体内的液压油压力注入到油囊中。随着油囊体积的增加，浮力也会增加。当浮力大于重力时，水下滑翔机可以在漂浮的同时向前滑行，配合一个合理的俯仰角。当水下滑翔机到达水面并将收集到的数据传送给卫星时，它会收缩油囊，使浮力小于重力，这样它就可以再次下沉并继续在海里游泳。

水下滑翔机除了通过改变浮力来实现下沉和漂浮外，还可以通过调整内部重量块的分布来改变重心和漂浮中心的相对位置，从而完成空中滑翔机难以看到的转弯和俯仰等动作。

水下滑翔机垂直剖面周期性滑翔运动示意图(来源:orbitalvector.com)

水下滑翔机运动动画(网络图)

水下滑翔机有什么用？

水下滑翔机不需要动力装置，而且它们的能量消耗很低。当调整浮力和姿势时，它们只消耗少量的电力。因此，它们的耐力非常强，可以在海洋中潜伏几个月。此外，由于其制造和维护成本低和自我控制能力强，近年来受到国内外的极大关注，并已发展成为一个受欢迎的海洋观测平台。

水下滑翔机设计的最初目的是收集特定水域的水文数据。它通常携带各种类型的传感器来实时监测海水温度、盐度和密度的空间分布。海水的变化对气候有很大影响。水下滑翔机带来的科学数据可以帮助我们提高气候预测的准确性，有效地预防严重的气候灾害。

水下滑翔机引起了许多国家军方的极大关注(资料来源:www.navaldrones.com)

由于水下滑翔机噪音低，隐蔽性好，可以大量部署，因此也引起了军方的极大兴趣。水下滑翔机监测的水文数据和海底地形可以用来建立一个完整的海洋物理模型，以帮助陆军水下设备避开危险水域。除了用于侦察，水下滑翔机在改进后还可以携带攻击性武器，对特定目标造成伤害。一些媒体称，未来他们可以同时投放大量水下滑翔机，杀死像狼一样的潜艇。

当然，水下滑翔机也有缺点，比如定位精度低，速度低于1米/秒。此外，有了如此复杂的水下滑翔机，它最大的敌人——渔网和鲨鱼——一点也不复杂。一旦被渔网捕获，水下滑翔机就无能为力了。它还会被鲨鱼猎杀，科学家已经在它身上发现了鲨鱼咬伤的痕迹。

为了以毒攻毒，一架美国水下滑翔机上画有鲨鱼(来源:news.usni.org)

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参考

程。[水下滑翔机研究进展及关键技术。鱼雷技术，2009，17(6):6。

马冬梅，马铮，张华，等.水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化[[J].水动力学研究与进展，2007，22(6):70708。

石新刚，程瑞，苏强。水下滑翔机发展的现状和挑战[。声学技术，2015，34(2):114。

庞，连西湖，。水下滑翔机在海洋中的应用[[]。海洋科学，2014，38(4):9100。