复合材料驱动下的海洋无人艇：创新与应用

摘要：科技发展推动海洋无人艇迅速进步，复合材料在其中的应用日益广泛。本文探讨了复合材料在海洋无人艇中的特性优势，如重量轻、硬度高、防腐耐磨等，及其对无人艇性能的提升作用，包括促进自主航行和提高任务执行效率。通过云洲智能无人艇及国内外案例，展示了复合材料在安防巡逻无人艇、海洋测量无人船等方面的应用。分析了复合材料无人艇在军事及民用领域的意义，如提升海上防御能力、创新战术、在海洋环境监测和应急救援中发挥作用等。最后总结了研究结论并对未来研究方向进行了展望，涵盖材料性能提升、智能化与自主化技术融合以及多领域协同创新与应用拓展。

关键词：复合材料；海洋无人艇；性能提升；军事民用意义

1.1 研究背景

科技不断前行，海洋无人艇近年发展迅猛。作为新型海洋装备，海洋无人艇具有低风险、低排放、低成本，高覆盖、高性能、高效率等特点，在海洋测绘、海上安全、海洋资源探测等领域作用关键。复合材料在海洋无人艇中的应用越发普遍，为其发展提供有力技术支撑。

复合材料具备抗老化、高强度、重量轻等优点，能满足海洋无人艇在复杂海洋环境下的使用需求。例如，天津智汇海洋科技有限公司推出的 S99 无人船，采用凯夫拉 + 碳纤维复合材料，使无人船长时间使用仍性能良好。同时，加装侧翼设计可在单体和三体之间切换，既保证稳定性又提高灵活性。

此外，英国船舶工程设计公司 BMT 发布的新一代五体无人水面艇 “Pentamaran” 项目，也采用碳纤维复合材料，相比传统船体，阻力显著降低。无人水面艇可广泛用于海洋运输、海洋环境调查、海洋资源探测等任务，碳纤维复合材料的优良性能在海洋领域开发拓展中具优势。

国内已有企业布局海洋工程用碳纤维产品。恒神股份的碳纤维、经编织物、树脂等产品已通过 DNV・GL 船级社产品认证，为进军船用市场奠定基础。海洋无人艇的发展与复合材料的应用相互促进，共同推动海洋科技进步。

1.2 研究目的

复合材料在海洋无人艇中的应用价值重大。首先，其高强度特性使无人艇在恶劣海洋环境中保持结构稳定。如海洋测绘智能无人船 S99，采用凯夫拉 + 碳纤维复合材料，方便维护、易于更换，能有效防水草、渔网等障碍物干扰，确保无人船在复杂水域稳定运行。同时，高功率动力系统使 S99 无人船航速可达 5m/s，快速完成测绘任务。

其次，复合材料抗老化和重量轻的优点，为无人艇长时间运行和灵活部署提供可能。像恒神股份的碳纤维产品通过认证，为更多海洋无人艇采用高质量碳纤维复合材料奠定基础，提高无人艇性能和可靠性。

未来，复合材料在海洋无人艇中的应用将更广泛深入。一方面，技术进步将提升复合材料性能，如更高强度、更好抗腐蚀性能等，为无人艇在更复杂海洋环境执行任务提供保障。另一方面，无人艇设计和制造将更注重复合材料的优化使用，通过合理结构设计和材料选择，提高无人艇整体性能和效率。

此外，随着海洋无人艇在海洋资源探测、海上安全等领域需求增加，复合材料的应用也将不断拓展。例如，在无人艇隐身性能方面，可采用特殊复合材料结构和涂层，降低雷达反射截面积，提高隐身性能，更好执行侦察监视任务。同时，在无人艇能源系统方面，利用复合材料轻量化特点，搭载更多能源设备，提高续航能力。

总之，复合材料在海洋无人艇中的应用价值巨大，未来发展前景广阔。

2.1 复合材料特性及优势

复合材料具有重量轻、硬度高、防腐耐磨等特性，在无人艇中发挥重要作用。

2.1.1 重量轻的优势体现

无人艇重量轻意味着吃水浅，能在浅水区航行，拓展作业范围。例如 LT160 型无人船，船体自重≤30kg（含电池），采用新型高强度复合材料，在吃水深度方面表现出色，可在江河、湖泊、水库等不同水域作业。较轻船体减少航行阻力，提高航速和能效。美国制造的水虎鱼无人水面艇，全长 16.5 米，重量仅 3800 千克，是同类无人艇耗油量的四分之一，续航能力提升。在六级海况下仍能保持 45 节最大航速。

2.1.2 硬度高的实际价值

硬度高的复合材料能抵御水流冲击和特殊物体冲刷，提高无人艇耐久性。在复杂海洋环境中，无人艇可能遭遇礁石、沉船残骸等碰撞。若船体硬度不够，易受损，影响任务执行。而采用新型高强度复合材料的无人艇，如 “瞭望者 3” 号，船体采用环氧树脂和碳纤维复合材料，设计航速高，可在恶劣海况下稳定运行，具有良好抗冲击性能。

2.2 复合材料对无人艇性能的提升

复合材料在无人艇应用中，显著提升航行能力和任务执行效率。

2.2.1 对自主航行的促进

以云洲智能无人艇为例，复合材料发挥重要作用。云洲智能无人艇采用新型高强度复合材料，如碳纤维，具有重量轻、硬度高特点。重量轻减少整体重量，降低航行阻力，提高航速，为自主航行提供动力基础。例如，L30 “瞭望者” 警戒巡逻无人艇，船体采用先进复合材料，外观流线型，减少水流阻力，在自主航行中能灵活应对复杂海洋环境。硬度高保证无人艇高速航行和遭遇碰撞时结构稳定，保护关键部件，为自主航行提供硬件保障。同时，复合材料防腐、耐磨特性使无人艇在海洋环境中保持良好性能，减少维护成本和时间，提高可用性和可靠性，促进自主航行实现。

2.2.2 任务执行效率的提升

在不同任务场景下，复合材料对无人艇效率提升显著。在海洋测绘任务中，以 ME120 多功能无人船平台为例，船体采用碳纤维复合材料，具有硬度高、重量轻、防撞、防腐、防磨损等特性。使无人船搭载测绘设备更稳定，保护设备免受水下不明物体碰撞，减少阻力，提高航速。在应急救援任务中，如海豚 3 号水面救生机器人，采用高强度复合材料，便于携带，快速响应救援任务。在海上安全巡逻任务中，云洲智能的安防巡逻无人艇，如 M75，采用复合材料船体，在高速巡逻中保持稳定，防腐、耐磨特性减少维护时间，提高巡逻效率。

3.1 云洲智能无人艇的复合材料应用

3.1.1 安防巡逻无人艇

M75 安防巡逻无人艇作为云洲智能明星产品，在海洋安全领域作用重要。其船体采用先进复合材料，具有重量轻、硬度高、防腐耐磨等优势。重量轻使无人艇航行阻力小，巡逻速度高，投放和回收便捷。硬度高可抵御海浪冲击和碰撞，保护内部关键设备。防腐耐磨特性使无人艇能长时间在海洋环境中执行任务，减少维护成本和频率。M75 无人艇与某公安局联合开展 “无人艇巡逻警戒常态化应用”，充分验证了复合材料的优良性能。

3.1.2 海洋测量无人船

以 M40P 和 L25C 海洋测量无人船为例，复合材料展现显著优势。M40P 多用途水面自主测量无人艇采用先进复合材料，在续航、通信、航行姿态、测量能力等方面突破。重量轻使无人船搭载测量设备更灵活，快速到达测量地点。硬度高保护测量设备免受外部冲击，确保数据准确。L25C 深远海多用途海洋测量无人艇采用复合材料，为设备提供稳定安装平台，保护设备免受腐蚀和磨损。在海洋测绘项目中，工作效率高，能源成本低。

3.2 国内外其他无人艇案例

无人艇在海洋科技中重要，复合材料应用广泛且各具特色。

3.2.1 国外无人艇应用

在 Saildrone 的 Voyager 项目中，复合材料部件关键。Voyager 无人艇采用先进复合材料打造船体，具有重量轻、强度高、耐腐蚀性强等特点。重量轻优势使无人艇航行耗能少，续航能力强。高强度船体抵御恶劣海洋环境，保护内部科学仪器和传感器。耐腐蚀性强使无人艇在海水侵蚀下保持良好性能，减少维护成本和频率。

3.2.2 国内其他案例

哈工大与威海企业合作的无人船中，复合材料广泛应用。例如，威海天帆智能科技有限公司与哈尔滨工业大学（威海）共同研发的国内第一艘海洋牧场养殖观测无人船，由碳纤维复合材料制成。具有重量轻、硬度高、耐腐蚀等优点。重量轻使无人船操作灵活，可在 2 级海况下工作，支持自主巡航。无人船搭载水下机器人，为海洋牧场养殖观测提供技术支持。硬度高保护无人船在复杂环境中稳定运行。耐腐蚀使无人船在海水中长时间工作，减少维护成本。手持智能遥控器操作方便。在海洋牧场应用中，帮助养殖户了解海洋生物生长情况，提高养殖效率和质量。

4.1 军事应用价值

无人艇在军事领域具潜在价值，复合材料应用增添重要砝码。

4.1.1 海上防御能力提升

俄乌冲突中，无人艇展现军事重要性。乌克兰利用自杀式无人艇对俄黑海舰队发动突袭。俄罗斯推进国产无人艇研制，艇体由复合材料制成，减少雷达信号。可用于巡逻侦察，携带特种设备和无人水下潜航器作业，在恶劣环境下运行。复合材料无人艇在海上防御方面作用重要，提升国家海上防御能力。

4.1.2 战术创新潜力

新型战术如 “鲨群战术” 为无人艇在军事领域的应用开辟了更多途径。以乌克兰为例，其有可能借鉴胡塞武装的狼群战术攻击美军舰艇，采用由十几艘无人艇组成的 “鲨群” 无人艇集群，与无人机 “蜂群” 协同作战，给对手造成沉重打击。无人艇多为半潜式，本身就不易被发现，再加上高速运动以及搭载的电子对抗设备，与无人机协同作战，让俄军难以防范。复合材料无人艇由于具有重量轻、硬度高、防腐耐磨等特点，能够更好地适应这种新型战术要求。例如，高强度的复合材料船体能够在高速运动和协同作战中确保结构稳定，保护内部关键设备不受损坏；重量轻的特性使无人艇在集群作战中更加灵活，能够迅速响应战术变化；防腐耐磨的特性则保证无人艇在长时间作战任务中保持良好性能。总之，复合材料无人艇为军事战术创新提供了有力支撑。

4.2 民用应用领域

无人艇在民用领域有着广阔的应用前景，复合材料的特性使其在多个民用场景中发挥重要作用。

4.2.1 海洋环境监测

复合材料无人艇在海洋环境监测中表现卓越。例如，深圳航天智慧城市申请的 “一种基于无人艇的海洋生态环境多参数监测与灾害风险评估方法” 专利，展现了无人艇在海洋灾害致灾因子动态监测、成灾因子时空大数据挖掘、环境感知信息融合与风险评估、综合指标体系构建以及灾害风险评估及区划模型等方面的巨大应用潜力。无人艇可搭载多源传感器，如水质监测仪、气象传感器等，对海洋环境进行实时监测。其采用的复合材料具有重量轻、硬度高的特点，能够在复杂的海洋环境中稳定航行，为监测设备提供可靠的搭载平台。在海洋环境监测无人系统研发项目中，东海勘察中心和上海大学无人艇研究院历经 3 年合作，在自动水样采集、自动水样分配、海水在线自动监测、自主在线监视系统等方面取得技术突破。“海洋环境监测无人系统” 开展的营养盐、多参数水质、气象参数、悬浮物等原位监测、检测，以及数据存储传输，满足海域特别是岛礁及近岸浅水海域数据采集、海洋环境数据更新等实际需求。通过智能分层采样，样品在 0 - 4 摄氏度环境下冷藏保存可达 17 小时以上，在一定程度上解决了监测成本高、费时费力以及危险环境下应急监测等问题。

4.2.2 应急救援作用

复合材料无人艇在应急救援中也具有重要的民用价值。以水面救生机器人为例，如海豚 3 号水面救生机器人，采用高强度复合材料，重量轻、便于携带，能够快速响应救援任务。在复杂的水域环境中，硬度高的复合材料能够抵御水流冲击和碰撞，确保救生机器人在执行任务过程中的稳定性和可靠性。无人船在应急救援领域还可以作为水上救援平台，搭载救援设备和物资，迅速到达事故现场。例如，M75 “守护者” 安防救援无人艇具有吃水浅、机动迅捷、控制灵活、巡逻范围大、图像传输快，收放便利、工作协同性强等特点，可对落水人员进行搜寻、锁定和跟踪，可抛投应急救生装备，具备强大的应急救援能力。同时，无人艇搭载光电吊舱，可实时回传高清水面视频，一键锁定可疑目标，支持 15km 远距离点对点通讯，即使被海浪翻转也可以自行扶正，能适应高海况作业。此外，无人艇还可以与其他救援设备协同作战，提高救援效率。例如，广州星航船舶科技有限公司研发的 “悟能” 多功能无人艇，采用高强度碳纤维等复合材料精心制造，具有便携性和易用性等特点。搭载自主避障模块，能够实现远距离自主避开障碍物。无人艇内置高效船控，可监测船体航行速度、经纬度位置以及六自由度航行姿态，具有定速航行、原地转向、规划航迹、自主航行、自主返航等功能。搭载丰富的功能模块：水底探测、水上喊话、双光视频实时监测、水上救援等，可拓展更多应用。在应急救援中，无人艇能够快速响应、高效救援，为保障人民生命财产安全发挥重要作用。

5.1 研究结论综述

复合材料在海洋无人艇中的应用取得了显著成效，具有重大意义。

在海洋无人艇的发展过程中，复合材料凭借其重量轻、硬度高、防腐耐磨等特性，为无人艇带来了诸多优势。重量轻的特性使无人艇吃水浅、航行阻力小，大大拓展了作业范围，同时提高了无人艇的航速和能效，降低了能耗。硬度高的复合材料有效抵御了水流冲击和特殊物体冲刷，提高了无人艇的耐久性和稳定性，确保其在复杂海洋环境中能够正常执行任务。防腐耐磨的特性使无人艇能够在海洋环境中长时间保持良好性能，减少了维护成本和维护频率。

复合材料在海洋无人艇中的应用不仅提升了无人艇的性能，还拓展了其应用领域。在军事领域，复合材料无人艇在海上防御和战术创新方面发挥了重要作用，提升了国家的海上防御能力，为军事战术创新提供了有力支持。在民用领域，复合材料无人艇在海洋环境监测和应急救援中表现出色，为保障人民生命财产安全和推动海洋事业的发展做出了贡献。

总之，复合材料在海洋无人艇中的应用成果显著，意义重大。它为海洋无人艇的发展提供了强大的技术支撑，推动了海洋科技的进步。未来，随着复合材料技术的不断进步和无人艇应用需求的不断增加，复合材料在海洋无人艇中的应用前景将更加广阔。

5.2 未来研究方向展望

随着科技的不断进步，复合材料无人艇在未来有着广阔的发展前景。以下是对其未来发展趋势和研究重点的展望。

（一）、材料性能的持续提升

高强度与轻量化的进一步优化：未来的研究将致力于开发更高强度且更轻量的复合材料。例如，通过改进碳纤维等材料的制造工艺，提高其强度重量比，使无人艇在保证结构稳定性的同时，进一步降低重量，提高航行速度和能效。据相关研究预测，在未来几年内，新型复合材料有望使无人艇的重量降低 20% 以上，而强度提高 30%。

增强抗腐蚀和耐磨性能：海洋环境中的盐分、湿度以及各种水流冲击对无人艇的腐蚀和磨损是不可忽视的问题。研究人员将不断探索新的复合材料配方和表面处理技术，以增强无人艇的抗腐蚀和耐磨性能。例如，采用特殊的涂层技术或添加耐腐蚀的纳米粒子，可显著提高无人艇在海洋环境中的使用寿命。预计未来五年内，复合材料无人艇的抗腐蚀性能将提升 50%，大大减少维护成本和维护频率。

（二）、智能化与自主化技术的融合

先进传感器与复合材料的集成：将先进的传感器技术与复合材料无人艇相结合，实现对海洋环境的实时监测和无人艇自身状态的精准感知。例如，在复合材料船体中嵌入压力传感器、温度传感器等，实时监测海洋环境参数和无人艇的结构健康状况。这将为无人艇的自主决策和智能控制提供更准确的数据支持。

自主导航与避障系统的优化：进一步提升无人艇的自主导航和避障能力，使其能够在复杂的海洋环境中更加安全、高效地执行任务。通过优化算法和采用更先进的传感器，无人艇可以实现更精准的路径规划和障碍物识别，提高自主航行的可靠性。未来，复合材料无人艇有望实现完全自主的远程任务执行，无需人工干预。

（三）、多领域协同创新与应用拓展

与海洋能源领域的结合：探索复合材料无人艇在海洋能源开发中的应用，如海上风电维护、海洋油气平台监测等。无人艇可以搭载各种检测设备，对海洋能源设施进行定期巡检，及时发现潜在问题，提高能源生产的安全性和效率。例如，利用无人艇对海上风电场进行巡检，可大大降低人力成本和作业风险。

与海洋生态保护的协同发展：复合材料无人艇可以在海洋生态保护中发挥重要作用。例如，用于海洋生物监测、海洋污染监测和清理等任务。通过搭载生物传感器和环境监测设备，无人艇可以实时监测海洋生态环境的变化，为海洋生态保护提供科学依据。同时，无人艇还可以参与海洋污染清理工作，如清理海洋垃圾、处理油污等。

国际合作与标准化推进：加强国际间的合作与交流，共同推动复合材料无人艇技术的发展和标准化进程。各国可以分享经验和技术，共同制定无人艇的设计、制造和运行标准，提高无人艇的安全性和可靠性。这将有助于促进复合材料无人艇在全球范围内的广泛应用，推动海洋科技的进步。

总之，复合材料无人艇在未来有着巨大的发展潜力。通过不断的技术创新和多领域协同合作，复合材料无人艇将在海洋领域发挥更加重要的作用，为人类探索和利用海洋资源、保护海洋环境做出更大的贡献。

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