CN103625622A

CN103625622A - 一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体

Info

Publication number: CN103625622A
Application number: CN201310556632.1A
Authority: CN
Inventors: 吴家鸣; 陈健; 陈知霖; 黄志科
Original assignee: GUANGZHOU PANYU LINGSHAN SHIPYARD CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: CN103625622B

Abstract

本发明公开一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体。包括鱼雷状浮体、翼型斜撑、固定水平翼、固定垂直翼、固定水平尾翼、固定垂直尾翼、转艏控制器以及主腔体；主腔体为呈立式长流线型外形的壳体结构；两鱼雷状浮体布置在主腔体垂直对称面上方两侧，固定水平翼为对称翼型，水平方向连接两鱼雷状浮体；固定水平翼中部与主腔体之间在垂直方向设置一固定垂直翼，翼型斜撑布置于鱼雷状浮体与主腔体之间，其一端与鱼雷状浮体连接，另一端与主腔体上部连接；固定水平尾翼和固定垂直尾翼设置在主腔体后部；本拖曳体外形简洁，航向稳定性好，自主稳定能力强，姿态控制方便，操纵效率高，可多自由度操纵，控制机构简单，实用性强。

Description

一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体

技术领域

本发明涉及一种水下拖曳体，特别是涉及一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体，是一种用于水下海水物理化学参数检测装置的拖曳运动载体。

背景技术

可操纵水下拖曳体是一种应用于水下动态环境监测、水下物理化学参数信息收集的动态探测装置，系统通常由拖曳电缆、包括主腔体在内的水下拖曳体以及姿态控制机构组成，主腔体是可操纵水下拖曳体的主要组成部分。主腔体体内可根据不同的探测要求搭载不同类型的化学或物理参数监测传感器。工作船上的操作人员可以通过拖曳电缆对拖曳体的姿态控制机构发出特定的控制指令来实施对拖曳体的轨迹与姿态操纵。水下拖曳体内的探测传感器工作性质要求拖曳体在其拖曳过程中具有一定的航向稳定性，并且具备灵活的姿态操纵能力。如何按照拖曳体的水下监测要求实现对其进行稳定、简便、多自由度的操纵，是可操纵水下拖曳体能否成功地运用于实际水下监测作业的关键之一。

现有的可操纵水下拖曳体中，对于拖曳体的深度和轨迹控制主要是通过改变拖曳电缆缆长或调节拖曳体迫沉水翼的攻角来实现。从外部形式看，不同研究机构或企业所开发的各种类型的拖曳体基本上是仿照航空飞行器的形式，以固定或可调攻角的迫沉水翼加上装载了水下探测仪器的单个柱形主体或扁平状水平翼型主体组成。这类单一柱形主体或扁平状水平翼型主体形式拖曳体的主要缺陷是：拖曳体的摇荡阻尼较小，自主稳定性不足，航向稳定性差，控制手段单一。由此而造成了拖曳体在其拖曳作业过程中难以维持其航向稳定和姿态稳定，不容易实现多自由度、大范围、垂直于拖曳方向运动时的横向水平水下观测。为实现拖曳体能稳定、大范围、多自由度水下作业，现有的水下拖曳体大多参照航空飞行器的控制原理，采用机构庞大的复杂控制机构来满足其水下探测的要求。另一方面，市场上一些商业化轻便的拖曳体则由于控制动作单一、不易保证其姿态稳定、控制自由度少而难以在实际拖曳观测作业中得到满意的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有航向稳定功能、以简单的控制机构和简单的结构形式来实现对拖曳体多自由度操纵的水下拖曳体。

本发明通过下述技术方案实现：

一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体包括鱼雷状浮体、翼型斜撑、固定水平翼、固定垂直翼、固定水平尾翼、固定垂直尾翼、转艏控制器以及主腔体；所述主腔体为呈立式长流线型外形的壳体结构，其上表面前端设置有拖曳部件、吊环和缆线孔；

两鱼雷状浮体布置在主腔体垂直对称面上方两侧，固定水平翼为对称翼型，水平方向连接两鱼雷状浮体；固定水平翼中部与主腔体之间在垂直方向设置一固定垂直翼，固定垂直翼采用对称翼型；翼型斜撑布置于鱼雷状浮体与主腔体之间，采用对称翼型，其一端与鱼雷状浮体连接，另一端与主腔体上部连接；固定水平尾翼和固定垂直尾翼设置在主腔体后部，均采用对称翼型；转艏控制器包括水密电机和螺旋桨；水密电机与螺旋桨轴向连接；转艏控制器分别设置在两个鱼雷状浮体尾部；

固定水平翼的后缘设置有襟翼，襟翼固定轴位于襟翼前缘，固定轴的轴线穿过襟翼的最大厚度处；固定水平翼尾部开有圆柱形凹槽，固定轴嵌入凹槽内，襟翼为对称翼型；

襟翼的控制机构包括水密直线电机、推进杆、连杆、油封管和密封圈；推进杆被油封管包裹，油封管设置在固定垂直翼内，推进杆竖向贯穿整个固定垂直翼，油封管中间和两端设有密封圈，推进杆一端与水密直线电机的轴连接，另一端与连杆铰接；连杆还通过短轴与铰接支座连接，铰接支座置在襟翼末端下表面，水密直线电机放置在主腔体内。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述缆线孔上设置有3～8个拖孔，主腔体内部设有仪器舱以及多个隔舱，主腔体下方设置有进出口导管。所述主腔体高度为400～450mm，宽度为180～200mm，长度为1200～1500mm。所述两鱼雷状浮体之间的距离为600mm～700mm，鱼雷状浮体与主腔体上表面的垂直距离为250～300mm，两鱼雷状浮体直径为150～180mm，长度为500～600mm。所述固定水平翼两端分别优选设置边板，边板与鱼雷状浮体的内侧直壁直接连接；边板的长度比固定水平翼的弦长大50～60mm，高度比固定水平翼的最大厚度大40～60mm，边板的厚度为3～4mm。所述固定垂直翼弦长为200～250mm，最大厚度为35～40mm。所述翼型斜撑的弦长为200～250mm，最大厚度为35～50mm。所述固定水平尾翼翼展为150～180mm，固定垂直尾翼高度为180～200mm。所述襟翼的展长为400～450mm，弦长为70～100mm。所述固定水平翼的展长为600～650mm，弦长为200～250mm，最大厚度为20～35mm。

本发明主腔体为立式长流线型外形，采用该外形的作用一方面可以便于仪器设备竖直放置或者水平放置；另一方面起到了一种方向稳定舵的作用，以维持拖曳体在作业过程中的姿态与航向稳定。本发明浮体采用鱼雷状外形，以减小拖曳体在拖曳过程中受到的水阻力；双体结构使得拖曳体的横稳心半径增大，横摇阻尼增大，从而横向稳定性提高；较之传统的单一柱形主体，其自主稳定能力大大提高。

本发明固定水平翼采用对称翼型结构，固定连接两鱼雷状浮体，主要提供拖曳体纵倾调节力矩和迫沉力，结构上则起到加强结构稳定性的作用。固定垂直翼连接主腔体及固定水平翼，采用对称翼型结构，并加强结构稳定性。固定垂直尾翼与所述固定水平尾翼均采用对称翼型结构，固定水平尾翼两侧还设有边板，对于调节拖曳体的姿态和保持其拖曳方向稳定性具有重要作用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

（1）方向稳定性强。拖曳体主体采用立式长流线型外形设计，这样的设计使拖曳体主体本身具备了方向稳定舵的功能，它可以使拖曳体在其拖曳过程中比较容易维持其方向稳定性，采用这一结构形式达到了提高了拖曳体内传感器在主拖曳方向上的探测质量的目的。

（2）自主稳定性好。本发明所述可操纵水下拖曳体的两鱼雷状浮体布置在流线型拖曳体主体上方，两鱼雷状浮体为拖曳体提供主要浮力，使得整个水下拖曳体的浮心位置较高；鱼雷状浮体与主腔体之间的翼型斜撑在拖曳体产生横摇时也能提供一定的回复力矩，增大拖曳体的横摇阻尼；主腔体布置在下方，采用立式长流线型外形主体设计，其横向尺寸较小，垂向尺寸较大，内部可竖直放置仪器设备，也可将电源、监测仪器装置等重量较大的设备水平放置于底部，这样的布置设计有利于降低整个拖曳体的重心高度，使拖曳体初稳性高增大，以产生较大的回复力矩。因此，采用此种结构布置形式，能使所述水下拖曳体具有较大的横、纵摇阻尼，使得拖曳体在作业过程中具有良好的自主稳定能力。

（3）控制方式简单。本发明所述控制机构包括三个驱动器，分别为两个控制拖曳体转艏与横荡运动的转艏控制器以及控制襟翼偏转的襟翼控制机构，便可实现所述水下拖曳体的深沉与转艏及横荡等水平方向的运动。

（4）操纵效率高。本发明所述拖曳体主体采用立式长流线型外形设计，所述转艏控制器只需提供一个水平转向的诱导力矩，作用于所述拖曳体主体上，使所述拖曳体产生一个艏向变化角，立式长流线型主体便能产生横向升力，促使拖曳体水平转向，从而实现所述水下拖曳体水平方向的运动；固定水平翼与翼型斜撑均采用翼型结构，所述襟翼转动一定角度，使固定水平翼产生升力的变化，为拖曳体纵倾提供诱导力矩，使拖曳体产生纵倾角，一旦产生纵倾角，依靠固定水平翼与翼型斜撑提供的较大的升力，可迫使拖曳体迅速产生下沉或上浮运动，从而实现拖曳体的深沉运动。这一通过控制襟翼转角来诱导固定水平翼水动力攻角改变的控制方式的主要优势在于可以用比较小的驱动电机动力来实施对拖曳体的拖曳深度操纵，这种深度控制方式降低了拖曳体深度控制机构的设计难度，也为减小拖曳体内驱动电机的重量和体积，进而为其腾出更多的空间来搭载更多的探测传感器创造了条件。

（5）仪器设备布置灵活。本发明所述主腔体内部放置科学仪器设备，所述主腔体为流线型外形主体，垂向尺寸与纵向尺寸都较大，主腔体内部空间充足，可放置更多的科学仪器，应用范围较广。同时，根据不同需要科学仪器设备可竖直放置，也可水平放置，设备放置灵活。

附图说明

图1是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的外形结构侧视示意图；

图2是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的外形结构俯视示意图；

图3是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的外形结构前视示意图；

图4是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的襟翼控制机构侧视示意图；

图5是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的襟翼控制机构局部位置俯视示意图；

图6是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的襟翼控制机构推进杆水密示意图；

图7是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的襟翼形式示意图；

图8是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的襟翼固定轴位置示意图；

图9是本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的襟翼固定轴凹槽剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2、3所示，一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体包括鱼雷状浮体1、翼型斜撑2、固定水平翼3、固定垂直翼4、固定水平尾翼5、固定垂直尾翼6、转艏控制器7以及主腔体8；主腔体8为呈立式长流线型外形的壳体结构，其上表面前端设置有拖曳部件12、吊环13和缆线孔14，缆线孔14上设置有3～8个拖孔，主腔体8内部设有水密直线电机17作为襟翼10的控制机构的驱动装置，并设置有仪器舱15以及多个隔舱，主腔体8下方设置有进出口导管16，主腔体高度优选为400～450mm，宽度优选为180～200mm，长度优选为1200～1500mm。

两鱼雷状浮体1布置在主腔体8垂直对称面上方两侧，两鱼雷状浮体1之间的距离优选为600mm～700mm，鱼雷状浮体1与主腔体8上表面的垂直距离优选为250～300mm，其最大直径优选为150～180mm，长度优选为500～600mm；固定水平翼3为对称翼型，水平方向连接两鱼雷状浮体1，固定水平翼3两端分别优选设置边板9，边板9与鱼雷状浮体1的内侧直壁直接连接；边板9的长度比固定水平翼3的弦长大50～60mm，高度比固定水平翼3的最大厚度大40～60mm，边板9的厚度优选为3～4mm；固定水平翼3与主腔体8之间在垂直方向设置一固定垂直翼4，采用对称翼型，弦长优选为200～250mm，最大厚度优选为35～40mm；翼型斜撑2布置于鱼雷状浮体1与主腔体8之间，采用对称翼型，其一端与鱼雷状浮体1连接，另一端与主腔体8上部连接，翼型斜撑2的弦长为200～250mm，最大厚度为35～50mm。固定水平尾翼5和固定垂直尾翼6设置在主腔体8后部，均采用对称翼型，固定水平尾翼5翼展优选为150～180mm，固定垂直尾翼6高度优选为180～200mm；转艏控制器7包括水密电机和螺旋桨，水密电机与螺旋桨轴向连接；转艏控制器分别设置在两个鱼雷状浮体1尾部；两转艏控制器通过发出转艏力矩，诱导立式长流线型外形的主腔体8转艏，从而实现对拖曳体横荡和转艏运动的控制；转艏控制器7优选型号为Model260（Tecnadyne公司）。

图7、8、9显示了襟翼10的结构形式、固定轴11及固定轴凹槽20的位置。如图7‐9所示，固定水平翼3的后缘设置有襟翼10，可绕固定轴11偏转，固定水平翼3的展长为600～650mm，弦长为200～250mm，最大厚度为20～30mm。襟翼固定轴11位于襟翼10前缘，固定轴11的轴线穿过襟翼10的最大厚度处；固定水平翼3尾部开有圆柱形凹槽20，固定轴11嵌入凹槽20内，两者之间的间隙很小，以保证固定轴11能灵活转动且水平晃动较小；襟翼10为对称翼型，襟翼10的展长优选为400～450mm，弦长优选为70～100mm。

如图4‐6所示，襟翼10的控制机构包括水密直线电机17、推进杆18、连杆19、油封管22和密封圈23。推进杆18被油封管22包裹，油封管22设置在固定垂直翼4内，推进杆18竖向贯穿整个固定垂直翼4，油封管22中间和两端设有密封圈23，推进杆18一端与水密直线电机17的轴连接，另一端与连杆19铰接；连杆19还通过短轴与铰接支座21连接，铰接支座21设置在襟翼10末端下表面，水密直线电机17放置在主腔体8内，驱动推进杆18向上或向下运动，通过连杆19带动襟翼10绕固定轴11偏转一定的角度，以此诱导固定水平翼攻角的变化，从而实现对拖曳体的深度控制。

本发明立式航向稳定可操纵水下拖曳体的工作时：

先根据不同的探测任务，在流线型主腔体8内布置相应类型的海洋探测传感器等设备，由于不同类型仪器设备的重量不同，应根据拖曳体具体的重量分布来调节拖曳体的重心位置，考虑到拖缆的作用点和方向，一般倾向于拖曳体重心处于稍靠前的位置。总之，要综合考虑，以使拖曳体重心与浮心处于适当的位置。主腔体8内设置有其他隔舱，用来放置控制电路板、电源和配重，或直接作为浮力舱提供浮力。

然后，调整好拖曳体重量重心位置和浮心位置之后，在拖曳部件12上选择某拖孔，将拖缆系于该拖孔处，进行试拖。根据试拖情况，调整或更换拖孔继续进行拖航，根据试验情况，可随时调整拖曳体的重心位置，以使拖曳体保持良好稳定的拖航姿态。记录下不同条件下拖曳体的配重情况，为以后的实验提供参考。

接着在拖曳过程中，通过控制襟翼10的偏转来改变固定水平翼3的弯度，或者产生向下的迫沉力以抵抗拖缆的阻尼力使拖曳体下沉，或者产生向上的升力使拖曳体上升，以此实现对拖曳体拖行深度的控制。拖曳体所有组成部分均采用流线型外形，从而减小了水阻力，也就降低了拖缆所承受的拉力；固定水平翼3与固定垂直翼4使整个拖曳体的结构强度得到有力的保证，同时翼型外形降低了水流的扰动，避免产生漩涡，使水流平稳流过拖曳体，对于保持拖曳体姿态稳定是有利的；固定水平翼3的两端分别设置有边板9，增加固定水平翼3的有效展弦比，提高水翼的升力效果。通过设置固定水平尾翼5与固定垂直尾翼6，在直线拖曳作业中作为拖曳体的姿态稳定机构和方向稳定机构；通过控制两个转艏控制器7中螺旋桨的正反转，对拖曳体产生水平面上的诱导力矩，在流线型主腔体8的作用下，使拖曳体产生横向偏转。在保持姿态稳定的前提下，以较少的控制动作，实现对拖曳体进行大范围、多自由度的操纵。

传统的深度水下拖曳体一般通过驱动迫沉水翼转轴的偏转、进而带动其攻角的改变来实现对拖曳体的深度控制，这一控制方式需要安装在拖曳体内的转轴驱动电机具有比较的驱动转矩才能带动迫沉水翼攻角的改变。本发明引入了由直线电机通过推进杆和连杆进行力的传递的方式来调节襟翼攻角的改变、进而诱导固定水平翼攻角的变化从而实现对拖曳体的深度控制的目的。本发明所采用的水下拖曳体深度控制方式可以用比较小的驱动电机动力来实施对拖曳体的拖曳深度操纵，这种深度控制方式降低了拖曳体深度控制机构的设计难度，也为减小拖曳体内驱动电机的重量和体积，进而为其腾出更多的空间来搭载更多的探测传感器创造了条件。

本发明水下拖曳体是一种用于利用水面上拖曳工作船为其提供拖曳动力使其在拖曳方向上实施水下观测的一种水下拖曳探测装置，该装置所搭载的探测仪器要求拖曳体在其拖曳作业过程中具有比较好的方向稳定性的前提下，同时具备比较强的拖曳姿态操纵控制能力，从而保证拖曳体内的探测仪器获得比较好的观测效果。本发明采用呈立式长流线型外形的水下拖曳体主腔体壳体结构，该立式长流线型外形其力学效果起到了一种方向稳定舵的作用，结合设置在主腔体尾部的固定水平尾翼和固定垂直尾翼的辅助作用，由此使得它在主拖曳方向上具有比较强的方向稳定性。这一结构形式达到了提高了拖曳体内探测传感器在主拖曳方向上的观测质量的目的。本发明所提出的水下拖曳体新型结构形式解决了传统的水下拖曳体由于大多仿照航空飞行器的外形由单个柱形主体或扁平状水平翼型主体结合固定或可调攻角的迫沉水翼组成而造成的航向稳定性不佳的问题。这一新型水下拖曳体的提出，为开发出一种需要在主拖曳方向上具有较强航向稳定性的水下拖曳体提供了一种解决手段。

本发明通过采用两个设置在立式长流线型水下拖曳体主体上方的鱼雷状浮体所提供的浮力与拖曳体主体重力所构成的回复力矩为拖曳体在其作业过程中发生倾侧时可以快速地让拖曳体回复到正浮姿态。结合鱼雷状浮体具有线运动与角运动阻尼小的特点，本发明所采用的鱼雷状浮体与立式长流线型外形的水下拖曳体主腔体壳体结构相配合的设计，既保证了拖曳体具有良好的方向与正浮稳定性，又保证了在通过调节襟翼攻角和转艏控制器操纵动作实施对拖曳体深度、横荡与转艏操纵的灵活性与操纵的精确性。通过鱼雷状浮体与立式长流线型主腔体二者的有机组合克服了现有的水下拖曳体难以同时具备方向稳定性好和操纵精确灵活二者优势的缺陷。

本发明通过采用两个设置在鱼雷状浮体尾部的导管螺旋桨作为拖曳体的转艏控制器，该转艏控制器通过发出转艏力矩，诱导立式长流线型外形的主腔体壳体结构转艏，从而实现对拖曳体横荡和转艏运动的控制。这样一种转艏控制器+立式长流线型主腔体壳体结构+固定垂直尾翼的控制方式可以十分灵活地实施对拖曳体的转艏与横荡操纵。

如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims

1.一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：包括鱼雷状浮体、翼型斜撑、固定水平翼、固定垂直翼、固定水平尾翼、固定垂直尾翼、转艏控制器以及主腔体；所述主腔体为呈立式长流线型外形的壳体结构，其上表面前端设置有拖曳部件、吊环和缆线孔；

2.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述缆线孔上设置有3～8个拖孔，主腔体内部设有仪器舱以及多个隔舱，主腔体下方设置有进出口导管。

3.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述主腔体高度为400～450mm，宽度为180～200mm，长度为1200～1500mm。

4.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述两鱼雷状浮体之间的距离为600mm～700mm，鱼雷状浮体与主腔体上表面的垂直距离为250～300mm，两鱼雷状浮体直径为150～180mm，长度为500～600mm。

5.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述固定水平翼两端分别优选设置边板，边板与鱼雷状浮体的内侧直壁直接连接；边板的长度比固定水平翼的弦长大50～60mm，高度比固定水平翼的最大厚度大40～60mm，边板的厚度为3～4mm。

6.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述固定垂直翼弦长为200～250mm，最大厚度为35～40mm。

7.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述翼型斜撑的弦长为200～250mm，最大厚度为35～50mm。

8.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述固定水平尾翼翼展为150～180mm，固定垂直尾翼高度为180～200mm。

9.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述襟翼的展长为400～450mm，弦长为70～100mm。

10.根据权利要求1所述立式航向稳定可操纵水下拖曳体，其特征在于：所述固定水平翼的展长为600～650mm，弦长为200～250mm，最大厚度为20～35mm。