CN108454808A - 一种多参数可调的无动力水下潜航器模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多参数可调的无动力水下潜航器模型，适用于各类回转体外形的大深度潜航器在采用无动力螺旋回转下潜方案时对设计姿态参数、流体外形、功率因素、航行轨迹、航行半径等参数的验证。包括：艏部、舯段、艉部、艉翼板、舵板、压载组件和姿态传感器组件；其中艏部、舯段、艉部通过刚性连接方式连接形成良好的流体外形；舵板通过舵板角度调节，模拟不同角度水压的侧向推力，验证不同外形、不同面积、不同角度侧推力对无动力螺旋下潜潜航器的运动轨迹参数；槽道和艉部槽道用于模拟垂直推进，横向推进装置在无动力螺旋回转下潜中，对潜航器运动参数的影响；艉翼板用于调节无动力下潜过程中航向姿态等参数；推进用于模拟电机及测试其功角参数。

Description

一种多参数可调的无动力水下潜航器模型

技术领域

本发明涉及一种水下潜航器模型，具体涉及一种多参数可调的无动力水下潜航器模型，属于水下机器人航行技术领域。

背景技术

随着人类对海洋资源开发、大深度海洋搜救、海底地形地貌勘探等方面的需求，对于潜航器能够到达的海洋水深要求越来越高、航行时间要求越来越长、航行搜寻范围越来越大。无动力水下潜航器采用无动力螺旋回转下潜模式，能够较好的解决大深度海水中，无缆水下潜航器对蓄电池续航能力补充；水下潜航器无动力螺旋回转下潜模式能够较好的优化下潜过程中潜航器的各类姿态角度和效率参数(包括：横滚角、俯仰角、功角等)。良好的水下潜航器流线型及相关的机械结构也能够对潜航器推进的功率进行优化。无动力下潜实现了大深度、长航程及大搜索范围功能。大水深航行及相应的潜航器的研究目前在国内外均为热点和难点，抢占海洋深度的至高点以及形成相应的潜航器功能显的尤为重要。目前，国内关于大水深潜航器的研究中，也面临着诸多的难题。无动力下潜作为潜航器大深度下潜的一种可行方法，厄待解决。

目前，国内无动力下潜技术在试验前主要通过数学公式计算，软件仿真输入特定参数来对下潜轨迹、下潜半径、下潜姿态角、横辊角等参数进行模拟以及指导潜航器总体设计。甚至于用高成本对技术方案进行验证。同时会出现技术方案的反复，浪费大量的人力物力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多参数可调的无动力水下潜航器模型，该模型适用于各类回转体外形的大深度潜航器在采用无动力螺旋回转下潜方案时对设计姿态参数，流体外形，功率因素，航行轨迹、航行半径等参数的实际验证。

所述的多参数可调的无动力水下潜航器模型包括：艏部、舯段、艉部、艉翼板、舵板、压载组件和姿态传感器组件；

所述艏部和艉部分别密封对接在所述舯段的两端，使所述舯段内部形成密封腔体；在所述艏部外表面固接用于提供潜航器下潜侧推力的舵板，所述舵板为角度可调舵板，通过调节舵板角度，模拟不同角度下水压的侧推力；

所述压载组件包括：下潜压载和平衡压载；所述平衡压载包括安装在所述艏部的艏部平衡压载、安装在所述舯段的舯段平衡压载以及安装在艉部的艉部平衡压载；所述平衡压载用于使所述潜航器模型在水下保持平衡；

所述下潜压载安装在所述艏部内部，用于给潜航器模型提供下潜负浮力，通过改变下潜压载的体积和重量能够调节潜航器模型的下潜浮力和下潜角度；

设置在所述舯段上的舯段槽道和设置在所述艉部上的艉部槽道，分别用于装载横向推进装置、垂直推进装置，以模拟横向推进装置、垂直推进装置在潜航器模型无动力下潜过程中，对潜航器模型运动参数的影响；

在所述艉部设置有用于调节潜航器模型无动力下潜过程中航向姿态的艉翼板；

在所述艉部设置有用于模拟潜航器推进设备的推进器；

所述姿态传感器组件固定安装在所述舯段的密封腔体内，包括用于测量潜航器模型无动力下潜过程姿态参数的姿态传感器以及用于存储所述姿态传感器所检测的姿态参数的数据存储单元。

所述舯段平衡压载能够分别沿舯段的轴向和径向移动进行位置调整。

有益效果：

该潜航器模型结构简单，适用于各类回转体外形的大深度潜航器在采用无动力螺旋回转下潜方案时对设计姿态参数、流体外形、功率因素、航行轨迹、航行半径等参数的实际验证。且各类不同参数可以通过一系列简单调节真实反应潜器总体设计方案，成本低廉。

附图说明

图1和图2为本发明的水下潜航器模型的结构示意图；

图3-图5为依据姿态传感器所测量的姿态参数分析出的模型在下潜的真实轨迹。

其中：1-艏部、2-舵板、3-艏部平衡压载、4-下潜压载、5-舯段槽道、6-压载挡板、7-舯段平衡压载、8-压载调节杆、9-姿态传感器组件、10-端盖、11-艉部槽道、12-艉翼板、13-推进器、14-艉部、15-艉部平衡压载、17-舯段。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种多参数可调的无动力水下潜航器模型，采用该模型能够在湖泊或近海有效验证潜器无动力下潜的各类参数，并反馈结果，指导并优化总体设计方案。

该水下潜航器模型如图1和图2所示，包括：艏部1、舯段17、艉部14、艉翼板12、舵板2、压载组件和姿态传感器组件。压载组件包括下潜压载4以及由艏部平衡压载3、舯段平衡压载7和艉部平衡压载15组成的平衡压载。

艏部1和流线型艉部14固连在舯段17两端，经过流体动力学参数计算和总体配置形成良好的流体外形。在舯段17与艏部1和艉部14的连接处分别设置有端盖10和O型密封圈，使舯段17内部形成无动力下潜密封舱，用于装载有水密要求的设备，并作为潜航器水下运动的浮力装置。其中艏部1作为艏部平衡压载3、下潜压载4以及舵板2安装的载体，并作为回转体潜器流体外形重要组成部分；舯段17作为舯段平衡压载7以及姿态传感器组件的搭载载体，并提供潜航器水下航行浮力，具备耐水压的特征；艉部14作为安装推进器13、艉翼板12以及艉部平衡压载15的载体，并作为回转体潜航器流体外形重要组成部分。

舵板2紧固艏部1外部，用于提供潜航器下潜的侧推力，同时影响潜航器航行轨迹半径、姿态角、功角等参数。舵板2为可调角度舵板，能够在舵板旋转机构的带动下绕其与艏部1的连接轴转动，从而在360°范围内进行角度调节，调节后紧固在设定角度，以获得不同侧推力。由此能够通过调节舵板2的角度，模拟不同角度下水压的侧向推力，验证不同外形、不同面积、不同角度舵板2对无动力螺旋潜航器的运动轨迹参数(包括运动下潜时间、速度、回转半径、螺旋运动规律等)的影响。

下潜压载4紧固在艏部1内部，下潜压载4用于给潜航器提供不同的下潜负浮力，下潜压载所提供的负浮力主要决定潜航器的下潜角度、回转半径、下潜速度等参数。通过不同体积和重量的下潜压载4能够调节潜航器下潜浮力大小和下潜角度大小(俯仰)。

安装在艏部1的艏部平衡压载3、安装在舯段17的舯段平衡压载7以及安装在艉部14的艉部平衡压载15依据所搭载设备及总体配置选用的重心及重量来平衡整个模型在水下的平衡。其中，舯段平衡压载7能够分别沿舯段17的轴向和径向移动进行位置调整，从而模拟各种通用总体配置关于质、浮心的要求；同时调整舯段平衡压载7的重量及位置能保证潜航器的横滚角度稳定。本实施例中舯段平衡压载7分别与沿舯段17的轴向和径向设置的压载调节杆8连接，压载调节杆8为可伸缩杆，由此通过可伸缩式压载调节杆8带动舯段平衡压载7实现前后、上下四个维度调整；通过压载挡板6对舯段平衡压载7的行程进行限位。

在舯段17的外圆周设置有舯段槽道5，艉部14的上设置有艉部槽道11，分别用于装载垂直推进装置、横向推进装置，以模拟垂直推进、横向推进装置在潜航器无动力螺旋回转下潜中，对潜航器运动参数(功角、姿态参数等)的影响。

设置在艉部14的艉翼板12影响潜航器无动力下潜过程中航向姿态(包括航行轨迹、姿态角及功角补偿)等参数；设置在艉部14的推进器13反映各类艉部推进设备的流体、功角等参数，可模拟推进设备及测试其功角参数。

舯段17与艉部14连接处的端盖10同时作为姿态传感器组件的固定支架，使姿态传感器组件固定在舯段17内部。姿态传感器组件包括：姿态传感器、参数化数字电路、数据处理单元、数据存储卡和直流电源；其中姿态传感器用于测量潜航器无动力螺旋回转过程中的姿态参数(包括横滚角和俯仰角)，运用软件通过加入各个参数变量(下潜速度、下潜时间)，能够直接分析出实际模型在水下进行无动力下潜的真实轨迹(如图3、图4、图5所示)，以及各个真实参数之间的真实影响，在对比仿真及计算结果就能不断修正总体设计方案，使得设计优化，提升效率。

参数化数字电路和数据处理单元处理姿态传感器测试数据，数据存储卡用于存储经参数化数字电路和数据处理单元处理后的数据，直流电源用于为无动力下潜过程中模型上搭载各设备的用电。

该潜航器模型适用于大深度(200米～6000米水深)无动力螺旋回转下潜潜航器水下运动状态模拟，包括：流体外形计算、总体配置、舵板角度调节(-15°～15°)，功角参数调节(30°～45°)、横滚角调节(-8°～8°)、下潜角度调节(5°～30°)；质、浮心调节范围为(0.5～2.17mm)，其密封水深为(0～300m)，耐压能力(0～3.6Mpa)。

采用该模型能够验证潜器运动轨迹，流线外形，各类姿态角度和效率参数进行实物验证，同时也分析并验证上述参数之间的互相影响。结合数学计算，模拟仿真结果指导并大大优化大深度潜航器总体设计。参数可调的回转下潜潜器模型结构简单，制造成本低，能够在湖泊或近海有效验证潜器无动力下潜的各类参数，效果良好。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多参数可调的无动力水下潜航器模型，其特征在于，包括：艏部(1)、舯段(17)、艉部(14)、艉翼板(12)、舵板(2)、压载组件和姿态传感器组件；

所述艏部(1)和艉部(14)分别密封对接在所述舯段(17)的两端，使所述舯段(17)内部形成密封腔体；在所述艏部(1)外表面固接用于提供潜航器下潜侧推力的舵板(2)，所述舵板(2)为角度可调舵板，通过调节舵板(2)角度，模拟不同角度下水压的侧推力；

所述压载组件包括：下潜压载(4)和平衡压载；所述平衡压载包括安装在所述艏部(1)的艏部平衡压载(3)、安装在所述舯段(17)的舯段平衡压载(7)以及安装在艉部(14)的艉部平衡压载(15)；所述平衡压载用于使所述潜航器模型在水下保持平衡；

所述下潜压载(4)安装在所述艏部(1)内部，用于给潜航器模型提供下潜负浮力，通过改变下潜压载(4)的体积和重量能够调节潜航器模型的下潜浮力和下潜角度；

设置在所述舯段(17)上的舯段槽道(5)和设置在所述艉部(14)上的艉部槽道(11)，分别用于装载横向推进装置、垂直推进装置，以模拟横向推进装置、垂直推进装置在潜航器模型无动力下潜过程中，对潜航器模型运动参数的影响；

在所述艉部(14)设置有用于调节潜航器模型无动力下潜过程中航向姿态的艉翼板(12)；

在所述艉部(14)设置有用于模拟潜航器推进设备的推进器(13)；

所述姿态传感器组件固定安装在所述舯段(17)的密封腔体内，包括用于测量潜航器模型无动力下潜过程姿态参数的姿态传感器以及用于存储所述姿态传感器所检测的姿态参数的数据存储单元。

2.如权利要求1所述的多参数可调的无动力水下潜航器模型，其特征在于，所述舯段平衡压载(7)能够分别沿舯段(17)的轴向和径向移动进行位置调整。

3.如权利要求2所述的多参数可调的无动力水下潜航器模型，其特征在于，所述舯段平衡压载(7)分别与沿舯段(17)的轴向和径向设置的两个压载调节杆连接，所述压载调节杆为可伸缩杆，通过所述压载调节杆的伸缩带动舯段平衡压载(7)沿舯段(17)的轴向和径向移动；通过压载挡板(6)对所述舯段平衡压载(7)的移动行程进行限位。

4.如权利要求1所述的多参数可调的无动力水下潜航器模型，其特征在于，所述舵板(2)通过舵板旋转机构与所述艏部(1)相连，所述舵板(2)能够在舵板旋转机构的带动下绕其与艏部(1)的连接轴转动，从而在360°范围内进行角度调节，调节后紧固在设定角度。