CN109080801B - 一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，包括壳体和信号装置，所述壳体内设有浮力调节装置、横滚姿态调节装置、俯仰姿态调节装置和控制装置，所述壳体上设有一对固定滑翔翼和一对非固定滑翔翼，所述非固定滑翔翼设置在固定滑翔翼的前方，所述壳体内设有用于驱动非固定翼运动的串列翼驱动装置，所述串列翼驱动装置包括左摆臂、右摆臂、齿轮一、齿轮二以及能驱动齿轮一和齿轮二转动的电机，所述电极驱动齿轮一和齿轮二转动进而驱动一对非固定滑翔翼拍动。本发明采用的串列翼相当于传统水下滑翔机的机翼，不会产生额外的阻力，通过前后翼产生尾涡的相互作用，使其产生比单翼更高的推进效率。

Description

一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机

技术领域

本发明涉及一种水下滑翔机，属于海洋探测设备领域，具体涉及一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机。

背景技术

水下滑翔机是一种新型的海洋探测装备，其通过净浮力和质心调节实现低能耗地滑翔运动，具有效率高，续航能力强、探测时间长等特点，在海洋科学研究和军事作战等领域有广泛的应用需求。然而，由于单纯使用浮力驱动方式，水下滑翔机在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，其航迹控制和定位精度低，航速慢，在风浪较大的海面可能会出现随波逐流的情况。该缺点在一定程度上限制了水下滑翔机的探测范围。因此，改进水下滑翔机的驱动方式、提高水下滑翔机的机动能力将会拓展水下滑翔机在海洋环境监测中的应用，提高国家在深远海的长期探测能力。

天津大学研制了现有基于螺旋桨辅助推进的混合动力型水下滑翔机，在滑翔模式工作时，螺旋桨会产生附加阻力，影响滑翔机整体运动性能。

中国实用新型专利201720319472.2公开了“一种具有非固定翼的菱形翼水下滑翔机”，该水下滑翔机通过在一定范围内改变非固定翼的位置，来提高水下滑翔机升阻比，改善滑翔性能。虽然该滑翔机也具有可动的机翼，但其机翼不具有连续拍动的驱动能力，其只能实现单纯净浮力驱动的滑翔运动。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机。本发明采用的技术手段如下：

一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，包括壳体和信号装置，所述壳体内设有浮力调节装置、横滚姿态调节装置、俯仰姿态调节装置和控制装置，所述壳体上设有一对固定滑翔翼和一对非固定滑翔翼，所述非固定滑翔翼设置在固定滑翔翼的前方，所述壳体内设有用于驱动非固定滑翔翼运动的串列翼驱动装置，所述串列翼驱动装置包括左摆臂、右摆臂、齿轮一、齿轮二以及能驱动齿轮一和齿轮二转动的电机，所述齿轮一和齿轮二的转动中心轴沿滑翔机的前后方向布置，所述左摆臂一端与壳体左侧的非固定滑翔翼固定连接，所述左摆臂的另一端与齿轮一固定连接，所述右摆臂的一端与壳体右侧的非固定滑翔翼固定连接，所述右摆臂的另一端与齿轮二固定连接，所述电机驱动齿轮一和齿轮二转动进而驱动一对非固定滑翔翼拍动。

进一步地，所述串列翼驱动装置还包括齿轮三和齿轮四，所述齿轮三和齿轮四外啮合，所述齿轮一和齿轮二外啮合，所述齿轮四和齿轮二同轴设置，所述电机通过变速箱驱动齿轮三转动，带动齿轮四转动进而带动齿轮二和齿轮一转动。

进一步地，所述壳体内设有密封隔板隔出的密封舱，所述电机和变速箱位于密封舱内，所述变速箱的输出轴通过联轴器与转轴连接，所述转轴穿过密封隔板并与密封隔板之间设有动密封件，所述齿轮三固定在转轴上且随转轴转动。

进一步地，所述壳体的两侧均设有通孔槽道，所述左摆臂和右摆臂分别穿过对应的通孔槽道且能在通孔槽道内上下摆动。

与现有技术比较，本发明所述的基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机在滑翔模式下，串列翼相当于传统水下滑翔机的机翼，不会产生额外的阻力，在混合驱动推进模式下，串列翼中前翼拍动而后翼静止，通过前后翼产生尾涡的相互作用，使其产生比单翼拍动更高的推进效率，将串列翼驱动集成于水下滑翔机，与传统浮力驱动方式结合，可改进水下滑翔机的运动能力，对提高国家在海洋信息搜集和军事作战侦察的探测能力具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的外部结构示意图。

图2是本发明实施例的侧视图(不含滑翔翼)。

图3和图4是本发明实施例的内部结构示意图。

图5是本发明实施例的非固定滑翔翼拍打状态示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，在其壳体1外部中段的中部上设置有一对非固定滑翔翼2，在非固定滑翔翼2后安装有一对固定滑翔翼3和设置在尾部信号杆4，在壳体内部设置有浮力调节装置100，横滚姿态调节装置200，串列翼驱动装置300，控制装置400，俯仰姿态调节装置500等，其中浮力调节装置100、横滚姿态调节装置200、串列翼驱动装置300、控制装置400和俯仰姿态调节装置500均为现有技术。其中一对非固定滑翔翼2为前翼，一对固定滑翔翼3为后翼。壳体1由密封耐压结构5和非密封结构一6和非密封结构二7组成，壳体1可以为一体结构，也可以为组装结构，非密封结构分别位于壳体前段的端部和壳体中段中部。非密封结构一6位于壳体前段的端部为椭球状壳体，其上部设置进水孔17，内部设置用于浮力驱动外油囊8；非密封结构二7位于壳体中段的中部，用于安装串列翼驱动装置。密封耐压结构5位于壳体后段的端部，其后段的椭球状尾部设有预留线孔，且其预留线孔与信号杆相匹配，用于固定安装信号杆4，在信号杆4端头固定安装有远程通信系统9。其中，姿态调节装置、浮力调节装置等部分与现有水下滑翔机技术相同，不同之处在于拍翼驱动装置。

串列翼驱动装置300位于机体中部，包括第三电机26、第三联轴器27、变速箱28、转轴一29、第四联轴器30、轴承座31、动密封件32、转轴二33、转轴三34、齿轮三35、齿轮四36、齿轮二37、齿轮一38、右摆臂39、通孔槽道40、左摆臂41，所述齿轮三35和齿轮四36外啮合，所述齿轮一38和齿轮二37外啮合，所述齿轮四36和齿轮二37同轴设置。该装置的动力源是位于第四密封隔板42后的第三电机26，通过螺钉固定于密封耐压壳体内，可以通过控制装置实现其正反转的频繁转换。电机输出轴通过第三联轴器27与变速箱28的输入轴相连。变速箱28可以对第三电机26实现多级调速，使第三电机26可以以较大的力量驱动非固定滑翔翼2的上下拍动，从而避免了滑翔机水下拍翼驱动力不足的情况。转轴一29穿过第四密封隔板42，一端通过第四联轴器30与变速箱28的输出轴连接，另一端由轴承座31支撑。轴承座通过螺钉固定在串列翼驱动装置非密封结构内。第四密封隔板42上设置透孔，透孔与转轴一29配合，用动密封件32实施水密性动密封。转轴二33和转轴三34在同一水平面内并行排列且两端分别由相同规格的轴承座支撑，轴承座通过螺钉固定在串列翼驱动装置非密封结构内。齿轮三35与齿轮四36外啮合，二者规格参数相同，传动比为1：1，转动方向相反。齿轮二37与齿轮四36共轴传动，转动角速度相等，转动方向相同。齿轮二37与齿轮一38外啮合，二者规格参数相同，传动比1：1，转动方向相反。右摆臂39一端与滑翔翼固定连接，另一端与齿轮二37外侧固定连接。滑翔机壳体在串列翼驱动装置前部位置两侧开有通孔槽道40，通孔槽道40作为摆臂上下摆动的轨迹滑道，其高度上下限为摆臂上下摆动的两端极限。齿轮二37的转动带动右摆臂39的上下摆动，从而实现右非固定翼上下拍动。左摆臂41的规格参数、连接方式、运动方式等与右摆臂39相同。固定滑翔翼3与机体通过螺钉连接，位于一对非固定滑翔翼2之后。串列翼驱动方式采用前翼拍动而后翼静止，其推进效率明显高于单翼。本实施例所述的滑翔机可以在净浮力和拍动机翼的混合作用下实现驱动，可以具有更高的运动速度。

浮力调节装置100固定安装在机体前段内，包括外油囊8、第一电机10、第一联轴器11、双向齿轮泵12、内部油缸13、油管14、电磁截止阀15、进水孔17。非密封结构一6端部椭球状壳体上部设置进水口17，海水可进入椭球状壳体内。外油囊8设置在椭球状壳体内，与海水接触，外油囊8体积增大或减小使得整个滑翔机排液体积增大或减小，进而对滑翔机所受的浮力进行调节。第一电机10、双向齿轮泵12、内部油缸13位于浮力调节装置100后半部的密封耐压壳体内。第一电机10通过第一联轴器11与双向齿轮泵12的输入轴可靠连接，双向齿轮泵12通过油管14分别接入外油囊8和内部油缸13内，可以将指定体积的油液在外油囊8与内部油缸13之间抽吸转换。油管14穿过第一密封隔板18的开口要进行水密处理。电磁截止阀15平时处于常闭模式以防止外部海水压力将外油囊8内的油液倒压回到内部油缸13，当第一电机10和双向齿轮泵12工作时，电磁截止阀15处于接通状态。水压计16位于密封耐压壳体控制装置400中后部的控制装置内，测试水压结果通过控制器可以控制第一电机10和电磁截止阀15的运行状态。

横滚姿态调节装置200固定安装在机体中前段，包括第二步进电机19、第一深沟球轴承20、横滚轴21、第二联轴器22、横滚电池包23等。第二步进电机19通过螺钉固定于第二密封隔板24，第三密封隔板25在与第二步进电机19对应的位置安装深沟球轴承20。横滚轴21一端通过第二联轴器22与第二步进电机19的轴相连，另一端由深沟球轴承20支撑。横滚电池包23固定在横滚轴21上，在第二步进电机19的驱动下，绕滑翔机主轴线旋转固定的角度，使得滑翔机整体绕主轴线产生固定的横滚角度。

控制装置400安装固定于机体密封耐压结构5前段内，包括控制器，存储卡，GPS定位模块43、水压计16等。控制器可以接收各传感器及远程通信的数据，对数据进行处理，并根据处理结果向浮力调节装置、横滚姿态调节装置、串列翼驱动装置、俯仰姿态调节装置等发出指令信号，以控制滑翔机的工作状态。存储卡可将滑翔机各观测仪器采集到的数据和滑翔机航行线路数据进行存储记录。GPS定位模块用于定位和导航，既可以校准滑翔机航行方向，又可以方便滑翔机的回收。水压计16可以反馈密封耐压壳体内水压，考虑到滑翔机的航速较低，测试水压结果基本上能够反映航行深度，该信息经过控制器处理后，可控制浮力调节装置、横滚姿态调节装置、串列翼驱动装置、俯仰姿态调节装置的运行状态，进而调节滑翔机的运动姿态。

俯仰姿态调节装置500安装于机体耐压结构5壳体中前段，包括第四步进电机44、第二深沟球轴承45、滚珠丝杠46、第五联轴器47、俯仰电池包48等。第四步进电机44通过螺钉固定于第六密封隔板49，第七安装板50在与第四步进电机44对应的位置安装深沟球轴承45，滚珠丝杠46一端通过第五联轴器47与第四步进电机44的轴相连，另一端由深沟球轴承45支撑。俯仰电池包48跟移动的螺母固定在一起充当姿态调节重物，丝杠带动姿态调节重物沿导轨做轴向移动，调整整个滑翔机系统的重心在主轴线方向的分布，实现滑翔机俯仰姿态角的调节。

信号杆4固定安装在耐压结构5壳体后段的椭球状尾部，通过预留线孔伸入水中，预留线孔做了水密处理。远程通信系统9安装固定于信号杆尾端，滑翔机下位机可以通过远程通信系统向上位机发送信息数据并接收控制指令，所得数据结果由电缆传输给存储卡和控制器作进一步存储和处理。

一般情况下，滑翔机工作在低功耗滑翔巡航模式，通过浮力调节驱动升沉运动，通过两侧水平滑翔翼产生水动力，通过姿态调节装置调节姿态。此时一对非固定滑翔翼2位于初始水平位置，电机未通电，锁定电机转轴，非固定滑翔翼2固定于机体横剖面中部，与固定滑翔翼处于同一水平面。在一定海况下，必要时，滑翔机启动串列翼驱动模式。从滑翔机尾部朝首部方向，控制第三电机26启动，第三电机26经过变速箱28调速，使得转轴一29顺时针转动，齿轮三35顺时针转动，齿轮四36同步逆时针转动，从而转轴二33逆时针转动，齿轮二37逆时针转动，传动给齿轮一38同步顺时针转动，则左非固定翼与右非固定翼同步向上拍动。滑翔翼到达预定高度上限后，控制第三电机26反转，经变速箱28调速，使得转轴一29逆时针转动，齿轮三35逆时针转动，齿轮四36同步顺时针转动，从而转轴二33顺时针转动，齿轮二37顺时针转动，传动给齿轮一38同步逆时针转动，则左非固定翼与右非固定翼同步向下拍动。当滑翔翼到达预定高度下限后，控制第三电机26反转，非固定滑翔翼2重复向上拍动过程。如此往复，可实现非固定滑翔翼2上下往复拍动，而固定滑翔翼3静止于滑翔机横剖面水平位置，该串列翼形式的推进系统具有高效的推进效率，驱动滑翔机前进。当结束串列翼驱动模式后，非固定滑翔翼2还原至机体横剖面中部，电机26断电，锁定电机轴，非固定滑翔翼2位置固定在水平初始位置，滑翔机开始低功耗滑翔巡航模式。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，包括壳体和信号装置，所述壳体内设有浮力调节装置、横滚姿态调节装置、俯仰姿态调节装置和控制装置，其特征在于：所述壳体上设有一对固定滑翔翼和一对非固定滑翔翼，所述非固定滑翔翼设置在固定滑翔翼的前方，所述壳体内设有用于驱动非固定滑翔翼运动的串列翼驱动装置，所述串列翼驱动装置包括左摆臂、右摆臂、齿轮一、齿轮二以及能驱动齿轮一和齿轮二转动的电机，所述齿轮一和齿轮二的转动中心轴沿滑翔机的前后方向布置，所述左摆臂一端与壳体左侧的非固定滑翔翼固定连接，所述左摆臂的另一端与齿轮一固定连接，所述右摆臂的一端与壳体右侧的非固定滑翔翼固定连接，所述右摆臂的另一端与齿轮二固定连接，所述电机驱动齿轮一和齿轮二转动进而驱动一对非固定滑翔翼拍动。

2.根据权利要求1所述的基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，其特征在于：所述串列翼驱动装置还包括齿轮三和齿轮四，所述齿轮三和齿轮四外啮合，所述齿轮一和齿轮二外啮合，所述齿轮四和齿轮二同轴设置，所述电机通过变速箱驱动齿轮三转动，带动齿轮四转动进而带动齿轮二和齿轮一转动。

3.根据权利要求2所述的基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，其特征在于：所述壳体内设有密封隔板隔出的密封舱，所述电机和变速箱位于密封舱内，所述变速箱的输出轴通过联轴器与转轴连接，所述转轴穿过密封隔板并与密封隔板之间设有动密封件，所述齿轮三固定在转轴上且随转轴转动。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于串列翼驱动的混合动力型水下滑翔机，其特征在于：所述壳体的两侧均设有通孔槽道，所述左摆臂和右摆臂分别穿过对应的通孔槽道且能在通孔槽道内上下摆动。

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