CN109353477B - 一种水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下滑翔机。本发明包括密封外壳以及壳内的温差能浮力调节装置和分离式姿势调整装置，密封外壳分为主舱体、水平机翼和垂直尾翼，主舱体由前帽舱、中舱、后舱和尾舱组成，各个舱体之间通过支撑板隔开；温差能浮力调节装置的蓄能器和内皮囊设于中舱内，外皮囊设于尾舱的后端；工作时通过温差能浮力调节装置改变浮力大小，实现上浮和下潜，通过分离式姿势调整装置中放置在后舱的俯仰姿势调节装置调整机身的俯仰角度及放置在尾舱的摇摆姿势调整装置调整机身横滚姿势，实现水下滑翔机的前进和转弯。本发明通过对水下滑翔机各个装置更合理安置，使工作时更稳定，能更好地按照航行轨迹完成勘测。

Description

一种水下滑翔机

技术领域

本发明属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，尤其涉及一种更稳定的水下滑翔机。

背景技术

随着海洋活动的日益频繁，人类逐渐从近海水域拓展到深海海域。在这种情况下，水下滑翔机诞生于探索海洋的过程中。现主要用于探测海洋环境的参数，并对军事应用价值也有很高影响。其适用于大范围、长距离、垂直区域的海洋，已经成为海洋环境监测的通用平台，并应用于实际的海洋环境勘测。但是水下滑翔机在海洋工作的时候，机身容易受到海水的阻力和洋流漩涡的影响，该问题增大了水下滑翔机浮潜的难度和不稳定性，很大程度影响了海洋勘测数据的准确性。目前，人们一直不断努力设计出提高机身稳定性的水下滑翔机，如专利公开号为201410100504.0的申请文件公开的一种梭型水下滑翔器，其机身虽采用了流线型密封外壳减少了海水的阻力，一定程度提高了机身的稳定性，但是该发明的机身前端壳内姿势调整模块所占舱体空间较大，且机身前端的电池舱还装载有备用电池，导致其机身前端重量较大，而机身尾部的尾舵模块所占空间较小，其重量较轻，由于该发明各个舱体的空间分布较随意及各个舱位重量不均衡，导致在水下工作时容易受到洋流的影响而无法精准按照航行轨迹进行勘测，不能确保水下滑翔机工作时的稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种更稳定的水下滑翔机，该水下滑翔机通过对机身主舱体的舱位空间均衡分布，且将密封外壳壳内各个装置重量均衡安装至对应的工作舱位，使机身整体结构紧凑平稳，工作时更稳定，能更好地按照航行轨迹完成勘测。

本发明采用如下技术方案实现：

本发明一种水下滑翔机，包括密封外壳以及温差能浮力调节装置和分离式姿势调整装置；所述的密封外壳包括主舱体、水平机翼和垂直尾翼；其特征在于：所述的温差能浮力调节装置包括热机和浮力调节装置；所述的热机包括耐压壳体、温敏相变材料和传输液体，所述传输液体与温敏相变材料在耐压壳体内分隔存放；所述的浮力调节装置包括蓄能器、内皮囊、外皮囊以及连接管道；所述的传输液体通过所述连接管道通往所述蓄能器、内皮囊和外皮囊，所述连接管道上还设置有控制阀门；所述的分离式姿势调整装置包括俯仰姿势调整装置和摇摆姿势调整装置；

所述的主舱体由前帽舱、中舱、后舱和尾舱组成，各个舱体之间通过支撑板隔开，所述蓄能器和内皮囊设于所述中舱内，所述外皮囊设于所述尾舱的后端，所述俯仰姿势调整装置设于所述后舱内，所述摇摆姿势调整装置设于所述尾舱内。

所述外皮囊的壁面设有用于调整内部空间的波纹段。

所述耐压壳体为围绕中舱的U型且设于中舱下方。

所述的俯仰姿势调整装置包括第一驱动电机、用于给所述第一驱动电机供电的第一电池组件、第一电池组件安装架、导轨以及齿轮齿条机构；所述第一驱动电机的底座与导轨固定设置；所述第一电池组件安装架与导轨构成滑动副，导轨固定在支撑板上；所述齿轮齿条机构的齿条固定设置在第一电池组件安装架上，所述齿轮齿条机构的齿轮设置在第一驱动电机的输出轴上，并与齿条啮合。

所述导轨的末端设有限位挡板。

所述的摇摆姿势调整装置包括第二驱动电机、用于给所述第二驱动电机供电的第二电池组件、第二电池组件安装架、中心轴以及齿轮机构；所述第二驱动电机的底座后舱和尾舱之间的支撑板上；所述齿轮机构的从动齿轮固定设置在中心轴上；中心轴与支撑板构成转动副；所述齿轮机构的主动齿轮固定在第二驱动电机的输出轴上，并与从动齿轮啮合；所述的第二电池组件安装架固定在从动齿轮上。

所述软管处于耐压壳体内部；在耐压壳体内部填充有温敏相变材料，所述软管中充满传输液体；所述耐压壳体侧壁的安装孔采用中空封头密封；所述中空封头的中心孔内设有中空软管塞头，所述中空软管塞头伸入耐压壳体内部，并与软管侧部开口端连通。

所述中空软管塞头与连接管道连通，将传输液体引入浮力调节装置；在浮力调节装置内，从热机接入的连接管道通过第一三通分流阀分为A、B两路，A路通过第一单向阀后与内皮囊的一个输液口相连，B路依次通过第二单向阀后在第二三通分流阀处分为B1、C两路，B1路与蓄能器相连，C路在两位三通电磁阀处分为C1、C2两路，C1路通过两位三通电磁阀与内皮囊的另一个输液口相连，C2路经两位三通电磁阀与外皮囊相连。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的主舱体由前帽舱、中舱、后舱和尾舱组成，其中蓄能器和内皮囊设于中舱内，外皮囊设于尾舱的后端，俯仰姿势调整装置设于后舱，摇摆姿势调整装置设于尾舱，该水下滑翔机通过对机身主舱体的舱位空间均衡分布，且将密封外壳壳内各个装置重量均衡安装至对应的工作舱位，使各个舱位之间独立工作，且机身整体结构紧凑平稳，在水下工作时更稳定，能更好地按照航行轨迹完成勘测。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明中温差能浮力调节装置的原理图；

图4为本发明中俯仰姿势调整装置的结构示意图；

图5为本发明中摇摆姿势调整装置的结构示意图。

图中：1、水下滑翔机；201、前帽舱；202、中舱；203、后舱；204、尾舱；205、支撑板；21、水平机翼；22、垂直尾翼；3、温差能浮力调节装置；311、耐压壳体；312、温敏相变材料；313、传输液体；314、软管；321、蓄能器；322、内皮囊；323、外皮囊；324、第一单向阀；325、第二单向阀；326、第一三通分流阀；327、第二三通分流阀；328、两位三通电磁阀；411、齿轮；412、齿条；413、第一驱动电机；414、第一电池组件；415、导轨；416、第一电池组件安装架；421、主动齿轮；422、从动齿轮；423、第二驱动电机；424、第二电池组件；425、中心轴；426、第二电池组件安装架。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。

如图1～5所示，水下滑翔机1包括密封外壳以及设置在密封外壳内的温差能浮力调节装置3和分离式姿势调整装置；

本优选实施例中密封外壳包括主舱体、水平机翼21和垂直尾翼22；主舱体由前帽舱201、中舱202、后舱203和尾舱204组成；各个舱体之间通过支撑板205隔开，蓄能器321和内皮囊322设于中舱202内，外皮囊设于尾舱204的后端，俯仰姿势调整装置位于后舱203内，摇摆姿势调整装置位于尾舱204内，该水下滑翔机通过对机身主舱体的舱位空间均衡分布，且将密封外壳壳内各个装置重量均衡的安装至对应的工作舱位，使各个舱位之间独立工作，且机身整体结构紧凑平稳，在水下工作时更稳定，能更好地按照航行轨迹完成勘测。通过各个舱体之间的重量均衡及工作空间的合理分布，增加了机身的牢固性同时使各个装置独立工作运行，提高水下滑翔机工作的稳定性，能更好地按照航行轨迹完成勘测。而且支撑板205上设有用于方便管道通过的通孔，方便放置于中舱202的浮力调节装置与外皮囊323相连的管道通过。

本优选实施例中温差能浮力调节装置3包括热机和浮力调节装置，热机包括耐压壳体311、温敏相变材料312、传输液体313和软管314，浮力调节装置包括蓄能器321、内皮囊322及外皮囊323；外皮囊323沿主舱体的中心轴线设于尾舱204的后端，热机设于中舱202外部，外皮囊323设于尾舱204外部，热机和外皮囊323承受海水压力。

浮力调节装置中蓄能器321和内皮囊322放置于密封外壳的中舱202内；耐压壳体311中充满温敏相变材料312，软管314置于耐压壳体311中，软管314中充满传输液体313；温差能浮力调节装置3工作在有足够温度差的海域时，通过汲取海洋不同深度的温度差，使温敏相变材料312在低温时凝固收缩，在高温时熔化膨胀，进而将温差能转化为机械能推动传输液体313以改变系统外部皮囊体积，且因为水下滑翔机自身重量不变，所以整体浮力发生变化；本优选实施中温差能浮力调节装置3的具体回路为热机中的传输液体313接入的连接管路通过第一三通分流阀326分为A、B两条回路，A路为通过第一单向阀324(传输液体313仅能从内皮囊322流入到热机中)后与内皮囊322相连，B路为通过第二单向阀325(传输液体313仅能从热机流入到蓄能器321中)后在第二三通分流阀327处分为B1、C两条回路，B1路与蓄能器321相连，C路为从两位三通电磁阀328处分为C1、C2两条回路，C1路从两位三通电磁阀328与内皮囊322相连，C2从两位三通电磁阀与外皮囊323相连；蓄能器321不通传输液体313的那个腔充满氮气。

下面结合实施例描述本发明的工作过程：

本发明所述温差能浮力调节装置3工作前，温敏相变材料312灌装于耐压壳体311内。采用乙二醇作为传输液体313预灌装于外皮囊323、软管314以及连接管道内。蓄能器321预充传输液体313进行充压。密封外壳预先抽成负压。

工作过程为：

阶段一：海面漂浮状态

中舱202以及内皮囊322预先抽成负压，内皮囊322处于收缩状态。在海面漂浮状态中整个系统漂浮于表层水面，温度较高，温敏相变材料312受热处于液体膨胀状态；蓄能器321预充传输液体313，其中的氮气被压缩；外皮囊323预充传输液体313，外皮囊323膨胀体积增大；由于外皮囊323与外部海水接触，整个水下滑翔机浮力大于重力，浮于表层水面。水下滑翔机机身处于静平衡状态。

阶段二：下潜阶段

在下潜阶段打开两位三通电磁阀328导通内外两个皮囊(322、323)，由于已预充负压，内皮囊322压力小于外皮囊323，外皮囊323中传输液体313经过回路流入内皮囊322，同时外皮囊323体积减小，提供浮力减小，此时水下滑翔机为负浮力状态，并开始下潜。当负浮力达到预设值时，断开两位三通阀门328，断开后外皮囊323内传输液体313压力与外部海水压力相同。

阶段三：下潜至冷水区

在下潜至冷水区阶段，水下滑翔机由于负浮力而不断下潜，当下潜至海水温度低于温敏相变材料312相变温度的冷水层时，材料发生液-固相变而不断凝固且体积变小。在第一单向阀324作用下，只有温敏相变材料312不断收缩，热机内部压力减小并小于中舱202内部压力时，内皮囊322与热机之间才会发生液体流动，此时传输液体313由内皮囊322经过A路流入热机的软管314中，结果为内皮囊322中传输液体313减少，开始收缩。

阶段四：下潜转上浮

在下潜转上浮阶段，当水下滑翔机下潜至航行轨迹中预设最大深度时，热机中温敏相变材料312完全凝固，软管314充满传输液体313。此时，打开两位三通电磁阀328导通外皮囊323与蓄能器321，蓄能器321由于预先充压且大于外部海水压力，其中被压缩的氮气推动活塞释放能量，同时排挤其中的传输液体313经过C2路流入外皮囊323。外皮囊323体积膨胀直至蓄能器321中氮气压力等于外部海水压力，并于此时断开两位三通电磁阀。结果为外皮囊323体积增大，水下滑翔机整个装置正浮力，开始上浮。

阶段五：上浮至温水区

在上浮至温水区阶段，水下滑翔机由于正浮力而不断上浮，当上浮至外部海水温度大于温敏相变材料312相变温度的温水层时，其受热融化发生固-液相变并开始膨胀，热机受内压。在此状态，装置主回路中的两位三通阀328关断，由于第二单向阀325单向导通作用，热机内压不断增大直至超过蓄能器321压力，在压力差下，热机的软管314中的传输液体313经过B1路流入蓄能器321中，并对其进行充能，当温敏相变材料312完全融化膨胀后，蓄能器321完成充能，此时内皮囊322为收缩状态，外皮囊323为膨胀状态，整个装置恢复至海面漂浮状态，完成一个循环。

分离式姿势调整装置包括沿主舱体中心轴线放置的俯仰姿势调整装置和摇摆姿势调整装置，本优选实施例中俯仰姿势调整装置位于后舱203内，包括第一驱动电机413、用于给第一驱动电机413供电的第一电池组件414、第一电池组件安装架416、导轨415以及齿轮齿条机构；齿轮传动装置中齿轮411与第一驱动电机的输出轴固定，并与固定于第一电池组件安装架416上的齿条412啮合，第一电池组件414固定于两个第一电池组件安装架416之间；导轨415一端通过螺栓固定于支撑板205上，另一端设有限位挡板；第一驱动电机413的底座通过螺栓固定于导轨415上，工作时，通过第一驱动电机413带动齿轮411转动，与齿轮411啮合的齿条412也随之做轴向移动，由于齿条412固定于第一电池组件安装架416上，第一电池组件414又固定于两个第一电池组件安装架416之间，进而使第一电池组件414做轴向移动，达到重心偏移，水下滑翔机做俯仰角度调节。当下潜时，第一电池组件414向靠近水下滑翔机的前端移动，此时重心偏向前方，水下滑翔机头部呈斜下角度进入海平面；当上浮时，第一电池组件414向靠近水下滑翔机的后端移动，此时重心偏向后方，水下滑翔机头部呈斜上角度上浮。导轨415带有限位挡板，第一电池组件414不会因为倾斜角度太大而甩出齿条412。

摇摆姿势调整装置位于尾舱204内，包括第二驱动电机423、用于给第二驱动电机423供电的第二电池组件424、第二电池组件安装架426、中心轴425以及齿轮传动机构，齿轮传动机构中主动齿轮421与第二驱动电机423的输出轴固定，并与固定在中心轴425上的从动齿轮422啮合，从动齿轮422的半径大于主动齿轮421的半径，减少中心轴425受到的力，延长中心轴425的使用寿命，第二驱动电机423的底座通过螺栓固定于后舱203和尾舱204之间的支撑板205上；中心轴425与支撑板205构成转动副；第二电池组件安装架426偏心固定于从动齿轮422上；第二电池组件424固定于第二电池组件安装架426上；工作时，通过第二驱动电机423带动主动齿轮421，同时带动与主动齿轮421啮合的从动齿轮422，由于从动齿轮422固定于中心轴425上，便带动第二电池组件424绕着中心轴425做圆周运动，达到重心偏移，使水下滑翔机实现横滚动作。当下潜和上浮时，第二电池组件424绕中心轴425圆周偏转90度，由于重心偏转90度水下滑翔机的机身也随之偏转90度，此时水平机翼21垂直于海平面，机身的表面积减小，受到的阻力减小，更实现容易上浮或者下潜；当需要转弯时，第二电池组件424绕中心轴425向左或右偏转，通过需要转弯的弧度来决定偏转角度的大小，当左转时，第二电池组件424绕中心轴425向左偏转，机身向左倾斜，这时水下滑翔机的重力与地面垂直，可是水平机翼21上的升力却是垂直于水平机翼21的，此刻的升力不再指向地面的正上方而是指向斜上方。由于重力和升力的方向不同，它们不再互相平衡，于是就产生了一个垂直于机身指向左方的力，在这个力的作用下，水下滑翔机沿着一条圆弧向左转动；当右转时，第二电池组件424绕中心轴425向右偏转，根据上述的工作原理可实现水下滑翔机沿着一条圆弧向右转动。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种水下滑翔机，包括密封外壳以及温差能浮力调节装置和分离式姿势调整装置；所述的密封外壳包括主舱体、水平机翼和垂直尾翼；其特征在于：所述的温差能浮力调节装置包括热机和浮力调节装置；所述的热机包括耐压壳体、温敏相变材料和传输液体，所述传输液体与温敏相变材料在耐压壳体内分隔存放；所述的浮力调节装置包括蓄能器、内皮囊、外皮囊以及连接管道；所述的传输液体通过所述连接管道通往所述蓄能器、内皮囊和外皮囊，所述连接管道上还设置有控制阀门；所述的分离式姿势调整装置包括俯仰姿势调整装置和摇摆姿势调整装置；

所述的主舱体由前帽舱、中舱、后舱和尾舱组成，各个舱体之间通过支撑板隔开，所述蓄能器和内皮囊设于所述中舱内，所述外皮囊设于所述尾舱的后端，所述俯仰姿势调整装置设于所述后舱内，所述摇摆姿势调整装置设于所述尾舱内；

所述后舱位于所述水下滑翔机的中部，所述水平机翼设置于后舱的外表面，所述尾舱位于所述水下滑翔机的末端，所述垂直尾翼竖直设置于尾舱上部；

所述的热机还包括软管；所述软管处于耐压壳体内部；在耐压壳体内部填充有温敏相变材料，所述软管中充满传输液体；所述耐压壳体侧壁的安装孔采用中空封头密封；所述中空封头的中心孔内设有中空软管塞头，所述中空软管塞头伸入耐压壳体内部，并与软管侧部开口端连通；

所述中空软管塞头与连接管道连通，将传输液体引入浮力调节装置；在浮力调节装置内，从热机接入的连接管道通过第一三通分流阀分为A、B两路，A路通过第一单向阀后与内皮囊的一个输液口相连，B路依次通过第二单向阀后在第二三通分流阀处分为B1、C两路，B1路与蓄能器相连，C路在两位三通电磁阀处分为C1、C2两路，C1路通过两位三通电磁阀与内皮囊的另一个输液口相连，C2路经两位三通电磁阀与外皮囊相连。

2.如权利要求1所述的一种水下滑翔机，其特征在于：所述外皮囊的壁面设有用于调整内部空间的波纹段。

3.如权利要求1所述的一种水下滑翔机，其特征在于：所述耐压壳体为围绕中舱的U型且设于中舱下方。

4.如权利要求1所述的一种水下滑翔机，其特征在于：所述的俯仰姿势调整装置包括第一驱动电机、用于给所述第一驱动电机供电的第一电池组件、第一电池组件安装架、导轨以及齿轮齿条机构；所述第一驱动电机的底座与导轨固定设置；所述第一电池组件安装架与导轨构成滑动副，导轨固定在支撑板上；所述齿轮齿条机构的齿条固定设置在第一电池组件安装架上，所述齿轮齿条机构的齿轮设置在第一驱动电机的输出轴上，并与齿条啮合。

5.如权利要求4的一种水下滑翔机，其特征在于：所述导轨的末端设有限位挡板。

6.如权利要求1-4任意一项所述的一种水下滑翔机，其特征在于：所述的摇摆姿势调整装置包括第二驱动电机、用于给所述第二驱动电机供电的第二电池组件、第二电池组件安装架、中心轴以及齿轮机构；所述第二驱动电机的底座后舱和尾舱之间的支撑板上；所述齿轮机构的从动齿轮固定设置在中心轴上；中心轴与支撑板构成转动副；所述齿轮机构的主动齿轮固定在第二驱动电机的输出轴上，并与从动齿轮啮合；所述的第二电池组件安装架固定在从动齿轮上。

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