CN110641663A - 一种具备自弃式机翼的大型水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，包括艏部总成、中部总成、尾部总成和机翼单元，艏部总成包括抛缆模块、艏部外壳、艏部连接环和前玻璃钢外壳；抛缆模块与艏部外壳前端通过环向的螺栓固定连接；艏部外壳与前玻璃钢外壳通过艏部连接环连接；前玻璃钢外壳内部通过前连接固定块连接有前浮力调节模块；中部总成包括中舱前连接环、中舱外壳和中舱后连接环，中舱外壳内设有电源模块、姿态调节模块和控制模块；尾部总成包括后玻璃钢壳体、后连接固定块、后浮力调节模块、机翼固定条、通讯模块、抛载、十字舵和推进器；机翼单元包含机翼加紧释放机构和机翼本体，所述机翼加紧释放机构包括电机、联轴器、限位杆、丝母和丝杠。

Description

一种具备自弃式机翼的大型水下航行器

技术领域

本发明属于新型海洋航行器领域，涉及带翼水下航行器，具体的说是一种采用一种具备自弃式机翼的大型水下航行器。

背景技术

随着“海洋强国”战略的提出，发展海洋、认识海洋、经略海洋已经变得越来越重要，海洋科学研究对于正好的认识海洋自然现象具有重要的现实意义。水下航行器平台技术作为搭载海洋物理信息传感器的重要工具得到了快速的发展，其续航能力强、航程远、隐蔽性强的特点使得其非常适合海洋生、化、物等参数的测量工作，是最常用的水下移动观测平台之一，而单独依靠螺旋桨推进的水下航行器的续航能力较为有限，集合浮力驱动和螺旋桨驱动的混合驱动水下航行器应运而生。

国际上，较为成熟的混合驱动水下滑翔机主要有美国Webb公司研发的Slocum G3Glider、美国佛罗里达理工学院的AUV-Glider、西班牙地中海研究中心的Fòlaga系列以及加拿大蒙特利海洋研究所的Tethys。Webb公司研发的Slocum G3 Glider最大潜深1000m，螺旋桨最大推进速度1m/s，混合驱动模式下最大续航里程为13000km(未见纯螺旋桨模式下航程数据)，最大运行时间为18个月。美国佛罗里达理工学院的AUV-Glider在尾部安装有两个螺旋桨推进器，其最大宽度为1.59m，最大长度为1.93m，最大高度为0.58m，最大设计深度为6000m，实际测试下潜深度达到4000m，螺旋桨最大设计速度为2m/s，实测最大推进速度1m/s，未对外公布其续航能力数据。西班牙地中海研究中心的Fòlaga系列目前已研制出三代产品，螺旋桨最大推进速度1.01m/s，该状态下的续航里程为57.6km，最大潜深100m。相关海试已证实加拿大蒙特利海洋研究所的Tethys系列混合驱动水下滑翔机，在1m/s航行速度下续航里程可达1800km，在节能模式下，预计可以突破3000km。Z-ray是X-ray的下一代产品，由Scripps海洋研究所、华盛顿大学物理实验室和美国海军太空和海军战争系统中心共同研制而成，升阻比为35/1，设计最大深度为300m，具有更好的水动力性能，在空气中的重量为680kg。Z-ray负载能力突出，负载包括安装在滑翔机前部的27单元水听器阵列，位于鼻子和尾部的超宽带声学传感器，其能够航行1000公里，续航能力为1个月。

当前国内外海洋探测领域，轻便型滑翔机技术已经非常成熟，但其搭载能力较小，不适合搭载多种探测传感器，无法对多种海洋生化参数进行同步测量。因此，具有多种传感器搭载能力的大型重载水下航行器技术成为目前的研究热点之一。近年来，国内一些科研单位已经开始了大型重载水下滑翔的研发工作，但相关产品存在着阻力大、高能耗等不足，例如2018年公开的“一种大型重载混合驱动水下滑翔机”专利号为201810508824.8，该发明公开了一种大型重载混合驱动水下滑翔机，包括滑翔机机身、浮力调节装置、姿态调节装置、折叠翼装置、能源模块等，该技术解决了当前轻便型水下滑翔机搭载探测设备少的缺点，但是其采用了单个浮力调节装置，位于机身的前部，这样在进行浮力调节时势必会影响到水下滑翔机的俯仰姿态，且其影响必须由姿态调节装置来进行补偿，造成了能源的浪费。除此之外，该重载滑翔机所采用的姿态调节装置安装在机身外部，增大了阻力，不利于降耗节能。带翼水下航行器在螺旋桨推进状态下，由于机翼升力的作用，难以保证高精度的定深航行，机翼会增加额外的附件质量，使得整机机动能力减弱。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，该航行器可以有效提高整机搭载能力，双浮力驱动系统可以有效补偿但浮力驱动系统对整机姿态的影响，大大提升整机的搭载能力，适用于搭载多种传感器进行水下生化参数观测，机翼能够在特定场景下抛弃，提升螺旋桨推进下定深推进精度和航行机动能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，包括艏部总成、中部总成、尾部总成和机翼单元，艏部总成、中部总成、尾部总成从前向后依次连接，所述的艏部总成包括从前向后依次连接的抛缆模块、艏部外壳、艏部连接环和前玻璃钢外壳；所述的抛缆模块与艏部外壳前端通过环向的螺栓固定连接；所述的艏部外壳与前玻璃钢外壳通过艏部连接环连接；所述前玻璃钢外壳内部通过前连接固定块连接有前浮力调节模块；所述抛缆模块内设有缆绳；所述前浮力调节模块能够调节水下航行器的浮力大小，通过与后浮力调节模块协同作业可实现水下航行器的上浮和下潜，并能够辅助调整水下航行器的俯仰姿态；

所述的中部总成包括从前向后依次设置的中舱前连接环、中舱外壳和中舱后连接环，所述中舱外壳内设有电源模块、姿态调节模块和控制模块；其中电源模块给水下航行器提供能源，姿态调节模块能够调节水下航行器的俯仰姿态，控制模块的作用是控制整个水下航行器的运行以及处理和存储传感器探测到的信息；

所述的尾部总成包括后玻璃钢壳体、后连接固定块、机翼、后浮力调节模块、通讯模块、抛载、十字舵和推进器；所述后玻璃钢壳体内通过所述后连接固定块连接有所述后浮力调节模块；所述的通讯模块与后玻璃钢壳体固定连接；所述抛载模块安装于后玻璃钢壳体内的底部；所述后玻璃钢壳体的尾部安装有所述十字舵，用于调整水下航行器的航向；所述推进器安装于尾部总成的尾端，用于向前推进水下航行器；所述后浮力调节模块能够调节水下航行器的浮力大小，通过与前浮力调节模块协同作业可实现水下航行器的上浮和下潜，并能够调整水下航行器的俯仰姿态；

所述的机翼单元包含机翼加紧释放机构和机翼本体，所述机翼加紧释放机构包括电机、联轴器、限位杆、丝母和丝杠；所述电机通过电机法兰安装在后玻璃钢壳体内部，电机输出轴与联轴器一端固联，联轴器的另一端与丝杠输入端固联，丝杠另一端通过转动副连接在后玻璃钢壳体内部，丝母安装于丝杠上，丝母的圆柱状凸起与限位杆的通槽连接，限位杆通过转动副安装在后玻璃钢壳体内部，限位杆上设有凸起结构，机翼本体包含内伸部分和外延部分，内伸部分设有与丝母接触的斜面，所述外延部分上设有与所述凸起结构卡接的凹槽。

进一步的，所述十字舵由水平舵、舵架、垂直舵、活动舵面、弓字连接轴、舵机、舵机固定架、活动舵面连接轴和补偿器组成；所述舵机固定架设置于舵架内并用于固定所述舵机，所述舵机输出轴与弓字连接轴连接，所述水平舵分别连接于舵架水平方向的两侧；所述垂直舵分别连接于舵架垂直方向的两侧；每个所述垂直舵上通过活动舵面连接轴活动连接有活动舵面，每个所述活动舵面连接轴穿过舵架上的轴孔并分别与弓字连接轴的两端相连；所述补偿器通过一根油管与舵机的进油口连接，用于使舵机内部和外部的压力平衡；当舵机旋转时，带动弓字连接轴旋转，弓字连接轴带动两端的活动面连接轴旋转，活动面连接轴带动两个活动舵面旋转；所述十字舵通过调整两个垂直的活动舵面的旋转角度以控制水下航行器的航向。

进一步的，所述前浮力调节模块和后浮力调节模块能够同时调节或单独调节，并且能够单独设置浮力调节速度，当两个浮力调节模块调节速度相同时，调节过程不影响水下航行器的姿态，当两个浮力调节模块调节速度不同时，能够影响水下航行器的姿态。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.带翼水下航行器在高速状态下会有较大的升力，进而会产生附加的俯仰力矩，不利于俯仰姿态控制，机翼的存在也增加了航行阻力和俯仰姿态调节的附加质量，本发明的水下航行器可以自主抛弃机翼，让带翼混合驱动航行器能够在带翼状态下依靠浮力进行滑翔运动，另外，在高速和高航行姿态精度要求情况下，能够将机翼抛弃，使其完全进入AUV模式，进而降低机翼升力对航行器姿态的影响，减小阻力和附加质量，使得整机航程更远，机动能力更好。实现机翼抛弃过程的机构能够在一个电机驱动下实现机翼卡紧和送出的动作，采用杠杆式卡紧方式能够减少电机能耗，采用接触方式实现机翼推出，避免了刚性铰链过多，易于锈蚀的问题。本发明的自弃式机翼机构，整体结构简单，可靠性好，易于实现；

2.本发明的大型水下航行器采用双浮力调节模块实现整机俯仰姿态的调节，两个相同的浮力调节模块关于航行器浮心对称布置，两个浮力调节模块同时开启，可以缩短总的航行器排油时间和回油时间，能够在短时间内达到预期的净浮力值，增大了航行器的滑翔性能，能够使航行器更快的进入到滑翔状态，或更快的下潜、上浮到目标位置；两个浮力调节模块在航行器轴线上相对于浮心对称，在进行浮力调整的时候可使两个浮力调节模块排油速度或回油速度相同，这样由于前后浮力调节所带来的相对于浮心的扭矩会相互抵消，消除了由单个浮力调节模块浮力调节所带来的俯仰姿态影响，因此不需要姿态调节装置如水平尾舵等，额外进行俯仰姿态调整，有效节省了能源。在航行器进行俯仰姿态调整的时候可使一个浮力调节模块向外部排油，另一个浮力调节模块向内部回油，这样可以辅助尾舵进行俯仰姿态的调整，提升姿态调节的精度，进而提高整机的航行精度。

附图说明

图1为本发明的具备自弃式机翼的大型水下航行器总体结构示意图。

图2为本发明的艏部总成1/4剖视结构示意图。

图3为本发明的中部总成1/4剖视结构示意图。

图4为本发明的尾部总成1/2剖视结构示意图。

图5为本发明的十字舵结构示意图。

图6为本发明的十字舵剖视结构示意图。

图7为本发明的自弃式机翼结构示意图。

附图标记：1-艏部总成，2-中部舱段，3-尾部舱段，4-抛缆模块，5-艏部外壳，6-艏部连接环，7-前浮力调节模块，8-前连接固定块，9-前玻璃钢外壳，10-后玻璃钢壳体，11-后连接固定块，12-机翼单元；13-后浮力调节模块；14-通信天线，15-通讯模块，16-抛载，17-十字舵，18-推进器，19-中舱前连接环，20-中舱外壳，21-电源模块，22-姿态调节模块，23-控制模块，24-中舱后连接环，25-水平舵，26-舵架，27-垂直舵，28-活动舵面，29-弓字连接轴，30-舵机，31-舵机固定架，32-活动舵面连接轴，33-补偿器，W1-电机，W2-联轴器，W3-限位杆，W4-机翼本体，W5-丝母，W6-丝杠，R1-转动副

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：本发明提供的一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，其整体外观如图1所示，包括艏部总成1、中部总成2和尾部总成3和机翼单元12；参见图2，艏部总成1包括抛缆模块4、艏部外壳5、艏部连接环6、前浮力调节模块7、前连接固定块8、前玻璃钢外壳9构成；抛缆模块4与艏部外壳5前端通过环向的八个螺栓固定连接；艏部外壳5与前玻璃钢外壳9通过艏部连接环6连接，连接方式为通过环向均布的十个螺栓固定连接；前连接固定块8共有八个，且开有通孔，前玻璃钢外壳9、前连接固定块8和前浮力调节模块7之间通过螺栓穿过连接固定块8上的通孔旋拧到前浮力调节模块7的螺纹孔上，使三者固定在一起；抛缆模块4在水下航行器完成任务并返回到水面时能够抛出一段缆绳，方便回收人员通过抓住缆绳而捕获水下航行器；

参见图3，中部总成2包括中舱前连接环19，中舱外壳20，电源模块21，姿态调节模块22，控制模块23，中舱后连接环24，其中电源模块21给水下航行器提供了能源，姿态调节模块22可以调节水下航行器的俯仰姿态，控制模块23的作用是控制整个水下航行器的运行以及处理和存储传感器探测到的信息；

参见图4，尾部总成3包括后玻璃钢壳体10，后连接固定块11，后浮力调节模块13，通信天线14，通讯模块15，抛载16，十字舵17，推进器18；后连接固定块11共有八个，且开有通孔，后玻璃钢壳体10、后连接固定块11和后浮力调节模块13之间通过螺栓穿过后连接固定块上11的通孔旋拧到后浮力调节模块13的螺纹孔上，使三者固定连接在一起；通讯模块15通过螺栓与后玻璃钢壳体10固连在一起；通信天线14与通信模块15连接，抛载16位于后玻璃钢壳体10的下面，通过螺栓与后玻璃钢壳体10固定在一起；后玻璃钢壳体10后面安装有十字舵17，用于调整双浮力混合驱动大型重载水下航行器的航向；推进器18安装在尾部总成的最尾端，用于向前推进双浮力混合驱动大型重载水下航行器；

参见图5和图6，十字舵17由水平舵25，舵架26，垂直舵27，活动舵面28，弓字连接轴29，舵机30，舵机固定架31，活动舵面连接轴32，补偿器33组成；水平舵25通过螺栓与舵架26的水平方向固定在一起；垂直舵27通过螺栓与舵架26的垂直方向固定在一起；每个垂直舵27上通过活动舵面连接轴32活动连接有活动舵面28，每个活动舵面连接轴32穿过舵架26上的轴孔并分别与弓字连接轴29的两端相连；补偿器33通过一根油管与舵机30的进油口连接，其作用是使舵机内部和外部的压力平衡；当舵机旋转时，带动弓字连接轴旋转，弓字连接轴带动两端的活动舵面连接轴旋转，又因为活动舵面连接轴与活动舵面固连，因此带动两个活动舵面旋转；十字舵通过调整两个垂直的活动舵面的旋转角度来控制水下航行器的航向。

参见图7，机翼单元12包含机翼加紧释放机构和机翼本体W4，机翼加紧释放机构包括电机W1、联轴器W2、限位杆W3、丝母W5、丝杠W6。电机W1通过电机法兰安装在后玻璃钢壳体10内部，电机输出轴与联轴器一端固联，联轴器的另一端与丝杠W6输入端固联，丝杠W6另一端通过转动副连接在后玻璃钢壳体10内部，丝母W5安装在丝杠W6上，丝母W5的圆柱状凸起与限位杆的通槽连接，限位杆W3通过转动副R1安装在后玻璃钢壳体10内部，限位杆W3上有凸起结构，机翼本体W4包含内伸部分和外延部分，内伸部分有斜面，该斜面可以与丝母接触，外延部分上有凹槽，限位杆的凸起结构可以卡入凹槽内。

参见图7，自主抛弃机翼的操作过程如下：图7所示为水下航行器机翼正常安装时，机翼单元各个组成部分的安装位置，电机W1处于锁紧状态，当机翼需要抛弃时，电机W1开始转动，联轴器W2带动丝杠W6转动，丝母W5向靠近机翼的方向移动，丝母W5带动限位杆W3绕转动副R1转动，限位杆W3的凸起结构开始逐渐离开机翼外延部分的凹槽，当限位杆W3的凸起结构完全离开机翼外延部分的凹槽，此时机翼可以沿着航行器半径方向移动，丝母W5继续向靠近机翼方向移动，丝母W5开始与机翼内伸部分的斜面逐渐接触，随着丝母W5的移动，机翼逐渐沿着航行器半径远离航行器，直至机翼掉落，电机W1停止转动，可以通过电机驱动电流变化判定机翼是否掉落。

实施例2：应用实施例1提供的双浮力混合动力大型重载水下航行器进行无推进水下滑翔探测航行，推进器始终处于关闭状态。

下潜的过程是：下潜过程前，水下航行器处于中性浮力状态漂浮在水面上，开启下潜模式后，控制模块23发送信号控制姿态调节模块22调整姿态，然后控制前后浮力调节模块7、13使水下航行器总体浮力减小，从而实现下潜，在下潜过程中由控制模块23控制搭载的传感器进行信号测量并保存，同时控制姿态调节模块22和十字舵17保证滑翔姿态和航向；

上浮的过程是：当水下航行器下潜的目标深度后，控制模块23发送命令控制姿态调节模块22调节姿态，并控制前后浮力调节模块7、13使水下航行器总体浮力增大，从而实现上浮，在上浮过程中由控制模块23控制搭载的传感器进行信号测量并保存，同时控制姿态调节模块22和十字舵17保证滑翔姿态和航向；

通讯的过程是：当水下航行器上浮到水面时，控制模块23发送命令控制通讯模块15与路基总控台进行信号通讯，将采集信号传送给总控台，并接收总控台发送的控制命令以进行下一个剖面的航行任务；

抛缆过程是：当水下航行器完成作业任务后上浮到水面，控制模块23控制抛缆模块4将缆绳抛出，以便于回收人员捕获水下航行器；

双浮力调节模块姿态调节过程是：如果在作业过程中，姿态调节模块22出现故障而不能正常调节姿态时，如果水下航行器前重后轻，航行器处于过度低头状态，控制模块23通过控制使前浮力调节模块7浮力增大，后浮力调节模块13浮力减小，如果水下航行器前轻后重，航行器处于过度抬头状态，控制模块23通过控制使前浮力调节模块7浮力减小，后浮力调节模块13浮力增大。

实施例3：应用实施例1提供的双浮力混合动力大型重载水下航行器进行水下推进定深探测航行。

下潜到目标深度过程：开启下潜模式后，控制模块23发送信号控制姿态调节模块22调整姿态，然后控制前后浮力调节模块7、13使水下航行器总体浮力减小，从而实现下潜；

定深探测巡航过程：当下潜到目标深度后，控制模块23控制搭载的传感器进行信号测量并保存，同时控制姿态调节模块22和十字舵17保证滑翔姿态和航向，使水下航行器始终处于目标深度范围，呈水平航行状态；

上浮过程：当定深探测巡航作业完成后，控制模块23发送命令控制姿态调节模块22调节姿态，并控制前后浮力调节模块7、13使水下航行器总体浮力增大，从而实现上浮，当到达水面后，与路基总控台进行通讯。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，包括艏部总成、中部总成、尾部总成和机翼单元，艏部总成、中部总成、尾部总成从前向后依次连接，其特征在于，所述的艏部总成包括从前向后依次连接的抛缆模块、艏部外壳、艏部连接环和前玻璃钢外壳；所述的抛缆模块与艏部外壳前端通过环向的螺栓固定连接；所述的艏部外壳与前玻璃钢外壳通过艏部连接环连接；所述前玻璃钢外壳内部通过前连接固定块连接有前浮力调节模块；所述抛缆模块内设有缆绳；所述前浮力调节模块能够调节水下航行器的浮力大小，通过与后浮力调节模块协同作业可实现水下航行器的上浮和下潜，并能够辅助调整水下航行器的俯仰姿态；

所述的中部总成包括从前向后依次设置的中舱前连接环、中舱外壳和中舱后连接环，所述中舱外壳内设有电源模块、姿态调节模块和控制模块；其中电源模块给水下航行器提供能源，姿态调节模块能够调节水下航行器的俯仰姿态，控制模块的作用是控制整个水下航行器的运行以及处理和存储传感器探测到的信息；

所述的尾部总成包括后玻璃钢壳体、后连接固定块、机翼、后浮力调节模块、通讯模块、抛载、十字舵和推进器；所述后玻璃钢壳体内通过所述后连接固定块连接有所述后浮力调节模块；所述的通讯模块与后玻璃钢壳体固定连接；所述抛载模块安装于后玻璃钢壳体内的底部；所述后玻璃钢壳体的尾部安装有所述十字舵，用于调整水下航行器的航向；所述推进器安装于尾部总成的尾端，用于向前推进水下航行器；所述后浮力调节模块能够调节水下航行器的浮力大小，通过与前浮力调节模块协同作业可实现水下航行器的上浮和下潜，并能够调整水下航行器的俯仰姿态；

所述的机翼单元包含机翼加紧释放机构和机翼本体，所述机翼加紧释放机构包括电机、联轴器、限位杆、丝母和丝杠；所述电机通过电机法兰安装在后玻璃钢壳体内部，电机输出轴与联轴器一端固联，联轴器的另一端与丝杠输入端固联，丝杠另一端通过转动副连接在后玻璃钢壳体内部，丝母安装于丝杠上，丝母的圆柱状凸起与限位杆的通槽连接，限位杆通过转动副安装在后玻璃钢壳体内部，限位杆上设有凸起结构，机翼本体包含内伸部分和外延部分，内伸部分设有与丝母接触的斜面，所述外延部分上设有与所述凸起结构卡接的凹槽。

2.根据权利要求1所述一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，其特征在于，所述十字舵由水平舵、舵架、垂直舵、活动舵面、弓字连接轴、舵机、舵机固定架、活动舵面连接轴和补偿器组成；所述舵机固定架设置于舵架内并用于固定所述舵机，所述舵机输出轴与弓字连接轴连接，所述水平舵分别连接于舵架水平方向的两侧；所述垂直舵分别连接于舵架垂直方向的两侧；每个所述垂直舵上通过活动舵面连接轴活动连接有活动舵面，每个所述活动舵面连接轴穿过舵架上的轴孔并分别与弓字连接轴的两端相连；所述补偿器通过一根油管与舵机的进油口连接，用于使舵机内部和外部的压力平衡；当舵机旋转时，带动弓字连接轴旋转，弓字连接轴带动两端的活动面连接轴旋转，活动面连接轴带动两个活动舵面旋转；所述十字舵通过调整两个垂直的活动舵面的旋转角度以控制水下航行器的航向。

3.根据权利要求1所述一种具备自弃式机翼的大型水下航行器，其特征在于，所述前浮力调节模块和后浮力调节模块能够同时调节或单独调节，并且能够单独设置浮力调节速度，当两个浮力调节模块调节速度相同时，调节过程不影响水下航行器的姿态，当两个浮力调节模块调节速度不同时，能够影响水下航行器的姿态。

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