CN111516838A

CN111516838A - 一种仿海豹水下滑翔机

Info

Publication number: CN111516838A
Application number: CN202010333605.8A
Authority: CN
Inventors: 王树新; 刘玉红; 刘书赫; 邓仕晗; 张宏伟; 王延辉; 杨亚楠
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2020-08-11

Abstract

本发明公开一种仿海豹水下滑翔机，滑翔机包括前后导流罩、刚性内壳体、柔性外壳体、浮力调节单元、姿态调节单元、仿生机翼单元、仿生尾部单元、能源单元、主控制单元、导航通讯单元、航向调节单元。本发明给出通过硅橡胶柔性外壳体解决水下滑翔机浮力补偿问题以及安全性较低的问题，通过横向布置排水螺旋桨解决水下滑翔机机动性较差的问题，同时具有低水阻，高空间利用率的特性，且解决方案简单且易于实现，具有较强的可应用性。

Description

一种仿海豹水下滑翔机

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，特别涉及一种具有高机动性与高安全性的仿海豹水下滑翔机。

背景技术

水下生物经过上亿年进化，在推进效率、推进方式、机动性等方面具有超越任何人造水面和水下运载器的优越性。海豹作为生活在两极海域的生物，经进化，海豹具有较强的机动性以及防护性，其身体呈流线纺锤型，头部为椭圆形，四肢变为鳍状，在水下可以实现灵活游动。身体外部有一层厚的皮下脂肪，用于取暖与缓冲撞击。

随着海洋科学的研究越来越深入，水下滑翔机作为一种新型的无人水下航行器，具有噪声小、体积小、质量轻、续航时间长等特点，在全世界范围内得到了广泛的重视。传统水下滑翔机由于多采用基于移动舱内电池包等重物的横滚调节方式来进行航向调节，导致滑翔机转弯半径较大，机动性与灵活性较差。同时，传统水下滑翔机机身、机翼、尾舵通常为碳纤维材质的刚性结构，并且在舱外也设有如高度计、抛载等相关设备，在布放回收过程中或在恶劣航行条件下易收到损伤，安全性较差。另外，由于传统水下滑翔机的刚性耐压壳体的体积压缩率与海水的体积压缩率不匹配，导致水下滑翔机在下潜与上浮过程中产生较大的浮力损失。仿海豹水下滑翔机通过模仿海洋生物海豹，具有与海豹相近的优良水动力外形，通过柔性硅橡胶外壳体可以实现工作中的撞击缓冲以及下潜时的浮力补偿功能，同时采用横向排水的航向调节方式，提高了水下滑翔机的经济性、安全性以及机动性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，解决目前水下滑翔机安全性较低，机动性较差以及存在浮力损失等缺点，提供一种具有刚柔双层壳体的仿海豹水下滑翔机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种仿海豹水下滑翔机，包括由硅橡胶制成的具有海豹外形的柔性外壳体，所述柔性外壳体内从前向后依次设有前导流罩、刚性内壳体、后导流罩和仿生尾部单元。所述刚性内壳体从前向后依次由前端盖、前耐压舱壳体、肋环、后耐压舱壳体和后端盖组成；前耐压舱壳体和后耐压舱壳体共同组成耐压舱，所述耐压舱内安装有浮力调节单元、姿态调节单元、能源单元和主控制单元；所述浮力调节单元位于姿态调节单元上方；所述刚性内壳体的外侧设有仿生机翼单元；所述仿生尾部单元和所述后导流罩内分别安装有导航通讯单元和航向调节单元。

进一步的，所述前导流罩和后导流罩采用ABS材质，为流线型设计；所述的柔性外壳体内部设有充油管路，用于通过充油实现辅助性浮力调节，外形仿照海豹的体型特征灌注成型。

进一步的，所述浮力调节单元包括排气嘴、前油囊、电磁阀、单向阀、齿轮泵、齿轮泵驱动电机、三通管接头、液压油路、油箱和油位拉线传感器。排气嘴设置于前油囊末端；前油囊位于前导流罩内部，安装于前端盖外侧，经前端盖接通液压油路连接于串联的电磁阀及齿轮泵，在齿轮泵另一端由液压油路连接于三通管接头，通过三通管接头分别连接于油箱以及单向阀。油位拉线传感器固连于油箱末端。

进一步的，所述的姿态调节单元包括丝杠导轨、丝杠驱动电机、丝杠电机减速器、滑块。

进一步的，所述的仿生机翼单元，包括两个对称布置的机翼；位于刚性内壳体内部的机翼为碳纤维材质的可动梯形平板机翼，位于刚性内壳体外部的机翼根据NACA0012翼型标准通过硅橡胶灌注成型。

进一步的，所述的仿生尾部单元，包括两个对称布置的由碳纤维材质构成的双关节可动尾鳍，所述导航通讯单元包括铱星天线与无线天线，分别布置于两个可动尾鳍骨架之上。

进一步的，所述能源单元包括三块可充电电源板；所述主控制单元包括主控模块、铱星模块、无线模块和一转二接头。

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.通过尾部横向布置的排水螺旋桨来进行航向调节，减小了转弯半径，提高了滑翔机的机动性。

2.将浮力调节单元与姿态调节单元集成布局，提高了整机的空间利用率。

3.本发明所设计的海豹外形柔性硅橡胶外壳体，具有优良的弹性体性能特征，能够缓冲水下滑翔机在收放以及工作时所受到的刚性冲击与撕刮破坏，提高滑翔机的安全性。

4.本发明所设计的柔性外壳体内部布置有硅橡胶油路，可以利用硅橡胶本身的材质并通过向油路充油，控制整机的排水量，实现浮力补偿。

5.仿海豹水动外形，具有与海豹相近的长径比，充分减小了在水下航行时所受到的阻力。

附图说明

图1为本发明的整体外观示意图。

图2为本发明的内部外观示意图。

图3为本发明的内部结构示意图。

图4为本发明的浮力调节单元结构示意图。

图5为本发明的姿态调节单元结构示意图。

图6为本发明柔性外壳体的硅橡胶包裹层示意图。

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。

如图1～6所示，本发明包括前导流罩2，刚性内壳体、柔性外壳体42、浮力调节单元6、姿态调节单元7、后导流罩16、仿生机翼单元、仿生尾部单元、能源单元9、主控制单元8、导航通讯单元、航向调节单元等。

刚性内壳体从前向后依次由前端盖4、前耐压舱壳体5、肋环11、后耐压舱壳体12和后端盖15组成；本实施例中导航通讯单元由天线23构成，航向调节单元由螺旋桨21和螺旋桨导向体20构成，整体为仿海豹外形的流线型，用于降低滑翔机在运动时的航行阻力。主控制单元8控制浮力调节单元6实现水下滑翔机的浮力大小调节，实现滑翔机的上浮与下潜动作。姿态调节单元7设置于水下集成型滑翔机机身下方以实现水下滑翔机俯仰姿态控制。推进器航向调节单元通过主控制单元8控制驱动螺旋桨21正反转吸排水并经过螺旋桨导向体20导流实现滑翔机的航向调节功能。能源单元9由三块电池板组成，负责整机的电机驱动、信号控制等的能源提供。本实施例中前导流罩2前部和后导流罩16的后部分别填充有前浮力材料1和后浮力材料18。

前导流罩2和后导流罩16采用流线型结构，配合柔性硅橡胶外壳体，减小航行阻力；刚性内壳体，其较长的前耐压舱壳体壁厚的计算过程为：

由于在工程上，根据失稳破坏的情况将承受外压的圆筒分为三类：长圆筒、短圆筒和刚性圆筒。长、短圆筒的判断标准可以按照临界长度L_cr来判定。当圆筒长度L≥L_cr时，P_cr按长圆筒公式进行计算；当圆筒长度L≤L_cr时，P_cr按短圆筒公式进行计算。

其中：D₀为圆筒的外径，δ为圆筒的初始设计的壁厚。

根据结构要求及实际经验，取圆筒外径D₀＝214mm，壁厚δ＝5mm，L＝623mm。

经计算L_cr＝1638mm，L≤L_cr，属于短圆筒。

短圆筒耐压公式：

其中：弹性模量E＝72Gpa，因此求得：

P_cr≈5.345Mpa

即可下潜深度为水下534m，对比实际的工况要求水深200m，可得安全系数为2.67＞2，满足结构设计以及所需工作水深的安全系数要求。因此前后耐压舱壳体均采用5mm壁厚。

浮力调节单元通过主控制单元控制齿轮泵的驱动电机，驱使齿轮泵吸排油，并结合电磁阀的开闭，控制滑翔机外皮囊的油量，调节滑翔机整体浮力的大小。如图4所示，浮力调节单元包括前油囊3、油箱13、油位拉线传感器14、排气嘴24、电磁阀26、齿轮泵驱动电机27、单向阀28、联轴器29、齿轮泵30。排气嘴24设置于前油囊3末端；前油囊3位于前导流罩2内部，安装于前端盖4外侧，经前端盖4接通液压油路连接于串联的电磁阀26及齿轮泵30，在齿轮泵30另一端由液压油路连接于三通管接头31，通过三通管接头31分别连接于油箱13以及单向阀28。油位拉线传感器14固连于油箱13末端。向外排油时，齿轮泵驱动电机27带动通过联轴器29连接的齿轮泵30从油箱13中向外泵油，经单向阀28以及三通管接头25到前油囊3；回油过程通过外界水压挤压外油囊3，同时打开电磁阀26，通过回油管以及三通管接头31回到油箱13中。反复进行两到三次排油与回油过程，使油路内空气都排入前油囊3之中后，打开排气嘴24并挤压前油囊3，可实现油路的完全排气。在油路运作过程中，通过油位拉线传感器14将油箱油位信息反馈给主控制单元8，实现油路的精确控制。

姿态调节单元通过主控制单元8控制驱动传动丝杠的驱动电机33，通过滑块38移动改变滑翔机重浮心相对位置，实现滑翔机的下潜和上浮姿态调节。如图5所示，姿态调节单元包括前端盖4、肋环11、前安装板32、传动丝杠驱动电机33、电机减速器34、联轴器35、传动丝杠固定件A36、传动丝杠37、滑块38、传动丝杠固定件B39、拉线位移传感器10、后安装板40。其中传动丝杠固定件A36固连于前安装板32，并通过传动丝杠37与传动丝杠固定件B39以及后安装板40相互固连，起到前耐压舱整体的拉紧作用。前安装板32与传动丝杠37之间依次安装有传动丝杠驱动电机33、电机减速器34和联轴器35；传动丝杠驱动电机33通过主控制单元8控制，驱动传动丝杠37并带动滑块38移动，调节滑翔机重浮心的相对位置改变，进而实现水下滑翔机俯仰姿态的调节。姿态调节单元7的俯仰姿态调节量通过拉线位移传感器10反馈给主控制单元8进行控制。

仿生机翼单元，布置于机身外侧，内部为碳纤维材质的可动梯形平板机翼，外部通过硅橡胶按照NACA0012翼型标准灌注成型，提高滑翔机的升阻比，进而提高水下滑翔机的经济性。

仿生尾部单元，其尾部将导航通讯单元的铱星天线与无线天线分开布置并分别控制，在铱星天线工作时切断无线天线的信号，在无线天线工作时切断铱星天线的信号，排除二者的互相干扰情况。尾鳍内部为碳纤维材质的可动尾鳍骨架，通过fluent进行水动力学分析计算，选取与水平呈30°夹角的成型角度，并可通过内部骨架进一步调节尾鳍成型后的角度。同时，如图3所示，尾部设有抛载17与高度计19，分别用于机体紧急上浮以及起到防触底功能。

航向调节单元由水平布置的螺旋桨以及集流导向体组成，通过主控制单元控制螺旋桨的正反转实现吸排水的功能，并经过导向体导流，实现喷水航向调节。

如图6所示，柔性外壳体42仿照生物海豹的外形尺寸进行灌注成型。包裹层主体内部设有环形的硅橡胶通油管路41，通过浮力调节单元向其中冲入液压油来控制整机的排水量，达到中性浮力下潜。同时由于硅橡胶优良的弹性体性能特征，能够缓冲水下滑翔机受到的刚性冲击与撕刮破坏。在进行灌注成型时，灌注支撑架22用于在灌注模具中支撑机体。

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

1.一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，包括由硅橡胶制成的具有海豹外形的柔性外壳体。所述柔性外壳体内从前向后依次设有前导流罩、刚性内壳体、后导流罩和仿生尾部单元；所述刚性内壳体从前向后依次由前端盖、前耐压舱壳体、肋环、后耐压舱壳体和后端盖组成；前耐压舱壳体和后耐压舱壳体共同组成耐压舱，所述耐压舱内安装有浮力调节单元、姿态调节单元、能源单元和主控制单元；所述浮力调节单元位于姿态调节单元上方；所述刚性内壳体的外侧设有仿生机翼单元；所述仿生尾部单元和所述后导流罩内分别安装有导航通讯单元和航向调节单元。

2.根据权利要求1所述一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，所述前导流罩和后导流罩采用ABS材质，为流线型设计。所述的柔性外壳体内部设有充油管路，用于通过充油实现辅助性浮力调节，外形仿照海豹的体型特征灌注成型。

3.根据权利要求1所述一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，所述浮力调节单元包括排气嘴、前油囊、电磁阀、单向阀、齿轮泵、齿轮泵驱动电机、三通管接头、液压油路、油箱和油位拉线传感器。排气嘴设置于前油囊末端；前油囊位于前导流罩内部，安装于前端盖外侧，经前端盖接通液压油路连接于串联的电磁阀及齿轮泵，在齿轮泵另一端由液压油路连接于三通管接头，通过三通管接头分别连接于油箱以及单向阀；油位拉线传感器固连于油箱末端。

4.根据权利要求1所述一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，所述的姿态调节单元包括丝杠导轨、丝杠驱动电机、丝杠电机减速器、滑块。

5.根据权利要求1所述一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，所述的仿生机翼单元，包括两个对称布置的机翼；位于刚性内壳体内部的机翼为碳纤维材质的可动梯形平板机翼，位于刚性内壳体外部的机翼根据NACA0012翼型标准通过硅橡胶灌注成型。

6.根据权利要求1所述一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，所述的仿生尾部单元，包括两个对称布置的由碳纤维材质构成的双关节可动尾鳍，所述导航通讯单元包括铱星天线与无线天线，分别布置于两个可动尾鳍骨架之上。

7.根据权利要求1所述一种仿海豹水下滑翔机，其特征在于，所述能源单元包括三块可充电电源板；所述主控制单元包括主控模块、铱星模块、无线模块和一转二接头。