CN111824377A - 一种水下航行器安静浮力调节装置 - Google Patents

一种水下航行器安静浮力调节装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水下航行器安静浮力调节装置，其可大大增加浮力调节范围，便于水下航行器的水下探索工作；其包括金属球体，所述金属球体具有开口部，并将相变蜡填充于所述金属球体内，所述金属球体的开口端经金属连接管道后连通有金属圆柱壳体，自所述金属圆柱壳体下部至所述金属连接管道内塞装有一体式的活塞，且所述金属圆柱壳体的直径大于所述金属连接管道的直径。

Description

一种水下航行器安静浮力调节装置
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体为一种水下航行器安静浮力调节装置。
背景技术
水下航行器是一种水下机器人，可满足长时间、大范围海洋探索的需要，而浮力调节机构是它的核心部件，其通过改变机体排开水的体积来达到浮力调节的目的，即主要靠改变外部皮囊的排水体积，来实现整体排水体积的改变，为水下航行器提供动力，通过改变自身净浮力来实现俯仰运动；当水下航行器下潜的时候，浮力调节机构通过增大自身排开水的体积，使得机体的浮力大于机体自身重力，水下航行器就开始上浮；当水下航行器开始上浮的时候，浮力调节机构通过减小自身排开水的体积，使得机体受到的浮力小于机体自身重力，水下航行器开始下潜；水下航行器在水中主要是靠改变自身的浮力来实现上浮与下潜的,因此水下航行器浮力调节机构的研究非常重要，目前成熟的调节浮力方式主要有三种：第一种是海水泵式浮力调节方法；第二种是利用液压泵来改变油囊体积的液压方法。第三种是利用海水层温差能驱动的热机方法，但是上述浮力调节技术普遍存在一些不足：震动噪声大、隐蔽性差、成本比较高、以及浮力调节泵的能耗高续航时间短等。
针对上述不足，现有采用的一项新技术：利用固液膨胀相变蜡实现水下航行器浮力调节，其可利用固液膨胀相变蜡两相转变时的热胀冷缩来调节水下航行器的浮力，具有成本低、浮力调节安静，小隐蔽性能好、续航能力强等优点，然而，在实际工作中，直接将膨胀相变蜡封装入高弹性皮囊中，其体积膨胀量最大只有20％，浮力调节范围受到限制，也制约了膨胀相变蜡在水下航行器上进一步的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水下航行器安静浮力调节装置，其可大大增加浮力调节范围，便于水下航行器长时间的水下探索工作。
其技术方案是这样的：一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：其包括金属球体，所述金属球体具有开口部，并将相变蜡填充于所述金属球体内，所述金属球体的开口端经金属连接管道后连通有金属圆柱壳体，自所述金属圆柱壳体下部至所述金属连接管道内塞装有一体式的活塞，且所述金属圆柱壳体的直径大于所述金属连接管道的直径。
进一步地，所述金属圆柱壳体底部开有放气孔，所述放气孔的直径为
Figure BDA0002614711760000011
进一步地，所述活塞呈T型，所述活塞的上部、下部均套装有密封圈，且分别与所述金属圆柱壳体、金属连接管道内壁密封接触；
进一步地，所述相变蜡受热膨胀相变时，所述相变蜡的体积增大记为ΔV，
即ΔV＝4/3*π*R3*20％＝4/15πR3，其中，R为所述金属球体的半径；
进一步地，所述相变蜡受热膨胀相变后，所述相变蜡膨胀至所述金属连接管道中而引起的所述活塞的高度变化记为Δh，通过ΔV＝πr1 2*Δh＝4/15πR3，得出Δh＝4/15*R3/r1 2，其中，r1为所述活塞小截面端的半径；
进一步地，所述相变蜡受热膨胀相变后，所述活塞升高引起的体积变化，即所述金属圆柱壳体内液体排出的体积记为ΔV排，
则ΔV排＝πr2*Δh＝πr2*4/15*R3/r1 2＝4/15πR3(r/r1)2，其中，r为所述活塞大截面端的半径；
进一步地，所述浮力调节装置的膨胀率为ρ，
且ρ＝ΔV排/ΔV＝(4/15πR3(r/r1)2)/(4/15πR3)＝(r/r1)2；
进一步地，所述相变蜡承受的最大压强为P1，且满足
Pπr2≤P1πr1 2，得到：(r/r1)2≤P1/P，其中，P为所述活塞大截面端受到的压强；
进一步地，所述金属连接管道的体积不小于所述金属球体体积的20％，即满足4/3*π*R3*20％＝4/15πR3≤πr1 2h，
得到r1 2h≥4/15R3，其中，h为所述金属连接管道的高度。
本发明的有益效果是，采用的浮力调节装置，不仅结构简单、成本低、声音小，且相较现有的浮力调节方式，可大大增加浮力调节范围，从而便于水下航行器长时间的水下探索工作，具有较好的经济使用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图(相变蜡未受热膨胀状态)；
图2是本发明的结构示意图(相变蜡受热膨胀状态)。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种水下航行器安静浮力调节装置，其包括金属球体1，金属球体1具有开口部2，并将相变蜡(图中未示出)填充于金属球体1内，金属球体1的开口端经金属连接管道3后连通有金属圆柱壳体4，自金属圆柱壳体4下部至金属连接管道3内塞装有一体式的活塞5，且金属圆柱壳体4的直径大于金属连接管道3的直径。
金属圆柱壳体4底部开有放气孔6，放气孔6的直径为
Figure BDA0002614711760000031
活塞5呈T型，活塞5的上部、下部均套装有密封圈，密封圈分为上密封圈7、下密封圈8，上密封圈7、下密封圈8分别与金属圆柱壳体4、金属连接管道3内壁密封接触。
一般地，相变蜡膨胀率为20％，而在本专利中，相变蜡填充于金属球体1内后，当相变蜡受热膨胀相变时，相变蜡的体积增大记为ΔV，即ΔV＝4/3*π*R3*20％＝4/15πR3，其中，R为金属球体1的半径；
相变蜡受热膨胀相变后，相变蜡膨胀至金属连接管道3中而推动活塞5升高的高度变化记为Δh，通过ΔV＝πr1 2*Δh＝4/15πR3，得出Δh＝4/15*R3/r1 2，其中，r1为活塞5小截面端的半径；
将浮力调节装置置于液体中，由于相变蜡受热膨胀相变后，活塞5升高引起的体积变化，即金属圆柱壳体4内液体排出的体积记为ΔV排，
则ΔV排＝πr2*Δh＝πr2*4/15*R3/r1 2＝4/15πR3(r/r1)2，其中，r为活塞5大截面端的半径，由此，可以看出，排出液体的体积受金属球体1半径及活塞5两头半径比的平方有关；
浮力调节装置的膨胀率为ρ，且ρ＝ΔV排/ΔV＝(4/15πR3(r/r1)2)/(4/15πR3)＝(r/r1)2；虽然膨胀率只与r/r1的比值有关，但实际上还要考虑膨胀相变蜡能够承受的最大压强，则相变蜡承受的最大压强为P1，且满足Pπr2≤P1πr1 2，得到：(r/r1)2≤P1/P，其中，P为活塞5大截面端受到的压强；金属连接管道3的体积不小于金属球体1体积的20％，即满足4/3*π*R3*20％＝4/15πR3≤πr1 2h，得到r1 2h≥4/15R3，其中，h为金属连接管道3的高度。
综上，设金属球体1的半径R为10cm，活塞5小截面端的半径r1＝5cm，P1为90个大气压，P为10个大气压，可以得到h＝11cm，r＝15cm，ρ＝9，从而可以得知采用本专利的浮力调节装置后，体积膨胀率和浮力可以较原来放大9倍。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：其包括金属球体，所述金属球体具有开口部，并将相变蜡填充于所述金属球体内，所述金属球体的开口端经金属连接管道后连通有金属圆柱壳体，自所述金属圆柱壳体下部至所述金属连接管道内塞装有一体式的活塞，且所述金属圆柱壳体的直径大于所述金属连接管道的直径。
2.根据权利要求1所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述金属圆柱壳体底部开有放气孔，所述放气孔的直径为
Figure FDA0002614711750000011
3.根据权利要求1所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述活塞呈T型，所述活塞的上部、下部均套装有密封圈，且分别与所述金属圆柱壳体、金属连接管道内壁密封接触。
4.根据权利要求1所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述相变蜡受热膨胀相变时，所述相变蜡的体积增大记为ΔV，即ΔV＝4/3*π*R3*20％＝4/15πR3，其中，R为所述金属球体的半径。
5.根据权利要求4所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述相变蜡受热膨胀相变后，所述相变蜡膨胀至所述金属连接管道中而引起的所述活塞的高度变化记为Δh，通过ΔV＝πr1 2*Δh＝4/15πR3，得出Δh＝4/15*R3/r1 2，其中，r1为所述活塞小截面端的半径。
6.根据权利要求5所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述相变蜡受热膨胀相变后，所述活塞升高引起的体积变化，即所述金属圆柱壳体内液体排出的体积记为ΔV排，则ΔV排＝πr2*Δh＝πr2*4/15*R3/r1 2＝4/15πR3(r/r1)2，其中，r为所述活塞大截面端的半径。
7.根据权利要求6所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述浮力调节装置的膨胀率为ρ，且ρ＝ΔV排/ΔV＝(4/15πR3(r/r1)2)/(4/15πR3)＝(r/r1)2。
8.根据权利要求7所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述相变蜡承受的最大压强为P1，满足Pπr2≤P1πr1 2，得到：(r/r1)2≤P1/P，其中，P为所述活塞大截面端受到的压强。
9.根据权利要求8所述的一种水下航行器安静浮力调节装置，其特征在于：所述金属连接管道的体积不小于所述金属球体体积的20％，即满足4/3*π*R3*20％＝4/15πR3≤πr1 2h，得到r1 2h≥4/15R3，其中，h为所述金属连接管道的高度。
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