CN113212711A - 一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，属于水下探测设备技术领域，包括前进水单元、前舱单元、后舱单元和后进水单元，前进水单元包括前导流罩、水下环境参数采样传感器和高度计；前舱单元包括前端盖、前耐压壳体、浮力调节模块、声学传感器采样及存储模块、控制模块，后舱单元包括后耐压壳体、后端盖、中部连接环、水平机翼、能源模块以及姿态调节模块，前耐压壳体和后耐压壳体为夹层组合壳体构造，前耐压壳体包括内层陶瓷壳体、中层硅油壳体以及外层超高分子量聚乙烯壳体；后进水舱单元包括后导流罩、深度计、抛载模块、通讯模块、推进器、信标以及上下尾翼。本发明能够满足长时序、大深度、自主连续深渊观测需求。
Description
技术领域
本发明属于水下探测设备技术领域，尤其涉及一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机。
背景技术
作为世界上最深、最神秘的海洋区域，根据联合国教科文组织的划分，海斗深渊是指深度在6500m～11000m的海域。海斗深渊面积尽管只占海洋总面积的1％～2％，但它在深度梯度上的贡献却超过40％，被认为是海洋科学最后一个伟大前沿。深渊海域所蕴含的独特生态系统和生物资源是巨大的宝库，研究深渊有助于人类了解地球生命起源与演化、感知深渊海洋特征、预测地震活动，对海洋生态多样性和环境保护以及资源开发具有重大意义。开拓深渊世界，对维护我国海洋权益有着重大的战略意义和价值。
尽管目前已有多种全海深设备：HROV、ROV、和ARV等，但是当前的深渊观测与浅海相比依然处于初始阶段，这种缓慢和滞后来源于深渊独特复杂的海洋环境对工程技术带来的重大挑战，导致目前全海深潜器造价和实验成本高昂，无法执行长期自主的连续观测。
水下滑翔机是一种新型海洋探测监测装备，具有续航时间长、巡航范围广、成本低、操作简便与智能化程度高等特点，通过搭载不同的任务传感器，可以高效完成多种海洋环境探测与信息收集任务，是潜在的深渊观测有效手段之一，因下潜深度浅，无法实现深渊多要素观测的问题，然而当前尚无水下滑翔机具备深渊观测能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决目前无适用于深渊海域探测的水下航行器问题的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机。
本发明是这样实现的，一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：包括自前至后依次连接的前进水单元、前舱单元、后舱单元和后进水单元，所述前进水单元包括前导流罩、水下环境参数采样传感器和高度计；所述前舱单元包括前端盖、前耐压壳体、浮力调节模块、声学传感器采样及存储模块、控制模块，所述前耐压壳体为与所述前端盖连接的夹层组合壳体构造，所述前耐压壳体包括内层陶瓷壳体、中层硅油壳体以及外层超高分子量聚乙烯壳体；所述后舱单元包括后耐压壳体、后端盖、中部连接环、水平机翼、能源模块以及姿态调节模块，所述后耐压壳体为与所述后端盖连接的夹层组合壳体构造，所述后耐压壳体包括内层陶瓷壳体、中层硅油壳体以及外层超高分子量聚乙烯壳体；所述后进水舱单元包括后导流罩、深度计、抛载模块、通讯模块、推进器、信标以及上下尾翼。
在上述技术方案中，优选的，所述前导流罩与所述前端盖连接；所述水下环境参数传感器包括水听器、水下相机系统以及温盐深传感器。
在上述技术方案中，优选的，所述水听器固定于前导流罩的前部；所述水下相机系统包括水下摄像机以及水下光源，所述水下摄像机以及水下光源分别通过喉箍固定于所述前导流罩的底部并斜向下45度；所述前导流罩的下方设有开孔，所述温盐深传感器通过喉箍固定于前导流罩下方开孔处，且温盐深传感器与机身轴线平行。
在上述技术方案中，优选的，所述前端盖为半球形钛合金壳体；所述浮力调节模块包括内油箱和与内油箱连通的外油囊，所述内油箱通过支架固定在前耐压壳体内部，所述外油囊安装在前导流罩内；所述控制模块与中部连接环固定连接。
在上述技术方案中，优选的，所述外油囊包括外囊体和设于外囊体外侧的外油囊保护罩，所述外油囊通过气阀杆固定于所述前端盖的前部。
在上述技术方案中，优选的，所述后端盖为半球形钛合金壳体；所述中间连接环连接于所述前耐压壳体和后耐压壳体之间。
在上述技术方案中，优选的，所述姿态调节模块包括挡板、导轨、支撑肋板、电池架、横滚电机、摆杆、丝杠电机、角度传感器、拉线传感器以及电池包；所述挡板34固定在后耐压壳体内部；所述导轨的两端分别固定于中部连接环和挡板且横断面为矩形；所述滑套安装在所述导轨上，且可沿导轨活移；所述支撑肋板固定在所述滑套上；所述电池架以可以绕导轨翻转的方式安装在所述滑套上；所述横滚电机固定在所述支撑肋板上，且与所述电池架通过齿轮连接，所述横滚电机用于驱动所述电池架以所述导轨为轴翻转；所述摆杆以可绕所述导轨翻转的方式安装在所述导轨上；所述丝杠电机安装于所述电池架与所述摆杆之间，所述丝杠电机用于驱动所述电池架沿所述导轨活移；所述角度传感器安装在所述支撑肋板上；所述拉线传感器安装在所述电池架上；所述电池包固定在所述电池架上。
在上述技术方案中，优选的，所述抛载模块与所述后端盖固定连接，所述抛载模块由抛载重物以及抛载固定架组成；所述通讯模块固定于后导流罩上，所述通讯模块包括天线球舱、天线杆、铱星模块、无线模块、铱星&GPS&无线天线；所述推进器固定于后导流罩末端中心位置；所述信标固定于后导流罩；所述上下尾翼固定于后导流罩。
本发明的优点和效果是：
本发明所公开的水下航行机搭载适用于深渊海域多要素观测的传感器，具备更好的压力承载能力，可进行深海潜行。能够满足长时序、大深度、自主连续深渊观测需求，填补目前无适用于深渊海域潜航器的技术空白。
附图说明
图1为本发明的外部结构示意图；
图2为本发明中前进水单元的剖视结构示意图；
图3为本发明中前耐压壳体和后耐压壳体的剖视结构示意图；
图4为本发明中浮力调节模块的结构示意图；
图5为本发明中姿态调节模块的结构示意图；
图6为本发明中后进水单元的剖视结构示意图。
图中、1、前进水单元；1-1、前导流罩；1-2、水听器；1-3、水下相机系统；1-4、温盐深传感器；2、前舱单元；2-1、前端盖；2-2、前耐压壳体；2-2-1、内层陶瓷壳体；2-2-2、中层硅油壳体；2-2-3、外层超高分子量聚乙烯壳体；2-3、浮力调节模块；2-3-1、内油箱；2-3-2、外囊体；2-3-3、外油囊保护罩；2-3-4、液压管路；3、后舱单元；3-1、后耐压壳体；3-2、后端盖；3-3、中部连接环；3-4、水平机翼；3-5、姿态调节模块；3-5-1、挡板；3-5-2、导轨；3-5-3、支撑肋板；3-5-4、电池架；3-5-5、横滚电机；3-5-6、摆杆；3-5-7、丝杠电机；3-5-8、角度传感器；3-5-9、拉线传感器；3-5-10、电池包；4、后进水单元；4-1、后导流罩；4-2、深度计；4-3、推进器；4-4、信标；4-5、上下尾翼；4-6、抛载重物；4-7、抛载固定架；4-8、天线球舱；4-9、天线杆；4-10、铱星&GPS&无线天线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
为解决目前无适用于深渊海域探测的水下航行器的问题，本发明特提供一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，本水下滑翔机能够满足长时序、大深度、自主连续深渊观测需求，适用于深海观测。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：
请参阅图1，一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，包括自前至后依次连接的前进水单元1、前舱单元2、后舱单元3和后进水单元4。前进水单元1、前舱单元2、后舱单元3和后进水单元4构成水下滑翔机的主体机身。
请参阅图2，前进水单元1包括前导流罩1-1、水下环境参数采样传感器和高度计。水下环境参数传感器包括水听器1-2、水下相机系统1-3以及温盐深传感器1-4。
水听器1-2固定于前导流罩1-1的前部，具体的，水听器1-2通过4个螺钉固定于前导流罩1-1的前部。水下相机系统1-3包括水下摄像机以及水下光源，水下摄像机以及水下光源分别通过喉箍固定于前导流罩1-1的底部并斜向下45度。前导流罩1-1的下方设有开孔，温盐深传感器1-4通过喉箍固定于前导流罩1-1下方开孔处，且温盐深传感器1-4与机身轴线平行。水下环境参数采样传感器能够在水下滑翔机下潜和上浮过程中进行环境参数的观测。高度计、水听器1-2、水下相机系统1-3以及温盐深传感器1-4为现有常规已知器件。
请参阅图3，前舱单元2包括前端盖2-1、前耐压壳体2-2、浮力调节模块2-3、声学传感器采样及存储模块、控制模块。前端盖2-1与前导流罩1-1与连接，具体的，前导流罩1-1与前端盖2-1通过环向的16个螺钉紧固连接。
前端盖2-1为半球形钛合金壳体，其凸球面向前，其上开孔为供电和信号传输提供密封的穿舱接口。前耐压壳体2-2为与前端盖2-1连接的夹层组合壳体构造，前耐压壳体2-2包括内层陶瓷壳体2-2-1、中层硅油壳体2-2-2以及外层超高分子量聚乙烯壳体2-2-3，内层陶瓷壳体2-2-1的前端通过螺钉密封连接前端盖2-1，在内层陶瓷壳体2-2-1的外壁利用螺钉圆周方向固定若干固定块，外层超高分子量聚乙烯壳体2-2-3的内部连接固定块，实现外层超高分子量聚乙烯壳体2-2-3与内层陶瓷壳体2-2-1的连接。外层超高分子量聚乙烯壳体2-2-3与内层陶瓷壳体2-2-1之间形成与前导流罩1-1连通的可进水的环形腔，此环形腔内中环向填装若干中层硅油壳体2-2-2，中层硅油壳体2-2-2包括聚乙烯材质的外层壳体以及内部的硅油，中层硅油壳体2-2-2在水压的作用下实现压力补偿。该方式能够起到承载深渊静水压力、补偿深渊密度引起的浮力变化以及抵抗外部冲击的作用。前耐压壳体2-2的前端部通过8个螺钉与前端盖2-1固定连接。
后舱部3分包括后耐压壳体3-1、后端盖3-2、中部连接环3-3、水平机翼3-4、能源模块以及姿态调节模块3-5。后端盖3-2为半球形钛合金壳体，其凸球面向后。后耐压壳体3-1与前耐压壳体构造相同，后耐压壳体3-1为与后端盖3-2连接的夹层组合壳体构造，后耐压壳体3-1包括内层陶瓷壳体、中层硅油壳体以及外层超高分子量聚乙烯壳体。两内层陶瓷壳体中间密封固定中部连接环3-3、前端盖2-1、后端盖3-2、和两内层陶瓷壳体构成密封的耐压仓，两外层超高分子量聚乙烯壳体构成滑翔机的中部外侧壳体。后耐压壳体3-1的环形腔与后导流罩连通。
后耐压壳体3-1的后端部通过8个螺钉与后端盖3-2固定连接。前端盖2-1和后端盖3-2分别通过螺钉固定连接在前耐压壳体2-2的前端和后耐压壳体3-1的末端。前耐压壳体2-2和后耐压壳体3-1通过中间连接环3-3连接，形成密闭的腔体，为滑翔机内部非承压元器件提供稳定的内部环境。
水平机翼3-4是碳纤维平板翼，在中部连接环3-3和后端盖之间固定机翼固定架，机翼固定架位于机身外侧，水平机翼3-4通过4个螺钉固定于机翼固定架，为水下滑翔机锯齿形运动提供升力及升力矩。
请参阅图4，浮力调节模块2-3包括内油箱2-3-1和与内油箱2-3-1连通的外油囊，内油箱2-3-1通过支架固定在前耐压壳体2-2内部，外油囊安装在前导流罩1-1内。外油囊包括外囊体2-3-2和设于外囊体2-3-2外侧的外油囊保护罩2-3-3。外油囊通过气阀杆固定于所述前端盖2-2的前部。内油箱2-3-1通过支撑架固定连接到前端盖2-1上，液压管路2-3-4将外囊体2-3-2和内油箱2-3-1连通，通过改变外囊体2-3-2体积大小实现混合驱动水下滑翔机上浮和下潜。外油囊通过气阀杆连接到前端盖2-1上。外囊体由柔软的橡胶材料制成，外油囊保护罩起到防止外油囊受到外界伤害的作用。
所述控制模块与中部连接环3-3固定连接。声学传感器采样及存储模块和控制模块为常规已知功能模块，具体的，控制模块通过框型支架和4个螺钉与中部连接环3-3固定连接，负责水下滑翔机整机的任务分配和管理、指令传输、能源交互以及应急处理。声学传感器采样及存储模块通过连接板和2个螺钉固定在浮力调节模块内油箱2-3-1上部，进行声学采样期间的数据存储和处理。
能源模块由两块电池包构成，为整机系统提供能源供应。进一步的，该能源模块具备短路保护功能，并由部分电源作为备用电源，以保障能源供应的可靠性。
请参阅图5，姿态调节模块3-5包括挡板3-5-1、导轨3-5-2、支撑肋板3-5-3、电池架3-5-4、横滚电机3-5-5、摆杆3-5-6、丝杠电机3-5-7、角度传感器3-5-8、拉线传感器3-5-9以及所述电池包3-5-10。
挡板3-5-1固定在后耐压壳体3-1内部，具体的，挡板3-5-1通过固定片固定在后耐压壳体3-1内。导轨3-5-2的两端分别固定于中部连接环3-3和挡板3-5-1且横断面为矩形。滑套安装在导轨3-5-2上，且可沿导轨3-5-2活移，具体的，滑套具有与导轨3-5-2适配的滑孔，通过此滑孔配装于导轨3-5-2之上，实现滑套在导轨3-5-2上活移。支撑肋板3-5-3固定在滑套上，即在滑套的端部通过螺钉固定支撑肋板3-5-3。电池架3-5-4以可以绕导轨3-5-2翻转的方式安装在滑套上。即在滑套的外侧套装轴承，电池架3-5-4通过轴承配装于滑套上，电池架3-5-4可以导轨3-5-2为轴实现翻转。横滚电机3-5-5固定在支撑肋板3-5-3上，且与电池架3-5-4通过齿轮连接，具体的。横滚电机3-5-5用于驱动电池架3-5-4以导轨3-5-2为轴翻转。具体的，在电池架3-5-4上安装以导轨3-5-2为轴心的大齿轮，在横滚电机3-5-5的输出轴上安装与大齿轮啮合的小齿轮，以此实现横滚电机3-5-5对电池架3-5-4的翻转驱动。摆杆3-5-6以可绕所述导轨3-5-2翻转的方式安装在所述导轨3-5-2上，具体的，在导轨3-5-2靠近挡板3-5-1的端部固定套体，此套体为固定套体，套体的外圆周套装轴承，摆杆3-5-6的端部套装于此轴承外圈，摆杆3-5-6可以导轨3-5-2为轴翻转。丝杠电机3-5-7安装于电池架3-5-4与摆杆3-5-6之间，丝杠电机3-5-7用于驱动电池架3-5-4沿导轨3-5-2活移。丝杠电机3-5-7是具备电机本体和丝杠的常规已知部件，电机本体通过螺钉固定在电池架3-5-4上，丝杠的端部通过螺钉固定在摆杆3-5-6上。角度传感器3-5-8安装在支撑肋板3-5-3上。拉线传感器3-5-9安装在电池架3-5-4上，角度传感器3-5-8检测电池包3-5-10旋转角度用以进行横滚姿态的反馈控制；拉线传感器3-5-9用来检测电池包3-5-10相对于导轨3-5-2的位移量进行俯仰姿态的反馈控制。角度传感器3-5-8和拉线传感器3-5-9的结构以及工作方法为常规已知技术。电池包3-5-10固定在电池架3-5-4上，本实施例中，电池包3-5-10采用前后设置的双电池包设计，即包括前电池包和后电池包，双电池包位于水下滑翔机的机体轴线上，进一步的，双电池包具有相同的质量和偏心率，沿导轨3-5-2移动时为一个整体，旋转时可以同向或者反向旋转，因此可实现全角度俯仰角和横滚角调节。
请参阅图6，后进水舱单元4包括后导流罩4-1、深度计4-2、抛载模块、通讯模块、推进器4-3、信标4-4以及上下尾翼4-5。深度计4-2、抛载模块、通讯模块、推进器4-3、信标4-4均为常规已知模块和部件。
抛载模块与所述后端盖3-2固定连接，抛载模块由抛载重物4-6以及抛载固定架4-7组成，用于紧急故障保护和特殊任务的快速上浮。通讯模块固定于后导流罩4-1上，通讯模块包括天线球舱4-8、天线杆4-9、铱星模块、无线模块、铱星&GPS&无线天线4-10。天线球舱4-8由铝合金制成，能够承载深渊静水压力。推进器4-3固定于后导流罩4-1末端中心位置。信标4-4固定于后导流罩4-1，作为备用通讯提高通讯可靠性和水下滑翔机生命力。上下尾翼4-5固定于后导流罩4-1，用于稳定水下滑翔机航向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：包括自前至后依次连接的前进水单元(1)、前舱单元(2)、后舱单元(3)和后进水单元(4)，所述前进水单元(1)包括前导流罩(1-1)、水下环境参数采样传感器和高度计；所述前舱单元(2)包括前端盖(2-1)、前耐压壳体(2-2)、浮力调节模块(2-3)、声学传感器采样及存储模块、控制模块，所述前耐压壳体(2-2)为与所述前端盖(2-1)连接的夹层组合壳体构造，所述前耐压壳体(2-2)包括内层陶瓷壳体(2-2-1)、中层硅油壳体(2-2-2)以及外层超高分子量聚乙烯壳体(2-2-3)；所述后舱单元(3)包括后耐压壳体(3-1)、后端盖(3-2)、中部连接环(3-3)、水平机翼(3-4)、能源模块以及姿态调节模块(3-5)，所述后耐压壳体(3-1)为与所述后端盖(3-2)连接的夹层组合壳体构造，所述后耐压壳体(3-1)包括内层陶瓷壳体、中层硅油壳体以及外层超高分子量聚乙烯壳体；所述后进水舱单元(4)包括后导流罩(4-1)、深度计(4-2)、抛载模块、通讯模块、推进器(4-3)、信标(4-4)以及上下尾翼(4-5)。
2.根据权利要求1所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述前导流罩(1-1)与所述前端盖(2-1)连接；所述水下环境参数传感器包括水听器(1-2)、水下相机系统(1-3)以及温盐深传感器(1-4)。
3.根据权利要求2所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述水听器(1-2)固定于前导流罩(1-1)的前部；所述水下相机系统(1-3)包括水下摄像机以及水下光源，所述水下摄像机以及水下光源分别通过喉箍固定于所述前导流罩(1-1)的底部并斜向下45度；所述前导流罩(1-1)的下方设有开孔，所述温盐深传感器(1-4)通过喉箍固定于前导流罩(1-1)下方开孔处，且温盐深传感器(1-4)与机身轴线平行。
4.根据权利要求1所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述前端盖(2-1)为半球形钛合金壳体；所述浮力调节模块(2-3)包括内油箱(2-3-1)和与内油箱(2-3-1)连通的外油囊，所述内油箱(2-3-1)通过支架固定在前耐压壳体(2-2)内部，所述外油囊安装在前导流罩(1-1)内；所述控制模块与中部连接环(3-3)固定连接。
5.根据权利要求4所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述外油囊包括外囊体(2-3-2)和设于外囊体(2-3-2)外侧的外油囊保护罩(2-3-3)，所述外油囊通过气阀杆固定于所述前端盖(2-1)的前部。
6.根据权利要求1所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述后端盖(3-2)为半球形钛合金壳体；所述中间连接环(3-3)连接于所述前耐压壳体(2-1)和后耐压壳体(3-2)之间。
7.根据权利要求6所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述姿态调节模块(3-5)包括挡板(3-5-1)、导轨(3-5-2)、支撑肋板(3-5-3)、电池架(3-5-4)、横滚电机(3-5-5)、摆杆(3-5-6)、丝杠电机(3-5-7)、角度传感器(3-5-8)、拉线传感器(3-5-9)以及电池包(3-5-10)；
所述挡板(3-5-1)固定在后耐压壳体(3-1)内部；
所述导轨(3-5-2)的两端分别固定于中部连接环(3-3)和挡板(3-5-1)且横断面为矩形；
所述滑套安装在所述导轨(3-5-2)上，且可沿导轨(4-5-2)活移；
所述支撑肋板(3-5-3)固定在所述滑套上；
所述电池架(3-5-4)以可以绕导轨(3-5-2)翻转的方式安装在所述滑套上；
所述横滚电机(3-5-5)固定在所述支撑肋板(3-5-3)上，且与所述电池架(3-5-4)通过齿轮连接，所述横滚电机(3-5-5)用于驱动所述电池架(3-5-4)以所述导轨(3-5-2)为轴翻转；
所述摆杆(3-5-6)以可绕所述导轨(3-5-2)翻转的方式安装在所述导轨(3-5-2)上；
所述丝杠电机(3-5-7)安装于所述电池架(3-5-4)与所述摆杆(3-5-6)之间，所述丝杠电机(3-5-7)用于驱动所述电池架(3-5-4)沿所述导轨(3-5-2)活移；
所述角度传感器(3-5-8)安装在所述支撑肋板(3-5-3)上；
所述拉线传感器(3-5-9)安装在所述电池架(3-5-4)上；
所述电池包(3-5-10)固定在所述电池架(3-5-4)上。
8.根据权利要求1所述的面向深渊观测的混合驱动水下滑翔机，其特征在于：
所述抛载模块与所述后端盖(3-2)固定连接，所述抛载模块由抛载重物(4-6)以及抛载固定架(4-7)组成；
所述通讯模块固定于后导流罩(4-1)上，所述通讯模块包括天线球舱(4-8)、天线杆(4-9)、铱星模块、无线模块、铱星&GPS&无线天线(4-10)；
所述推进器(4-3)固定于后导流罩(4-1)末端中心位置；
所述信标(4-4)固定于后导流罩(4-1)；
所述上下尾翼(4-5)固定于后导流罩(4-1)。
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