CN113479308B - 超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，包括壳体、壳底、尾翼，三部分外表面均经过激光加工，从而具备超疏水特性；壳体由前端的半球头部与位于所述半球头部后的圆柱段构成，半球头部最前端为一圆形平面；壳底固定连接在壳体后部，为圆台形状，圆台大圆一面与所述壳体连接，另在圆台小圆上，即所述壳底后部有个具有一定长度和厚度的圆环；尾翼固定连接在壳底上，其厚度从连接平面到外缘递减，垂直于所述壳体平台中心轴线的截面形状为等腰三角形，侧面为平整平面。该无人潜航器具有良好的减阻特性，使其在水中移动时所受阻力大大降低，从而具备更远的航程；且本发明制造简单，成本低廉，适合大范围使用。

Description

超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台

技术领域

本发明属于水下无人潜航器技术领域，特别是一种超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台。

背景技术

近几十年随着技术迅速发展，人类的活动范围从陆地拓展至太空和海洋。人类对海洋逐步深入的探索决定了对装备的更高需求。早期人类涉足海洋时携带的种种装备现在看来更多都像是简易替补产品，难以胜任日后大规模、更深入的探索工作。目前人类有越来越多的例如打捞沉船、探测矿物的水下工程展开，这更是要求水下装备需要成为一种规模化、标准化产品。水下探测和作业不同于潜水活动，潜入水下后还需要一定的照明、侦察、探测设备辅助才能完成。例如水下能见度低远处水域需要照明，水下状况复杂人难以前进的地方需要侦察，遇到鲨鱼等凶猛鱼类需要散布药剂驱赶掩护撤退等。从这些用途可以看出水下辅助装备载体都需要具备航程远、航速慢的特点，如此多种类的装备如果有一个通用载体更适合大规模使用。而具有表面超疏水特性的微型多用途水下无人潜航器壳体平台恰能符合这些要求，超疏水表面可以大大减小流动阻力，使航行速度衰减缓慢，壳体平台加装内部装置后即可用于各种用途。

超疏水表面物体与水接触时具备十分优异的减阻特性，因其表面与液体之间会出现固液界面滑移现象，所以不存在具有极大黏滞阻力的边界层。目前的研究结果表明，要使材料具备超疏水性能优异的表面，需要两个必备条件：一是材料的化学性质表现为拥有较低的表面能，二是微观下材料表面拥有特殊的复杂结构。因而使某种材料表面具有超疏水特性有两种主要途径：对于低表面能的材料，只需在其表面构造出微观粗糙结构；而当材料表面能较高时，除在其表面制作出粗糙结构外，还要用低表面能材料对其表面进行修饰覆盖。对于许多具有高表面能的金属材料第二种方法更为合适。

目前制造超疏水表面的方法主要有三种，分别为模板法、电化学方法和光刻方法，这些方法都有其不足之处。模板法需事先浇铸带有微观表面结构的模板，工序复杂，而且不同表面结构需要不同模板，成本较高；电化学方法需要苛刻的加工环境并涉及许多的化学品，导致其生产效率低且会引起环境污染；光刻方法需要精密的加工设备，成本高昂且效率低下。在水下作业领域，标准化的水下装置载体尚属空白，虽然已有一些用于照明和侦察的装备出现但大都是聊胜于无的替补产品，无法用于大规模装备和更多的探索需求，遑论成为一种标准化产品了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，使用该壳体的无人潜航器在水下航行过程中具备航速低、航程远、航迹稳定的特点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，包括壳体、壳底、尾翼，三部分外表面均经过激光加工，从而具备超疏水特性；所述壳体由前端的半球头部与位于所述半球头部后的圆柱段构成，所述半球头部最前端为一圆形平面；所述壳底固定连接在所述壳体后部，为圆台形状，圆台大圆一面与所述壳体连接，另在圆台小圆上，即所述壳底后部有个具有一定长度和厚度的圆环；所述尾翼固定连接在所述壳底上，其厚度从连接平面到外缘递减，垂直于所述壳体平台中心轴线的截面形状为等腰三角形，侧面为平整平面。

进一步的，所述壳体、壳底、尾翼经过激光加工，从而形成超疏水表面，加工所用激光束为脉冲宽度为1ns～100ns的纳秒激光，加工方法为用能量密度在1000～5000W/cm²范围内的激光束在所述壳体平台整体表面按从前到后的顺序，先壳体后尾翼将表面匀速扫描一遍，整个扫描过程中激光强度恒定不变。

进一步的，加工时激光束垂直照射于潜航器壳体表面。

进一步的，在所述壳底圆台侧面一周上均匀分布四个用于连接所述尾翼的平面，所述尾翼与之连接的相应部分也是平面。

进一步的，整个潜航器壳体为一中间带有关于潜航器中心轴对称的空腔的均质薄壁壳体，壁厚处处相等。

进一步的，所述壳体圆柱部分内部空腔直径0.9D，圆柱部分长1.5D，D为所述壳体圆柱部分外部直径；所述壳体半球头部最前端为圆形平面直径0.2D。

所述壳底后部小圆直径0.5D；所述无人潜航器整体全长3.2D。

所述尾翼底面等腰三角形底边宽0.075D，高0.375D，与所述壳底圆环底面齐平，底面外缘平直延伸至所述壳体与所述壳底连接处圆周上。

所述壳底后部有个具有一定长度和厚度的圆环，用于安装动力与转向装置或连接于发射装置，所述圆环长度0.125D，厚度与所述壳体与壳底壁厚相等。

进一步的，所述壳体、壳底、尾翼由铝直接铸造而成，经过激光扫描后表面形成AI₂O₃层，并且氧化铝层在微观上呈现条状结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明的水下无人潜航器壳体平台使多种水下作业辅助装置拥有一个标准化载体，为水下辅助装置的制造、发展甚至研究提供了一个有利平台；

(2)激光加工很容易实现壳体平台超疏水表面的流水线化加工生产，使这种装置加工效率大为提高，生产成本大大降低；

(3)本发明的壳体平台中间空腔体积较大，便于装载各种装置作为内部构造，且装载时可以控制整体重量使其整体密度与水相等或尽可能接近于水，如此潜航器出发后能在水下沿直线航行；

(4)壳体平台上经激光加工而成的超疏水表面能使水下无人潜航器获得较好的减阻性能，出发或发射后具有较远的航程；

(5)加工使用的原材料是铝，替补材料为透明树脂，这都是十分寻常的材料，有利于大批量生产；铝是便于加工的材料，若有不同的需求可进一步机械加工成需要的形状构造，树脂补件可直接铸造而成，壳体平台可适用于各种用途，也具有较大的改造和发展空间；

(6)使用该壳体平台的水下无人潜航器可根据任务需要决定是否自带动力，因此可以设计为一次性的或回收使用的，实际应用中很具有灵活性；

(7)壳体平台前端带有圆平面，后部带有尾翼，可使无人潜航器在水中航行平稳；

(8)壳体平台尾部带有圆环，方便安装推进及转向装置，或是连接发射装置，使用方便。

附图说明

图1是本发明的水下无人潜航器壳体平台整体表面三视图

图2是本发明的水下无人潜航器壳体平台中心轴剖面结构示意图。

图3是激光加工水下无人潜航器壳体平台表面生成的氧化铝条状结构。

图4是接触角θ示意图。

图5是Wenzel模型中超疏水表面示意图。

图6是Cassie-Baxter模型中超疏水表面示意图。

图7是水下无人潜航器壳体超疏水表面边界层分布与表面微观构造示意图。

具体实施方式

本发明提出一种超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，该壳体平台外表面使用激光加工技术进行表面处理，整体以铝为制造材料，宏观上外表平整无构造，内部有很大空腔用以承载各类装置，尾部有凹口用于安装动力与转向装置或连接于使用压缩空气发射的发射装置。该壳体平台内部可搭载用于照明、探测、侦察、标记水域等各种用途的仪器设备，以适应水下探索及水下作业的不同需求。为了适用于不同用途下的各种功能，该壳体平台可根据具体需要另外再做钻孔一类的加工，如因用途需要壳体需用透明部件，可用透明树脂为材料的部件替换，透明树脂部件可直接铸造成型。该壳体平台整体壁厚均匀，尾部均匀分布四个尾翼以保持航行轨迹稳定。壳体外表面具有复杂的微观表面结构形貌，水在接触其表面时会因自身张力形成水珠而被排斥，因此表现出疏水性。这种性能能够使无人潜航器具有良好的减阻特性，使其在水中移动时所受阻力大大降低，从而具备更远的航程。疏水物体在自然界中十分普遍，研究表明它们的疏水特性来自于其微观下粗糙表面的复杂分级结构，这种结构能对水产生很大的接触角和很小的滚动角。利用激光加工技术在铝材料表面制作出同样的分级结构，并且做的更细密、更复杂，具有这种外表的水下无人潜航器也就具备了超疏水性。本发明的微型多用途水下无人潜航器壳体平台因其具备可在低速状态下长距离航行的特点可成为多种用途设备的通用承载体，用于各种水下行动。

使用该壳体的无人潜航器在水下航行过程中具备航速低、航程远、航迹稳定的特点；无人潜航器的运行方式可选择自带动力及转向装置或是直接发射出去。该壳体平台制造方便，加工过程简单，总成本较为低廉。

下面对本发明的技术方案进行详细说明。

一种拥有表面超疏水特性的微型多用途水下无人潜航器壳体平台，其外表全部被超疏水表面覆盖，宏观下表面平整无特殊构造，内部为沿整体中心轴对称空腔，壳体平台本身为均质壳体，壁厚处处相等。如图1、图2所示，外形上分为壳体1、壳底2、尾翼3三部分。壳体1由前端的半球头部与位于所述半球头部后的圆柱段构成，所述半球头部最前端为一圆形平面；所述壳底2呈圆台形，外表带有用于连接尾翼3的平面；所述尾翼3外缘为棱锥形，与所述壳底2等长，共4个均匀分布在所述壳底2四周。

可选的，所述壳体1、壳底2、尾翼3这三部分都由铝直接铸造而成，而后车床预加工外表面，去除外表面毛刺等杂质，使其表面平整。

所述预加工好的壳体1、壳底2、尾翼3确定其具体用途，若因用途需要其形状构造需钻孔、刻槽之类的进一步机械加工，则进行另外的机械加工，若不需要则直接进入下一步。

可选的，完成预加工的壳体1、壳底2、尾翼3通过焊接的方式固定连接在一起，装入内部仪器设备后壳底2焊接在壳体1后部，尾翼3焊接在壳底2预留连接平面上。

将连接好的整个水下无人潜航器先后用丙酮或酒精等有机溶剂、而后用蒸馏水清洗表面，然后在氮气中晾干待后续加工。

所述待加工水下无人潜航器放置在激光系统加工平台上，加工用激光为线偏振光，其脉冲频率与波长为固定值，脉冲频率选择范围在10⁴～10⁶Hz之间，波长在300～400nm的紫光与近紫外光范围之间，加工时激光束垂直照射于潜航器壳体表面。

所述激光按一定能量密度和速率扫描潜航器壳体表面，激光束与所述潜航器壳体表面接触光点的直径大小约为1～2mm，扫描顺序按先头部后壳身再尾翼的顺序逐行扫描，最后扫描尾部，能量密度控制在10³～10⁴W/cm²量级，扫描速率为10～20mm/s之间的任一值。

所述水下无人潜航器经过激光扫描后表面形成三氧化二铝(AI₂O₃)层，并且氧化铝层在微观上呈现条状结构，如图3所示。

所述壳体可根据具体用途进一步加工，例如钻孔、刻槽等，也可根据需要使用铸造而成的透明树脂部件。

由牛顿第一定律，即惯性定律可知力是改变物体运动状态的因素，不受力的物体将会保持静止或匀速直线运动。因此要使水下无人潜航器能够低速远距离航行，必须使其在水中尽可能处于受力平衡的状态，无论是自带动力还是压缩空气发射，速度大小对航程远近并没有决定性的影响。不考虑流场扰动的情况下水中航行的潜航器所受的力只有三个：浮力、重力、水的阻力。壳体平台主体材料选用铝，一是因为铝具有很好的加工性，二是因为铝的密度较低不会使整体过重。考虑到具体使用时用途不同，有些地方需要用到透明材料，例如用于照明就需要透明壳底、用于侦察则需要透明前端安置镜头，因此选用透明树脂作为替补材料可用于不同用途下的改装，而且树脂材料具有成型能力较好的特点。内部预留大体积空腔就是为了方便承载内部装置和调整整体密度，达到重力与浮力的平衡。无人潜航器水下航行时阻力包括两部分：壳体几何外形造成的阻力和水流过外表面的黏滞阻力。几何外形造成的阻力无法大幅降低，内部需要装置设备仪器注定了不能是长杆形外形，航行时航线稳定是首要前提，所以需要前端平面减少涡流扰动对头部造成的影响，也需要尾翼保持航行时不翻滚。但流体黏滞阻力却是可以大幅减少的，超疏水表面的黏滞阻力很低，若是外表面完全由超疏水表面覆盖，整体阻力就会大大减少，其受力可接近于平衡状态。可见要让水下无人潜航器具有低速远航程的特点主要是要将壳体外表面加工成超疏水表面，为了便于大批量加工，简化加工工序，表面加工适合用激光加工的方式。

由于连续激光照射材料表面时主要作用是热作用，因此若想在材料表面缔造微观结构必须要用短波长、短脉冲的激光束。脉冲激光加工可以利用材料对超短时间激光的非线性吸收效应，达到远小于激光聚焦光斑尺寸的加工精度，创造最为精制细密的微观表面结构。同时因为加工时激光作用时间短，加工过程中的热效应极低，所以弹体加工质量较高。加工所用脉冲激光一般波长在紫外光范围内，脉冲宽度在纳秒级别，扫描速度为几毫米每秒，如需要可重复扫描，能量密度保持为一数值较低的固定值。

水下无人潜航器壳体平台主体用的铝(AI)是一种活泼金属，未加工前其表面呈银白色。激光加工过程是一个促进其表面氧化的过程，且会加厚氧化铝(AI₂O₃)层的厚度。自然形成的氧化铝层厚度为几纳米，而经过激光加工的厚度在十纳米以上。加工形成的氧化铝层呈灰色，且具有微观下的条纹，条纹深度和宽度一般都是几十微米，相邻条纹之间间距一般约上百微米，其具体数值大小和数量级由激光参数和具体加工过程决定。正是这种带有条纹的表面氧化铝层让壳体平台具有了超疏水性，并且在移动时具有较为明显的减阻特性。透明树脂是一种低表面能的材料，本身不易与周围环境发生反应，也不易变形，直接使其表面具有同样的超疏水微观构造即可，所以可以直接铸造成型。

本发明的超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台表面疏水原理为：

衡量一种材料表面是亲水性或是疏水性的参数有两个，分别是接触角θ和滚动角θ_s。接触角θ指的是在固液气三相的交界处液滴边缘的切线与固液之间水平交界线之间的夹角，如附图4所示。滚动角θ_s指的是液滴所在平面倾斜到一定角度时液滴开始从平面上滚落，这一时刻液滴所在平面与水平面之间夹角就是滚动角。疏水性越强的材料接触角越大，滚动角越小，微观下材料表面的液滴形状越接近于球形。当接触角θ＜90°时材料表面为亲水性，当θ＞90°时为疏水性，当θ＞150°时材料表面即为超疏水性。

由于现实中任何物体表面微观下都会存在一定的凹凸不平，超疏水材料的理论研究发展了两种理论模型。一种理论认为液滴与材料接触时液滴接触部分完全浸润在表面结构内部，表面结构增加了液滴与材料的接触面积，该模型被称为Wenzel模型，液滴与材料的分布如图5所示。另一种理论认为两者接触时液滴悬浮在微观结构表面，仅与结构表面的突出部分接触，可以看作是被架在微观结构上，该模型被称为Cassie-Baxter模型，液滴与材料的分布如图6所示。这两种模型代表了不同类型的超疏水状态，在一定条件下这两种状态是可以实现转变的。假设超疏水表面微观形貌构造为整齐排列的柱状凸起，如果柱间距较小超疏水表面就是Cassie-Baxter状态，随着柱间距的不断增大，超疏水表面会从Cassie-Baxter状态向Wenzel状态转变。在Wenzel模型中由于液滴与材料表面充分接触，因而不易发生滚动，该类型表面被称为黏着性超疏水表面。在Cassie-Baxter模型中液滴被架在柱状凸起上，只要表面稍微倾斜一定角度液滴即可发生滚动，该类型的表面被称为滚动性超疏水表面。通过两者之间比较可知对于平整表面而言微观下构造更复杂的材料其表面液滴会有更小的滚动角。另外在Wenzel模型中由于液滴与材料的实际接触面积大于表观接触面积，且表观接触角与本征接触角之间关系为：

cosθ^*＝r·cosθ_e

式中：θ_e是本征接触角，θ^*是实际表观接触角，r为表面粗糙因子；在所有情况下r的值总是大于1。

所以对于疏水材料(θ＞90°)而言表面越粗糙其疏水性越强，对于亲水材料(θ＜90°)而言表面越粗糙其亲水性越强。因此增加材料表面微观构造复杂程度，或者说表面粗糙度，可以让材料获得超疏水性。

本发明的超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台表面减阻原理为：

由于水下无人潜航器壳体外形本身就是流线型，外形造成的阻力是有限的，所以大部分阻力都是由周围流场本身造成的。层流边界层理论认为与流场流动方向平行的固体平面可以看做涡量源，流动发生时就会有涡量从固液界面脱落，涡量又会对流场造成干扰影响其流动速度，所以流动会因涡量出现造成阻力。而阻力又可分为两部分，一部分是涡量从固体表面脱落使流场与固体之间存在具有速度梯度的边界层；另一部分是涡量在一定位置从边界层脱落扰动流场。可见层流状态下有较大的流动阻力是由于边界层的存在。同时边界层理论认为边界层固液界面相对无滑移，因流体本身具有一定黏性在固体边界处流速为0。在湍流状态下流体流速较大，黏性力与惯性力相比微不足道，边界层内流体在距固液界面很短的距离内就达到了与流场相同的流速，因此边界层厚度很薄可忽略不计。但在层流状态下流体黏性是不可忽视的，由于黏性作用在距固体表面较长一段距离内流体流速都比流场流速要低，这就造成了较大的黏性阻力。

超疏水表面壳体平台能够减阻是因为与其表面接触的边界层在固体边界处流速并不为0，边界层与固体表面间存在相对滑移速度，这使得边界层对流场速度分布影响大大降低。超疏水表面能存在边界层相对滑移速度是因其凹凸不平的粗糙表面构造不会被流体完全浸润，由于液体张力的缘故表面凹陷处空气会留在其中形成气团。还是假设超疏水表面微观形貌构造为整齐排列的柱状凸起，柱状凸起上与液面接触，柱与柱之间的凹陷处则留有空气团。液体流动时这些气团会被流动带动成为旋转气团，不会对液体流动造成黏滞阻力，所以这些气团上没有边界层，而在柱状凸起上边界层还是会存在；液体、壳体与气团在流场中分布示意图如图7所示。因此固体表面增加材料表面微观构造复杂程度，或者说表面粗糙度，可以使层流时流动阻力大为减小；而这一特征正好又是超疏水表面所具备的，所以超疏水表面具有较好的流动减阻性能。因为水下无人潜航器航行时所受阻力大部分来源于边界层黏性阻力，而超疏水表面可以让这一部分阻力大大减小，因而拥有超疏水表面的无人潜航器壳体平台拥有卓越的减阻特性。激光加工的超疏水表面无人潜航器壳体平台可以构造出复杂的表面结构，使其在航行过程中拥有良好的减阻性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，其特征在于：包括壳体(1)、壳底(2)、尾翼(3)，三部分外表面均经过激光加工，从而具备超疏水特性；所述壳体(1)由前端的半球头部与位于所述半球头部后的圆柱段构成，所述半球头部最前端为一圆形平面；所述壳底(2)固定连接在所述壳体(1)后部，为圆台形状，圆台大圆一面与所述壳体(1)连接，另在圆台小圆上，即所述壳底(2)后部有个具有一定长度和厚度的圆环；所述尾翼(3)固定连接在所述壳底(2)上，其厚度从连接平面到外缘递减，垂直于所述壳体平台中心轴线的截面形状为等腰三角形，侧面为平整平面；

所述壳体(1)、壳底(2)、尾翼(3)经过激光加工，从而形成超疏水表面，加工所用激光束为脉冲宽度为1ns～100ns的纳秒激光，加工方法为用能量密度在1000～5000W/cm²范围内的激光束在所述壳体平台整体表面按从前到后的顺序，先壳体后尾翼将表面匀速扫描一遍，整个扫描过程中激光强度恒定不变；

在所述壳底(2)圆台侧面一周上均匀分布四个用于连接所述尾翼(3)的平面，所述尾翼(3)与之连接的相应部分也是平面；

整个潜航器壳体为一中间带有关于潜航器中心轴对称的空腔的均质薄壁壳体，壁厚处处相等；

所述壳体(1)圆柱部分内部空腔直径0.9D，圆柱部分长1.5D，D为所述壳体(1)圆柱部分外部直径；所述壳体(1)半球头部最前端为圆形平面直径0.2D；

所述壳底(2)后部小圆直径0.5D；所述无人潜航器整体全长3.2D；

所述尾翼(3)底面等腰三角形底边宽0.075D，高0.375D，与所述壳底(2)圆环底面齐平，底面外缘平直延伸至所述壳体(1)与所述壳底(2)连接处圆周上；

所述壳底(2)后部有个具有一定长度和厚度的圆环，用于安装动力与转向装置或连接于发射装置，所述圆环长度0.125D，厚度与所述壳体(1)与壳底(2)壁厚相等。

2.根据权利要求1所述的超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，其特征在于：加工时激光束垂直照射于潜航器壳体表面。

3.根据权利要求1所述的超疏水表面微型多用途水下无人潜航器壳体平台，其特征在于：所述壳体(1)、壳底(2)、尾翼(3)由铝铸造而成，经过激光扫描后表面形成AI₂O₃层，并且氧化铝层在微观上呈现条状结构。

Images