CN114013615B - 一种无人潜航器推进系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人潜航器推进系统及其工作方法，属于潜航器的设计领域，系统包括分布式排布的若干带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置；所述的间歇式喷水推进装置包括双向喷管和四向喷管的喷水推进装置；所述的双向喷管的喷水推进装置包括喷水装置、支撑装置及驱动装置；本发明的无人潜航器推进系统方案采用了间歇式喷水推进方式，产生的噪音会大大减少，有利于提高无人潜航器在水下的工作时的隐蔽性。将具有矢量控制功能的喷水推进装置进行分布式排布可以使无人潜航器更快速地完成前进、倒退、上浮、下潜、转弯、侧移等运动，提高无人潜航器在水下的机动性能，同时可降低对单个推进装置功率的需求。

Description

一种无人潜航器推进系统及其工作方法

技术领域

本发明属于潜航器的设计领域，具体是一种无人潜航器推进系统及其工作方法。

背景技术

无人潜航器是一种通过遥控或者自动控制而在水下航行的器具，具有水下探测、搜集等功能，其中无人潜航器的推进方式作为一项关键技术而备受关注。目前，常见的无人潜航器一般采用安装在船尾的螺旋桨作为推进方式。然而对于某些具有特殊探测任务的无人潜航器，工作时要求发出的噪声尽可能的小，以防止暴露行踪，而螺旋桨在工作时产生的噪声较大。同时，因为螺旋桨位于船尾，导致无人潜航器转弯半径较大，且在下潜和上浮时仅靠自身重力及浮力，要耗费的时间较长。

发明内容

针对上述螺旋桨推进的缺陷，本发明设计了一种无人潜航器推进系统方案，其采用了一种带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置，通过将其在无人潜航器上进行分布式排布，可以使无人潜航器能快速地完成前进、倒退、上浮、下潜、转弯、侧移等运动，同时极大程度地降低了工作时产生的噪声。

本发明是这样实现的：

一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的系统包括分布式排布的若干带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置；所述的间歇式喷水推进装置包括双向喷管和四向喷管的喷水推进装置；所述的双向喷管的喷水推进装置包括喷水装置、支撑装置及驱动装置；

所述的喷水装置包括喷管、转向阀、喷水单向阀、储水管、吸水口、变形腔管；

所述的转向阀包括转向阀的球头和转向阀的直管两部分，所述的喷管两端为圆管，中间为球壳；转向阀的球头与喷管嵌套成球阀；转向阀的直管下端与储水管嵌套,在转向阀的直管靠近储水管顶端的位置安装第一齿轮以及第二齿轮，第二齿轮与转向阀的直管部分相连，第一齿轮以及第二齿轮齿轮啮合；当需要调整喷水方向时，通过第一齿轮以及第二齿轮传动使转向阀发生转动，转向阀球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个圆管，从而改变水流从喷管喷出时的方向；

所述的储水管为L形管，储水管的一端在船体外与水体接触，另一端在船体内；储水管与水体接触的一端与转向阀的直管嵌套，同时在与水体接触的部分设置有吸水口，吸水口外侧壁形成一个内凹平台，平台上打螺纹孔以固定吸水单向阀；储水管的在船体内的一端与变形腔管连接，变形腔管与储水管之间保持密封；

所述的变形腔管采用波纹管形式，与连杆相连，并与储水管位于船体内的部分相连同时保持密封；在工作时，连杆驱动变形腔管产生变形，连杆拉伸变形腔管使其空腔体积变大从而吸水，连杆推动变形腔管使其空腔体积变小从而喷水，从而可以实现间歇式喷水的功能。

进一步，所述的分布式排布方案为：

将若干个喷水推进装置安装在船身、船头和船尾的侧面；船身部分安装两排喷水推进装置，船身两排双向喷管的喷水推进装置的喷管方向与船体轴线平行，负责提供无人潜航器前进和倒退所需的推力；在船头和船尾关于船体轴线对称地安装八个四向喷管的喷水推进装置，其储水管轴线与船体轴线平行，喷管方向与船体轴线垂直，负责提供无人潜航器上浮、下潜、转弯、左右侧移所需的推力。

进一步，所述的转向阀的球头被剖空的部分成弧线状，两个开口互成90°，竖向的开口通向直管，横向的开口通向喷管。

进一步，所述的喷管的球壳将转向阀的球头嵌套住形成球阀，喷管的圆管的末端内侧内凹形成平台并打螺纹孔以固定喷水单向阀；支撑装置包括固定支架、耳片；耳片位于喷管的球壳侧下方，耳片与齿轮轴连接，耳片的作用是固定齿轮轴的上端；所述的喷管可拆，用以安装转向阀，且安装后保持密封；所述的喷管通过固定支座固定在船体上；所述的固定支座上半段为圆环，与喷管的圆管相连起固定作用，下半段为直杆，固定在船体上。

进一步，所述的驱动装置包括齿轮轴、电机、第一齿轮、第二齿轮；齿轮轴为实心圆轴，其上端被耳片固定，另一端在船体内与电机相连，在中部与第一齿轮相连，齿轮轴通过轴承支座固定在船体内；在工作时，电机带动齿轮轴转动，从而带动齿轮轴上的第一齿轮，第一齿轮带动第二齿轮转动，使转向阀发生转动，从而实现球头的转动，改变喷水方向。

进一步，所述的吸水单向阀和喷水单向阀均为双瓣对夹旋启式单向阀，吸水单向阀开启方向朝向储水管内，喷水单向阀开启方向朝向喷管外；吸水单向阀通过螺栓连接于吸水口处的平台，喷水单向阀通过螺栓连接于喷管末端内侧喷水口处的平台；单向阀工作时，阀瓣围绕转轴旋转开合，扭转弹簧和单向阀阀壁的凸台限制阀瓣只能进行单方向的开合；在吸水时，吸水单向阀开启而喷水单向阀关闭，水流从吸水口流入储水管；在喷水时，吸水单向阀关闭而喷水单向阀开启，水流从喷管喷出。

进一步，所述的四向喷管的喷水推进装置的除喷管与双向喷管的喷水推进装置的不一致外，其余结构一致，所述的四向喷管的喷水推进装置的喷管包含四个位于同一平面内的圆管，相邻圆管之间互相垂直，一组圆管长，另外组圆管短，长圆管与固定支架相连；在工作时，长圆管负责提供向上和向下的推力，短圆管负责提供向左和向右的推力，通过转动转向阀球头可选择四个方向的圆管中的任一个进行喷水。

本发明还公开了一种无人潜航器推进系统的工作方法，其特征在于，通过在无人潜航器上以分布式排布的方式安装带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置，为无人潜航器提供前进、倒退、上浮、下潜、转弯、侧移所需的推力；

在无人潜航器需要前进或倒退时，由潜航器侧面的喷水推进装置向后或向前喷水，提供向前或向后的推力；

当无人潜航器需要上浮或下潜时，由头尾处的喷水推进装置向下或向上喷水，提供向上或向下的推力；

当无人潜航器需要向左或向右侧移时，由头尾处的喷水推进装置向右或向左喷水，提供向左或向右的推力；

当无人潜航器需要向左或向右转弯时，由头部的喷水推进装置向右或向左喷水，尾部的喷水推进装置向左或向右喷水，从而提供逆时针或顺时针方向的扭矩。

进一步，其中喷水推进装置的矢量控制功能的实现过程如下：当无人潜航器需要不同方向的推力时，由船体内的与齿轮轴相连的电机带动齿轮轴发生转动，进而带动齿轮轴上的齿轮和转向阀的齿轮转动，使转向阀发生转动，转向阀的球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个，最终改变水流从喷管喷出时的方向。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明通过将带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置在无人潜航器上进行分布式排布，解决了采用螺旋桨推进的无人潜航器工作噪声大、转弯半径大、上浮和下潜速度慢等问题。

本发明的无人潜航器推进系统方案采用了间歇式喷水推进方式，产生的噪音会大大减少，有利于提高无人潜航器在水下的工作时的隐蔽性。将具有矢量控制功能的喷水推进装置进行分布式排布可以使无人潜航器更快速地完成前进、倒退、上浮、下潜、转弯、侧移等运动，提高无人潜航器在水下的机动性能，同时可降低对单个推进装置功率的需求。

附图说明

图1是本发明带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置在无人潜航器上的分布式排布示意图；

图2是本发明带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置（双向）结构示意图；

图3是本发明带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置（双向喷管）立体示意图；

图4是本发明带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置（四向喷管）立体示意图；

其中，1-喷管，2-转向阀，3-喷水单向阀，4-耳片，5-第一齿轮，6-齿轮轴，7-轴承支座，8-电机，9-固定支座，10-第二齿轮，11-储水管，12-吸水口，13-吸水单向阀，14-变形腔管，15-连杆，16-四向喷管的喷水推进装置，17-无人潜航器船体，18-双向喷管喷水推进装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~4所示，本发明的无人潜航器推进系统方案包括带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置(以下简称为“喷水推进装置”)的分布式排布方案和喷水推进装置的结构设计方案。分布式排布方案：如图1所示，将喷水推进装置安装在船身、船头和船尾的侧面。船身部分安装两排双向喷管的喷水推进装置18，每排数量由船体尺寸和总体推进功率需求决定。这两排双向喷管的喷水推进装置的喷管方向与船体轴线平行，负责提供无人潜航器前进和倒退所需的推力。在船头和船尾关于船体轴线对称地安装八个四向喷管的喷水推进装置，其储水管轴线与船体轴线平行，喷管方向与船体轴线垂直，负责提供无人潜航器上浮、下潜、转弯、左右侧移所需的推力。

本发明的喷水推进装置可分为双向喷管的喷水推进装置18和四向喷管的喷水推进装置16。双向喷管的喷水推进装置主要由喷水装置、支撑装置及驱动装置组成。喷水装置包括喷管1、转向阀2、喷水单向阀3、吸水单向阀13、储水管11、吸水口12、变形腔管14；支撑装置包括固定支座9、耳片4；驱动装置包括齿轮轴6、第一齿轮5、第二齿轮10、电机8、连杆15。

储水管11是不锈钢材料制成的“L”形管，一端在船体外与水体接触，另一端在船体内，其结构如图2所示。储水管与水体接触的一端与转向阀的直管嵌套，同时在与水体接触的部分设置有吸水口12，吸水口外侧壁形成一个内凹平台，平台上打螺纹孔以固定吸水单向阀13。储水管的在船体内的一端与变形腔管14连接，变形腔管与储水管之间保持密封。

转向阀2由不锈钢材料制成，可分为转向阀的球头和转向阀的直管两部分，其结构如图2所示。转向阀的球头与喷管1嵌套成球阀，球头被剖空的部分成弧线状，两个开口互成90°，竖向的开口通向直管，横向的开口通向喷管。转向阀的直管下端与储水管嵌套,在直管靠近储水管顶端的位置安装第一齿轮5、第二齿轮10，第一齿轮5与齿轮轴上的齿轮啮合。当需要调整喷水方向时，通过第一齿轮5传动使转向阀发生转动，转向阀球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个圆管，从而改变水流从喷管喷出时的方向。

喷管1由不锈钢材料制成，其两端为圆管，中间为球壳，其结构如图2所示。球壳将转向阀的球头嵌套住形成球阀，圆管的末端内侧内凹形成平台并打螺纹孔以固定喷水单向阀3。球壳在侧下方伸出一个耳片，耳片的作用是固定齿轮轴的上端。喷管可拆开以安装转向阀，且安装后保持密封。喷管通过与圆管相连的固定支座来固定在船体上。

固定支座9由不锈钢材料制成，上半段为圆环，与喷管的圆管相连起固定作用，下半段为直杆，固定在船体上。

齿轮轴6是不锈钢材料制成的实心圆轴，其上端被喷管凸出的耳片固定，另一端在船体内与电机8相连，在中部与第一齿轮5相连。在工作时，电机8带动齿轮轴6转动，从而带动齿轮轴上的齿轮和转向阀上的齿轮转动，使转向阀发生转动，从而实现球头的转动，改变喷水方向。

吸水单向阀13和喷水单向阀3均为双瓣对夹旋启式单向阀，吸水单向阀开启方向朝向储水管内，喷水单向阀开启方向朝向喷管外。吸水单向阀通过螺栓连接于吸水口处的平台，喷水单向阀通过螺栓连接于喷管末端内侧喷水口处的平台。单向阀工作时，阀瓣围绕转轴旋转开合，扭转弹簧和单向阀阀壁的凸台限制阀瓣只能进行单方向的开合。在吸水时，吸水单向阀开启而喷水单向阀关闭，水流从吸水口流入储水管；在喷水时，吸水单向阀关闭而喷水单向阀开启，水流从喷管喷出。

变形腔管14采用波纹管形式，与连杆15相连，并与储水管11位于船体内的部分相连同时保持密封。在工作时，电机带动连杆驱动变形腔管产生变形，连杆拉伸变形腔管使其空腔体积变大从而吸水，连杆推动变形腔管使其空腔体积变小从而喷水，从而可以实现间歇式喷水的功能。

四向喷管的喷水推进装置16主要由喷水装置、支撑装置及驱动装置组成。喷水装置包括喷管、转向阀、单向阀、储水管、吸水口、变形腔管；支撑装置包括固定支架、耳片；驱动装置包括齿轮轴、齿轮、电机、连杆。与双向喷管的喷水推进装置不同，四向喷管的喷水推进装置的喷管包含四个位于同一平面内的圆管。如图4所示，相邻圆管之间互相垂直，两个圆管较长，另外两个较短，较长的圆管与固定支架相连。在工作时，较长的圆管负责提供向上和向下的推力，较短的圆管负责提供向左和向右的推力，通过转动转向阀球头可选择四个方向的圆管中的任一个进行喷水。除了喷管的圆管不同之外，四向喷管的喷水推进装置与双向喷管的喷水推进装置的其余部件完全相同。

以下列举具体的实例叙述本发明：

假设水下无人潜航器船身部分长11m，宽2m,头尾部均长2m，将本专利提供的带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置安装在无人潜航器侧面以及头尾。单个喷水推进装置的喷口直径为20cm，喷口射流速度为5.14m/s，射流周期为2.5s，一个周期内的射流体积约为0.2m³。

如图1所示，在无人潜航器的船身侧面上按每排五个安装两排双向喷管的喷水推进装置，喷管方向为向前和向后，可以提供前进和倒退时所需的推力。同一排中相邻喷水推进装置间隔1.2m，两排之间间隔1m。在无人潜航器的船头和船尾侧面安装八个四向喷管的喷水推进装置，同一个侧面上的两个喷水推进装置关于船体轴线对称，其储水管轴线与船体轴线平行，喷管的方向为向上、向下、向左、向右，在工作时可根据需要为船体提供上浮、下潜、转弯、左右侧移所需的推力。

在无人潜航器需要前进（或倒退）时，由潜航器侧面的二十个喷水推进装置向后（或向前）喷水，提供向前（或向后）的推力。当无人潜航器需要上浮（或下潜）时，由头尾处的喷水推进装置向下（或向上）喷水，提供向上（或向下）的推力。当无人潜航器需要向左（或向右）侧移时，由头尾处的喷水推进装置向右（或向左）喷水，提供向左或向右的推力。当无人潜航器需要向左（或向右）转弯时，可由头部的喷水推进装置向右（或向左）喷水，尾部的喷水推进装置向左（或向右）喷水，从而提供逆时针（或顺时针）方向的扭矩。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的系统包括在无人潜航器船体（17）上分布式排布的若干带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置；所述的间歇式喷水推进装置包括双向喷管喷水推进装置（18）和四向喷管的喷水推进装置（16）；

所述的双向喷管的喷水推进装置包括喷水装置、支撑装置及驱动装置；

所述的喷水装置包括喷管（1）、转向阀（2）、喷水单向阀（3）、储水管（11）、吸水口（12）、变形腔管（14）；

所述的转向阀包括转向阀的球头和转向阀的直管两部分，所述的喷管（1）两端为圆管，中间为球壳；转向阀的球头与喷管嵌套成球阀；转向阀的直管下端与储水管（11）嵌套,在转向阀的直管靠近储水管顶端的位置安装第一齿轮（5）以及第二齿轮（10），第二齿轮（10）与转向阀（2）的直管部分相连，第一齿轮（5）以及第二齿轮（10）齿轮啮合；当需要调整喷水方向时，通过第一齿轮（5）以及第二齿轮（10）传动使转向阀（2）发生转动，转向阀球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个圆管，从而改变水流从喷管喷出时的方向；

所述的储水管（11）为L形管，储水管（11）的一端在船体外与水体接触，另一端在船体内；储水管与水体接触的一端与转向阀的直管嵌套，同时在与水体接触的部分设置有吸水口（12），吸水口外侧壁形成一个内凹平台，平台上打螺纹孔以固定吸水单向阀（13）；储水管（11）的在船体内的一端与变形腔管（14）连接，变形腔管与储水管之间保持密封；

所述的变形腔管采用波纹管形式，与连杆（15）相连，并与储水管位于船体内的部分相连同时保持密封；在工作时，连杆（15）驱动变形腔管（14）产生变形，连杆拉伸变形腔管使其空腔体积变大从而吸水，连杆推动变形腔管使其空腔体积变小从而喷水，从而可以实现间歇式喷水的功能。

2.根据权利要求1所述的一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的分布式排布方案为：

将若干个喷水推进装置安装在无人潜航器船体（17）的船身、船头和船尾的侧面；船身部分安装两排喷水推进装置，船身两排双向喷管的喷水推进装置的喷管方向与船体轴线平行，负责提供无人潜航器前进和倒退所需的推力；在船头和船尾关于船体轴线对称地安装八个四向喷管的喷水推进装置，其储水管轴线与船体轴线平行，喷管方向与船体轴线垂直，负责提供无人潜航器上浮、下潜、转弯、左右侧移所需的推力。

3.根据权利要求1所述的一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的转向阀的球头被剖空的部分成弧线状，两个开口互成90°，竖向的开口通向直管，横向的开口通向喷管。

4.根据权利要求1所述的一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的喷管（1）的球壳将转向阀的球头嵌套住形成球阀，喷管（1）的圆管的末端内侧内凹形成平台并打螺纹孔以固定喷水单向阀（3）；支撑装置包括固定支座（9）、耳片（4）；耳片（4）位于喷管（1）的球壳侧下方，耳片（4）与齿轮轴（6）连接，耳片的作用是固定齿轮轴（6）的上端；所述的喷管（1）可拆，用以安装转向阀（2），且安装后保持密封；所述的喷管通过固定支座（9）固定在船体上；所述的固定支座（9）上半段为圆环，与喷管的圆管相连起固定作用，下半段为直杆，固定在船体上。

5.根据权利要求3所述的一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的驱动装置包括齿轮轴（6）、电机（8）、第一齿轮（5）、第二齿轮（10）；齿轮轴（6）为实心圆轴，其上端被耳片（4）固定，齿轮轴（6）中部在船体上由轴承支座（7）支撑，齿轮轴另一端在船体内与电机（8）相连，在中部与第一齿轮（5）相连；在工作时，电机（8）带动齿轮轴（6）转动，从而带动齿轮轴上的第一齿轮（5），第一齿轮（5）带动第二齿轮（10）转动，使转向阀发生转动，从而实现球头的转动，改变喷水方向。

6.根据权利要求3所述的一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的吸水单向阀（13）和喷水单向阀（3）均为双瓣对夹旋启式单向阀，吸水单向阀开启方向朝向储水管内，喷水单向阀开启方向朝向喷管外；吸水单向阀通过螺栓连接于吸水口处的平台，喷水单向阀通过螺栓连接于喷管末端内侧喷水口处的平台；单向阀工作时，阀瓣围绕转轴旋转开合，扭转弹簧和单向阀阀壁的凸台限制阀瓣只能进行单方向的开合；在吸水时，吸水单向阀开启而喷水单向阀关闭，水流从吸水口流入储水管；在喷水时，吸水单向阀关闭而喷水单向阀开启，水流从喷管喷出。

7.根据权利要求1所述的一种无人潜航器推进系统，其特征在于，所述的四向喷管的喷水推进装置的除喷管与双向喷管的喷水推进装置的不一致外，其余结构一致，所述的四向喷管的喷水推进装置的喷管包含四个位于同一平面内的圆管，相邻圆管之间互相垂直，一组圆管长，另外组圆管短，长圆管与固定支座（9）相连；在工作时，长圆管负责提供向上和向下的推力，短圆管负责提供向左和向右的推力，通过转动转向阀球头可选择四个方向的圆管中的任一个进行喷水。

8.根据权利要求1所述的一种无人潜航器推进系统的工作方法，其特征在于，通过在无人潜航器上以分布式排布的方式安装带有矢量控制功能的间歇式喷水推进装置，为无人潜航器提供前进、倒退、上浮、下潜、转弯、侧移所需的推力；

在无人潜航器需要前进或倒退时，由潜航器侧面的喷水推进装置向后或向前喷水，提供向前或向后的推力；

当无人潜航器需要上浮或下潜时，由头尾处的喷水推进装置向下或向上喷水，提供向上或向下的推力；

当无人潜航器需要向左或向右侧移时，由头尾处的喷水推进装置向右或向左喷水，提供向左或向右的推力；

当无人潜航器需要向左或向右转弯时，由头部的喷水推进装置向右或向左喷水，尾部的喷水推进装置向左或向右喷水，从而提供逆时针或顺时针方向的扭矩。

9.根据权利要求8所述的一种无人潜航器推进系统的工作方法，其特征在于，其中喷水推进装置的矢量控制功能的实现过程如下：当无人潜航器需要不同方向的推力时，由船体内的与齿轮轴相连的电机带动齿轮轴发生转动，进而带动齿轮轴上的齿轮和转向阀的齿轮转动，使转向阀发生转动，转向阀的球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个，最终改变水流从喷管喷出时的方向。

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