CN114253264B - 介电弹性体的零质量射流驱动器及水下航行器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器及水下航行器控制方法，具体为利用零质量合成射流来减弱海洋内孤立波对水下航行器影响的方法。设计了一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器，并利用测量内孤立波参数的测量系统模块、数据处理模块、控制中心和消除内孤立波的合成射流驱动器模块。另外通过分析海洋内孤立波和水下航行器的相互作用关系，也确定了上述驱动器在水下航行器上的最佳安装位置。确定了一种新型消除内孤立波的方法，弥补了采用消波堤、消波网等固定装置的不灵活性和工程复杂性。该装置在水下航行器上的应用不仅可以提高水下航行器的适航性，而且大大提升了其稳定性和安全性。

Description

介电弹性体的零质量射流驱动器及水下航行器控制方法

技术领域

本发明属于海洋工程领域，涉及一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器及水下航行器控制方法，具体为利用零质量合成射流来减弱海洋内孤立波对水下航行器影响的方法。

背景技术

海洋内波是发生在海水密度跃层处的波动，可由任何微小扰动引发。它的波高范围广，流速大，波长范围宽，可传播数百公里而保持波形不变。对于在海洋深处航行的水下航行器而言，内波的这些特有性质，对于其航行的安全性和战略战术效能具有极为不利的影响。

内孤立波(ISW)作为一种特殊的非线性海洋内波，其振幅大，周期短，能量大，严重影响水下潜器的安全性、适航性和耐波性。在内孤立波较为活跃的区域，悬置在跃层之上的潜器会随波做上下运动，在离海面距离较小时，内孤立波很有可能会将其抛出水面，从而严重影响探测或反探测任务执行的隐蔽性；而在跃层之下航行的水下潜器突然遭遇强非线性内孤立波时，会使其浮力突变，垂向力急剧增大，进而在短时间内突然大幅度下沉，这样轻则对潜器壳体或其附属结构造成损失，重则器毁人亡。因此，研究如何消除海洋内孤立波，不仅具有重要学术价值，还可以提高水下航行器在海洋内波环境下的适应能力。

零质量射流技术，是指通过密闭腔体的一个或多个面上振动膜片的周期性振动或其他等效方式，引起密闭腔体内部流体在其出口狭缝处出现周期性的剪切分离，并向腔外产生一系列不断扩展的涡对的流动控制技术，也称合成射流技术，是一种新的主动流动控制技术。由于零质量射流的喷出过程与吸入过程之间没有干扰，所以对于密闭腔体的出口狭缝，喷出与吸入的流体净质量为零，进而使零质量射流的生成装置不需要额外的水源和相应的水流管道输送系统。其次，通过恰当的几何结构设计和振动膜片的激励参数选择，可以使振动膜片和密闭腔体组成的激励器系统，在接近其固有频率的条件下激励产生零质量射流，从而使零质量射流激励装置只需较小的输入能量驱动，便可对主流施加有效而持续的影响。故相对于其他主动流动控制装置，零质量射流激励装置具有结构简单、效率高的优势。此外，在合成射流驱动装置的设计中引入了具有通电大变形特性的新型柔性智能(简称DE，下同)材料，可以实现合成射流驱动器腔体容积较大的变化，进而使合成射流的效果愈发显著。

该项技术发明将应用于水下航行器上，使水下航行器在海洋内波环境下航行时具有更好的操控性、稳定性和安全性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器及水下航行器控制方法，目的是消除海洋内孤立波对水下航行器的影响。

技术方案

一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器，其特征在于包括壳体、射流口2、顶盖3、弹簧4和膜状DE材料5；射流口2位于壳体驱动器头部1中心，驱动器尾部7的壳体内设有顶盖3，驱动器尾部7与顶盖3之间设有弹簧4，顶盖3的周边与驱动器尾部7连接的为DE材料5。

在弹簧4与驱动器尾部7壳体内设有垫片6。

一种利用合成射流减弱内波对水下航行器影响的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对传感器传来的数据，利用压力p、深度H和密度ρ的关系p＝ρgH得到当前水下航行器所处位置的深度和上、下两层的密度分层Δρ；

步骤2：通过KdV方程y't+6yy'x+y”'x＝0解出对应内波的方程y＝15sech²((x-x₀)/d)，其中x₀为内波中心、d为内波的宽度；

并绘制波形图获取波的振幅、波速、频率、相位信息；

步骤3：根据内孤立波的振幅、波速、频率、相位信息，控制中心以电信号的形式调整施加在驱动器上的交变电压，控制合成射流驱动器动作实现消波；

根据水平、垂直方向上的受力判断出力矩M与压力p、力臂l和航行器润湿面积S的关系M＝pSl求出航行器的转动力矩大于回正所需力矩时，上述零质量射流驱动器亦可发出射流，使其力矩抵消力矩差以平衡器身。

有益效果

本发明提出的一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器及水下航行器控制方法，设计了一种采用介电弹性体的零质量射流驱动器，并利用测量内孤立波参数的测量系统模块、数据处理模块、控制中心和消除内孤立波的合成射流驱动器模块。另外通过分析海洋内孤立波和水下航行器的相互作用关系，也确定了上述驱动器在水下航行器上的最佳安装位置。

本发明的创新点和有益效果主要有以下几点：

(1)确定了一种新型消除内孤立波的方法，弥补了采用消波堤、消波网等固定装置的不灵活性和工程复杂性。该装置在水下航行器上的应用不仅可以提高水下航行器的适航性，而且大大提升了其稳定性和安全性。

(2)将海洋内孤立波的检测和消除功能集成到一起，既可以对不同海域的内波进行检测与记录，还可以消除对水下航行器有威胁的内孤立波。

(3)节约水下航行器的动力能耗。由于大振幅内孤立波本身携带了巨大能量，水下航行器每遭遇一次振幅较大的内孤立波时，穿越内波区需要大量动力，从而用主动发射的水波去抵消内孤立波能够节约水下航行器的能耗。

(4)在零质量合成射流驱动器部分，采用了新型的介电弹性体DE材料，响应速度更快，能发射出更稳定、效果更佳的射流。

附图说明

图1为本发明的总体流程示意图。

图2是介电弹性体电致变形原理图。

图3采用介电弹性体的零质量射流驱动器示意图。

图4(a)是合成射流驱动器的透视效果图，图4(b)是合成射流驱动器各零件拆分开之后的效果图。

图5是零质量射流驱动器在水下航行器上的安装位置示意图。

图6是驱动器的内部结构示意图。

1.驱动器头部2.射流口3.顶盖4.弹簧5.膜状DE材料6.垫片7.驱动器尾部。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

采用的技术方案是：先通过所述测量系统模块测量出内波作用在水下航行器上的水平、垂直方向上的压力，水下航行器当前所处位置上、下层的深度和密度分层，以及内波的声场参数；之后解出波方程，通过波形图得到内孤立波的振幅、波面形状和波的水平流速，将数据传输给数据处理模块；再将信息传输至控制中心。合成射流驱动器模块根据控制中心传出的电信号指令，调整施加在驱动器上的交变电压，发射出高能高速的水流来平衡器身，或是发射出与环境内波方向相反，但振幅、流速相同的水波用以抵消内波。

采用介电弹性体的零质量射流驱动器，其特征在于包括壳体、射流口2、顶盖3、弹簧4和膜状DE材料5；射流口2位于壳体驱动器头部1中心，驱动器尾部7的壳体内设有顶盖3，驱动器尾部7与顶盖3之间设有弹簧4，顶盖3的周边与驱动器尾部7连接的为DE材料5。

在弹簧4与驱动器尾部7壳体内设有垫片6。

所述的零质量合成射流驱动器模块，能够发射出稳定、高能量的射流。

所述的测量系统模块主要包括压力-密度传感器、测声传感器和数据传输系统：压力-密度传感器用来实现水平、垂直方向压力和密度的数据采集；测声传感器是用来测定内波产生的声场参数；数据传输系统是将获取到的数据准确快速的传递给数据处理模块。

所述的数据处理模块主要将压力-密度数据进行分析处理，得到水下航行器当前所处位置的深度、水下航行器上下两层的密度以及内波的声学参数，然后进行潮位滤除及非线性动力学特征分析，根据数据分析与处理的结果，判别内孤立波是否到来。另外该模块也可将测得的内孤立波作用在航行器头部上的水平、垂直压力进行处理，计算出水下航行器的转动力矩并与自身的回正力矩进行比较。

所述的控制中心用于控制零质量合成射流驱动器工作。控制中心通过数据处理模块的计算结果给出相应的控制指令。当判断出内孤立波将要与水下航行器相遇时，控制合成射流驱动器发射出方向相反，但振幅、流速大小相同的水波。若水下航行器受到内孤立波影响后，产生的转动力矩大于自身的回正力矩，则控制中心可控制合成射流驱动器发出高能高速的水流来平衡器身。

图1是本发明的总体流程示意图。当水下航行器在水下正常航行时，测量模块处于工作状态，所述的测量模块中的压力-密度传感器收集所处海洋环境的压力、密度参数，测声传感器监测器身周围声场情况，将压力、密度、声学参数等通过数据传输通道输入数据处理模块。所述的数据处理模块将传感器传来的数据进行分析处理，利用压力p、深度H和密度ρ的关系p＝ρgH得到当前水下航行器所处位置的深度和上、下两层的密度分层Δρ；同时通过KdV方程y't+6yy'x+y”'x＝0解出对应内波的方程y＝15sech²((x-x₀)/d)，其中x₀为内波中心、d为内波的宽度；根据上述结果判别内孤立波是否到来，进而通过绘制波形图获取波的振幅、波速、频率、相位等。控制中心再根据内孤立波的上述特征，给出所需提供波的对应参数值，以电信号的形式调整施加在驱动器上的交变电压，控制合成射流驱动器动作实现消波。如果根据水平、垂直方向上的受力判断出力矩M与压力p、力臂l和航行器润湿面积S的关系M＝pSl求出航行器的转动力矩大于回正所需力矩时，上述零质量射流驱动器亦可发出射流，使其力矩抵消力矩差以平衡器身。

图2是介电弹性体电致变形原理图。在DE材料的两个表面涂敷柔性电极之后,三者形成层叠结构。在上下两面通电之后,两个电极将会分别积聚正负电荷，二者通过电磁力相互吸引，导致DE材料在沿电场线方向上受到轴向压应力；而在同一电极面上，相同类型的电荷之间会产生电磁排斥力,导致材料在与电场线和纸面均垂直的方向上受到径向拉应力。在两种应力的综合作用下，DE材料最终发生较大变形。

图3是采用介电弹性体的零质量射流驱动器示意图。图中用一个压缩弹簧对膜状DE材料施加预载荷，在弹簧力的作用下，膜状DE材料被顶起成为锥形平台结构，此时膜状DE材料内部的拉应力与弹簧力达到平衡状态。当在膜状DE材料的2个环面上施加电压时，膜会在垂直方向上被压缩，但受到DE材料不可压缩的限制，力的作用表现为平行方向上发生扩张，弹簧顶着膜状DE材料向前产生一小段位移。撤掉电压之后，膜状DE材料会恢复原来的状态，将弹簧压缩回原来的位置。当在膜状DE材料上施加交变电压时，膜状DE材料就会在弹簧的作用下周期性地输出位移，使得合成射流驱动器的腔体内部容积发生周期性大小变化，也导致流体被周期性地吸入和吹出。通过结构的优化设计，有望在射流口处由于流体的剪切作用形成涡环，产生稳定射流。基于上述的合成射流驱动器驱动部分的工作原理，设计了一款合成射流驱动器。圆形的膜状DE材料用垫片固定，中间部位与顶块的上表面粘接。弹簧位于顶块与尾部之间，将膜状DE材料顶起为锥形平台。头部为带有射流孔的腔体。图中：K为弹簧的劲度系数；X₁和X₂分别表示未加载电压时和加载电压之后弹簧的压缩量；F₁和F₂分别表示未加载电压时和加载电压之后膜状DE材料对弹簧的拉力。

图4分为两部分：(a)是整体透视图，(b)是组合体的爆炸视图。

图5是零质量射流驱动器在水下航行器上的安装位置示意图。本设计的安装位置选取在水下航行器的头部，这是根据水下航行器在穿越内孤立波时，水下航行器的头部会受到较大剪切力而设置的。为解决这个现象，以水下航行器的一侧为起点，每隔60°布置一个合成射流驱动器，共四个位置。当遇到内孤立波时，驱动器发射合成射流去抵消来波，在一定程度上会减弱内孤立波对水下航行器的不利影响。此外，这些驱动器还具有平衡器身的作用。

图6是驱动器的内部结构示意图。

Claims (1)

1.一种利用合成射流减弱内波对水下航行器影响的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对传感器传来的数据，利用压力p、深度H和密度ρ的关系p＝ρgH得到当前水下航行器所处位置的深度和上、下两层的密度分层Δρ；

步骤2：通过KdV方程y’t+6yy’x+y”’x＝0解出对应内波的方程y＝15sech²((x-x₀)/d)，其中x₀为内波中心、d为内波的宽度；

判别内孤立波是否到来，进而通过绘制波形图获取波的振幅、波速、频率、相位信息；

步骤3：当判断出内孤立波将要与水下航行器相遇时，根据内孤立波的振幅、波速、频率、相位信息，控制中心以电信号的形式调整施加在驱动器上的交变电压，控制合成射流驱动器动作实现消波；

根据水平、垂直方向上的受力判断出力矩M与压力p、力臂l和航行器润湿面积S的关系M＝pSl求出航行器的转动力矩大于回正所需力矩时，零质量射流驱动器亦可发出射流，使其力矩抵消力矩差以平衡器身；

所述射流驱动器，包括壳体、射流口(2)、顶盖(3)、弹簧(4)和膜状DE材料(5)；射流口(2)位于壳体驱动器头部(1)中心，驱动器尾部(7)的壳体内设有顶盖(3)，驱动器尾部(7)与顶盖(3)之间设有弹簧(4)，顶盖(3)的周边与驱动器尾部(7)连接的为DE材料(5)；

在弹簧(4)与驱动器尾部(7)壳体内设有垫片(6)。