CN114572368A - 一种波浪滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋无人航行器技术领域，具体是一种波浪滑翔机，包括水面艇、连接件和水下驱动单元，所述水下驱动单元包括水下中心体、翼片、发电装置和电动推进装置，所述水面艇通过连接件与水下中心体连接，所述翼片通过连接轴可摆动地安装在水下中心体上；所述发电装置包括发电机和联动机构，所述发电机安装在水下中心体上，所述翼片通过联动机构与发电机连接，所述电动推进装置用于为波浪滑翔机提供推进力。本发明通过翼片的摆动发电，既能够直接利用波浪能为波浪滑翔机提供推进力，又能够将一部分波浪能转换为电能，以使波浪滑翔机能够在风平浪静的情况下继续航行，并且提高波浪能的利用效率。

Description

一种波浪滑翔机

技术领域

本发明涉及海洋无人航行器技术领域，具体是一种波浪滑翔机。

背景技术

随着海洋资源开发和海洋环境监测的需要越来越迫切，世界各国都在不断地开发新型的海洋监测手段来加强对海洋环境的监测能力。波浪滑翔机是近几年来出现的一种新型海洋无人潜航器，作为一种新型的无人海洋探测平台，波浪滑翔器将海洋的波浪能转化为自身的前进动力，同时依靠上甲板搭载的太阳能电池为各电气供电，解决了大范围、长航时的探测难题，还可作为中间站，与其它各类探测器进行指令和数据交换，有着十分广阔的发展前景。

CN104590496A公开了一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机，包括浮体、柔性缆索和动力装置；浮体包括浮体连接板、第一浮子密封圆筒、第二浮子密封圆筒、GPS、单片机、太阳能电池板、蓄电池、控制器，动力装置包括侧板、固定螺杆、翼片、步进电机和舵片，柔性缆索设有两根，即第一柔性缆索和第二柔性缆索，第一浮子密封圆筒利用第一柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接，第二浮子密封圆筒利用第二柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接。该波浪滑翔机通过波浪滑翔机翼片与水流相互作用力，来驱动整个滑翔机前进，太阳能板产生的电能只需用来调整波浪滑翔机的转向，滑翔机的续航能力强。该波浪滑翔机存在以下缺点：(1)通过波浪滑翔机翼片与水流相互作用力来驱动整个滑翔机前进，导致波浪能的利用效率较低；(2)在风平浪静的情况下，该波浪滑翔机失去航行的动力，无法满足长距离航行的需求；(3)由于外侧翼片安装在竖直的侧板上，不但导致动力装置沉浮时的阻力较大，而且，在波浪能作用下，由于外侧翼片处的局部流速较小，因此还导致翼片所产生的推动力矩较小，影响对波浪能的利用效率；(4)为了保证太阳能电池板充分的吸收和储存太阳能，以满足其为海洋观察所需的仪器和长距离航行所需的设备提供电力的需求，需要太阳能电池板、蓄电池的体积较大，这就导致水面浮体没有足够的空间安装更多的海洋观察所需的仪器；而且，在夜晚、阴雨天气，太阳能电池板无法取得能源输入；(5)为了吸收太阳能，水面浮体必须浮出水面、目标较明显，容易被发现和受损。

CN110344996A公开了一种用于补给波浪滑翔器电能的装置，包括浮体船、发电机体、牵引机三部分；所述发电机体与浮体船及牵引机刚性连接，通过浮体船及牵引机的上下运动，带动发电机体内的磁铁棒与线圈发生切割磁感线运动进而发电。发电机体利用浮体船与牵引机的距离变化来产生电动势和电流。根据法拉第电磁感应定律，运动导体在磁场中切割磁力线而产生的电动势(E)，为磁场强度(B)，垂直于磁力线的导体长度分量(L)和导体运动速度(V)的乘积：E＝BLV。从上述公式中可以看出，要提高运动导体中的电动势，除了提高磁场强度、加长导体长度外，必须要提高导体的相对运动速度。在上述文献所公开的技术方案中，就是要当浮体船因波浪作用上下运动时，牵引机要尽可能“不动或慢动”，以保证导体的相对运动速度。如果这样，浮体船得到的上下波动的波浪能量就很少能通过牵引机上的翼片变为前进的动能了，而波浪能转化电能的过程以及电能的储存过程中必然存在更多的能量损失，导致波浪能的利用效率低。

CN112373634A公开了一种波浪滑翔器的波浪能发电装置，包括水面浮体以及水下滑翔器，所述水面浮体上设置有驱动组件以及发电组件，所述水下滑翔器通过缆绳连接所述驱动组件，在波浪的驱使下，所述水下滑翔器通过缆绳使所述驱动组件能够驱使所述发电组件发电。该文献中公开的发电组件是利用水面浮体与水下滑翔器的距离变化来产生电动势和电流，与CN110344996A存在同样的问题，无法高效利用波浪能。另外，该文献中，水下滑翔器包括水下滑翔器支架、水翼以及螺旋桨，所述水翼、螺旋桨均安装所述水下滑翔器支架上，通过螺旋桨转动能够提供前行的动力。但是，使用螺旋桨驱动存在空泡、噪音的问题，不利于波浪滑翔器的隐蔽，而且，螺旋桨形成的旋涡轴线与螺旋桨转轴垂直，以至该旋涡不能提供前进动力，导致其推进效率低。

CN109110095B公开了一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部通过柔性躯干和尾部连接，头部内设置有驱动系统，所述的柔性躯干包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串联。张拉整体式摆动推进机构的动力源采用大扭矩的舵机，或者直流电机等来牵引绳动作，从而对机器鱼进行模态激励。舵机使用螺栓固定在第一平台上，舵机旋转带动其舵机自带的一字型摇臂，通过两根钢丝绳将驱动力矩传递到第六平台，即驱动平台上，以实现张拉整体式摆动推进机构的摆动。舵机的一字摇臂、两跟钢丝绳与需要驱动的平台构成一个平行四边形，舵机输出的转角就是驱动装置输出的转角。该方案通过改变冗余驱动内力(各个支腿的内力)而改变系统刚度，进而调整系统的固有频率，使系统的频率响应改变。但是，对刚性强迫振动而言，系统的主要运动参数如频率等则主要由外加的刚性强迫振动频率决定。频率比只影响波形的仿射变化系数。如果频率比相差较远，则系统的运动波形则主要由外加的刚性强迫振动决定。另外，该方案中只有一个舵机作为动力源，又不能在使用中调节原设置的刚度。因此，该方案无法做到让尾部按一定的波形、振幅和相位进行刚性强迫振动运动，即无法在试验中验证和优化尾部和尾鳍摆动时水流的惯性力矩、阻尼力矩等。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种波浪滑翔机，通过翼片的摆动发电，既能够直接利用波浪能为波浪滑翔机提供推进力，又能够将一部分波浪能转换为电能，以使波浪滑翔机能够在风平浪静的情况下继续航行，并且提高波浪能的利用效率。

所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种波浪滑翔机，包括水面艇、连接件和水下驱动单元，所述水下驱动单元包括水下中心体、翼片、发电装置和电动推进装置，所述水面艇通过连接件与水下中心体连接，所述翼片通过连接轴可摆动地安装在水下中心体上；所述发电装置包括发电机和联动机构，所述发电机安装在水下中心体上，所述翼片通过联动机构与发电机连接，所述电动推进装置用于为波浪滑翔机提供推进力。

相对于现有技术，本发明的波浪滑翔机的有益效果为：通过翼片可直接利用波浪能为波浪滑翔机提供推进力，同时，翼片摆动时能够通过联动机构驱动发电机动作，以将一部分波浪能转换为电能，储存的电能可为电动推进装置供电，以使波浪滑翔机能够在风平浪静的情况下继续航行；相对于CN110344996A、CN109110095B这种利用浮体船与牵引机的距离变化来发电的方式，本发明中的水下驱动单元不需要相对于水面艇“不动或慢动”，水面艇将上下波动的波浪能通过翼片更多的转换为前进的动能，提高波浪能的利用效率。

本发明的技术方案还有，所述联动机构包括偏心轴、正向棘爪、反向棘爪、正向棘轮、反向棘轮、第一主动齿轮、第二主动齿轮、惰轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮；所述连接轴与翼片固定连接，所述偏心轴与连接轴固定连接，所述正向棘爪、反向棘爪均可转动的安装在偏心轴上；所述第一主动齿轮、第二主动齿轮、惰轮分别可转动的安装在水下中心体上，所述第一主动齿轮、第二主动齿轮均与连接轴同轴，所述正向棘轮与第一主动齿轮同轴固定连接，所述反向棘轮与第二主动齿轮同轴固定连接，所述第一从动齿轮和第二从动齿轮均与发电机的输入轴连接；所述正向棘爪与正向棘轮啮合，所述反向棘爪与反向棘轮啮合；所述惰轮分别与第一主动齿轮、第一从动齿轮啮合，所述第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合。采用本技术方案，当翼片正向摆动时，偏心轴通过正向棘爪驱动正向棘轮正向旋转，进而依次通过第一主动齿轮、惰轮、第一从动齿轮驱动发电机的输入轴正向旋转，此过程中，反向棘爪滑过反相棘轮的齿背；当翼片反向摆动时，偏心轴通过反向棘爪驱动反向棘轮反向旋转，进而依次通过第二主动齿轮、第二从动齿轮驱动发电机的输入轴正向旋转，此过程中，正向棘爪滑过正相棘轮的齿背。以此，使翼片的正、反向摆动均能够驱动发电机的输入轴正向旋转。

本发明的技术方案还有，作垂直于水下中心体中心轴线、并且包含所述翼片与水下中心体连接点的截面，在所述截面上，沿所述翼片与水下中心体连接点分别向上、向下延伸，所述截面的轮廓逐渐向内收缩。采用本技术方案，当水下中心体沉浮时，阻力较小，而且，翼片处的局部流速最大，能够提供比现有技术中可摆动地翼面更大的力矩，具有减阻增推的效果。

本发明的技术方案还有，所述电动推进装置包括多关节柔性尾部，所述多关节柔性尾部包括至少两个尾部单元；所述尾部单元包括多个隔框和一个摆动作动器，多个所述隔框沿前后方向通过弹簧和连杆串连，所述弹簧和连杆设在相邻的隔框之间，所述连杆的两端分别通过竖直轴与相邻的两个所述隔框枢接，所述摆动作动器安装在尾部单元前端的隔框上，所述摆动作动器通过两根拉绳连接尾部单元后端的隔框的两侧；至少两个所述尾部单元沿前后方向串联，前方尾部单元的后端隔框为后方尾部单元的前端隔框。采用本技术方案，通过设置至少两个尾部单元，使多关节柔性尾部能够按一定的波形、振幅和相位关系做刚性强迫振动，从而可以在水中进行初步试验，以取得多关节柔性尾部摆动时水流的惯性力矩、阻尼力矩等的最佳数据，为多功能尾部的具体设计提供了条件；另外，通过设置至少两个尾部单元，使多关节柔性尾部摆动使拖出的流动旋涡成为反向的卡门涡街，以满足大推力、小转弯半径等游动的需要。

本发明的技术方案还有，相邻两个所述隔框之间设有四根弹簧，四根所述弹簧沿同一圆周均布。

本发明的技术方案还有，所述电动推进装置还包括尾鳍和尾鳍舵机，所述尾鳍和尾鳍舵机安装在多关节柔性尾部的后端，所述尾鳍舵机能够驱动尾鳍左右摆动。采用本技术方案，尾鳍摆动能够控制推进方向，而且，尾鳍摆动推动水的惯性力和尾鳍摆动时的尾鳍前缘吸力均能够产生推进力。

本发明的技术方案还有，所述多关节柔性尾部还包括弹性密封蒙皮，所述弹性密封蒙皮包覆在尾部单元的外部。

本发明的技术方案还有，所述水下中心体的内部设有密闭腔体。采用本技术方案，除了用于发射和接收信号的天线外，其余的仪器和装置都可以放置在密闭腔体中，这就使水面艇能够为太阳能板提供足够的空间，并且为水面艇增加浅潜入海面等技术要求提供了可能。

本发明的技术方案还有，所述连接件包括连接杆和万向轴承，所述连接杆的下端连接于水下中心体，所述连接杆的上端通过万向轴承连接于水面艇。水面的波浪形成原因很多，如风成波、潮汐波、船行波等等，而风成波是最主要的波浪形式。由于产生波浪的风的速度和压力相对于位置和时间的变化随机，因而波浪也具有随机性质(例如纽曼于1952年得到的波浪谱和其它几种谱)。因此在波浪作用下水面除有上下运动外，也有角度的转动。为了减少或避免水面艇角度转动对水下驱动单元的上下运动的干扰，连接件采用了万向轴承和连接杆相结合的形式，这样，水面艇的摇摆就不会对水下驱动单元造成太大的干扰，使水下驱动单元能够基本保持上下的运动状态。

本发明的技术方案还有，所述水面艇内部设有密闭水室，所述水面艇上还设有吸排水装置，所述吸排水装置用于密闭水室内水的吸入和排出。采用本技术方案，在需要隐蔽水面艇的情况下，密闭水室的水量通过吸排水装置调整，使水面艇下潜到既能接收海洋波浪能又不暴露在海面上易隐蔽的浅海面深度(例如0.5米)。由于海洋波浪能的分布范围能到水下六米左右，因此在这样的下潜深度，海洋波浪能并没有太大的衰减。

附图说明

图1为实施例一中的波浪滑翔机的主视图。

图2为实施例一中的波浪滑翔机的右视图。

图3为实施例一中的水面艇的主剖图。

图4为实施例一中的水下驱动单元的主视图。

图5为实施例一中的水下驱动单元的俯视图。

图6为实施例一中的发电装置的结构示意图。

图7为实施例一中的多关节柔性尾部的动作状态示意图。

图8为鱼类尾部摆动所产生的三种推进力机制示意图。

图9为圆柱体绕流速度变化的示意图。

图10为计算电动推进装置流体力学的部分结果。

图11为实施例二中的波浪滑翔机的主视图。

图中：1、水面艇，2、水下中心体，3、翼片，4、发电机，5、连接轴，6、蓄电池，7、多波束，8、多关节柔性尾部，9、隔框，10、摆动作动器，11、弹簧，12、拉绳，13、尾鳍，14、尾鳍舵机，15、弹性密封蒙皮，16、密闭腔体，17、连接杆，18、万向轴承，19、密闭水室，20、太阳能板，21、天线，22、背鳍，23、气口，24、水泵，25、前视防撞装置，26、水质测量仪，27、前后平衡装置，28、左右平衡装置，29、惯导，30、中心控制器，31、辅助电脑，32、偏心轴，33、正向棘爪，34、反向棘爪，35、正向棘轮，36、反向棘轮，37、第一主动齿轮，38、第二主动齿轮，39、惰轮，40、第一从动齿轮，41、第二从动齿轮，42、连杆，43、第一螺旋桨推进器，44、第二螺旋桨推进器，45、第一尾舵，46、第二尾舵。

具体实施方式

为了使得本公开的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本公开具体实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例一

图1-图10示出了本发明的实施例一。

如图1、图2所示，一种波浪滑翔机，包括水面艇1、连接件和水下驱动单元。

所述水面艇1采用玻璃钢材质，如图3所示，其顶部设有太阳能板20、天线21和玻璃钢材质的背鳍22。所述水面艇1内部设有密闭水室19，所述水面艇1上还设有吸排水装置，所述吸排水装置用于密闭水室19内水的吸入和排出，具体的，所述吸排水装置包括位于水面艇1顶部的气口23和位于水面艇1底部的水泵24。在需要隐蔽水面艇1的情况下，密闭水室19的水量通过吸排水装置调整，使水面艇1下潜到既能接收海洋波浪能又不暴露在海面上易隐蔽的浅海面深度(例如0.5米)。由于海洋波浪能的分布范围能到水下六米左右，因此在这样的下潜深度，海洋波浪能并没有太大的衰减。所述水面艇1下部采用反弓型外形，以尽量吸收波浪能。

所述水下驱动单元包括水下中心体2、翼片3、发电装置和电动推进装置。

如图4所示，所述水下驱动单元呈流线型，流体力学的结果表明，将长形钝体的头部尖化或圆化都可以减少阻力。实验表明：二维圆柱的前后压差阻力系数Cd＝1.2(Re＝10⁴到2x10⁵)，而海豚的前后压差阻力系数仅Cd＝0.0036，两者相差三百余倍！因此，流线型的水下驱动单元的前后运动的阻力将成百倍的小于现有技术的水下波浪滑翔机的阻力。而且，流线型的外形使水下驱动单元上下运动的阻力要比平板式的波浪滑翔机的上下运动的阻力要小很多。这样就可以最好地利用波浪向上运动时的波浪能和波浪向下运动时水下驱动单元的位势能。

所述翼片3通过连接轴5可摆动地安装在水下中心体2上。

作垂直于水下中心体2中心轴线、并且包含所述翼片3与水下中心体2连接点的截面，在所述截面上，沿所述翼片3与水下中心体2连接点分别向上、向下延伸，所述截面的轮廓逐渐向内收缩，所述截面可以为圆形、椭圆形、双抛物线形等，如图1所示，本实施例中的所述截面呈椭圆形。该设计使翼片3处的局部流速最大，能够提供比现有技术中可摆动地翼面更大的力矩，具有减阻增推的效果。下面以圆形截面作论证。

如图9所示，从横向流的情况来看，假定壁面无滑移，圆柱表面流速可以用下式近似表示：

其中，V_t是圆柱表面的流速，V_∞是来流速度，ψ是流函数，r是圆柱半径，a是任一点的矢径，θ为圆柱表面点矢径与水平面的夹角。

这样，在圆形横向最大截面处(θ＝90°)，局部流速等于水下驱动单元上下运动速度的两倍。根据伯努利公式，有

p+1/2ρ(4V²sin²θ)＝H

其中，H为总压，P为当地静压，ρ是密度，V为来流速度。

定义当地压力系数增量为S，于是有

可见，在圆形横向最大截面处(θ＝90°)的当地压力系数是来流的四倍。将翼片3放在此处，翼片3能够提供现有技术中可摆动地翼面四倍左右的力矩。

所述水下中心体2采用玻璃钢材质，所述水下中心体2的内部设有密闭腔体16，除了用于发射和接收信号的天线21外，其余的仪器和装置都可以放置在密闭腔体16中，本实施例的密闭腔体16中设置有前视防撞装置25、水质测量仪26、前后平衡装置27、左右平衡装置28、惯导29、中心控制器30、辅助电脑31、蓄电池6、多波束7等。这就使水面艇1能够为太阳能板20提供足够的空间，并且为水面艇1增加浅潜入海面等技术要求提供了可能。

所述发电装置包括发电机4和联动机构，所述发电机4安装在水下中心体2上并位于密闭腔体16内，所述翼片3通过联动机构与发电机4连接，具体的，如图6所示，所述联动机构包括偏心轴32、正向棘爪33、反向棘爪34、正向棘轮35、反向棘轮36、第一主动齿轮37、第二主动齿轮38、惰轮39、第一从动齿轮40、第二从动齿轮41；所述连接轴5与翼片3固定连接，所述偏心轴32与连接轴5固定连接，所述正向棘爪33、反向棘爪34均可转动的安装在偏心轴32上；所述第一主动齿轮37、第二主动齿轮38、惰轮39分别可转动的安装在水下中心体2上，所述第一主动齿轮37、第二主动齿轮38均与连接轴5同轴，所述正向棘轮35与第一主动齿轮37同轴固定连接，所述反向棘轮36与第二主动齿轮38同轴固定连接，所述第一从动齿轮40与第二从动齿轮41均与发电机4的输入轴连接；所述正向棘爪33与正向棘轮35啮合，所述反向棘爪34与反向棘轮36啮合；所述惰轮39分别与第一主动齿轮37、第一从动齿轮40啮合，所述第二主动齿轮38与第二从动齿轮41啮合。当翼片3正向摆动时，偏心轴32通过正向棘爪33驱动正向棘轮35正向旋转，进而依次通过第一主动齿轮37、惰轮39、第一从动齿轮40驱动发电机4的输入轴正向旋转，此过程中，反向棘爪34滑过反相棘轮36的齿背；当翼片3反向摆动时，偏心轴32通过反向棘爪34驱动反向棘轮36反向旋转，进而依次通过第二主动齿轮38、第二从动齿轮41驱动发电机4的输入轴正向旋转，此过程中，正向棘爪33滑过正相棘轮35的齿背。以此，使翼片3的正、反向摆动均能够驱动发电机4的输入轴正向旋转。

所述电动推进装置用于为波浪滑翔机提供推进力。

根据著名的格来理论：当海豚等在水下航行以15到20节速度前进时，海豚肌肉所需的功率只相当于相似的刚体模型所需功率的1/7。而“活”鱼波状游动时，阻力又相对死鱼减少50％以上。这是由于卡门涡街反向可大大减少流动阻力的缘故(参见图8a)。因此，如能采用可摆动地多关节的柔性尾部作为电动推进装置，就可以利用一定的摆动模式，使卡门涡街反向，而产生前进的推力。

鱼类的尾部在摆动游动中可以产生三部分推力(参见图8)：1)尾部摆动引起尾部下游的卡门涡街的反向产生的涡推力(图8a)；2)尾鳍摆动推动水的惯性力(图8b)和尾鳍摆动时的尾鳍的前缘吸力(图8c)。

上述三部分推力中，尾部在摆动造成反向卡门涡街而减少的流动阻力是主要的部分。这是由于尾部和尾鳍摆动形成的反卡门涡街的旋转轴线一直都是垂直于水下驱动单元前进的反向，也就使形成的有效推力的喷流平行于水下驱动单元前进的方向(图8a)。相比之下，一般螺旋桨形成的旋转轴线与螺旋桨转轴垂直，以至该涡街不能提供前进动力。这也是本发明提出利用多关节柔性尾部8摆动获得推力的理论根据。

由于现有技术只是根据鱼类游动的观察测量的拟合结果，而计算流体力学的结果又是根据上述观察测量结果作为计算的边界条件而得到的计算值。这些观察得到的拟合结果有待实际的验证，更有待通过更改边界条件而进一步优化。而多关节柔性尾部8的具体参数可以根据试验结果优化，这就为验证和优化流动效果提供了条件。

因此，如图4所示，在本实施例中，所述电动推进装置包括多关节柔性尾部8、尾鳍13、尾鳍舵机14和弹性密封蒙皮15。

如图4和图5所示，所述多关节柔性尾部8包括两个尾部单元。每个所述尾部单元包括五个隔框9和一个摆动作动器10。五个所述隔框9沿前后方向通过弹簧11和连杆42串连，所述弹簧11和连杆42设在相邻的隔框9之间。所述连杆42的两端分别通过竖直轴与相邻的两个所述隔框9枢接，以保证相邻所述隔框9可以在相对转动的同时不会相对上下串动。相邻两个所述隔框9之间设有四根弹簧11，四根所述弹簧11沿同一圆周均布。所述摆动作动器10安装在尾部单元前端的隔框9上，所述摆动作动器10通过两根拉绳12连接尾部单元后端的隔框9的两侧外缘。两个所述尾部单元沿前后方向串联，前方尾部单元的后端隔框为后方尾部单元的前端隔框。所述隔框9沿前后方向尺寸逐渐缩小。

所述弹性密封蒙皮15包覆在尾部单元的外部。

所述尾鳍13和尾鳍舵机14安装在多关节柔性尾部8的后端，所述尾鳍舵机14能够驱动尾鳍13左右摆动。尾鳍13摆动能够控制推进方向，而且，尾鳍13摆动推动水的惯性力和尾鳍13摆动时的尾鳍前缘吸力均能够产生推进力。

本发明的目的是为了通过多关节柔性尾部8摆动引起多关节柔性尾部8下游的卡门涡街的反向产生涡推力。而要达到这一点就必须让多关节柔性尾部8外形按一定的波形、振幅和相位的关系的刚性强迫振动运动。如果刚性强迫振动的波形为：

Y(x,t)＝(C₁x+C₂x²)sin(kx+ωt)

上式中，Y为尾部各点的横向位移；x为尾部的纵向坐标值；C₁、C₂为线性波幅和二次波幅包络线系数；n为尾部身体波波数，n＝2π/λ；λ为身体波波长；ω为身体波振动圆频率。

尾鳍摆动产生的推力主要来自尾鳍横向的位移运动和尾鳍绕尾鳍根部摇摆运动的相位关系决定，简化起见可用下述公式表示：

Y(t)＝A_ysinωt

式中Y为尾鳍摆动的横向坐标，A_y为横向位移运动的振幅，θ₀为尾鳍摇摆的运动的振幅，ω为身体波振动圆频率，φ₀为横向位移运动和摇摆运动的相位差。

则机械和水流的惯性力，阻尼力和刚度力分别为：

ky＝k(c₁x+c₂x²)sin(kx+ωt)

上式中，m为机械部分和推动水流的流体质量，c为机械部分和水流粘性的粘性系数，k为机械部分的弹性刚度。

只要在具体设计中刚性强迫振动系统能提供的力矩满足要求，多关节柔性尾部8和尾鳍13的摆动就可以满足要求。但是，在多关节柔性尾部8和尾鳍13摆动时水流的惯性力矩、阻尼力矩等很难通过计算事先取得，只有通过可控制多关节柔性尾部8和可摆动地尾鳍13的波形的水试来确定。

本实施例通过设置两个尾部单元，使多关节柔性尾部8能够按一定的波形、振幅和相位关系做刚性强迫振动，从而可以在水中进行初步试验，以取得多关节柔性尾部摆动时水流的惯性力矩、阻尼力矩等的最佳数据，为多功能尾部的具体设计提供了条件；另外，通过设置至少两个尾部单元，使多关节柔性尾部摆动使拖出的流动旋涡成为反向的卡门涡街，以满足大推力、小转弯半径等游动的需要。

如图7所示，如果两个鱼尾单元的摆动作动器10都拉紧一边而放开另一边的拉绳12，整个系统成为半周期的正弦函数形状(图7a)；如果两个鱼尾单元的拉紧边和放开边反向，整个系统成为整周期的正弦函数形状(图7b)。可见，波形的频率和振幅可以由摆动作动器10控制。

图10是计算电动推进装置流体力学的部分结果。分别为迎角0度(水平试验来流V＝1m/s)和90度(模拟垂直下沉试验来流V＝0.5m/s)在两个不同翼片3的安装角条件下的静态试验。一共四个试验状态。图10a和图10b是翼片3偏角为15度、下迎角分别为0度和90度(水平和垂直状态)下的结果；图10c和图10d是翼片3偏角20度、下迎角分别为0度和90度下的计算结果。

在上述实验的基础上，本专利通过设置两个尾部单元和尾鳍13，电动推进装置由可控制摆动角度的两个尾部单元和尾鳍13组成，以使电动推进装置可以实现不同的尾鳍游动模式，如亚鲹科模式或亚鳟行式、鲹科模式或鳟行式和金枪鱼模式或鲉行式。通过在水中的实际游动，检验和改进不同的运动模式，达到最好的实际效果。

所述水面艇1通过连接件与水下中心体2连接，具体的，所述连接件包括连接杆17和万向轴承18，所述连接杆17的下端连接于水下中心体2，所述连接杆17的上端通过万向轴承18连接于水面艇1。水面的波浪形成原因很多，如风成波、潮汐波、船行波等等，而风成波是最主要的波浪形式。由于产生波浪的风的速度和压力相对于位置和时间的变化随机，因而波浪也具有随机性质(例如纽曼于1952年得到的波浪谱和其它几种谱)。因此在波浪作用下水面除有上下运动外，也有角度的转动。为了减少或避免水面艇1角度转动对水下驱动单元的上下运动的干扰，连接件采用了万向轴承18和连接杆17相结合的形式，这样，水面艇1的摇摆就不会对水下驱动单元造成太大的干扰，使水下驱动单元能够基本保持上下的运动状态。

实施例二

如图11所示，不同于实施例一之处在于电动推进装置，本实施例的电动推进装置包括第一螺旋桨推进器43、第二螺旋桨推进器44、第一尾舵45、第二尾舵46。所述第一螺旋桨推进器43、第一尾舵45安装在水面艇1上，所述第一螺旋桨推进器43用于为水面艇1提供推进力，所述第一尾舵45控制水面艇1的航行方向；所述所述第一螺旋桨推进器44、第一尾舵46安装在水下中心体2上，所述第二螺旋桨推进器44用于为水下中心体2提供推进力，所述第二尾舵46控制水下中心体2的航行方向。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开实施例揭露的技术范围内或者在本公开实施例揭露的思想下，可轻易想到变化、替换或组合，都应涵盖在本公开实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波浪滑翔机，包括水面艇(1)、连接件和水下驱动单元，所述水下驱动单元包括水下中心体(2)、翼片(3)，所述水面艇(1)通过连接件与水下中心体(2)连接，所述翼片(3)通过连接轴(5)可摆动地安装在水下中心体(2)上，其特征在于：所述水下驱动单元还包括发电装置和电动推进装置，所述发电装置包括发电机(4)和联动机构，所述发电机(4)安装在水下中心体(2)上，所述翼片(3)通过联动机构与发电机(4)连接，所述电动推进装置用于为波浪滑翔机提供推进力。

2.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述联动机构包括偏心轴(32)、正向棘爪(33)、反向棘爪(34)、正向棘轮(35)、反向棘轮(36)、第一主动齿轮(37)、第二主动齿轮(38)、惰轮(39)、第一从动齿轮(40)、第二从动齿轮(41)；所述连接轴(5)与翼片(3)固定连接，所述偏心轴(32)与连接轴(5)固定连接，所述正向棘爪(33)、反向棘爪(34)均可转动的安装在偏心轴(32)上；所述第一主动齿轮(37)、第二主动齿轮(38)、惰轮(39)分别可转动的安装在水下中心体(2)上，所述第一主动齿轮(37)、第二主动齿轮(38)均与连接轴(5)同轴，所述正向棘轮(35)与第一主动齿轮(37)同轴固定连接，所述反向棘轮(36)与第二主动齿轮(38)同轴固定连接，所述第一从动齿轮(40)和第二从动齿轮(41)均与发电机(4)的输入轴连接；所述正向棘爪(33)与正向棘轮(35)啮合，所述反向棘爪(34)与反向棘轮(36)啮合；所述惰轮(39)分别与第一主动齿轮(37)、第一从动齿轮(40)啮合，所述第二主动齿轮(38)与第二从动齿轮(41)啮合。

3.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，作垂直于水下中心体(2)中心轴线、并且包含所述翼片(3)与水下中心体(2)连接点的截面，在所述截面上，沿所述翼片(3)与水下中心体(2)连接点分别向上、向下延伸，所述截面的轮廓逐渐向内收缩。

4.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述电动推进装置包括多关节柔性尾部(8)，所述多关节柔性尾部(8)包括至少两个尾部单元；所述尾部单元包括多个隔框(9)和一个摆动作动器(10)，多个所述隔框(9)沿前后方向通过弹簧(11)和连杆(42)串连，所述弹簧(11)和连杆(42)设在相邻的隔框(9)之间，所述连杆(42)的两端分别通过竖直轴与相邻的两个所述隔框(9)枢接，所述摆动作动器(10)安装在尾部单元前端的隔框(9)上，所述摆动作动器(10)通过两根拉绳(12)连接尾部单元后端的隔框(9)的两侧；至少两个所述尾部单元沿前后方向串联，前方尾部单元的后端隔框为后方尾部单元的前端隔框。

5.根据权利要求4所述的波浪滑翔机，其特征在于，相邻两个所述隔框(9)之间设有四根弹簧(11)，四根所述弹簧(11)沿同一圆周均布。

6.根据权利要求4或5所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述电动推进装置还包括尾鳍(13)和尾鳍舵机(14)，所述尾鳍(13)和尾鳍舵机(14)安装在多关节柔性尾部(8)的后端，所述尾鳍舵机(14)能够驱动尾鳍(13)左右摆动。

7.根据权利要求4或5所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述多关节柔性尾部(8)还包括弹性密封蒙皮(15)，所述弹性密封蒙皮(15)包覆在尾部单元的外部。

8.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述水下中心体(2)的内部设有密闭腔体(16)。

9.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述连接件包括连接杆(17)和万向轴承(18)，所述连接杆(17)的下端连接于水下中心体(2)，所述连接杆(17)的上端通过万向轴承(18)连接于水面艇(1)。

10.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述水面艇(1)内部设有密闭水室(19)，所述水面艇(1)上还设有吸排水装置，所述吸排水装置用于密闭水室(19)内水的吸入和排出。

Images