CN115783200A - 一种正弯度机翼水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种正弯度机翼水下滑翔机，属于水下航行器技术领域，其机翼采用正弯度翼型，姿态控制装置实现了下潜、上浮两个运动阶段机翼翼型的变化，下潜阶段机翼为正弯度翼型，上浮阶段机翼为负弯度翼型，机翼结构简单可靠，水下滑翔机内部空间利用率高，且滑翔效率高。该正弯度机翼水下滑翔机包括滑翔机主体，滑翔机主体的左右两侧分别安装有正弯度机翼，滑翔机主体内设有姿态控制装置，所述姿态控制装置包括横滚控制组件、偏心重物组件、俯仰控制组件。

Description

一种正弯度机翼水下滑翔机

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种正弯度机翼水下滑翔机。

背景技术

水下滑翔机依靠调节浮力实现升沉，配合机翼的升力将垂直运动转换为水平运动，采用内置的姿态调整机构改变姿态以实现滑翔运动，可对复杂海洋环境进行长时序、大范围的观测与探测，在全球海洋观测与探测系统中发挥着重要作用，具有长航程、长航时、隐蔽性好等优点。

相关研究表明：相较于对称机翼，正弯度机翼可以提高下潜滑翔运动阶段水下滑翔机的滑翔经济性，但是降低了上浮滑翔运动阶段水下滑翔机的滑翔经济性；反之，负弯度机翼可以提高上浮滑翔运动阶段水下滑翔机的滑翔经济性，但是降低了下潜滑翔运动阶段水下滑翔机的滑翔经济性。水下滑翔机关键技术为机翼升阻比，现有技术专利CN201810055449.6提出了柔性变后缘水下滑翔机机翼，通过舵机与丝线驱动机翼后缘，改变机翼翼型，但由于机翼结构复杂度增大，降低了机翼结构的可靠性；CN201810251028.0设计驱动机构主动调整机翼角度，但非固定机翼驱动装置增加了内部机构，占用了水下滑翔机有限的内部空间，同时机构复杂度增大，降低了机翼结构的可靠性。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种正弯度机翼水下滑翔机，创新性地设计了全角度横滚姿态调节机构，实现水下滑翔机整体180度翻转，保证下潜、上浮两个运动阶段正弯度机翼水下滑翔机的航行经济性均高于对称机翼水下滑翔机，并且机翼结构简单可靠，不占用水下滑翔机壳体内部空间，内部空间利用率高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种正弯度机翼水下滑翔机，包括耐压壳体，所述耐压壳体的左右两侧分别安装有正弯度机翼，所述耐压壳体的前后两端分别密封连接有前端盖和后端盖，所述前端盖与前导流罩连接，后端盖与后导流罩连接，所述耐压壳体内设有姿态控制装置，所述姿态控制装置包括横滚控制组件、偏心重物组件、俯仰控制组件，所述横滚控制组件驱动所述偏心重物组件绕所述耐压壳体的中心线转动，所述俯仰控制组件驱动所述偏心重物组件沿所述耐压壳体的中心线前后移动，所述耐压壳体内设有主控装置，所述后导流罩上固定有天线，所述主控装置与姿态控制装置通信连接。

优选的，所述耐压壳体由前向后包括密封连接的前壳体、前肋环、中壳体、后肋环和后壳体。

优选的，所述横滚控制组件包括行星齿轮系、横滚电机和横滚电机座，所述行星齿轮系包括太阳轮、行星轮A、行星轮B、行星轮C、内齿圈、行星架，所述内齿圈与所述耐压壳体固定连接，所述太阳轮分别与所述行星轮A、所述行星轮B、所述行星轮C啮合传动，所述行星轮A、所述行星轮B、所述行星轮C分别与所述内齿圈啮合传动，所述行星架分别通过轴承A、轴承B、轴承C支撑所述行星轮A、所述行星轮B、所述行星轮C，所述横滚电机、所述横滚电机座固定在所述前肋环后端，所述横滚电机用于驱动所述太阳轮。

优选的，所述俯仰控制组件包括俯仰电机固定架、俯仰电机座、俯仰电机、丝杠螺母、丝杠保护罩、丝杠保护罩固定螺母、丝杠保护罩固定连接块；所述俯仰电机与所述俯仰电机座固定连接，所述俯仰电机座通过所述俯仰电机固定架固定在所述偏心重物组件上端，所述俯仰电机的输出轴与所述丝杠螺母内螺纹连接，所述丝杠螺母位于所述丝杠保护罩内部的后端，所述丝杠保护罩固定螺母与所述丝杠螺母外螺纹连接，所述丝杠保护罩前端通过所述丝杠保护罩固定连接块固定在所述行星架后端。

优选的，所述偏心重物组件包括偏心重物、偏心重物支撑管、轴承D、轴承E、轴承D端盖、轴承E端盖；所述偏心重物支撑管沿所述耐压壳体的中心线穿过所述偏心重物，所述偏心重物支撑管前端与所述轴承D连接，所述轴承D上设轴承D端盖，所述轴承D端盖与所述行星架固定连接，所述偏心重物支撑管后端设有所述轴承E，所述轴承E上设有所述轴承E端盖，所述轴承E端盖固定在所述后肋环上。

优选的，所述耐压壳体内设有浮力驱动装置，所述浮力驱动装置包括内部盛装有油的内油箱、体积可膨胀的外油囊、用于将所述内油箱内的油泵入所述外油囊的油泵和连接于所述油泵的驱动电机；所述外油囊设置于所述后导流罩内，并与所述后端盖密封连接，所述油泵的入口端和出口端分别通过输油油路连接于所述内油箱和外油囊，所述输油油路设有单向阀，所述内油箱和外油囊之间还连通有回油油路，所述回油油路设有电磁阀。

优选的，包括任务载荷和抛载装置，所述任务载荷设置于所述前导流罩内并从所述前导流罩的顶部露出，所述抛载装置设置于所述前导流罩内并从所述前导流罩的底部露出，所述天线连接于所述后导流罩并从所述后导流罩的后部伸出。

优选的，下潜滑翔阶段，俯仰电机驱动丝杠螺母旋转，丝杠螺母与俯仰电机作相向运动，带动偏心重物组件在耐压壳体内向前移动，同时横滚电机保持静止，水下滑翔机低头下潜；

上浮滑翔阶段，俯仰电机驱动丝杠螺母反向旋转，丝杠螺母与俯仰电机作背向运动，带动偏心重物组件在耐压壳体内向后移动，同时横滚电机驱动太阳轮，进而驱动行星齿轮系，行星齿轮系中的行星架通过俯仰控制组件驱动偏心重物组件绕耐压壳体的中心线滚转度，在偏心重物组件驱动下水下滑翔机整体滚转180度，实现水下滑翔机抬头上浮过程中翼型保持负弯曲；

驱动电机驱动油泵将内油箱内的油通过输油油路输送至外油囊，从而使外油囊膨胀，外油囊体积增大使水下滑翔机的浮力随之增大，当水下滑翔机的浮力大于自身重力时，水下滑翔机上浮；当需要控制水下滑翔机下潜时，打开电磁阀，外油囊中的油在海水压力作用下经回油油路压回至内油箱中，外油囊体积减小使水下滑翔机的浮力随之减小，当水下滑翔机的浮力小于自身重力时，水下滑翔机下潜；正弯度机翼将水下滑翔机的垂直运动转换为水平运动，从而驱动水下滑翔机运动。

优选的，在下潜滑翔阶段水下滑翔机航行攻角为2～4度。

有益效果

1、本发明提供的正弯度机翼水下滑翔机，通过姿态控制装置实现了下潜、上浮两个运动阶段机翼翼型的变化，下潜阶段机翼为正弯度翼型，上浮阶段机翼为负弯度翼型。与通过舵机与丝线驱动机翼后缘改变机翼翼型的方法相比，机翼结构简单可靠，水下滑翔机内部空间利用率高。

2、本发明提供的正弯度机翼水下滑翔机，在水下滑翔机下潜航行过程中，航行攻角2～4度，正弯度机翼的升阻比要高于对称机翼，有利于提高水下滑翔机的滑翔经济性。

3、本发明提供的正弯度机翼水下滑翔机，上浮滑翔过程中，其姿态控制装置的横滚电机驱动行星齿轮系，带动偏心重物180度滚动，从而实现水下滑翔机180°翻滚，水下滑翔机的机翼保持在负弯度翼型，确保在上浮滑翔阶段该水下滑翔机的航行经济性高于对称机翼水下滑翔机。

4、本发明提供的正弯度机翼水下滑翔机，具有结构高可靠性、高机动、长航时等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的正弯度机翼水下滑翔机的外部结构示意图。

图2为本发明实施例提供的正弯度机翼水下滑翔机的内部结构示意图。

图3为本发明实施例提供的正弯度机翼水下滑翔机中姿态控制装置的结构示意图。

图4为沿正弯度机翼水下滑翔机对称面剖开的姿态控制装置的剖视图。

图5为姿态控制装置中行星齿轮系的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的正弯度机翼水下滑翔机中正弯度机翼的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的正弯度机翼水下滑翔机中浮力驱动装置的结构示意图。

图8为姿态控制装置处于下潜滑翔运动阶段时的状态图。

图9为姿态控制装置处于上浮滑翔运动阶段时的状态图。

图10为姿态控制装置中行星齿轮系的结构侧视图。

以上各图中：1、滑翔机主体；11、前导流罩；12、前端盖；13、耐压壳体；131、前壳体；132、前肋环；133、中壳体；134、后肋环；135、后壳体；14、后端盖；15、后导流罩；16、正弯度机翼；2、姿态控制装置；21、横滚控制组件；211、行星齿轮系；2111、太阳轮；2112、行星轮A；2113、行星轮B；2114、行星轮C；2115、内齿圈；2116、行星架；2117、轴承A；2118、轴承B；2119、轴承C；212、横滚电机；213、横滚电机座；22、偏心重物组件；221、偏心重物；222、偏心重物支撑管；223、轴承D；224、轴承E；225、轴承D端盖；226、轴承E端盖；23、俯仰控制组件；231、俯仰电机固定架；232、俯仰电机座；233、俯仰电机；234、丝杠螺母；235、丝杠保护罩；236、丝杠保护罩固定螺母；237、丝杠保护罩固定连接块；3、浮力驱动装置；31、内油箱；32、外油囊；33、油泵；34、驱动电机；35、输油油路；36、回油油路；37、电磁阀；38、单向阀；4、主控装置；5、任务载荷；6、抛载装置；7、天线。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，以滑翔机主体1的首部为前、尾部为后、顶部为上、底部为下，“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的术语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图6所示，本发明实例涉及一种正弯度机翼水下滑翔机，包括水下滑翔机主体1，水下滑翔机主体1包括呈筒状的耐压壳体13，耐压壳体13的左右两侧分别安装有正弯度机翼16；耐压壳体13的中心线沿前后方向设置，耐压壳体13由前向后包括密封连接的前壳体131、前肋环132、中壳体133、后肋环134和后壳体135，耐压壳体13的前后两端分别密封连接有前端盖12和后端盖14，前端盖12的前侧连接有前导流罩11以形成所述水下滑翔机主体1的首部，后端盖14的后侧连接有后导流罩15以形成所述水下滑翔机主体1的尾部；耐压壳体13内设有姿态控制装置2，姿态控制装置2包括横滚控制组件21、偏心重物组件22、俯仰控制组件23，横滚控制组件21驱动偏心重物组件22绕耐压壳体13的中心线转动，俯仰控制组件23驱动偏心重物组件22沿耐压壳体13的中心线前后移动。

横滚控制组件21包括行星齿轮系211、横滚电机212、横滚电机座213，行星齿轮系211包括太阳轮2111、行星轮A 2112、行星轮B 2113、行星轮C 2114、内齿圈2115、行星架2116，内齿圈2115固定在耐压壳体13上，太阳轮2111分别与行星轮A 2112、行星轮B 2113、行星轮C 2114啮合传动，行星轮A 2112、行星轮B 2113、行星轮C 2114分别与内齿圈2115啮合传动，行星架2116分别通过轴承A 2117、轴承B 2118、轴承C 2119支撑行星轮A 2112、行星轮B 2113、行星轮C 2114，横滚电机212通过横滚电机座213固定在前肋环132后端，横滚电机212驱动太阳轮2111转动。

俯仰控制组件23包括俯仰电机固定架231、俯仰电机座232、俯仰电机233、丝杠螺母234、丝杠保护罩235、丝杠保护罩固定螺母236、丝杠保护罩固定连接块237，俯仰电机233固定在俯仰电机座232上，俯仰电机座232通过俯仰电机固定架231固定在偏心重物组件22上端，俯仰电机233的输出轴与丝杠螺母234内螺纹连接，丝杠螺母234位于丝杠保护罩235内部的后端，丝杠保护罩固定螺母236与丝杠螺母234外螺纹连接，丝杠保护罩235前端通过丝杠保护罩固定连接块237固定在行星架2116后端，行星架2116固定在耐压壳体13上。

如图8、图9、图10所示，上述正弯度机翼水下滑翔机中，下潜滑翔阶段，俯仰电机233驱动丝杠螺母234旋转，丝杠螺母234与俯仰电机233作相向运动，带动偏心重物组件22在耐压壳体13内向前移动，同时横滚电机212保持静止，水下滑翔机低头下潜。上浮滑翔阶段，俯仰电机233驱动丝杠螺母234反向旋转，丝杠螺母234与俯仰电机233作背向运动，带动偏心重物组件22在耐压壳体13内向后移动。同时横滚电机212驱动太阳轮2111，进而驱动行星齿轮系211，行星齿轮系211中的行星架2116通过俯仰控制组件23驱动偏心重物组件22绕耐压壳体13的中心线滚转180度。在偏心重物组件22驱动下水下滑翔机整体滚转180度，实现水下滑翔机抬头上浮过程中翼型保持负弯曲。

上述正弯度机翼水下滑翔机，在下潜滑翔阶段水下滑翔机航行攻角2～4度，优先3度(前导流罩内设有电子罗盘或陀螺仪，采集滑翔机的姿态角信息发送至主控装置，主控装置控制横滚电机212和俯仰电机233改变滑翔机运动轨迹)，相比于对称机翼，正弯度机翼16具有更大升阻比，有利于提高水下滑翔机的滑翔经济性。上述正弯度机翼水下滑翔机，通过姿态控制装置2实现了下潜、上浮两个运动阶段机翼翼型的变化，下潜阶段机翼为正弯度翼型，上浮阶段机翼为负弯度翼型。本申请与通过舵机与丝线驱动机翼后缘改变机翼翼型的方法相比，机翼结构简单可靠，水下滑翔机内部空间利用率高。总之，上述的正弯度机翼水下滑翔机，具有结构高可靠性、高机动、长航时等优点。

如图3、图4所示，偏心重物组件22包括偏心重物221、偏心重物支撑管222、轴承D223、轴承E 224、轴承D端盖225、轴承E端盖226，偏心重物支撑管222沿耐压壳体13的中心线穿过偏心重物221，偏心重物支撑管222前端通过轴承D 223、轴承D端盖225固定在行星架2116，偏心重物支撑管222后端通过轴承E 224、轴承E端盖226固定在后肋环134。

如图2和图7所示，耐压壳体13内设有浮力驱动装置3，浮力驱动装置3包括内部盛装有油的内油箱31、体积可膨胀的外油囊32、用于将内油箱31内的油泵入外油囊32的油泵33和连接于油泵33的驱动电机34，外油囊32设置于后导流罩15内，并与后端盖14密封连接，油泵33的入口端和出口端分别通过输油油路35连接于内油箱31和外油囊32，输油油路35设有单向阀38，内油箱31和外油囊32之间还连通有回油油路36，回油油路36设有电磁阀37。

上述浮力驱动装置3的工作原理为：驱动电机34驱动油泵33将内油箱31内的油通过输油油路35输送至外油囊32，从而使外油囊32膨胀，外油囊32体积增大使水下滑翔机的浮力随之增大，当水下滑翔机的浮力大于自身重力时，水下滑翔机上浮；当需要控制水下滑翔机下潜时，打开电磁阀37，外油囊32中的油在海水压力作用下经回油油路36压回至内油箱31中，外油囊32体积减小使水下滑翔机的浮力随之减小，当水下滑翔机的浮力小于自身重力时，水下滑翔机下潜；正弯度机翼16将水下滑翔机的垂直运动转换为水平运动，从而驱动水下滑翔机运动。

如图2所示，水下滑翔机主体1内设有任务载荷5、抛载装置6和天线7，任务载荷5设置于前导流罩11内并从前导流罩11的顶部露出，抛载装置6设置于前导流罩11内并从前导流罩11的底部露出，天线7连接于后导流罩15并从后导流罩15的后部伸出。耐压壳体13内设有主控装置4。

需要说明的是，主控装置4（PLC或单片机等）、任务载荷5、抛载装置6和天线7均为本领域现有装置，在此对其具体结构不做赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，包括耐压壳体，所述耐压壳体的左右两侧分别安装有正弯度机翼，所述耐压壳体的前后两端分别密封连接有前端盖和后端盖，所述前端盖与前导流罩连接，后端盖与后导流罩连接，所述耐压壳体内设有姿态控制装置，所述姿态控制装置包括横滚控制组件、偏心重物组件、俯仰控制组件，所述横滚控制组件驱动所述偏心重物组件绕所述耐压壳体的中心线转动，所述俯仰控制组件驱动所述偏心重物组件沿所述耐压壳体的中心线前后移动，所述耐压壳体内设有主控装置，所述后导流罩上固定有天线，所述主控装置与姿态控制装置通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，所述耐压壳体由前向后包括密封连接的前壳体、前肋环、中壳体、后肋环和后壳体。

3.根据权利要求2所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，所述横滚控制组件包括行星齿轮系、横滚电机和横滚电机座，所述行星齿轮系包括太阳轮、行星轮A、行星轮B、行星轮C、内齿圈、行星架，所述内齿圈与所述耐压壳体固定连接，所述太阳轮分别与所述行星轮A、所述行星轮B、所述行星轮C啮合传动，所述行星轮A、所述行星轮B、所述行星轮C分别与所述内齿圈啮合传动，所述行星架分别通过轴承A、轴承B、轴承C支撑所述行星轮A、所述行星轮B、所述行星轮C，所述横滚电机、所述横滚电机座固定在所述前肋环的后端，所述横滚电机用于驱动所述太阳轮。

4.根据权利要求3所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，所述俯仰控制组件包括俯仰电机固定架、俯仰电机座、俯仰电机、丝杠螺母、丝杠保护罩、丝杠保护罩固定螺母、丝杠保护罩固定连接块；所述俯仰电机与所述俯仰电机座固定连接，所述俯仰电机座通过所述俯仰电机固定架固定在所述偏心重物组件上端，所述俯仰电机的输出轴与所述丝杠螺母内螺纹连接，所述丝杠螺母位于所述丝杠保护罩内部的后端，所述丝杠保护罩固定螺母与所述丝杠螺母外螺纹连接，所述丝杠保护罩前端通过所述丝杠保护罩固定连接块固定在所述行星架的后端。

5.根据权利要求4所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，所述偏心重物组件包括偏心重物、偏心重物支撑管、轴承D、轴承E、轴承D端盖、轴承E端盖；所述偏心重物支撑管沿所述耐压壳体的中心线穿过所述偏心重物，所述偏心重物支撑管前端与所述轴承D连接，所述轴承D上设轴承D端盖，所述轴承D端盖与所述行星架固定连接，所述偏心重物支撑管后端设有所述轴承E，所述轴承E上设有所述轴承E端盖，所述轴承E端盖固定在所述后肋环上。

6.根据权利要求5所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，所述耐压壳体内设有浮力驱动装置，所述浮力驱动装置包括内部盛装有油的内油箱、体积可膨胀的外油囊、用于将所述内油箱内的油泵入所述外油囊的油泵和连接于所述油泵的驱动电机；所述外油囊设置于所述后导流罩内，并与所述后端盖密封连接，所述油泵的入口端和出口端分别通过输油油路连接于所述内油箱和外油囊，所述输油油路设有单向阀，所述内油箱和外油囊之间还连通有回油油路，所述回油油路设有电磁阀。

7.根据权利要求1所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，包括任务载荷、抛载装置和天线，所述任务载荷设置于所述前导流罩内并从所述前导流罩的顶部露出，所述抛载装置设置于所述前导流罩内并从所述前导流罩的底部露出，所述天线连接于所述后导流罩并从所述后导流罩的后部伸出。

8.根据权利要求6所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，下潜滑翔阶段，俯仰电机驱动丝杠螺母旋转，丝杠螺母与俯仰电机作相向运动，带动偏心重物组件在耐压壳体内向前移动，同时横滚电机保持静止，水下滑翔机低头下潜；

上浮滑翔阶段，俯仰电机驱动丝杠螺母反向旋转，丝杠螺母与俯仰电机作背向运动，带动偏心重物组件在耐压壳体内向后移动，同时横滚电机驱动太阳轮，进而驱动行星齿轮系，行星齿轮系中的行星架通过俯仰控制组件驱动偏心重物组件绕耐压壳体的中心线滚转度，在偏心重物组件驱动下水下滑翔机整体滚转180度，实现水下滑翔机抬头上浮过程中翼型保持负弯曲；

驱动电机驱动油泵将内油箱内的油通过输油油路输送至外油囊，从而使外油囊膨胀，外油囊体积增大使水下滑翔机的浮力随之增大，当水下滑翔机的浮力大于自身重力时，水下滑翔机上浮；当需要控制水下滑翔机下潜时，打开电磁阀，外油囊中的油在海水压力作用下经回油油路压回至内油箱中，外油囊体积减小使水下滑翔机的浮力随之减小，当水下滑翔机的浮力小于自身重力时，水下滑翔机下潜；正弯度机翼将水下滑翔机的垂直运动转换为水平运动，从而驱动水下滑翔机运动。

9.根据权利要求8所述的一种正弯度机翼水下滑翔机，其特征在于，在下潜滑翔阶段水下滑翔机航行攻角为2～4度。

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