CN117002713A - 基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，包括航行载器、受力角度调节组件和波形适应组件，航行载器与波形适应组件之间通过摆杆连接；波形适应组件由多个柔性轻密度材料制作的筏式下板铰接连接，波形适应组件可根据内孤立波面的整体曲度适应内孤立波形状的改变，并基于受力角度调节组件调整摆杆与波形适应组件之间的角度，使内孤立波推力沿摆杆水平分力最大，满足航行器受到最大内孤立波推力，本方案通过受力角度调节组件和波形适应组件的设计，实现航行器在内孤立波面内加速运动，达到节约供电能源、提高续航时长的作用，具有广泛的推广及实际应用价值，从而可以进行快速大范围的海洋参数观测、海洋环境考察等水下作业。

Description

基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置

技术领域

本发明属于水下航行器节能设计技术领域，具体涉及一种基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置。

背景技术

水下航行器在海洋环境监测、海洋科学研究和海洋军事任务启到了不可或缺的作用。现有的水下航行器主要依靠自身电池供电，存在着运动距离不足和续航时间短等问题，难以开展长时间大范围的水下作业。海洋可再生能源有着无可比拟的作用，其中波浪能作为利用范围最高的海洋能，具有能量密度高、储量大、分布广、成本低等特点，是理想的能量捕获对象。因此，利用波浪能能量使水下航行器节能是实现水下航行器开展长时间水下作业的重要途经。

波浪能指海浪运动过程中产生动能和势能的总和，该能量具有能量密度大、储量高、可再生的特点，因此也产生了借助波浪能驱动的装置。目前，广泛运用于波浪能发电装置的驱动能量多为海面表层的风涌混合浪，但是，在波浪能中，人们常常忽略了一种发生于海洋内部的内孤立波。内孤立波是密度稳定层结的海水内部产生的波动，其具有能量高、运动规律、连续性强、大振幅、短周期的特点。特别是，我国南海北部是全球内孤立波高发区之一，并且具有传输能量最大、频率最高、振幅最强的内孤立波，是利用内孤立波能量驱动的最佳地点。其中内孤立波最大振幅可达到240m，水平波速2.5m/s。据观测数据显示，南海内孤立波平均每天可发生1次并且多个内孤立波每隔重现期后会路径相同特定道路。从南海北部东沙环礁西侧陆坡海域开始向西传播，穿越深水区和陆坡陆架区，最后在我国近岸处崩溃破碎；它的传播范围超过600公里。

由于现有技术的不足，尚未发现更多的内孤立波，等日后技术成熟后，探索到更多有固定路径的内孤立波将会形成一张内孤立波交通网，而如果能够充分利用内孤立波驱动航行器在海底沿内孤立波运动，则可实现利用内孤立波驱动航行装置运载天然气水合物或深海多金属结核等矿产资源，从南海北部沿内孤立波航线快速输送货物至东海北部，并后续可依照航线建立多个“海下地铁”站点，实现多站点的定向输送化和货物运输的便捷高效化，因此，如何充分利用内孤立波驱动航行器也为内孤立波交通网的建立提供基础，促进实现陆地高速铁路网、海上快速航道网的海空双重交通枢纽布局。

发明内容

本发明针对内孤立波特点，提供一种基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，通过摆杆连接波形适应组件和航行载器，并结合受力角度调节组件调节摆杆受力角度，实现航行器可在内孤立波推动下航行。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

本发明提供一种可以利用内孤立波这种特殊形式波浪能、并只需少量供电能源可随内孤立波的特定航道航行的水下航行器，通过利用内孤立波特定航线、波速大、能量大、不变形水波的特征，有效提高航行器运行速度和节能效率。

所述航行器包括航行载器、驱动引擎组件、受力角度调节组件和波形适应组件，受力角度调节组件固定安装在波形适应组件上，航行载器与受力角度调节组件之间通过摆杆连接，其中：

所述航行载器包括机身主体、货舱、压载水舱和行为控制箱等，机身主体为防水密封舱体，机身主体外壳采用鱼雷形状，头部和尾部采用半圆形结构，该结构可以降低载器在水下的阻力，具有良好的航行性能。货舱位于载器中间位置，在满足承载货物容量的同时，对载器产生对称力矩，使载器受力平稳。压载水舱结合行为控制箱中控制系统，通过吸收、排放压载水，调节航行器垂直方向的浮力，实现航行器水平姿态调整及辅助快速升降的功能。

所述驱动引擎组件安装在航行载器的机身主体外壳上，包括舷侧涡轮发动机和尾部螺旋桨组件，航行器通过对称的舷侧涡轮发动机可实现快速升降、精准到达内孤立波面；尾部螺旋桨组件包括传动轴、联轴器、电机、锂电池和尾部螺旋桨等，其中电机通过传动轴带动尾部螺旋桨转动，并与运动控制系统相结合，实时调整螺旋桨推进力，实现航行器与内孤立波共速前的加速过程，达到水下长时间、低功耗的潜航。

所述受力角度调节组件包括环境监测组件和传动齿轮组，环境监测组件监测到内孤立波推力与摆杆的方向不一致时，发送信号到行为控制箱控制传动齿轮组电机进行摆杆的角度调整，实现摆杆受到内孤立波水平推力最大，使航行器受力更充分。

所述波形适应组件包括多个由隐藏式铰接扣相连接的筏式下板，通过两节相邻筏式下板间隐藏式铰接扣的相对转动，实现调整波形适应组件的曲度贴合波浪波形变化，达到整体筏式下板所受内孤立波推力的最大值。

本发明通过波形适应组件在内孤立波面中可调整下板整体曲度来适应内孤立波形状的改变，并结合受力调节组件调节摆杆与波形适应组件之间的角度，达到整体筏式下板所受内孤立波推力的最大值，通过采用受力角度调节组件调节到最佳角度，使内孤立波推力沿摆杆水平分力最大，满足航行器在不同波形下都能够受到最大内孤立波推力，实现在内孤立波面内加速运动，达到节约供电能源、提高续航时长的作用，从而可以进行快速大范围的海洋参数观测、海洋环境考察等水下作业。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案结合航行器受力角度调节组件、波形适应组件与航行载器的配合设计，实现利用内孤立波这种特殊形式波浪能前进航行器，并只需少量供电能源可随内孤立波特定航道航行，通过波形适应组件适应波形变化，可最大化的传递内孤立波波浪能，并结合受力角度调节组件调节摆杆与波形适应组件之间的角度，提高波浪能利用率，本方案大幅度的降低了传统航行器所需的化学能源，减少了其二氧化碳和污染物质的排放，同时还不会对海洋和大气环境造成任何污染，结构设计巧妙、原理可靠，为进行快速大范围的海洋参数观测、海洋环境考察等水下作业提供技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例所述航行器的结构示意图；

图2为本发明实施例所述航行载器的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例所述航行器受力角度调节组件的结构示意图；

图4为本发明实施例所述传动齿轮组的结构示意图

图5为本发明实施例所述波形适应组件的结构示意图；

图6为受力角度调节组件调节成直角角度的结构示意图；

图7为受力角度调节组件调节成锐角角度的结构示意图；

图8为本发明实施例所述铰接扣的结构原理示意图；

其中，1、尾部螺旋桨组件；2、机身主体；3、舷侧涡轮发动机；4、摆杆；5、波形适应组件；6、受力角度调节组件；7、锂电池；8、电机；9、货舱；10、行为控制箱；11、第一压载水舱；12、第二压载水舱；13、第一锥形齿轮；14、大直齿轮；15、环境监测组件；16、小直齿轮；17、无刷电机；18、筏式下板；19、铰接扣；20、螺旋桨；21、螺旋桨传动杆；22、联轴器；23、摆杆传动轴；24、第二锥形齿轮；25、第一电磁吸盘；26、第二电磁吸盘；27、第三电磁吸盘；28、第四电磁吸盘；29、右抬臂磁珠；30、右抬臂；31、左抬臂；32、左抬臂磁珠；33、左第一压力传感器；34、左第二压力传感器；35、右第二压力传感器；36、右第一压力传感器。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

在波浪能中，内孤立波是密度稳定层结的海水内部产生的波动，其具有能量高、运动规律、连续性强、大振幅、短周期的特点。本实施例提出一种基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，包括航行载器、驱动引擎组件、受力角度调节组件6和波形适应组件5，受力角度调节组件6固定安装在波形适应组件5上，受力角度调节组件6与航行载器之间通过摆杆4连接；

如图1和图2所示，所述航行载器包括机身主体2，机身主体2内设置有货舱9、行为控制箱10、第一压载水舱11和第二压载水舱12，机身主体2为防水密封舱体，机身主体2采用鱼雷形状，头部和尾部采用半圆形结构，该结构可以降低载器在水下的阻力，具有良好的航行性能。货舱9位于载器中间位置，在满足承载货物容量的同时对载器产生对称力矩，使载器受力平稳。第一压载水舱11、第二压载水舱12结合行为控制箱10中控制系统，通过吸收、排放压载水，调节航行器垂直方向的浮力，实现航行器水平姿态调整及辅助快速升降的功能。

所述驱动引擎组件安装在航行载器的机身主体外壳上，包括舷侧涡轮发动机3和尾部螺旋桨组件1，航行器通过对称的舷侧涡轮发动机3实现快速升降、精准到达内孤立波面；尾部螺旋桨组件1包含螺旋桨传动轴21、联轴器22、电机8、锂电池7和螺旋桨20，其中电机8通过传动轴21带动螺旋桨20转动，并与行为控制箱10的运动控制系统相结合，实时调整螺旋桨推进力，实现航行器与内孤立波共速前的加速过程和共速后的同步过程，达到水下长时间、低功耗的潜航。

继续结合图1和图3所示，所述摆杆4上方与航行载器机身主体铰接连接，摆杆4的下方与受力角度调节组件6固定连接，受力角度调节组件6包括环境监测组件15和传动齿轮组，如图4所示，传动齿轮组包括小直齿轮16、大直齿轮14、第一锥形齿轮13和第二锥形齿轮24，小直齿轮16安装在无刷电机17的输出轴上，大直齿轮14和第二锥形齿轮24安装在同一固定轴上，第一锥形齿轮13安装在摆杆传动轴23上，摆杆4的下端与摆杆传动轴23固定连接，小直齿轮16与大直齿轮14啮合，第二锥形齿轮24和第一锥形齿轮13进行啮合，摆杆传动轴无刷电机17的转轴转动带动小直齿轮16转动，进而带动大直齿轮14运动，大直齿轮14转动的同时，带动第二锥形齿轮24同向转动，第二锥形齿轮24与第一锥形齿轮13进行啮合传动，从而第一锥形齿轮13带动摆杆传动轴23的转动，由于摆杆传动轴23与摆杆4相互固定，因此摆杆传动轴23的转动与摆杆4的转动相一致，从而可以进行摆杆4与波形适应组件5的角度调整。

本实施例中，由于摆杆4上部与航行载器铰接连接，下部与摆杆传动轴23固定连接，因此环境监测组件15可通过倾角传感器测量摆杆4与波形适应组件5的角度变化，当监测的角度不为直角时，即内孤立波推力与摆杆4的方向不一致时，倾角传感器输出数字信号到行为控制箱10，行为控制箱10通过控制系统控制无刷电机17带动传动齿轮组转动，受力角度调节组件6可以通过调节角度实现摆杆4受到内孤立波水平推力最大，从而把力传递到航行载器，使航行器受力更充分，图6和图7示意了航行器受力角度调节组件6调节角度的过程。

如图5所示，所述波形适应组件5包括多个通过铰接扣19连接的筏式下板18，筏式下板18采用柔性轻密度材料制作，其密度同内孤立波上层密度海水相同，所述铰接扣19设计比较常规，在此不做过多限定，实现相邻筏式下板18的相互转动即可，在波形变化时，铰接扣可根据波形的变化实现相邻筏式下板18之间的角度适应调节，进而适应整个波形的变化。

当然，为了更好的实现对波形的适应，如图8所示，所述铰接扣19采用电控设计，以其中一组相邻的筏式下板的连接方式为例，具体可根据实际情况调整铰接扣19的安装方式，包括左抬臂31、左抬臂磁珠32、左滑动槽和右抬臂30、右抬臂磁珠29及右滑动槽，左抬臂31和右抬臂30的中间铰接连接，其形状可根据需要进行设计，且在左滑动槽和右滑动槽的两端分别设置有电磁吸盘(包括第一电磁吸盘25、第二电磁吸盘26、第三电磁吸盘27、第四电磁吸盘28)，左抬臂磁珠32设置在左抬臂31的左端，并可沿左滑动槽滑动，左抬臂31的右端固定；同理，右抬臂磁珠29设置在右抬臂30的右端，并可沿右滑动槽滑动，右抬臂30的左端固定；另外，在相邻筏式下板18的下方还设置有左第一压力传感器33、左第二压力传感器34、右第一压力传感器36和右第二压力传感器35。

当波浪波形变化时，原本紧贴波浪波形的筏式下板18会由于部分波浪下降而使第一、第二压力传感器采集的力信号会产生变化，变化的数字信号被传输到行为控制箱10。行为控制箱10根据轻密度材料下板传送的压力变化数据的大小来控制铰接扣内电磁吸盘的通电时间，该通电时间与压力数据变化值成正比。若轻密度材料下板传送的左第一压力传感器33(右第一压力传感器36)数据增大、左第二压力传感器34(右第二压力传感器35)数据减小时(说明铰接扣位于波峰上方未接触波面，两侧板的下方接触波面)行为控制箱10接通第一电磁吸盘25和第四电磁吸盘28，使第一电磁吸盘25和第四电磁吸盘28产生磁力，各自吸引左抬臂31和右抬臂30中磁珠，让左抬臂磁珠32到达第一电磁吸盘25位置、右抬臂磁珠29到达第四电磁吸盘28位置，即铰接扣19中左右抬臂张开角度产生转动(使铰接扣向下张开压到波面上)。直达第一、第二压力传感器采集的力信号相等时，断开第一电磁吸盘25和第四电磁吸盘28的电磁性，两侧轻密度下板会处在与内孤立波接触面积最大位置(两侧板都会接触波面)。若轻密度材料下板传送的第一压力传感器33(36)数据减小、第二压力传感器34(35)数据增大时(铰接扣与波峰接触，两侧板下边未接触波面)行为控制箱10接通第二电磁吸盘26和第三电磁吸盘27，使第二电磁吸盘26和第三电磁吸盘27产生磁力，各自吸引左抬臂31和右抬臂30中磁珠，让左抬臂磁珠32到达第二电磁吸盘26位置、右抬臂磁珠29到达第三电磁吸盘27位置，即隐藏式铰接扣19中左右抬臂夹紧角度产生转动(铰接扣向上夹紧压到波面上)。因此，控制系统可根据轻密度下板18下压力数据变化控制电磁吸盘的通电时间来调节隐藏式铰接扣19内抬臂30(31)的相对滑动，实现隐藏式铰接扣19的转动，柔性筏式轻密度材料下板的曲度可贴合波浪波形变化，达到最大化的接触整体下板所接触内孤立波面积，进而使内孤立波波形适应组件5所受内孤立波推力的最大值，当内孤立波形呈水平状态时，内孤立波波形适应组件5可成水平姿态。

为了更清楚的理解本发明方案，对内孤立波推动下调节摆杆进行加速前进，从而与内孤立波共速同步的原理进行详细的说明：

实际上，海下内孤立波航道对于海洋开发有重要推动作用，可以方便石油和天然气等海洋资源的勘探、开采和运输，挖掘更多海洋资源；可以为军事工程运输保密机械提供良好的应用场景。在未来更多内孤立波航线被探索后，本发明可以运用在内孤立波航线中随内孤立波同步运动，从而提高航行效率，节约航行时间和燃料成本。

当航行器装载深海多金属结核等矿产资源从航线站点A下放到内孤立波上方时，开启航行器舷侧涡轮发动机3，使内孤立波波形适应组件5能够与内孤立波面相接触。内孤立波波形适应组件5中压力传感器将采集变化的力信号输送到行为控制箱10，当然，为了更好的判断是否到达波面，在筏式下板18的下方还可以设置液体密度传感器，以检测海水密度变化，实现对波面更准确的判断，行为控制箱10通过控制系统调节两节相邻筏式下板间铰接扣19内电磁吸盘的磁力时长来带动抬臂的相对转动，使每块筏式下板的压力传感器采集的平均力信号最大，此时柔性筏式轻密度材料下板的曲度与波浪波形保持一致，达到最大化的接触整体下板所接触内孤立波面积。由于此时航行器初始速度小于内孤立波速度，所以当航行器与内孤立波面相接触时，内孤立波会通过接触面给航行器一个推力，环境监测组件15中倾角传感器实时测量摆杆4与筏式下板18的角度变化，若监测的角度不为直角时，即内孤立波推力与摆杆4的方向不一致，组件中倾角传感器输出数字信号到行为控制箱10。行为控制箱10通过控制系统控制无刷电机17带动传动齿轮组转动，带动摆杆传动轴23的转动，使摆杆4与筏式下板18角度减小即内孤立波推力与摆杆4的方向的角度减小，实现摆杆4受到内孤立波推力水平分力最大，从而通过摆杆4把力传递到航行载器，使航行器受到内孤立波水平推力更充分。

因此，航行器能够实现整体水平方向的加速运动，竖直方向上，航行载器中的压载水舱结合行为控制箱10中控制系统，通过吸收、排放压载水，调节航行器垂直方向的浮力，实现航行器竖直方向上的受力平衡，即航行器下板一直接触在内孤立波面上接收内孤立波推力，并在推力作用下在内孤立波面前进。

内孤立波推力是由航行器与内孤立波的相对速度差产生的，因此当前期航行器被内孤立波推动一直加速时，存在航行器与内孤立波的相对速度差相差极小时刻(也即内孤立波推力作用下航行器速度不再增加时)，即下板中的水下流速计和压力传感器监测到航行器接近于波速，同时波浪推力趋向于零，此时内孤立波推力小到不足以让航行器达到内孤立波速度，需要尾部螺旋桨组件1中电机8通过螺旋桨传动轴21带动螺旋桨20转动，给航行器施加螺旋桨推进力。该过程并与环境监测组件15中水流计、行为控制箱10的运动控制系统相结合，控制系统通过水流计采集的航行器当前航速和内孤立波速数据进行对比，计算航行器速度需要达到内孤立波速的差值来实时调整螺旋桨推进力。当航行器与内孤立波达到共同速度时，即下板中的水下流速计监测到航行器达到波速，内孤立波推力随着相对速度差的消失而消失，同时撤去螺旋桨推进力，航行器在水平方向不受力作用，竖直方向上，通过调节两个压载水舱的浮力，实现浮力与重力的受力平衡。

航行器在达到内孤立波速度后整体受力平衡并无需自身供电能源推动，将以内孤立波速度随内孤立波航线同步前进到达下一个航线站点卸货，若建立完善好内孤立波交通网之后，本发明可从东海北部沿内孤立波航线快速输送战略资源至南海北部，既满足工程所需的高度隐蔽安全性，又避免路线被人为封锁的风险性。除此之外，本发明还可以从中国海下站点运输商品送往世界各地，促进中国与外国贸易往来和文化交流，推动沿线各国的共同发展，是新海上丝绸之路的新装置应用。该过程本发明不仅启到运载器作用还充分利用内孤立波来提高航行效率，节约航行时间和燃料成本，既减少了二氧化碳的排放，保护环境又充分利用了海上领域，捍卫国家主权。

上述过程本发明可以实现利用内孤立波这种特殊形式波浪能加速前进，并只需少量供电能源可随内孤立波的特定航道航行，能够有效提高航行器运行速度和节能效率并保留能源开展长时间大范围的水下作业。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，包括航行载器、驱动引擎组件，所述航行载器内设置有行为控制箱(10)和压载水舱，所述驱动引擎组件安装在航向载器的外壳上，包括舷侧涡轮发动机(3)和尾部螺旋桨组件(1)，其特征在于，所述水下航行器还包括受力角度调节组件(6)和波形适应组件(5)，受力角度调节组件(6)固定在波形适应组件(5)上，航行载器与受力角度调节组件(6)之间通过摆杆(4)连接；

所述摆杆(4)的上方与航行载器的机身主体(2)铰接连接，摆杆(4)的下方与受力角度调节组件(6)固定连接，受力角度调节组件(6)包括传动齿轮组和环境监测组件(15)，环境监测组件(15)通过倾角传感器测量摆杆(4)与波形适应组件(5)的角度变化，并通过行为控制箱(10)控制传动齿轮组动作实现摆杆(4)的受力角度调节。

2.根据权利要求1所述的基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，其特征在于：所述传动齿轮组包括无刷电机(17)、小直齿轮(16)、大直齿轮(14)、第一锥形齿轮(13)和第二锥形齿轮(24)以及摆杆传动轴(23)，小直齿轮(16)安装在无刷电机(17)的输出轴上，大直齿轮(14)和第二锥形齿轮(24)同轴固定，大直齿轮(14)与小直齿轮(16)啮合，第二锥形齿轮(24)与第一锥形齿轮(13)啮合，第一锥形齿轮(13)安装在摆杆传动轴(23)上，摆杆(4)与摆杆传动轴(23)固定连接，无刷电机(17)的转轴转动带动小直齿轮(16)转动，进而带动大直齿轮(14)运动，大直齿轮(14)转动的同时，基于第二锥形齿轮(24)带动第一锥形齿轮(13)转动，进而带动摆杆传动轴(23)的转动，实现摆杆(4)与波形适应组件(5)之间的角度调节。

3.根据权利要求1所述的基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，其特征在于：所述波形适应组件(5)包括多个通过铰接扣(19)铰接连接的筏式下板(18)，筏式下板(18)的下底面上安装有压力传感器和液体密度传感器，当波浪波形变化时，下板的压力传感器采集的信号及海水密度信号输送到行为控制箱(10)。

4.根据权利要求1所述的基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，其特征在于：所述隐藏式铰接扣(19)包括左抬臂(31)、左抬臂磁珠(32)、左滑动槽和右抬臂(30)、右抬臂磁珠(29)及右滑动槽，左抬臂(31)和右抬臂(30)的中间铰接连接，且在左滑动槽和右滑动槽的两端分别设置有电磁吸盘，左抬臂磁珠(32)设置在左抬臂(31)的左端，并沿左滑动槽滑动，左抬臂(31)的右端固定；同理，右抬臂磁珠(29)设置在右抬臂(30)的右端，并沿右滑动槽滑动，右抬臂(30)的左端固定；另外，在相邻筏式下板(18)的下方还设置有左第一压力传感器(33)、左第二压力传感器(34)、右第一压力传感器(36)和右第二压力传感器(35)。

5.根据权利要求4所述的基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，其特征在于：所述行为控制箱(10)根据筏式下板(18)传送的压力变化数据的大小来控制铰接扣(19)内电磁吸盘的通电时间，该通电时间与压力数据变化值成正比，进而通过调节两节相邻筏式下板间铰接扣(19)的相对转动，使每块筏式下板的压力传感器采集的力信号最大。

6.根据权利要求1所述的基于特殊波浪的水下航行器自适应推进装置，其特征在于：所述筏式下板(18)采用柔性轻密度材料制作，其密度同内孤立波上层密度海水相同。