CN117141692A - 一种自适应可变翼水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种自适应可变翼水下滑翔机，在滑翔阶段可根据海水水文环境变化自适应调整左机翼、右机翼的弯度，主动将水下滑翔机的升阻比与海水水文环境相适应，有利于提高水下滑翔机的滑翔经济性；通过差动变机翼弯度，实现水下滑翔机转向，可替代传统的尾舵转向、横滚调节机构，提高了水下滑翔机内部空间利用率高。

Description

一种自适应可变翼水下滑翔机

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种自适应可变翼水下滑翔机。

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。

当前水下滑翔机常用的转向方式主要分为两种，（1）利用尾舵转向；（2）横滚调节机构驱动偏心质量块的周向转动，进而实现转向。但尾舵的转向效率低，同时尾舵改变了水下滑翔机的低阻力外形，增大了航行阻力；横滚调节机构的驱动系统占用水下滑翔机耐压舱内部空间，质量块必须设计成偏心结构，降低了耐压舱内部空间使用率。

机翼作为水下滑翔机关键部件，为水下滑翔机提供前进动力，保证水下滑翔机稳定滑翔。为了提高其航行性能，研究人员将刚性机翼改进为可变机翼，通过改变机翼的展弦比、后掠角使得水下滑翔机可以适应不同的海洋环境。中国专利CN 201820093528.1提出一种柔性变后缘水下滑翔机机翼，通过改变后缘的弯折方向和角度实现翼型的改变,有效提高水下滑翔机的航行经济性和航行机动性。中国专利CN201510884311.3利用平面连杆机构实现机翼展弦比、后掠角、翻转角改变，进而提高水下滑翔机的运动性能。但是，上述变翼机构的机械传动机构复杂，且需依赖姿态控制系统实现水下滑翔机的转向机动。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种自适应可变翼水下滑翔机，创新性地设计了液动肌腱驱动的可变翼机构，水下滑翔机可独立调节机翼的弯度，实现水下滑翔机稳态滑翔和机动转向两种工作模式，并且机翼结构简单可靠，不占用水下滑翔机耐压舱内部空间，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：

一种自适应可变翼水下滑翔机，包括水下滑翔机主体，所述水下滑翔机主体包括耐压壳体，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，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；所述前端盖连接前导流罩，所述后端盖连接有后导流罩；所述耐压壳体的左、右两侧分别安装有可变弯度机翼，所述可变弯度机翼包括柔性蒙皮，所述柔性蒙皮内设有多组用于带动所述柔性蒙皮弯曲的液动组件、机翼支撑，液动组件与机翼支撑固定连接，紧贴所述柔性蒙皮，所述机翼支撑前端固定在所述耐压壳体上；所述液动组件中的液动肌腱上设有进水孔，通过进水孔连通对应的海水泵；耐压壳体内设有姿态控制装置、浮力驱动装置和主控装置。

优选的，所述姿态控制装置包括可动重物组件和俯仰控制组件，所述俯仰控制组件驱动所述可动重物组件沿所述耐压壳体的中心线前后移动；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；所述俯仰电机通过所述俯仰电机座、所述俯仰电机固定架固定在所述可动重物组件上端，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前肋环上。

优选的，所述可动重物组件包括可动重物、可动重物支撑管、轴承D、轴承E、轴承D端盖、轴承E端盖；所述可动重物支撑管沿所述耐压壳体的中心线穿过所述可动重物，所述可动重物支撑管前端通过所述轴承D、所述轴承D端盖固定在所述后肋环上，所述可动重物支撑管后端通过所述轴承E、所述轴承E端盖固定在所述前肋环上。

优选的，所述液动肌腱两端固定在立柱上，所述立柱与机翼支撑固定连接，海水泵通过液动肌腱的排水孔控制液动肌腱内部压力实现可变弯度机翼弯度的改变。

优选的，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，所述水下滑翔机主体内设有任务载荷、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。

优选的，滑翔阶段，俯仰电机驱动丝杠螺母正向旋转或者反向旋转，丝杠螺母与俯仰电机相向运动或者背向运动，带动可动重物组件在耐压壳体内向前或者向后移动，以平衡水下滑翔机俯仰力矩，将水下滑翔机保持在稳定的滑翔角度。

优选的，水下滑翔机滑翔状态：左机翼和右机翼保持相同的弯度；

水下滑翔机右转：左机翼向上弯曲，保持正弯度，右机翼向下弯曲，保持负弯度；由于左机翼升力大于右机翼升力，水下滑翔机向右侧滚转，实现水下滑翔机右转；

水下滑翔机左转：左机翼向下弯曲，保持负弯度，右机翼向上弯曲，保持左弯度，由于左机翼升力小于右机翼升力，水下滑翔机向左侧滚转，实现水下滑翔机左转。

与现有技术相比，本申请有益效果如下：

1、本发明提供的自适应可变翼水下滑翔机，在滑翔阶段可根据海水水文环境变化自适应调整左机翼、右机翼的弯度，主动将水下滑翔机的升阻比与海水水文环境相适应，有利于提高水下滑翔机的滑翔经济性；

2、本发明提供的自适应可变翼水下滑翔机，通过差动变机翼弯度，实现水下滑翔机转向，可替代传统的尾舵转向、横滚调节机构，提高了水下滑翔机内部空间利用率高；

3、本发明提供的自适应可变翼水下滑翔机，通过液压肌肉改变机翼弯度，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；

4、本发明提供的自适应可变翼水下滑翔机，具有机械机构可靠、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自适应可变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自适应可变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自适应可变翼水下滑翔机中可变弯度机翼(不含柔性蒙皮)的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的自适应可变翼水下滑翔机中液动组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的自适应可变翼水下滑翔机中姿态控制装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的自适应可变翼水下滑翔机中姿态控制装置的剖面示意图；

图7为本发明实施例提供的自适应可变翼水下滑翔机中浮力驱动装置的结构示意图；

图8为轴承E和轴承E端盖连接关系图；

图9为轴承D和轴承D端盖连接关系图。

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、可变弯度机翼；161、柔性蒙皮；162、液动组件；1621、立柱；1622、液动肌腱；16221、液动肌腱A；16222、液动肌腱B；1623、海水泵；163、机翼支撑；2、姿态控制装置；21、可动重物组件；211、可动重物；212、可动重物支撑管；213、轴承D；214、轴承E；215、轴承D端盖；216、轴承E端盖；22、俯仰控制组件；221、俯仰电机固定架；222、俯仰电机座；223、俯仰电机；224、丝杠螺母；225、丝杠保护罩；226、丝杠保护罩固定螺母；227、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

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

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。

如图1-图4所示，本发明实例涉及一种自适应可变翼水下滑翔机，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的左右两侧分别安装有可变弯度机翼16，可变弯度机翼16包括柔性蒙皮161，柔性蒙皮161内设有多组用于带动柔性蒙皮161弯曲的液动组件162、机翼支撑163，液动组件162与机翼支撑163固定连接，紧贴柔性蒙皮161，机翼支撑163前端固定在耐压壳体13上；液动组件162包括立柱1621、液动肌腱1622，立柱1621与机翼支撑163固定连接；液动肌腱1622两端固定在立柱1621，液动肌腱1622设有进水孔，通过进水孔连通对应的海水泵1623；液动肌腱1622包括液动肌腱A16221、液动肌腱B16222，液动肌腱A16221位于液动肌腱B16222下方，海水泵1623利用液动肌腱的排水孔，内吸或外排海水实现液动肌腱A16221、液动肌腱B16222内部压力控制，当液动肌腱A16221内部压力不等于液动肌腱B16222内部压力，液动肌腱1622完成弯曲动作，带动可变弯度机翼16弯曲。

如图3、图4所示，上述自适应可变翼水下滑翔机，可变弯度机翼16中液动组件162的工作原理为：海水泵1623通过液动肌腱A16221、液动肌腱B16222上的排水孔控制液动肌腱A16221、液动肌腱B16222的内部压力。当液动肌腱A16221内部压力大于液动肌腱B16222内部压力,可变弯度机翼16向上弯曲；当液动肌腱A16221内部压力小于液动肌腱B16222内部压力,可变弯度机翼16向下弯曲。随着可变弯度机翼16弯度的改变，可变弯度机翼16的升力随之改变。水下滑翔机滑翔状态：左机翼和右机翼保持相同的弯度；水下滑翔机右转：左机翼向上弯曲，保持正弯度，右机翼向下弯曲，保持负弯度。由于左机翼升力大于右机翼升力，水下滑翔机向右侧滚转，实现水下滑翔机右转；水下滑翔机左转：左机翼向下弯曲，保持负弯度，右机翼向上弯曲，保持左弯度。由于左机翼升力小于右机翼升力，水下滑翔机向左侧滚转，实现水下滑翔机左转。

上述自适应可变翼水下滑翔机，在滑翔阶段可根据海水水文环境变化自适应调整左机翼、右机翼的弯度，主动将水下滑翔机的升阻比与海水水文环境相适应，有利于提高水下滑翔机的滑翔经济性。上述自适应可变翼水下滑翔机，通过差动变机翼弯度，实现水下滑翔机转向，可替代传统的尾舵转向、横滚调节机构，提高了水下滑翔机内部空间利用率高。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。

如图2、图5、图6所示，上述自适应可变翼水下滑翔机中，耐压壳体13内设有姿态控制装置2，姿态控制装置2包括可动重物组件21、俯仰控制组件22，俯仰控制组件22驱动可动重物组件21沿耐压壳体13的中心线前后移动；俯仰控制组件22包括俯仰电机固定架221、俯仰电机座222、俯仰电机223、丝杠螺母224、丝杠保护罩225、丝杠保护罩固定螺母226、丝杠保护罩固定连接块227，俯仰电机223通过俯仰电机座222、俯仰电机固定架221固定在可动重物组件21上端，俯仰电机223的输出轴与丝杠螺母224内螺纹连接，丝杠螺母224位于丝杠保护罩225内部的后端，丝杠保护罩固定螺母226与丝杠螺母224外螺纹连接，丝杠保护罩225前端通过丝杠保护罩固定连接块227固定在前肋环132后端。

姿态控制装置2的工作原理为：俯仰电机223通过俯仰电机座222、俯仰电机固定架221固定在可动重物组件21上端。丝杠螺母224通过丝杠保护罩225、丝杠保护罩固定螺母226、丝杠保护罩固定连接块227固定在前肋环132后端，前肋环132固定在耐压壳体13上。滑翔阶段，俯仰电机223驱动丝杠螺母224正向旋转或者反向旋转，丝杠螺母224与俯仰电机223作相向运动或者背向运动，带动可动重物组件21在耐压壳体13内向前或者向后移动，以平衡水下滑翔机俯仰力矩，将水下滑翔机保持在稳定的滑翔角度。

如图5、图6、图8和图9所示，可动重物组件21包括可动重物211、可动重物支撑管212、轴承D 213、轴承E 214、轴承D端盖215、轴承E端盖216，可动重物支撑管212沿耐压壳体13的中心线穿过可动重物211，可动重物支撑管212前端通过轴承D 213、轴承D端盖215固定在后肋环134，可动重物支撑管212后端通过轴承E 214、轴承E端盖216固定在前肋环132。

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；可变弯度机翼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，姿态控制装置2、主控装置4、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。

Claims (8)

1.一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，包括水下滑翔机主体，所述水下滑翔机主体包括耐压壳体，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，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；所述前端盖连接前导流罩，所述后端盖连接有后导流罩；所述耐压壳体的左、右两侧分别安装有可变弯度机翼，所述可变弯度机翼包括柔性蒙皮，所述柔性蒙皮内设有多组用于带动所述柔性蒙皮弯曲的液动组件、机翼支撑，液动组件与机翼支撑固定连接，紧贴所述柔性蒙皮，所述机翼支撑前端固定在所述耐压壳体上；所述液动组件中的液动肌腱上设有进水孔，通过进水孔连通对应的海水泵；耐压壳体内设有姿态控制装置、浮力驱动装置和主控装置。

2.根据权利要求1所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，所述姿态控制装置包括可动重物组件和俯仰控制组件，所述俯仰控制组件驱动所述可动重物组件沿所述耐压壳体的中心线前后移动；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；所述俯仰电机通过所述俯仰电机座、所述俯仰电机固定架固定在所述可动重物组件上端，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前肋环上。

3.根据权利要求2所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，所述可动重物组件包括可动重物、可动重物支撑管、轴承D、轴承E、轴承D端盖、轴承E端盖；所述可动重物支撑管沿所述耐压壳体的中心线穿过所述可动重物，所述可动重物支撑管前端通过所述轴承D、所述轴承D端盖固定在所述后肋环上，所述可动重物支撑管后端通过所述轴承E、所述轴承E端盖固定在所述前肋环上。

4.根据权利要求1所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，所述液动肌腱两端固定在立柱上，所述立柱与机翼支撑固定连接，海水泵通过液动肌腱的排水孔控制液动肌腱内部压力实现可变弯度机翼弯度的改变。

5.根据权利要求1所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，所述水下滑翔机主体内设有任务载荷、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。

7.根据权利要求1所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，滑翔阶段，俯仰电机驱动丝杠螺母正向旋转或者反向旋转，丝杠螺母与俯仰电机相向运动或者背向运动，带动可动重物组件在耐压壳体内向前或者向后移动，以平衡水下滑翔机俯仰力矩，将水下滑翔机保持在稳定的滑翔角度。

8.根据权利要求1所述的一种自适应可变翼水下滑翔机，其特征在于，水下滑翔机滑翔状态：左机翼和右机翼保持相同的弯度；

水下滑翔机右转：左机翼向上弯曲，保持正弯度，右机翼向下弯曲，保持负弯度；由于左机翼升力大于右机翼升力，水下滑翔机向右侧滚转，实现水下滑翔机右转；

水下滑翔机左转：左机翼向下弯曲，保持负弯度，右机翼向上弯曲，保持左弯度，由于左机翼升力小于右机翼升力，水下滑翔机向左侧滚转，实现水下滑翔机左转。