CN203127126U - 一种三柱体水下拖曳体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三柱体水下拖曳体，包括鱼雷状浮体、可控制迫沉水翼、边板、固定水平翼、固定垂直尾翼、可控制垂直尾翼以及主腔体；鱼雷状浮体为两个，分隔水平设置，两个鱼雷状浮体通过固定水平翼连接；主腔体为流线型，设置在两个鱼雷状浮体下端中部，主腔体两端各由两个翼型构件支撑并分别与两鱼雷状浮体相连；两鱼雷状浮体外表面前端分别对称设有拖曳部件，拖曳部件设有多个拖曳孔，拖缆通过拖曳孔与船体连接；两鱼雷状浮体的尾部设置有固定垂直尾翼，固定垂直尾翼为对称机翼型；本实用新型外形简洁，航态稳定性好，自主稳定能力强，姿态控制方便，操纵效率高，可操纵自由度多，控制机构简单，具有较高的实用价值和商业价值。

Description

一种三柱体水下拖曳体

技术领域

本实用新型涉及一种海洋水下探测装置的载体，具体是指一种三柱体水下拖曳体。

背景技术

水下拖曳系统是一种广泛应用于水下环境调查、海洋环境监测等领域的水下探测装置，系统通常由拖曳电缆、被动或可操纵水下拖曳体组成，水下拖曳体是系统的关键组成部分。拖曳体体内可根据不同的用途搭载各种水下化学元素探测传感器或物理探测传感器。工作船上的作业人员可以通过一定的控制手段对拖曳体实施轨迹与姿态操纵。水下拖曳系统的工作性质要求拖曳体工作时姿态稳定、并具有灵活的姿态与轨迹控制能力。如何按照拖曳系统的水下监测要求实现对拖曳体的简便、多自由度的操纵，是可操纵水下拖曳体能否成功地运用于实际水下观测作业的关键之一。

现有的水下拖曳体中，对于拖曳体的深度和轨迹控制主要是通过改变拖曳电缆缆长结合调节拖曳体迫沉水翼的攻角来实现。从外部形式看，不同研究机构或企业所开发的各种类型的拖曳体基本上是仿照航空飞行器的形式，以固定或可调攻角的迫沉水翼加上装载了水下探测仪器的单个柱形主体组成。这类单一柱形主体形式拖曳体的主要缺陷是：拖曳体的摇荡阻尼较小，自主稳定性不足，控制手段单一。由此而造成了拖曳体在其拖曳作业过程中难以维持姿态稳定，不容易实现多自由度、大范围、垂直于拖曳方向运动时的横向水平水下观测。为实现拖曳体能稳定、大范围、多自由度水下作业，现有的水下拖曳体大多参照航空飞行器的控制原理，采用机构庞大的复杂控制机构来满足其水下探测的要求。另一方面，市场上一些商业化轻便的拖曳体则由于控制动作单一、不易保证其姿态稳定、控制自由度少而难以在实际拖曳观测作业中得到满意的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有自主稳定功能、以简单的控制机构和简单的结构形式来实现对拖曳体多自由度操纵的三柱体水下拖曳体。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种三柱体水下拖曳体，包括鱼雷状浮体、可控制迫沉水翼、边板、固定水平翼、固定垂直尾翼、可控制垂直尾翼以及主腔体；所述鱼雷状浮体为两个，分隔水平设置，两个鱼雷状浮体通过固定水平翼连接；主腔体为流线型，设置在两个鱼雷状浮体下端中部，主腔体两端各由两个翼型构件支撑并分别与两鱼雷状浮体相连；两鱼雷状浮体外表面前端分别对称设有拖曳部件，拖曳部件设有多个拖曳孔，拖缆通过拖曳孔与船体连接；两鱼雷状浮体的尾部设置有固定垂直尾翼，固定垂直尾翼为对称机翼型；

一椭圆柱状的腔体固定在尾部的固定水平翼中间，腔体内放置垂直尾翼攻角控制机构，垂直尾翼攻角控制机构主要由尾翼步进电机、主动齿轮、从动齿轮以及垂直转轴组成；垂直转轴固定连接可控制垂直尾翼，垂直转轴还与从动齿轮连接；从动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮与尾翼步进电机连接，尾翼步进电机通过电缆与船上电源和拖曳体姿态控制器连接；所述垂直转轴的轴心位于两鱼雷状浮体对称轴所在纵剖面上；可控制垂直尾翼为翼型结构，设置在腔体后端；

所述可控制迫沉水翼为对称或者非对称机翼型，设置在两鱼雷状浮体之间的前端，由一支撑轴支撑，支撑轴与两个鱼雷状浮体连接，支撑轴的轴线与两个浮体的轴线正交；位于两鱼雷状浮体之间的前端；可控制迫沉水翼的两端分别设置有边板，边板的面与可控制迫沉水翼展长方向垂直；迫沉水翼攻角控制机构设置在鱼雷状浮体内，迫沉水翼攻角控制机构主要由连杆、蜗杆、连杆套环、蜗轮、固定铰接转轴、万向传动装置、迫沉水翼步进电机、操纵杆套环以及操纵杆组成；连杆与固定铰接转轴连接，操纵杆的一端伸出鱼雷状浮体并与可控制迫沉水翼的尾部连接，另一端与操纵杆套环铰接，操纵杆套环套接在连杆上，连杆套环套接在连杆上，连杆套环与蜗轮之间设有一万向传动装置；蜗轮与蜗杆连接，蜗杆与迫沉水翼步进电机连接，迫沉水翼步进电机通过电缆与船体电源连接。

为进一步实现本实用新型目的，所述主腔体与两个鱼雷状浮体水平连线的垂直距离优选为500～600mm。所述固定水平翼为对称机翼型，在前后端分别与两鱼雷状浮体连接，后端的固定水平翼还包括斜向布置水平翼型构件，其翼展方向与纵向成45度角。所述主腔体的流线型外形优选采用水滴或鱼雷状的形式；主腔体内搭载不同类型的海洋物理、化学参数采样传感器，或声、光物理传感器。所述支撑轴位于距鱼雷状浮体顶部五分之一浮体的长度处。所述边板与两边相应的鱼雷状浮体的距离为10～20mm，边板的长度比可控制迫沉水翼的弦长大20～40mm，可控制迫沉水翼的边板在可控制迫沉水翼的前、后两端处分别突出10～20mm，边板的高度比可控制迫沉水翼的最大厚度大20～40mm，可控制迫沉水翼边板在可控制迫沉水翼的最大厚度处的上、下两端分别突出10～20mm。所述可控制迫沉水翼的弦长为250～300mm；可控制迫沉水翼的最大厚度为40～50mm。所述万向传动装置由两个万向节和一根短轴组成，两个万向节分别设置在连杆套环和蜗轮上。所述可控制垂直尾翼的前端与椭圆柱状的腔体的末端的距离优选为10～20mm。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

(1)稳定性好。本实用新型所述可操纵水下拖曳体为双体结构，流线型主腔体布置在正下方。一方面两鱼雷状浮体产生一定的向上浮力，另一方面，装载有仪器设备的主腔体质量较大，二者的联合作用使整个拖曳体的浮心提高、重心下降，这样两浮体与主腔体之间的合力能产生较大的回复力矩，因此所述拖曳体的横、纵摇阻尼都较大，使得拖曳体在作业过程中具有良好的姿态稳定性能，具有较强的自主稳定能力，从而减少了使用者维持其姿态所要求发出的操纵动作，降低了控制系统的设计要求。

(2)控制方式相对简单。由于仅仅只需两个控制电机，操纵可控制迫沉水翼和可控制垂直尾翼的偏转，即可实现拖曳体升沉和水平方向的多自由度运动。较之传统控制方式，对于同样的多自由度操纵，本实用新型的控制机构设计难度大大降低。

(3)自由度多、操纵效率高。本实用新型可控制迫沉水翼翼面积大，能产生较大的迫沉力，再加上拖曳体流线型外形，水阻力相对较小，使得拖曳体深度操控效率较高。另外，所述部装有可控制垂直拖曳体尾尾翼，可操纵拖曳体进行横向运动。

(4)水下探测仪器布置灵活。本实用新型用于设置水下探测仪器的主腔体可以根据不同的水下监测任务要求灵活地决定其外形尺度，从而扩大了拖曳体的使用范围。

附图说明

图1是本实用新型可操纵水下拖曳体的外形结构左视示意图；

图2是本实用新型可操纵水下拖曳体的外形结构俯视示意图；

图3是本实用新型可操纵水下拖曳体的外形结构前视示意图；

图4是可操纵水下拖曳体的迫沉水翼攻角控制机构三维模型示意图；

图5是本实用新型可操纵水下拖曳体的万向传动装置三维模型示意图；

图6是本实用新型可操纵水下拖曳体的迫沉水翼攻角控制机构侧视示意图；

图7是本实用新型可操纵水下拖曳体的迫沉水翼攻角控制机构后视示意图；

图8是本实用新型可操纵水下拖曳体的可控制垂直尾翼控制机构侧视示意图；

图9是本实用新型可操纵水下拖曳体的可控制垂直尾翼控制机构俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1、2、3所示，三柱体水下拖曳体包括鱼雷状浮体1、可控制迫沉水翼2、边板4、固定水平翼9、固定垂直尾翼16、可控制垂直尾翼14以及主腔体11；鱼雷状浮体1为两个，分隔水平设置，两个鱼雷状浮体1通过固定水平翼9连接；主腔体11为流线型，设置在两个鱼雷状浮体1下端中部，与两个鱼雷状浮体1中心水平连线的垂直距离优选为500～600mm，主腔体两端各由两个翼型构件10支撑并分别与两鱼雷状浮体1相连。两鱼雷状浮体1外表面前端分别对称设有拖曳部件7，拖曳部件7优选设有5个拖曳孔8；拖曳部件7为一做了圆角处理的长方形金属板，拖曳孔8用于固定于水上船体连接的拖缆。两鱼雷状浮体1的尾部设置有固定垂直尾翼16，固定垂直尾翼16为对称机翼型，维持航向稳定。固定水平翼9为对称机翼型，在前后端分别与两鱼雷状浮体1连接，后端的固定水平翼9还包括斜向布置水平翼型构件，其翼展方向与纵向成45度角。主腔体11的流线型外形优选采用水滴或鱼雷状的形式。主腔体11的主要作用是根据拖曳体不同的海洋探测任务搭载不同类型的海洋物理、化学参数采样传感器或声纳、光学摄像头等声、光物理传感器。

一椭圆柱状的腔体12固定在尾部的固定水平翼9中间，腔体12内放置垂直尾翼攻角控制机构13，通过垂直转轴15控制可控制垂直尾翼14的偏转。

可控制迫沉水翼2为对称或者非对称机翼型，设置在两鱼雷状浮体1之间的前端，由一支撑轴5支撑，并可通过一操纵杆3带动其绕支撑轴5转动，支撑轴5与两个鱼雷状浮体1连接，其轴线与两个浮体的轴线正交；可控制迫沉水翼2的两端分别设置有边板4，边板4的面与可控制迫沉水翼2展长方向垂直，与两边相应的鱼雷状浮体1的距离优选为10～20mm，边板4的长度比可控制迫沉水翼2的弦长大20～40mm，可控制迫沉水翼2的弦长优选为250～300mm，可控制迫沉水翼的边板4在可控制迫沉水翼2的前、后两端处分别突出10～20mm，边板4的高度比可控制迫沉水翼2的最大厚度大20～40mm，可控制迫沉水翼2的最大厚度是40～50mm，可控制迫沉水翼边板4在可控制迫沉水翼2的最大厚度处的上、下两端分别突出10～20mm。支撑轴5位于两鱼雷状浮体1之间的前端，优选位于距鱼雷状浮体1顶部约五分之一浮体的长度处。这样支撑轴5也位于可控制迫沉水翼最大厚度处的位置。机翼型的形状有NASA公布的标准系列，根据选定的标准系列，当弦长确定以后，机翼形状包括机翼的最大厚度也就确定了，弦长的确定一般根据拖曳体迫沉力的要求来定。

图4～7给出了可控制迫沉水翼2的迫沉水翼攻角控制机构6的机构控制原理图，如图4～7所示，迫沉水翼攻角控制机构6设置在鱼雷状浮体1内，迫沉水翼攻角控制机构6由连杆17、蜗杆18、连杆套环19、蜗轮20、固定铰接转轴21、万向传动装置22、迫沉水翼步进电机23、操纵杆套环24以及操纵杆3组成；连杆与固定铰接转轴连接，连杆17可绕固定铰接转轴21转动，在鱼雷状浮体1相应位置开有槽道，便于操纵杆3的一端伸出鱼雷状浮体1并与可控制迫沉水翼2的尾部连接，另一端与操纵杆套环24铰接，操纵杆套环24套接在连杆17上，可在连杆17上自由滑动，连杆套环19套接在连杆17上，连杆套环19在连杆17上亦可自由滑动，连杆套环19与蜗轮20之间设有一万向传动装置。如图5所示，万向传动装置22由两个万向节28和一根短轴29组成，两个万向节28分别设置在连杆套环19和蜗轮20上；蜗轮20与蜗杆18连接，蜗杆18与迫沉水翼步进电机23连接，迫沉水翼步进电机23通过电缆与与船体电源连接。具体的控制原理是：通过迫沉水翼步进电机23带动蜗杆18旋转，使蜗轮20竖直向上或向下移动，并通过万向传动装置22使连杆套环19竖直向上或向下运动，从而使连杆17绕固定铰接转轴21转动，再由此带动操纵杆套环24与操纵杆3绕支撑轴5转动，从而使可控制迫沉水翼2绕支撑轴5转动，实现攻角改变。

图8、9给出了可控制垂直尾翼14的垂直尾翼攻角控制机构13的结构示意图，如图8、9所示，垂直尾翼攻角控制机构13由尾翼步进电机26、主动齿轮25、从动齿轮27以及垂直转轴15组成；垂直转轴15固定连接可控制垂直尾翼14，垂直转轴15还与从动齿轮27连接；从动齿轮27与主动齿轮25啮合，主动齿轮25与尾翼步进电机26连接，尾翼步进电机26通过电缆与船体电源连接；可控制垂直尾翼14为翼型结构，设置在腔体12后端，可控制垂直尾翼14的前端与椭圆柱状的腔体12的末端的距离为10～20mm。通过控制尾翼步进电机26，使主动齿轮25顺时针或逆时针旋转，通过一定的齿数比，带动从动齿轮27顺时针或者逆时针转动到所需要的转角，从而使可控制垂直尾翼14顺时针或逆时针偏转。当垂直尾翼14按控制要求顺时针偏一定转角时，将使拖曳体获得逆时针的偏角转向控制力矩；反之，则使拖曳体获得顺时针的控制力矩。通过对控制垂直尾翼14的这种转角控制，从而实现对拖曳体的横向摆动的操纵。垂直转轴15的轴心位于两鱼雷状浮体1对称轴所在纵剖面上。椭圆柱状的腔体12的高度比尾翼步进电机高度大20～30mm。

鱼雷状浮体1上设有缆线开孔，鱼雷状浮体1内部设有迫沉水翼步进电机23，腔体12内设有控制尾翼步进电机26，迫沉水翼步进电机23和控制尾翼步进电机26的电线电缆可通过缆线孔连接到水面工作船上拖曳体姿态控制器上。鱼雷状浮体1内部还设有浮力材料。

本实用新型可操纵水下拖曳体的工作过程是：(1)根据不同的探测任务，在流线型主腔体11内布置相应类型的海洋探测传感器。(2)选择合适的拖孔8，先将两根拖缆一端分别系于两对称位置的拖孔8，再汇聚成一根拖缆与水面上的工作船连接。(3)在拖曳过程中，通过调节可控制迫沉水翼2的攻角，或者产生向下的迫沉力以抵抗拖缆的阻尼力使拖曳体下沉，或者产生向上的升力使拖曳体上升，以此实现对拖曳体拖行深度的控制。拖曳体所有组成部分均采用流线型外形，从而减小了水阻力，也就降低了拖缆所承受的拉力；翼型构件使拖曳体整个结构强度得到加强，同时翼型外形降低了水流的扰动，避免产生漩涡，使水流平稳流过可控制迫沉水翼2和可控制垂直尾翼14；可控制迫沉水翼2两端设置边板4，增加可控制迫沉水翼2的有效展弦比。通过设置固定垂直尾翼16，在直线拖曳作业中作为拖曳体的方向稳定机构；通过改变可控制垂直尾翼14的转角，对拖曳体产生水平面上的回转力矩，使其产生横向偏转。在保持姿态稳定的前提下，以较少的控制动作，实现对拖曳体进行大范围、多自由度的操纵。

本实用新型的浮体采用鱼雷状外形，以减小拖曳体在拖曳过程中受到的水阻力；双体结构使得拖曳体的横稳心半径增大，横摇阻尼增大，摇荡回复力矩增大，从而横向稳定性提高；较之传统的单一柱形主体，其自主稳定能力大大提高。可控制迫沉水翼设置在两鱼雷状浮体之间，使得水流比较平稳地流过可控制迫沉水翼，可控制迫沉水翼由一根固定于两浮体之间的支撑轴贯穿其中并将其支撑，迫沉水翼可绕该轴转动，可控制迫沉水翼的攻角由设置在浮体内部的迫沉水翼攻角控制机构驱动其后部绕支撑轴转动来实现，以此产生迫沉拖曳体到一定深度所需要的迫沉力，从而达到所要求的拖曳体沉深的目的。可控制迫沉水翼两端设置有边板以达到增加可控制迫沉水翼的有效展弦比、减少翼展从而达到使结构紧凑的目的。翼型构件均采用对称翼型结构，均固定于两浮体或浮体与主腔体之间，加强结构整体的稳定性，稳定水流，减小拖曳阻力。固定垂直尾翼采用对称翼型结构，主要是增加拖曳体行进时的航向稳定性。可控制垂直尾翼由尾翼步进电机驱动，为拖曳体提供垂直于拖曳方向的横向操纵力，实现对拖曳体进行横向方向的大范围操纵。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。

Claims (9)

1.一种三柱体水下拖曳体，其特征在于包括鱼雷状浮体、可控制迫沉水翼、边板、固定水平翼、固定垂直尾翼、可控制垂直尾翼以及主腔体；所述鱼雷状浮体为两个，分隔水平设置，两个鱼雷状浮体通过固定水平翼连接；主腔体为流线型，设置在两个鱼雷状浮体下端中部，主腔体两端各由两个翼型构件支撑并分别与两鱼雷状浮体相连；两鱼雷状浮体外表面前端分别对称设有拖曳部件，拖曳部件设有多个拖曳孔，拖缆通过拖曳孔与船体连接；两鱼雷状浮体的尾部设置有固定垂直尾翼，固定垂直尾翼为对称机翼型；

一椭圆柱状的腔体固定在尾部的固定水平翼中间，腔体内放置垂直尾翼攻角控制机构，垂直尾翼攻角控制机构主要由尾翼步进电机、主动齿轮、从动齿轮以及垂直转轴组成；垂直转轴固定连接可控制垂直尾翼，垂直转轴还与从动齿轮连接；从动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮与尾翼步进电机连接，尾翼步进电机通过电缆与船上电源和拖曳体姿态控制器连接；所述垂直转轴的轴心位于两鱼雷状浮体对称轴所在纵剖面上；可控制垂直尾翼为翼型结构，设置在腔体后端；

所述可控制迫沉水翼为对称或者非对称机翼型，设置在两鱼雷状浮体之间的前端，由一支撑轴支撑，支撑轴与两个鱼雷状浮体连接，支撑轴的轴线与两个浮体的轴线正交；位于两鱼雷状浮体之间的前端；可控制迫沉水翼的两端分别设置有边板，边板的面与可控制迫沉水翼展长方向垂直；迫沉水翼攻角控制机构设置在鱼雷状浮体内，迫沉水翼攻角控制机构主要由连杆、蜗杆、连杆套环、蜗轮、固定铰接转轴、万向传动装置、迫沉水翼步进电机、操纵杆套环以及操纵杆组成；连杆与固定铰接转轴连接，操纵杆的一端伸出鱼雷状浮体并与可控制迫沉水翼的尾部连接，另一端与操纵杆套环铰接，操纵杆套环套接在连杆上，连杆套环套接在连杆上，连杆套环与蜗轮之间设有一万向传动装置；蜗轮与蜗杆连接，蜗杆与迫沉水翼步进电机连接，迫沉水翼步进电机通过电缆与船体电源连接。

2.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述主腔体与两个鱼雷状浮体水平连线的垂直距离为500～600mm。

3.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述固定水平翼为对称机翼型，在前后端分别与两鱼雷状浮体连接，后端的固定水平翼还包括斜向布置水平翼型构件，其翼展方向与纵向成45度角。

4.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：主腔体的流线型外形采用水滴或鱼雷状的形式；主腔体内搭载不同类型的海洋物理、化学参数采样传感器，或声、光物理传感器。

5.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述支撑轴位于距鱼雷状浮体顶部五分之一浮体的长度处。

6.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述边板与两边相应的鱼雷状浮体的距离为10～20mm，边板的长度比可控制迫沉水翼的弦长大20～40mm，可控制迫沉水翼的边板在可控制迫沉水翼的前、后两端处分别突出10～20mm，边板的高度比可控制迫沉水翼的最大厚度大20～40mm，可控制迫沉水翼边板在可控制迫沉水翼的最大厚度处的上、下两端分别突出10～20mm。

7.根据权利要求6所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述可控制迫沉水翼的弦长为250～300mm；可控制迫沉水翼的最大厚度为40～50mm。

8.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述万向传动装置由两个万向节和一根短轴组成，两个万向节分别设置在连杆套环和蜗轮上。

9.根据权利要求1所述的三柱体水下拖曳体，其特征在于：所述可控制垂直尾翼的前端与椭圆柱状的腔体的末端的距离为10～20mm。

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