CN211281417U - 多自由度尾喷水操纵水下拖曳体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，包括鱼雷状主腔体、固定水平翼、固定垂直翼、进水口和尾喷水控制系统；尾喷水控制系统的主管道的前端与进水口连接，主管道的后端与潜水泵进水口连接，潜水泵出水口与副管道连接，副管道的另一端由套管套住，套管尾部伸出鱼雷状主腔体，套管与鱼雷状主腔体连接处用油封管将套管包住，接口处用密封套密封，套管尾部与弯管连接；弯管旋转角度控制系统包括步进电机、齿轮和齿槽；齿槽设置在套管外周，齿轮与齿槽啮合，齿轮通过转轴与步进电机连接。本实用新型仅通过控制一个步进电机的旋转就可以实现多自由度运动，相比现有的依靠主动改变水翼攻角同时辅助利用螺旋桨操纵的水下拖曳体更容易控制。

Description

多自由度尾喷水操纵水下拖曳体

技术领域

本实用新型涉及一种水下拖曳体，特别是涉及一种多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，该水下拖曳体是装载水下探测设备的运载体。

背景技术

由拖曳设备、绞车、拖缆、拖曳式无人水下航行器，亦称水下拖曳体、各种探测所需理化仪器和控制设备等组成的海上拖曳系统，是一种高效的探测平台。随着对海洋资源、环境探索的深入，由于水下拖曳体具有安全度高、操作便捷、适用范围广等优点，广泛的被应用在海底地质探测、海洋水文监测、海底地貌测量、海洋资源勘探等方面，与此同时，水下拖曳体由于其灵活快捷，机动性强的特点，在军事上也有着广泛的应用，例如海洋排雷等。

而水下拖曳体作为海上拖曳系统的重要组成部分，得到了研究人员广泛而又深入的研究。水下拖曳体的动力来源主要是拖曳设备，拖曳设备有拖船、直升飞机、潜艇等，因此依据不同的拖曳设备的工作范围，水下拖曳体的适应工作水深也范围广泛。而同时由于拖曳设备为主要提供动力来源，水下拖曳体的工作速度也可实现大范围的调整，从而可以实现大区域搜索、监控、勘探等任务。

对于水下拖曳体的控制，一般有两种，一是拖缆，二是迫沉水翼。通过调整拖缆的收放从而改变拖曳体的升沉运动，比较笨重；迫沉水翼则可依据其布置地位不同，实现改变航向和调整姿态的目的，通过伯努力原理产生推力改变拖曳体的运动，但在速度较小时伯努力效应不太明显，水翼产生的推力较小。

喷水装置或是小型螺旋桨提供诱导力，从而实现对水下拖曳体姿态、航向的操纵式可行的。而由于水下拖曳体有在高速下拖曳的需求，因此，利用喷水能很好的避免在高速拖曳下控制用螺旋桨产生负推力的弊端，以及低速航行下仍有较大的推力。

对于水下拖曳的外形，依据其适用的拖曳速度可分为三种：框架式、鱼式、流线体式。框架式主要用于低速拖曳，而鱼式和流线体式则由于其流线型的外形，保持了水流在其表面运动的均匀性和流场度，从而减小了阻力，辅以平衡装置，则具有优秀的水动力性能和运动稳性，从而被广泛应用于高速拖曳活动中。

中国发明专利申请2013105566321公开了一种立式航向稳定可操纵水下拖曳体，包括鱼雷状浮体、翼型斜撑、固定水平翼、固定垂直翼、固定水平尾翼、固定垂直尾翼、转艏控制器以及主腔。该发明的升沉控制是改变水平翼攻角，利用伯努利原理产生上下表面压力差，产生升力或者下沉力，但是在航行速度较低时，其伯努利效应不明显，无法产生足够的力使拖曳体上升或者下沉；该发明的左右转艏控制是通过两侧螺旋桨的转速差，推力大小不同，产生转艏力矩，但是在航行速度较快时，螺旋桨可能会产生负推力，使螺旋桨的转向不可控，进而使拖曳体转艏方向不可控。所以该发明对航行速度的要求较高，大大限制了使用范围。另外，该发明的多自由度运动，需要控制四个电机的配合来完成，大大增加了其控制难度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其具有自主和航向稳定功能、操控简单、可多自由度运动的特性。

本实用新型通过下述技术方案实现：

多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，包括鱼雷状主腔体、固定水平翼、固定垂直翼、拖曳部件、缆线孔和进水口；鱼雷状主腔体采用回转体外形，包括头部、平行中体和尾部，固定水平翼和固定垂直翼设置在平行中体处，固定水平翼对称布置于平行中体中部，固定垂直翼对称布置于平行中体尾部；所述平行中体上表面中部前端设置有拖曳部件和缆线孔；主腔体前端设有进水口；

所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体还包括尾喷水控制系统；尾喷水控制系统包括设置在鱼雷状主腔体的主管道、潜水泵、副管道、油封管、密封套和弯管旋转角度控制系统，还包括部分伸出鱼雷状主腔体的套管，以及与套管连接的弯管；主管道的前端与进水口连接，主管道的后端与潜水泵进水口连接，潜水泵出水口与副管道连接，副管道的另一端由套管套住，副管道被套管套住的部分用油封管包裹，接口处用密封套密封，套管尾部伸出鱼雷状主腔体，套管与鱼雷状主腔体连接处用油封管将套管包住，接口处用密封套密封，套管尾部与弯管连接；

所述的弯管旋转角度控制系统包括步进电机、齿轮和齿槽；齿槽设置在套管外周，齿轮与齿槽啮合，齿轮通过转轴与步进电机连接。

为进一步实现本实用新型的目的，优选地，所述的套管尾部伸出鱼雷状主腔体的伸出长度为120mm-140mm。

优选地，所述的固定水平翼和固定垂直翼横截面形状采用NACA对称翼型，外形采用三角翼型。

优选地，所述的固定水平翼和固定垂直翼外侧均设有边板；固定水平翼的边板长度为 140mm-150mm，宽度为27mm-30mm，厚度为2mm-2.5mm。固定垂直翼的边板长度为 70mm-80mm，宽度为22mm-24mm，厚度为2mm-2.5mm。

优选地，所述的鱼雷状主腔体的头部和尾部形状采用Myring外形曲线；所述的鱼雷状主腔体的头部、平行中体和尾部三个部分连接采用可拆装式的密封连接。

优选地，所述的弯管的弯曲度为90°。

优选地，所述的拖曳孔的设置数量为4-8个，直径为10mm-12mm，间距为15mm-20mm。

优选地，所述的鱼雷状主腔体的平行中体内空腔直径为180mm-220mm，平行中体长度为1000mm-1200mm；所述的鱼雷状主腔体的艏部长度为200mm-240mm，艉部长度为 220mm-260mm。

优选地，所述的固定水平翼的宽度为300mm-350mm，内侧截面翼型的最大厚度为45mm-50mm，长度为300mm-350mm，外侧截面翼型的最大厚度为20mm-23mm，长度为 100mm-120mm；固定垂直翼的宽度为200mm-250mm，内侧截面翼型的最大厚度为30mm-35mm，长度为200mm-240mm，外侧截面翼型的最大厚度为16mm-18mm，长度为 60mm-70mm；固定水平翼最前端距水下拖曳体最前端550mm-600mm，固定垂直翼最前端距水下拖曳体最前端950mm-1000mm。

优选地，所述的主管道的直径为60mm-70mm，副管道的直径为50mm-60mm，套管的直径为70mm-80mm，弯管管的直径为70mm-80mm。

本实用新型通过驱动步进电机可以带动套管转动，从而改变套管尾端90度弯管的喷水方向，达到控制喷水方向的目的。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点有益效果：

1、拖曳体结构简单、阻力小且运动稳定性佳。本实用新型所述的鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体主要由Myring线形回转体主腔体和固定水翼组成，整个拖曳体外形没有多余的部件，轻便简单，主腔体和水翼都采用流线型保证整个拖曳体表面的流场的均匀性，减小了水阻力，降低了对拖缆的拉力，同时鱼雷状艏部开口，连接喷水管道的主管道，将拖曳过程中艏部的水的压力势能转化为了喷水口的水的动能，大大降低艏部压力。

2、控制方式简单。本实用新型所述的鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体仅仅通过控制一个步进电机的旋转就可以实现多自由度运动，相比现有的依靠主动改变水翼攻角同时辅助利用螺旋桨操纵的水下拖曳体更容易控制。在拖曳时，需要进行转艏运动时，通过使得弯管喷口前进方向的垂直方向喷水即可实现对固定垂直水翼等效攻角的诱导改变。在升沉运动中，可以通过旋转弯管向上或向下喷水来使水下拖曳体艏倾或尾倾一个小角度，诱导固定三角水平翼的等效攻角发生改变，在固定三角水平翼的上下翼面产生压力差，使得整个固定三角水平翼产生升力和迫沉力，从而使得水下拖曳体完成升沉运动。

3、优化控制方式，实现高速拖曳下有效控制。本实用新型鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体主要利用尾部侧向喷水推力，诱导拖曳体产生一个小角度的变化，改变水翼的攻角，从而利用产生较大的控制力来改变拖曳体的运动方向，实现拖曳体的多自由度运动。而由于水下拖曳体有在高速下拖曳的需求，但螺旋桨在进速过高的情况下，会产生负推力，导致推力方向不可控，因此，利用喷水能很好的避免在高速拖曳下控制用螺旋桨产生负推力的弊端。

4、控制效率高，机动性好。本实用新型鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的采用Myring线形回转体外形，在进行方向调整时，只需在水平方向提供一个很小转艏力就可以实现转艏运动。而在垂向上，通过在尾部提供一个小的垂向上的推力便可诱导固定三角水平翼的等效攻角发生变化，固定三角水平翼的上下翼面产生压力差，诱导产生升力和迫沉力，从而使得水下拖曳体完成升沉运动。进而实现水下拖曳体的升沉运动。而这些仅仅通过控制一个步进电机的旋转就可以实现，而提供转速高的步进电机，则可实现对水下航行器的姿态和航向的迅速调整，提高了对水下拖曳体的操纵效率。

附图说明

图1是鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的外形结构左视图；

图2是鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的外形结构前视图；

图3是鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的外形结构俯视图；

图4是鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的尾喷水系统前视图；

图5是鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的尾喷水系统俯视图；

图6是鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的尾喷水控制系统示意图。

图中示出：鱼雷状主腔体1、固定水平翼2、固定垂直翼3、拖曳部件4、缆线孔5、进水口6、边板7、主管道8、潜水泵9、副管道10、套管11、弯管12、油封管13、密封套14、步进电机15、齿轮16、齿槽17。

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的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1-3所示，多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，包括鱼雷状主腔体1、固定水平翼2、固定垂直翼3、拖曳部件4、缆线孔5、进水口6。鱼雷状主腔体1采用回转体外形，包括头部、平行中体和尾部，头部和尾部形状采用Myring外形曲线，三个部分连接采用可拆装式的密封连接，方便对内部结构和仪器的安装和修理。固定水平翼和固定垂直翼设置在平行中体处，固定水平翼对称布置于平行中体中部，固定垂直翼对称布置于平行中体尾部。固定水平翼2和固定垂直翼3横截面形状采用NACA对称翼型，外形采用三角翼型。为了增加翼效，在4片水翼外侧均设置了边板7。

主腔体上表面中部前端设置有拖曳部件4和缆线孔5。主腔体前端设有进水口6。

如图4-6所示，多自由度尾喷水操纵水下拖曳体还包括尾喷水控制系统；尾喷水控制系统包括设置在鱼雷状主腔体1的主管道8、潜水泵9、副管道10、油封管13、密封套14 和弯管旋转角度控制系统，还包括部分伸出鱼雷状主腔体1的套管11，以及与套管11连接的弯管12；主管道8设置在主腔体1内，主管道8的前端与进水口6连接，主管道8的后端与潜水泵9进水口连接，潜水泵9出水口与副管道10连接，副管道10的另一端由套管11套住，副管道10被套管11套住的部分用油封管13包裹，接口处用密封套14密封，套管11尾部伸出鱼雷状主腔体1，伸出长度优选为120mm-140mm，套管11与鱼雷状主腔体1连接处先用油封管13将套管11包住，接口处用密封套14密封，油封管13和密封套 14可以防止水进入鱼雷状主腔体1内，并且由于油封管13内部油的光滑作用可以保证套管自由转动，套管11尾部与弯管12连接，弯管12的弯曲度优选为90°。水从进水口6 被抽入主管道8，然后通过潜水泵9加速进入尾管道10，紧接着流入套管11内，通过套管 11进入弯管12喷出，从而产生控制力。

如图6所示，弯管旋转角度控制系统包括步进电机15、齿轮16和齿槽17；齿槽17 设置在套管11外周，齿轮16与齿槽17啮合，齿轮16通过转轴与步进电机15连接。通过控制步进电机15的旋转，然后通过杆传动带动齿轮16，齿轮16与齿槽17啮合传动带动套管11转动，从而改变弯管12的喷口方向，最后达到控制水下拖曳体多自由度运动的目的。

优选地，拖曳孔的设置数量为4-8个，直径为10-12mm，间距为15-20mm。

优选地，鱼雷状主腔体的平行中体内空腔直径为180-220mm，平行中体长度为1000-1200mm；所述的鱼雷状主腔体的艏部长度为200-240mm，艉部长度为220-260mm。

优选地，固定水平翼的宽度为300-350mm，内侧截面翼型的最大厚度为45-50mm，长度为300-350mm，外侧截面翼型的最大厚度为20-23mm，长度为100-120mm；固定垂直翼的宽度为200-250mm，内侧截面翼型的最大厚度为30-35mm，长度为200-240mm，外侧截面翼型的最大厚度为16-18mm，长度为60-70mm；固定水平翼的边板长度为140-150mm，宽度为27-30mm，厚度为2-2.5mm。固定垂直翼的边板长度为70mm-80mm，宽度为 22-24mm，厚度为2-2.5mm。固定水平翼最前端距水下拖曳体最前端550-600mm，固定垂直翼最前端距水下拖曳体最前端950-1000mm。

优选地，主管道的直径为60-70mm，副管道的直径为50-60mm，套管的直径为70-80mm，弯管管的直径为70-80mm。

本实用新型尾喷水诱导多自由度运动水下拖曳体在工作过程中：

首先，根据不同的探测任务在主腔体1内装载不同探测器，然后根据不同的探测器的重量不同，布置位置不同，布置适当的压载，使得整个水下拖曳体的重心位置与浮心位置满足正浮状态。然后选择一个缆线孔5，系上拖缆，将水下拖曳体放入水中开始试拖，根据试拖情况可随时调整水下拖曳体的重心位置，保证水下拖曳体良好的拖航姿态。

在拖曳过程中，水从水下拖曳体前端进水口6流入，经过潜水泵9的加速之后流向尾端的喷口，驱动步进电机15开始转动，齿轮16和齿槽17传动带动套管11周向转动，使弯管12的喷口方向逆时针旋转，转为向水下拖曳体的下方喷水，使水下拖曳体艏倾，从而诱导固定水平翼2的等效攻角发生改变，整个固定水平水翼2产生迫沉力使水下拖曳体下沉。同样地，重新改变驱动步进电机15的转动方向，使弯管12的喷口方向顺时针旋转，向水下拖曳体的上方喷水，使水下拖曳体艉倾，诱导固定水平水翼2的等效攻角发生改变，整个固定水平水翼2产生升力，使水下拖曳体上升。以此来实现水下拖曳体在垂向上的运动。

对于转艏运动来说，控制步进电机15开始转动，齿轮16和齿槽17传动带动套管11周向转动，使弯管12的喷口方向逆时针旋转，转为向水下拖曳体的右边喷水，使水下拖曳体向左转艏，从而诱导固定垂直水翼3的等效攻角发生改变，整个固定垂直水翼3产生向左的控制力，使水下拖曳体向左运动。同样地，重新改变驱动步进电机15的转动方向，使弯管12的喷口方向顺时针旋转，向水下拖曳体的左边喷水，使水下拖曳体向右转艏，诱导固定垂直翼3的等效攻角发生改变，整个固定垂直水翼3产生向右的控制力，使水下拖曳体向右运动，以此来实现水下拖曳体的转艏运动。

如上所述，可以很好地以较少的控制器实现鱼雷型多自由度尾喷水操纵水下拖曳体的多种用途，达到航向稳定、多自由度操控的目的；本实用新型不受上述实施方式约束，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替代方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，包括鱼雷状主腔体、固定水平翼、固定垂直翼、拖曳部件、缆线孔和进水口；鱼雷状主腔体采用回转体外形，包括头部、平行中体和尾部，固定水平翼和固定垂直翼设置在平行中体处，固定水平翼对称布置于平行中体中部，固定垂直翼对称布置于平行中体尾部；所述平行中体上表面中部前端设置有拖曳部件和缆线孔；主腔体前端设有进水口；

其特征在于，所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体还包括尾喷水控制系统；尾喷水控制系统包括设置在鱼雷状主腔体的主管道、潜水泵、副管道、油封管、密封套和弯管旋转角度控制系统，还包括部分伸出鱼雷状主腔体的套管，以及与套管连接的弯管；主管道的前端与进水口连接，主管道的后端与潜水泵进水口连接，潜水泵出水口与副管道连接，副管道的另一端由套管套住，副管道被套管套住的部分用油封管包裹，接口处用密封套密封，套管尾部伸出鱼雷状主腔体，套管与鱼雷状主腔体连接处用油封管将套管包住，接口处用密封套密封，套管尾部与弯管连接；

所述的弯管旋转角度控制系统包括步进电机、齿轮和齿槽；齿槽设置在套管外周，齿轮与齿槽啮合，齿轮通过转轴与步进电机连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的套管尾部伸出鱼雷状主腔体的伸出长度为120mm-140mm。

3.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的固定水平翼和固定垂直翼横截面形状采用NACA对称翼型，外形采用三角翼型。

4.根据权利要求1或3所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的固定水平翼和固定垂直翼外侧均设有边板；固定水平翼的边板长度为140mm-150mm，宽度为27mm-30mm，厚度为2mm-2.5mm；固定垂直翼的边板长度为70mm-80mm，宽度为22mm-24mm，厚度为2mm-2.5mm。

5.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的鱼雷状主腔体的头部和尾部形状采用Myring外形曲线；所述的鱼雷状主腔体的头部、平行中体和尾部三个部分连接采用可拆装式的密封连接。

6.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的弯管的弯曲度为90°。

7.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的缆线孔的设置数量为4-8个，直径为10mm-12mm，间距为15mm-20mm。

8.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的鱼雷状主腔体的平行中体内空腔直径为180mm-220mm，平行中体长度为1000mm-1200mm；所述的鱼雷状主腔体的艏部长度为200mm-240mm，艉部长度为220mm-260mm。

9.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的固定水平翼的宽度为300mm-350mm，内侧截面翼型的最大厚度为45mm-50mm，长度为300mm-350mm，外侧截面翼型的最大厚度为20mm-23mm，长度为100mm-120mm；固定垂直翼的宽度为200mm-250mm，内侧截面翼型的最大厚度为30mm-35mm，长度为200mm-240mm，外侧截面翼型的最大厚度为16mm-18mm，长度为60mm-70mm；固定水平翼最前端距水下拖曳体最前端550mm-600mm，固定垂直翼最前端距水下拖曳体最前端950mm-1000mm。

10.根据权利要求1所述的多自由度尾喷水操纵水下拖曳体，其特征在于，所述的主管道的直径为60mm-70mm，副管道的直径为50mm-60mm，套管的直径为70mm-80mm，弯管管的直径为70mm-80mm。

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