水下航行体舱门

吴书广

【摘要】探讨了水下航行体舱门的功能和常用的结构形式，在受力分析的基础上，解析每种舱门的优缺点及可能适用的航行体，最后对舱门的设计提出合理化建议。

【关键词】水下航行体;舱门;控制执行机构;动压差

1.引言

舱门是水下航行体的功能设备之一，航行体在经过航行、潜浮后，在一定的区域范围执行水下作业，为减小流体阻力，降低能耗，尽可能将功能设备隐藏在航行体内部，使用舱门作为隔离设备。在需要作业时，先开启舱门，然后进行机械臂伸缩、抛载、弹射等作业活动，完成作业后关闭舱门。

在水下作业时，舱门在开、关过程中的阻力主要来自于水流的压差阻力和摩擦阻力，为保证舱门有效工作，应针对不同海况区域和功能需要，合理地选择舱门的结构形式和控制执行机构。

2.舱门功能

舱门必须满足航行体水下作业的功能需求。其功能可以从多个角度分析。

1）从其功用角度，舱门为航行体的作业设备提供物理隔离，是航行体向外延伸的功能窗口之一。

2）从流体力学角度，舱门是航行体外表面整流功能设备之一。同时，当向外伸展的舱门开启时，产生了鳍舵效应，将短时间改变航行体的运动平衡。

3）从航行体的结构角度，舱门将削弱航行体的整体刚性，增加航行体重量，增加部分重量可以作为航行体应急抛载使用。

3.舱门受力分析

舱门在水中运动的阻力与舱门的大小、形状以及运动角速度密切相关。舱门在开关过程中，角速度经历3个阶段：加速、匀速、减速。在加速和减速阶段，存在液体附加质量的影响，在匀速阶段，存在舱门上下表面正压力分布的影响，由于水的粘性作用产生沿舱门表面的剪切力（粘性阻力）不产生相对门轴的负载力矩。

舱门在匀速开启过程中，其迎流水面压力大于背水面压力，舱门远轴处压力大于近轴处压力。该现象可由伯努力方程[1]分析可知：

const            （1）

从舱门角度看，舱门开启过程中迎水面相当于驻面，前方水域的动压全部作用于舱门迎水面上，从而迎水面压力大于背水面压力，舱门迎水面远轴处水域的动压大于近轴处动压。同理，上述分析也适用于舱门匀速关闭工程中的压力分布情况。根据伯努力方程估算舱门前后表面动压差，舱门壁面压力：

（2）

式中，A——舱门壁面面积;液体附加质量的计算以图1所示的舱门简化模型进行。

设舱门以绕转轴旋转，某一微段上的平均线速度可以近似地表示为，则可求出该微段上由所引起的流体动力及力矩[2]为：

（3）

（4）

式中，——平动时舱门产生的附加质量;——舱门旋转时所产生的附加质量[3]

图1 舱门受力图

4.舱门结构分类

舱门结构形式多样，根据工作模式不同，比较常用的有：对开式转动门、翻转式弹簧门、滑动式伸缩门、圆孔形伸缩门、圆筒式旋转门等。具体选用何种形式的舱门，需要根据作业区域、功能需要、航行体结构形式、装载空间、控制执行机构的不同，合理配置。

4.1 对开式转动门

对开式转动门[4]是最常用的一种形式，舱门为单扇或双扇套在门轴上，开启时绕轴旋转，门轴在舱门的一端，驱动力作用点靠近舱门末端，可取得最优的驱动效果。对开式转动门在转动时，迎流面为舱门的最大侧面，由式（2）可知，舱门壁面面积A大，壁面压力P大，需求的驱动力F大。图1为对开式转动门中的一种。优点：结构简单，工作可靠性高，维修方便。缺点：壁面压力P大造成舱门控制执行机构能耗高;舱门的开关可能改变航行体姿态。适用于允许舱门开启速度低的工况，岸基提供动力的ROV系统，航行速度低，航行距离短，工作海况好的小型AUV系统。

4.2 翻转式弹簧门

翻转式弹簧门是对开式转动门的一种变异形式，舱门绕轴旋转，门轴和舱门之间安装扭转弹簧（或拉伸弹簧）。工作时，利用抛载的水中负浮力或机械臂的作用力开启舱門，弹簧的回弹力关闭舱门，必要时，在门轴上设置舱门控制执行机构备用。门轴安装在舱门中轴线附近，壁面压力P在门轴两侧分布，相对门轴力臂短，力矩小。优点：不需要外部驱动力，无能耗;弹簧结构外形尺寸小，可做到水中零浮力，不影响航行体浮力平衡;相比较对开式转动门，舱门转动时壁面压力P对门轴的力矩减小。缺点：弹簧长时间工作后，有失效的风险;航行途中，舱门关闭不稳定，需要设置机构锁紧舱门;舱门的开关可能改变航行体姿态。适用于抛载物负浮力较大，不严格要求舱门开启速度的工况，要求航行体内部预留有舱门旋转的空间。

4.3 滑动式伸缩门

滑动式伸缩门贴附在航行体表面，沿直线或圆弧形导轨滑行，导轨敷设在基座上，舱门侧面安装滚轮。舱门开关过程中，迎流面为舱门厚度侧面，壁面面积A小，壁面压力P小，舱门的运动受水流影响非常小。舱门控制执行机构主要克服粘性阻力、滚轮滚动阻力、安装误差造成的附加作用力等。优点：舱门运动速度较快，阻力小，能耗低;不占据航行体内部空间，舱门的开关不改变航行体姿态。缺点：负载起吊时，导轨易变形，有锁卡舱门的风险。适用于要求开启速度快，刚性好，开门尺度小的航行体。

4.4 圆孔形伸缩门

圆孔形伸缩门的截面一般为规则的圆形，舱门本体由尺寸较小的锯齿形或条状体组成，安装在航行体内侧，关门时，舱门本体向中间一点收拢，开门时向四周分散。由于舱门本体被拆分为若干件，各自相互独立，舱门控制执行机构同步运行。每个舱门本体运转时，垂直劈开水流，壁面压力P非常小，舱门开、关速度可以非常快，且功率消耗小。优点：运行速度快，能耗低。缺点：舱门控制执行机构同步性要求高，控制系统复杂。适用于要求快速抛载、弹射作业的航行体。

4.5 圆筒式旋转门

圆筒式旋转门[5]是将航行体的外壳体与内腔骨架分层，在外壳体上开长条形舱门孔道，外壳体围绕航行体轴线旋转时，舱门孔道可在任意角度停留，供抛载、弹射等作业需要。在非作业时间，舱门孔道旋转至可封闭角度，减小航行阻力。舱门的开、关是通过旋转航行体外壳体实现的，基本可以忽略附壁面压力P，驱动机构只需要克服外壳体的转动惯性力矩和粘性阻力。优点：舱门不占据航行体内部空间，舱门的开关不改变航行体姿态。缺点：舱门刚性指标要求高，设计难度大。适用于外形尺寸小，要求在高速航行中作业的航行体。

5.舱门控制执行机构

舱门设计时，首先要保证航行体到达目的地后，舱门能可靠开启及关闭，舱门工作的可靠性是保证水下航行体作业顺利实施的首要保障条件，这取决于舱门控制执行机构。对开式转动门、滑动式伸缩门、圆孔形伸缩门、圆筒式旋转门必须配置舱门控制执行机构，翻转式弹簧门可以不配置舱门控制执行机构。舱门的执行机构有液压驱动系统和电机驱动系统。液压驱动系统工作平稳，传动误差小，驱动机构小，自重轻，能耗比低;但液压系统易渗漏，特别是海水向液压系统内部渗漏，污染液压油后，系统无法工作。电机驱动系统速度快，响应时间短，控制简单，易于操纵，维修方便，但水中重量大，能耗比高。

6.结束语

通过五种常用舱门的对比介绍，可清楚了解各种舱门的结构形式、工作原理、优缺点，和对航行体可能存在的影响。在舱门选型设计时，应充分利用不同舱门优点，尽可能消除其对航行体造成的不利影响，通过舱门控制执行的合理配置，降低舱门在系统中的能耗比，使舱门的选型设计方案更加合理。

参考文献

[1]吴望一.流体力学[M].北京大学出版社，1982，8.

[2]孙元泉，马运义，邓志纯.潜艇和深潜器的现代操纵理论与应用[M].国防工业出版社，2001，1.

[3]汪琪，李钧.机械设计计算[M].中国致公出版社，1998，5.

[4]蒋新松，封锡盛，王隶棠.水下机器人[M].辽宁科学技术出版社，2000，11.

[5]张宇文.鱼雷总体设计原理与方法[M].西北工业大学出版社，1998，9.