新型水下滑翔机原理样机设计

李永成，马 峥，江 陈，匡 俊

（1. 中国船舶科学研究中心上海分部，上海200011；

2. 上海市东方海事工程技术有限公司，上海200011）

新型水下滑翔机原理样机设计

李永成1，马 峥1，江 陈1，匡 俊2

（1. 中国船舶科学研究中心上海分部，上海200011；

2. 上海市东方海事工程技术有限公司，上海200011）

通过跟踪国际上有关水下滑翔机的最新研究成果，掌握传统水下滑翔机的基本工作原理，并对其水动力、运动特性及控制特性进行初步分析。在此基础上，以对水下滑翔机工作原理的分析为理论指导进行原理样机的设计，设计内容主要由滑翔机重心调节系统设计和进排水控制系统设计2部分组成。通过设计该原理样机，期望在满足水下滑翔机设计任务需求的前提下，使其调节更方便且满足低能耗的要求。

水下滑翔机；原理样机；结构设计

0 引 言

水下滑翔机是将浮标技术与水下机器人技术相结合研制成的一种新型水下航行器，与传统水下航行器相比具有噪声低、续航能力强、功耗量低、作业费用低和对母船的依赖性小等优点，被广泛应用于海洋环境监测、资源开发及军事用途等方面[1]。

水下滑翔机的出现使得过去靠船舶、无人遥控潜航器和传统自主式潜航器完成的十分繁杂甚至不可能完成的任务变得简单易行：以前海洋学家只能通过不停地更换科考船的位置来进行点抽查，而现在水下滑翔机可停留在不同深度处进行物理化学采样，连续观察不同海洋层的化学、温度和营养等状况，获得更加丰富、全面的资料；以前海洋学家靠无线电探测海底深度，并大致绘出海底地形的剖面图，而现在水下滑翔机可利用卫星定位系统将海底的路线转化为数据上传给控制室，研究人员依据这些数据绘点即可连贯成海底地形的立体图[2]。

目前水下滑翔机正处在研发、应用研究阶段，而传统水下滑翔机因在重心调节系统和进排水控制系统方面存在不足而无法大规模、大范围地应用[2]。

1) 重心调节系统是控制水下滑翔机的姿态及运动轨迹的重要机构，通过调整载体内部的质量分布来改变载体重心与浮心的相对位置，从而产生横滚力矩和俯仰力矩，实现载体回转和俯仰运动。传统的重心调节系统多采用液体抽送、同步带传送及曲柄滑块传送等方式。这种结构的体积较大，使得水下滑翔机的体积也相应增大；随着工作时间增加，带轮容易松动而造成跳齿；同时，由于摆动直径小，使得重心调整距离受限。

2) 进排水控制系统直接影响水下滑翔机的滑翔效率。目前水下滑翔机的进排水控制系统通常通过改变载体耐压舱内、外两个油囊中油的体积来改变载体的进水量，结构复杂、占用内部空间大、控制精度较低，无法实现对进水量的精确调节。此外，由于其油囊大多布置在机体尾部，因此会使重心调节系统承担过多的压力，从而增加能量消耗。

这里针对上述水下滑翔机的重心调节系统及进排水控制系统存在的不足，提出一种采用新型调节方式的水下滑翔机，期望在满足水下滑翔机设计任务需求的前提下，使其调节更方便且满足低能耗的要求。

1 水下滑翔机原理样机构型

1.1 样机的外形设计

典型水下滑翔机（如Spray，Slocum和Seaglider）的主体一般在2m以内，质量在50kg左右，具有成本低、能耗少、使用方便和续航能力强等优点[3]。这里设计的原理样机主要由机体、水翼及附体组成。在前期计算的基础上选择带平行中体的水滴形艇体外形和NACA0015翼型[4-6]，机身采用铝合金材质，水平翼和尾翼采用有机玻璃材质，样机外形概念设计图和实物图见图1。样机具体技术指标为：

1) 在储水箱无水时，设计质量约为50kg；在储水箱满装水时，设计质量约为55kg，排水量约为52kg。

2) 设计总长1.5m，除去尾舵后的机身长1.2m；机身中部为圆柱体，直径为0.25m，长为0.625m；机身头部和尾部为半椭球，头部椭球半长轴为0.175m，尾部椭球半长轴为0.4m；机翼弦长为0.2m，翼展为0.75m（左右两翼端面相距0.75m），机翼最大宽度为0.03m，机翼距头部0.55m。

3) 设计水深在200m以内，滑翔速度在0.5kn左右。

图1 样机外形概念设计图和实物图

1.2 样机的结构设计

样机耐压舱结构设计分为耐压材料选择和耐压舱壁厚度设计2部分。

1) 选取铝合金 6061T6作为耐压壳材料。根据铝制焊接容器规则JB/T 4734—2002，铝合金在常温下的抗拉强度为260MPa，6061T6 用作压力容器时的安全系数为4，因此以65MPa作为耐压舱的许用应力。

2) 耐压舱舱壁厚度选取分为耐压舱筒体和球壳体 2部分。首先根据结构应力计算得到一个初始值，该厚度值按照JB/T 4734—2002中的要求进行验算，最终耐压舱筒体的壁厚取为11mm，耐压舱球壳体的厚度取为6mm。

根据上述耐压舱结构部分的设计，对圆柱壳体和球壳体进行建模，在ANSYS WORKBENCH中进行网格划分，最后采用ANSYS MECHANICAL模块进行计算分析。图2为厚度11mm圆柱壳体和厚度6mm球壳体在设计压力2.5MPa（已考虑压力强度储备）下的应力云图。由计算结果可知：2种壳体的应力均低于许用应力[σ]=65MPa。

图2 厚度11mm圆柱壳体和厚度6mm球壳体在2.5MPa下的应力云图

水下滑翔机重要的结构功能主要通过重心调节系统和进排水控制系统实现，因此这2个系统的设计尤为重要。下面分别对这2个系统的设计进行详细阐述。

2 重心调节系统设计

图3为水下滑翔机机身结构剖面图，重心调节系统设计分为前后重心调节系统设计和左右重心调节系统设计2部分。

图3 水下滑翔机机身结构剖面图

2.1 前后重心调节系统设计

图3中，电机（15）带动丝杆（14）转动，使得丝杆螺母（13）作直线运动，丝杆螺母固定在工作台底面，工作台（11）和电池支架（10）则一起运动，其中电池支架与轨道之间装有4个直线轴承，保证直线运动的准确性，小幅度改变其前后重心，用于改变滑翔机下沉和上浮的角度。前后重心调节系统具体功能实现如下。

图4为水下滑翔机前后重心部分的结构剖面图，轨道（9）固定在前旋转笼架（23）与后旋转笼架（22）之间，电机支架（24）固定在后旋转笼架（22）上连接电机（15）；电机带动丝杆（14）转动，丝杆螺母（13）将旋转运动变成直线运动，丝杆螺母前后运动带动工作平台（11）和工作台滑块（12）运动，工作台（11）和电池支架（10）用螺栓固定，从而使电池作为重物前后直线运动，改变水下滑翔机前后质量的分布。

图4 水下滑翔机前后重心部分的结构剖面图

2.2 左右重心调节系统设计

图3中，电机（15）带动轴和小齿轮（30）转动，通过大小齿轮的内啮合带动大齿轮（31）转动，大齿轮和旋转框架（22）固定，当电机运作时整体旋转框架可在±20°范围内来回转动，小幅改变其左右重心，用于改变方向。左右重心调节系统具体功能实现如下。

图5为水下滑翔机左右重心部分的结构剖面图，电机（15'）带动轴（26）和小齿轮（30）转动，通过大小齿轮的内啮合带动大齿轮（31）转动，大齿轮和旋转框架固定，当电机运作时整体旋转框架可在±20°范围内来回转动，由于电池比重比较大，电池在左右转动的同时会小幅改变水下滑翔机的左右重心，从而调整其在水中转弯时的姿态，用于改变方向。

图5 水下滑翔机左右重心部分的结构剖面图

与现有技术相比，该水下滑翔机的重心调节装置结构紧凑、占用空间小，利用丝杠螺母传动和齿轮组传动能方便、精确地调整重心，同时不易产生磨损；利用电池替代重物块改变重心位置，在减少附加载荷质量的同时，能提供更多的能量增加续航时间。

3 进排水控制系统设计

进排水系统由水箱、压力传感器、弹性水囊、电磁阀（4只）、水泵、水管及连接件组成。这其中：水囊位于水下滑翔机头部；4只电磁阀相互配合完成进排水；压力传感器测得空气中的压力后，PLC控制下潜角度。压力越大，水囊中的水越多，水下滑翔机的头部越重，下潜角度越大；反之亦然。密闭水箱内部充气，弹性水囊盛水，通过压力传感器确定水囊内的水量。

图3中的主要结构包括艇体（1）和安装在艇体（1）头部的水囊（46），其中水囊（46）与水泵（45）和电磁阀组构成的进排水管路连接，所述电磁阀组由左排水电磁阀（41）与右排水电磁阀（44）组成的排水管路及左注水电磁阀（42）与右注水电磁阀（43）组成的注水管路构成，注水管路与排水管路之间通过水泵（45）连接。该实用新型水下滑翔机进排水装置利用水泵改变水囊中水的质量，从而改变水下滑翔机的质量，进而完成升沉运动，提高滑行效率。其工作原理图见图6。

图6 滑翔机阀泵部分进水、排水工作原理图

电磁阀为常闭，共分为2组（1与4及2与3），每组电磁阀由一个常开继电器统一控制通断。当需要向水箱内注水时，继电器闭合以使电磁阀2和电磁阀3打开，控制水泵运行，此时水从外部经电磁阀2、水泵、电磁阀3到达水囊内，如需停止注水，继电器断开以关闭电磁阀2、电磁阀3及水泵；当需要向水箱外排水时，继电器闭合以使电磁阀1和电磁阀4打开，控制水泵运行，此时水从水囊经电磁阀1、水泵、电磁阀4排出机外，如需停止排水，继电器断开以关闭电磁阀1、电磁阀4及水泵。

提出的水下滑翔机进排水装置利用水泵改变水囊中水的质量，从而改变水下滑翔机的质量，进而完成升沉运动。由于水囊是放置在艇体最前端的，因此进水时重心会前移而排水时重心会后移，这有助于调整水下滑翔机的姿态，减轻前后重心调节系统承担的压力，从而降低能量消耗、提高续航能力；利用4个电磁阀和1个水泵组成的管路完成进排水功能，可减少占用的空间及节约元器件成本。

4 结 语

在对水下滑翔机的水动力特性、运动特性及控制特性进行分析的基础上，以对水下滑翔机工作原理的分析为理论指导，进行新型水下滑翔机的模型设计和制作。在总结前人工作经验的基础上，针对传统水下滑翔机重心调节系统和进排水控制系统的不足，设计出新型重心调节系统和进排水控制系统，其主要优点如下：

1) 与现有技术相比，该新型水下滑翔机重心调节系统结构紧凑、占用空间小，利用丝杠螺母传动和齿轮组传动能方便、精确地调整重心，同时不易产生磨损；利用电池替代重物块改变重心位置，在减少附加载荷质量的同时，能提供更多的能量，延长航行时间；

2) 该新型水下滑翔机进排水控制系统利用水泵改变水囊中水的质量，从而改变水下滑翔机的质量，进而完成升沉运动。由于水囊是放置在艇体最前端的，因此进水时重心会前移而排水时重心会后移，这有助于调整水下滑翔机的姿态，减轻前后重心调节系统承担的压力，从而降低能量消耗、提高续航能力；利用4个电磁阀和1个水泵组成的管路完成进排水功能，以减少占用的空间及节约元器件成本。

上述系统的设计可在满足水下滑翔机设计任务需求的前提下，使其调节更方便、结构更紧凑且满足低能耗的要求，为进一步深入研究奠定了基础。

[1] 胡克，俞建成，张奇峰. 水下滑翔机器人载体外形设计与优化[J]. 机器人，2005, 27(2): 108-112.

[2] 曾庆礼，张宇文，赵加鹏. 水下滑翔机总体设计与运动分析[J]. 计算机仿真，2010, 27(1): 1-5.

[3] MA Dongmei, MA Zheng, ZHANG Hua, et al. Hydrodynamic analysis and optimization on the gliding attitude of the underwater glider[J]. Journal of Hydrodynamics (A), 2007, 22(6):703-708.

[4] 陈亚君，李永成，马峥，等. 水下滑翔机水动力外形的选型分析[J]. 2015, 56(3): 39-48.

[5] CHEN Yajun, CHEN Hongxun, MA Zheng. Hydrodynamic analyses of typical underwater gliders. Journal of Hydrodynamics, 2015, 27(4): 556-561

[6] 马冬梅，马峥，张华，等. 水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究[J]. 水动力学研究与进展（A辑）, 2007, 22(6): 703-708.

Prototype Design of New Type of Underwater Glider

LI Yong-cheng1，MA Zheng1，JIANG Chen2，KUANG Jun2

（1. China Ship Scientific Research Center Shanghai Branch, Shanghai 200011, China；
2. Shanghai Oriental Marine Engineering Technology Co., Ltd , Shanghai 200011, China）

When the latest research achievements of underwater gliders are learnt, the basic working principles of traditional underwater gliders are seized and the preliminary analysis on the hydrodynamics, motions and control of underwater glider is accomplished. Then prototype design is carried out on the basis of the theoretical analysis of the working principles of underwater glider, which is composed of two parts: design of the gravity adjustment system and the design of the water in-and-out control system. The aim of the prototype is to simplify the adjustment and at the same time to reduce the energy consumption, on the premise that all the design requirements are met.

underwater glider; prototype; structure design

U674.941

B

2095-4069 (2016) 06-0011-05

2016-05-26

国家自然科学基金（51279184）

李永成，男，1992年生。中国船舶科学研究中心流体力学专业硕士研究生在读，研究方向为船舶流体力学。

10.14056/j.cnki.naoe.2016.06.003