水下滑翔机浮力调节系统研制

杨海，刘雁集

1 中国舰船研究设计中心，上海 201108

2 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240

0 引 言

水下滑翔机是浮力驱动的、带有固定机翼的低噪声水下机器人。目前国内外研制有多型水下滑翔机，如美国的Slocum［1］，Seaglider［2］，Spray［3］，法国的SeaExplorer［4］，中国的“海翼”号［5］及“海燕”号［6］等。水下滑翔机大部分时间可以进行无动力的稳定滑翔，具有长航时、远航程的特点，能出色地完成大尺度海域的探测，可以作为一种海洋环境观测平台投放应用。

水下滑翔机是在深潜浮标的基础之上发展而来，通过增加偏置的重心获得俯仰等姿态调节能力，通过增加水平机翼获得升力。与浮标相同，滑翔机依靠浮力驱动，由浮力调节系统控制滑翔机速度和下潜、上浮状态的切换［7］，且影响滑翔角度，是滑翔机的关键组件。按执行机构类型进行划分，浮力调节系统可分为电机—活塞驱动和电机—油泵驱动2类。电机—活塞驱动形式较为简单，比较适合运行于浅水区域的快速反应的水下滑翔机［8］；通过优化驱动结构，也适用于深水环境［9］；但此类结构的长度与能耗均较大。电机—油泵驱动形式的浮力调节系统更适合于深水环境，利用一台双向油泵即可实现油液的双向输送［10-11］，但回油过程需要反向转动高压油泵，能耗也较大。为了降低能耗，浮力调节系统往往利用耐压壳体的内、外压差自然回油，在此类系统中，需要配置一台单向的高压油泵向外输油；与此同时，为了消除高压油泵入口的负压，需要在高压油泵前配置增压泵及增压回路，以保证高压油泵正常工作，从而加大了系统的复杂程度。

为此，本文拟研制可快速出油和回油、可用于高压环境的低能耗浮力调节系统，并研制海洋压力环境模拟器，以进行实验分析。此外，浮力调节系统的运行效率受外部压力环境的影响［12］，为充分研究不同外部压力环境对系统运行的影响，拟通过实验研究在不同外部压力下浮力调节系统的响应时间与能耗水平。

1 浮力调节系统分析

水下滑翔机在垂直平面内稳定滑翔时，升力、阻力与净浮力平衡。在机型已经确定的情况下，机体的升力、阻力与攻角的关系可以通过数值计算或实验方式获得，由此确定机体所需要的浮力调节量。设计的水下滑翔机如图1所示，浮力调节系统位于机体的后部。

在垂直平面内，水下滑翔机稳定下潜和稳定上浮过程中的受力分析如图2所示。图中：L为水下滑翔机所受的升力；D为水下滑翔机所受的阻力；m0为水下滑翔机总质量减去排水质量（净浮力质量）；m0g为水下滑翔机净浮力；V为水下滑翔机在垂直平面内的速度；θ为俯仰角，抬头为正，低头为负；i为惯性坐标系的i轴，位于水平面内；e1为机体坐标系的e1轴，指向水下滑翔机艏部；α为攻角，自V向e1坐标轴顺时针旋转为负，逆时针旋转为正；ξ为滑翔角，定义为ξ=θ-α，且与θ同向。

根据受力分析，垂直平面内的力平衡方程为

由式（1）和式（2）可得

水下滑翔机所受的阻力D和升力L分别表示为

式中：ρ为流体密度；A为机翼面积；CD(α)和CL(α)分别为随攻角α变化的阻力系数和升力系数。

基于k-ε模型，利用计算流体动力学（CFD）对设计的水下滑翔机（几何模型如图1所示）进行模拟，得到的流场速度矢量图、压力云图、速度云图如图3所示，得到的升力、阻力与攻角的关系如图4所示。

对图4所示的阻力曲线和升力曲线进行拟合，得到的阻力系数与升力系数分别为：

式中，CD0=0.092 09，CDα=0.001 555，CLα=0.094 48。

根据式（3）和式（4），可得到给定速度下的滑翔角与净浮力的关系，则水下滑翔机的水平速度为

由式（1）和式（2），可得

根据滑翔角的定义，以及式（4）～式（7），可得

根据式（10），可得

当ξ=35°（-35°）时，利用式（11）求得对应的α=-1.440 8°（1.440 8°）。

联立式（6）和式（8），可求得当滑翔机的水平速度Vx=0.25 m/s时，需要的净浮力质量m0=±0.13 kg，体积变化约±130 mL。考虑到系统储备情况，设计浮力调节系统体积变化范围为［-300 mL，300 mL］。

2 浮力调节系统及实验装置设计

2.1 浮力调节系统设计

浮力系统的设计工作深度为200 m，可调节体积变化量为±300 mL。如图5所示，设计的浮力调节系统包括出油管系和回油管系，管系的两端是内油囊与外油囊。出油管系包括1台柱塞泵、1个单向阀和1个过滤器，回油管系包括1台低功耗齿轮泵和1个电磁阀。

出油管系中，柱塞泵排量为0.1 mL/r，最高工作压力为50 MPa。为保证柱塞泵正常工作，在柱塞泵前配置一个滤网孔径为60 μm的过滤器。单向阀保证出油油路单向流动。

回油管系中，齿轮泵为磁力驱动的低功耗齿轮泵，最大排量为500 mL/min，0～5V电压调速。

为方便测量浮力调节量，内油囊设计为波纹状，有效容积约0.9 L。采用一个量程为10 cm的直线位移传感器测量内油囊的容积，该传感器分辨率为0.01 mm，线性度为±0.1%。

出油时，回油油路电磁阀常闭，齿轮泵不供电，柱塞泵供电，将内油囊内的工作液体输送至外油囊，当达到设定的出油量时柱塞泵断电。回油时，常闭电磁阀和齿轮泵上电开启，将外油囊内的工作液体输送至内油囊，当达到设定的回油量时常闭电磁阀和齿轮泵均断电关闭。

2.2 海洋压力环境模拟器设计

对于柱塞泵来说，转速不变时理论流量恒定不变。但是，实践表明，泵的实际流量比理论流量要小。为了准确控制油量，研究了浮力调节系统在实际海洋压力环境下的工作性能，设计了海洋压力环境模拟器。模拟器原理图和实物图如图6所示，主要由耐压装置和加压装置组成，耐压装置由耐压圆筒和耐压端盖组成，耐压圆筒设计采用壁厚3 cm的不锈钢，耐压端盖与耐压圆筒之间采用轴向密封。在耐压端盖上，除了设计1个加压装置接口和1个浮力调节系统安装接口之外，还设置有1个耐压装置压力表和1个耐压装置溢流阀。加压装置由1台手摇泵和压力表组成。通过手摇泵，向耐压装置中注水，当耐压装置中水压达到试验压力时，停止注水。溢流阀用于保持耐压装置中恒定的压力环境，也可用于设置不同的试验压力。设计的环境模拟器最大可模拟6 MPa的海洋压力环境。实验时，浮力调节系统安装于耐压装置上，其耐压部件（包括外油囊）全部置于耐压装置内，以模拟滑翔机实际航行过程中机体尾部的受压情况。

3 浮力调节系统实验

3.1 实验方法

为了研究浮力调节系统在不同工况下的工作情况，分别测试系统在不同压力环境下的出油性能及在大气压下的回油性能。出油过程通常发生在水下滑翔机由下潜运动转变到上浮运动这一时间段，此时水下滑翔机处于较深的位置，若浮力调节系统不能正常工作，则水下滑翔机继续下潜而存在触底或超压的风险。因此，在高压环境下，浮力调节系统的正常出油是保证水下滑翔机正常上浮的关键因素。

出油实验时，由于浮力调节系统向外油囊排油，会导致耐压装置有限容积中的压力增加。为了保持恒定的压力环境，利用溢流阀稳定耐压装置内压力。由此可在不同压力环境下，通过调节柱塞泵的转速，测试浮力调节系统的出油时间和能耗。

回油实验时，考虑到回油时水下滑翔机通常位于海洋表面，外油囊的压力环境设定为大气压。回油实验过程中，齿轮泵以1 V的恒定电压控制转速，直至回油到指定状态。

3.2 实验结果与分析

浮力调节系统通过位移传感器测量内油囊体积，在柱塞泵转速一定的情况下，位移传感器的读数与内油囊体积之间存在准线性关系。如图7所示，当内油囊的体积在200～600 mL区间变化时，位移与容积之间呈现较好的线性关系；当内油囊的体积小于100 mL时，受内皮囊的波纹管形式影响，位移与体积关系出现轻微的非线性特征，而且内油囊越收缩，非线性特性越明显。位移传感器具有毫米级别的分辨率，受浮力调节系统内油囊的大横截面的影响，导致系统对内油囊体积的分辨率较低。经过多次测试，分辨率约为6 mL。

图8所示为不同压力环境下，泵转速分别为1 000和2 000 r/min时的流量曲线。从图中可以看出，排量随着压力的增加而降低，在1 000 r/min时，排量最多降低约6 mL/min，降低了6%。在2 000 r/min时，流量最多降低约40 mL/min，降低了20%。由此可见，在外压增大的情况下，泵的排量受到一定影响，即泵的容积效率降低。同时，泵的能耗也随之增加，如图9所示。

图10所示为不同压力环境下的排油过程动态曲线。由图可以看出，在相同转速下，随着外压的增大，完成相同排油量所需的时间增大。并且，在泵转速为1 000 r/min的情况下，排油所需时间比理论值增加了约4.1%；在泵转速为2 000 r/min的情况下，排油所需时间比理论值增加了约33%。

图11所示为在大气压力环境下的回油过程曲线。回油速率约360 mL/min，能耗约20 W。

由图10（b）可知，在2.5 MPa的压力环境下，浮力调节系统耗时76 s即可完成300 mL的输油，实现滑翔机体积变化在-150～150 mL之间的切换，完成上潜和下浮状态的切换。由图11可知，回油时，50 s即可完成浮态的切换。

综上所述，浮力调节系统在外部压力环境下工作稳定，可实现较快的上潜和下浮状态切换。随着外部压力的增加，排油时柱塞泵的排量有所降低。特别是在泵的转速较高时，影响较大。

4 结 语

通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算，求得浮力调节量这一重要设计参数。针对传统浮力调节系统出油油路复杂及回油慢的缺点，设计了可快速出油和回油、可用于高压环境的低能耗浮力调节系统，并设计了海洋压力环境模拟器，在不同外部压力环境条件下进行了实验。实验结果表明，设置了出油和回油通路、以高压柱塞泵执行深水环境下向外出油、以低能耗齿轮泵执行浅水环境下回油的浮力调节系统，在外部压力环境下工作稳定，可实现较快的下潜、上浮状态切换。此外，该浮力调节系统在2.5 MPa压力环境下出油过程正常，在大气压力环境下回油过程也正常。