一种波浪滑翔器水下舵机设计

木建一 刘银泉 李培正 朱 坤 王炜皋

（中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

波浪滑翔器是一种新型海上无人移动平台，它以波浪能作为动力来源、以太阳能作为电力来源，具有航行时间长、航行距离远、维护费用低、适合高海况、布放回收简单、不依赖化学燃料以及雷达反射面积小等优点。它最初由美国Liquid Robtic公司研制，后被波音公司收购。波浪滑翔器搭载不同的载荷可以执行不同的任务，例如在民用方面，它可以用于对海洋气象、海洋环境以及海洋生物的研究；在军事国防领域，它可以用于通信中继、目标侦察等[1]。波浪滑翔器作为一种新型波浪能推进海洋无人航行器，它具有超长航时、自主、零排放以及经济性等突出优点[2]。波浪滑翔器在军事和民用方面都有非常重要的研究和使用价值[3]。

由于波浪滑翔器需要长时间在海上工作，最长工作时间可达1 a，航行距离达到几千公里，期间可能经历台风等极端海况，波浪滑翔器任何一个关键部件的损坏都有可能导致整个设备丢失。因此，对波浪滑翔器上各个模块单元的稳定性和可靠性有极高的要求。

1 波浪滑翔器组成及工作原理

如图1所示，波浪滑翔器分为水面艇和水下波浪能推进器2个部分，中间靠脐带缆连接。当波浪起伏时，水面艇牵引水下波浪能推进器下上运动，水下波浪能推进器在上下运动时产生水平方向的动能，可以拖动水面艇在水平方向上运动。为了最大限度地获取波浪能，波浪滑翔器的尺寸不能太大，水面艇的尺寸（长度）一般为2 m～3 m，水下波浪能推进器的尺寸（长度）一般为1.5 m～2 m，总质量在100 kg～200 kg，脐带缆长度为4 m～8 m。波浪滑翔器的于速度完全依赖海洋环境[4]，一般情况下海况高，前进速度就快，三级海况大约可以达到1 kn的速度。

图1 波浪滑翔器组成示意图

水面艇主要由艇体、航行控制单元、通信导航单元以及太阳能发电板组成；水下波浪能推进器主要由框架、水动力翼片、水下舵机以及电子罗盘组成。其中，太阳能发电板发出的电能储存在可充电电池中，可以供航行控制单元、通信导航单元以及水下舵机等使用。脐带缆不但可以提供结构上的连接，而且还可以提供电源和通信控制的连接。

执行任务时，地面控制站通过卫星通信链路将目标点发送给波浪滑翔器；波浪滑翔器通信导航单元接收到目标点后，将其发送给航行控制单元；航行控制单元收到目标点后，从通信导航单元获取自身的实时位置信息，从电子罗盘获取水下波浪能推进器的艏向信息进行综合判断，随后生成舵令并经过脐带缆下发给水下舵机。判断过程如下：当目标点在艏向左侧时，发送左舵舵令给水下舵机；当目标点在艏向右侧时，发送右舵舵令给水下舵机；当目标点在艏向正前方时，发送中舵舵令给水下舵机，实际算法中需要留有一定余量。水下舵机接收到舵令后开始执行舵令，当执行左舵舵令时，水下波浪能推进器的艏向将往左调整；当执行右舵舵令时，水下波浪能推进器的艏向将往右调整；因此最终结果是使水下波浪能推进器的艏向始终朝向目标点。

2 波浪滑翔器水下舵机的设计

由以上描述可知，波浪滑翔器的水下舵机起到控制水下波浪能推进器艏向的作用，通过改变水下波浪能推进器的艏向最终控制波浪滑翔器的航行方向。当水下舵机失效时，波浪滑翔器将失去控制。波浪滑翔器一般在深远海执行任务，一旦失去控制，回收成本极高。波浪滑翔器的水下舵机长时间浸没在海水中，平均几秒就要执行一次舵令，1 a需要执行50万次以上舵令。目前国内的无刷舵机基本可以满足对执行舵令次数的要求，波浪滑翔器水下舵机的性能主要取决于水密性能，海浪冲击、海水腐蚀以及海生物附着等因素都有可能引起密封失效，从而造成舵机进水。因此水下舵机的可靠性和寿命直接决定了波浪滑翔器整机的可靠性和寿命。

多位研究人员曾在文献中表示水下动密封设计是水下设备研制的重点难点所在，例如水下机器人研制的关键问题之一是轴的动密封，即轴伸出壳体处的密封。水下机器人因密封问题而引发故障的概率比因电子器件等问题而引发故障的概率高[5]。水下机器人的密封分为静密封和动密封， 静密封相对来说容易解决， 动密封的问题比较难解决， 轴在旋转时， 由于轴与机壳间存在间隙， 因此，就会产生泄漏， 而且介质压力越高、轴的转速越高， 就越容易产生泄漏[6]。凝汽器清洗机器人机械臂的密封分静密封和动密封，静密封相对容易解决，旋转关节的动密封是设备研制的难点。关节旋转时，轴孔间存在配合间隙，因此会产生泄漏，且水室中的循环水多取自江河水（部分为海水），水介质中的氯离子、微生物等产生的腐蚀作用以及硬质杂质（例如泥沙等）产生的磨损都会影响机械臂旋转关节的密封效果[7]。

磁性联轴器主要应用于各类机械运输设备之上，可以对2个轴进行有效连接，将2个轴处于同一旋转状态，以此传递扭矩和运动。同时，磁性联轴器的结构较为简单，并且超载时不易损坏其他部件。另外，磁性联轴器的使用性能较好，与传统联轴器相比，它有非常明显的突破，可以在主动轴和从动轴之间没有直接接触的情况下传递力和力矩，从而降低运行机械设备出现故障的概率[8]。由上述文献可知，在一些驱动和输出之间不能直接接触或需要缓冲的地方已经开始使用磁耦合的方式传递力矩，但是针对采用磁耦合的方式驱动舵轴的设计并不多见。该文通过磁耦合装置将电机的旋转输出传送至舵轴。采用磁力传输扭矩的方式可以将动密封转换为静密封，如图2所示，磁耦合装置主要由磁性外转子、隔离套以及磁性内转子组成。电机的输出轴连接在外转子上，当外转子转动时，内转子在磁力作用下跟随转动，隔离套起到隔离密封内、外转子的作用。由于隔离套的存在，所有密封为静密封，没有相对运动和摩擦，因此它可以在对可靠性、耐腐蚀性要求较高的场合中应用。另外由于内外转子采用非刚性传动，因此当舵轴有径向、轴向偏移时也不会影响密封效果。

图2 磁耦合装置示意图

图3为项目团队设计的波浪滑翔器磁耦合水下舵机的实物图，水下舵机由舱体、水密接插件、减速电机、轴承、轴承座、磁耦合装置以及控制电路板等组成。水密接插件和脐带缆连接，航控单元的舵令通过脐带缆发送给控制电路板，控制电路板驱动减速电机转动。减速电机的输出通过传动轴与磁耦合装置的外转子进行连接，传动轴上安装了轴承，轴承通过轴承座固定在舱体上。内转子上装有舵轴，舵轴上装有舵片，外转子在减速电机带动下转动时内转子也跟随转动，从而带动舵片转动。内转子和外转子通过隔离套隔离，隔离套安装在舱体上并通过“O”形圈进行密封。

图3 磁耦合水下舵机实物图

3 波浪滑翔器水下舵机试验

波浪滑翔器水下舵机试验分为环境试验、疲劳试验和实际海试。波浪滑翔器的布放和回收需要租用母船，在海试过程中有可能出现损坏、丢失的情况，且其体积较小还有可能出现被人为打捞的情况。这些因素都提高了波浪滑翔器实际海试的难度，也增加了实际海试的成本。为了尽可能提高海试的成功率、降低海试的成本，波浪滑翔器的各个模块必须在实验室经过摸底试验及环境试验。

3.1 环境试验及疲劳试验

波浪滑翔器水下舵机的环境试验主要包括高低温试验及振动试验。虽然水下舵机在水下工作，温差变化不大，但是在布放、回收过程中仍然有可能暴露在母船甲板上，承受极端温度。如图4所示，图中为波浪滑翔器磁耦合水下舵机在高低温箱中进行高低温环境试验的场景。根据IEC（国际电工协会）相关海洋电子设备方面的标准，经过干热储存试验（将被测设备放置在具有正常室温和标准相对湿度的试验箱中，然后将温度提高并维持在（+70 ±3 ）℃，保持10 h，恢复到正常的环境条件并对设备进行性能检查）、干热功能试验（将被测设备放置在具有正常室温和标准相对湿度的试验箱中，然后将温度提高到（+55±3 ）℃，保持10 h，结束时对设备进行性能检查）、湿热试验（将被测设备放置在具有正常室温和标准相对湿度的试验箱中，在（3 ±0.5 ）h内将温度升高到（+40 ±2 ）℃、湿度增加到（93±3）%，保持10 h，设备至少工作2 h，在该过程中保持温湿度不变对设备进行性能检查）、低温试验（将被测设备放置在一个正常室温和相对湿度的试验箱中，在1个10 h～16 h的周期内温度降低到并维持在（-20 ±3 ）℃，在这个周期或者30 min后，打开被测设备并保持运作2 h，在该过程中对设备进行一次性能检查）以及振动试验后都能正常工作。

除了对波浪滑翔器水下舵机进行环境试验以外，还在实验室对其进行疲劳试验和耐压试验。疲劳试验中，水下舵机在水中累计执行舵令60余万次，试验完成后舵机没有损坏仍能正常工作。在耐压试验中，水下舵机打压到30 m水深并保持24 h，对应正常7 m工作水深留有3倍以上余量，试验完成未发现进水。

3.2 实际海试

2015—2020年期间，波浪滑翔器在宁波象山、海南陵水和三亚等海域共进行了30多次海试。总试验里程超过6 000 km，总海试时间超过6 000 h，采用磁耦合的水下舵机在海试过程中没有出现损坏的情况。如图5所示，在2020年6—7月的海试中，波浪滑翔器总共历时52 d，期间经历鹦鹉号台风的影响。海试完成后的水下舵机除表面有海生物附着外，舵机性能未受影响，舱体内部未进水，仍可正常使用。

图5 磁耦合水下舵机实际海试情况

4 结论

该文提出的一种波浪滑翔器水下舵机设计利用磁耦合装置将传统的水下动密封转换成静密封，由于采用磁力进行扭矩传输，减速电机驱动和舵轴之间可以实现完全意义上的隔离，做到了零泄漏。采用磁耦合的方式还降低了传统动密封件的加工和安装精度，降低了密封难度，提高了水下舵机在恶劣环境下的寿命和性能。磁耦合带来的额外好处是在减速电机驱动和舵轴之间起到了缓冲作用，海水的瞬时冲击被磁力矩吸收，减少了减速电机的磨损。该文对样品进行了环境试验、疲劳试验和真实海洋环境试验，试验结果表明，采用磁耦合装置的水下舵机可以长时间在波浪滑翔器上使用。