浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究

鄔 明，孫善春

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究

鄔 明，孫善春

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)對(duì)我國(guó)海洋勘探和國(guó)防建設(shè)有著重要的應(yīng)用前景。本文介紹了水下滑翔機(jī)的工作機(jī)理，對(duì)某一滑翔機(jī)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的橫滾控制組件和俯仰控制組件，同時(shí)提出總體布局的原則，并給出了滑翔機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局方案。對(duì)所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)的總體衡重參數(shù)和流體動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，初步驗(yàn)證了總體設(shè)計(jì)方案的可行性，可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

浮力驅(qū)動(dòng);滑翔機(jī);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)布局

0 引言

浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)就是通過(guò)浮力驅(qū)動(dòng)、翼型固定的自主水下裝置。水下滑翔機(jī)最顯著的特點(diǎn)是航行時(shí)不需要主動(dòng)推進(jìn)力，它在水下環(huán)境中作縱向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自垂直運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換，而垂直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力則來(lái)源于自身浮力的改變。它具有超常的續(xù)航能力，其續(xù)航時(shí)間以月記，且造價(jià)相對(duì)同等續(xù)航能力的艦船更為低廉。

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，美軍已研制了一種“水下無(wú)人滑行艇”原理樣機(jī)［1］，滑行速度可達(dá)5 kn，續(xù)航期數(shù)月，航程數(shù)千英里，在水下執(zhí)行偵查任務(wù)，收集軍事與商業(yè)信息。遠(yuǎn)航程、低功耗、長(zhǎng)航程將是未來(lái)水中兵器的重要發(fā)展方向之一，也是我國(guó)海軍急需的一種武器裝備［2］。

目前，海軍還沒(méi)有類(lèi)似的水下滑翔機(jī)。本文以某外形設(shè)計(jì)完成的滑翔機(jī)(圖1所示)為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)機(jī)身排水體積 VB≤0.47 m3、最大滑行速度3.5 m/s、下潛深度H≥1 000 m，提出滑翔機(jī)姿態(tài)控制方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的橫滾控制組件和俯仰控制組件，并給出滑翔機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局。

1 橫滾控制

當(dāng)水下滑翔機(jī)在縱平面作上浮、下潛前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要利用橫滾控制來(lái)抑制擾動(dòng)產(chǎn)生的橫滾，保持滑翔機(jī)在縱平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑翔機(jī)需要轉(zhuǎn)向或作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，則需要通過(guò)橫滾控制來(lái)發(fā)動(dòng)。如圖1所示，其原理是：首先，調(diào)整可移內(nèi)部俯仰質(zhì)量塊的位置，使質(zhì)心產(chǎn)生沿x方向的位移(機(jī)體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在彈體的浮心，x軸與彈軸重合指向機(jī)頭，y軸為橫軸，與水平翼在同一個(gè)平面垂直x軸，z軸垂直與xy平面)［3］，使滑翔機(jī)機(jī)首朝下尾朝上(或反之)，進(jìn)行下潛運(yùn)動(dòng);然后使橫滾控制質(zhì)量塊移動(dòng)，使質(zhì)心產(chǎn)生沿y方向的位移。使得主載體姿態(tài)產(chǎn)生+x方向的橫滾角。此水動(dòng)力作用在載體水平翼上的升力，產(chǎn)生1個(gè)xz平面的俯仰力分力和1個(gè)+y方向的回轉(zhuǎn)力分力;水動(dòng)力作用在尾翼上的升力產(chǎn)生1個(gè)xz平面的俯仰分力和－y方向的回轉(zhuǎn)力分力，產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)的轉(zhuǎn)向。如果保持滑翔機(jī)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，則滑翔機(jī)做空間定常回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(等角速度繞Z軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以等俯仰角下潛，)運(yùn)動(dòng)軌跡成螺旋線。通過(guò)控制橫滾角的大小，可以控制滑翔機(jī)的回旋半徑和下潛速度。

圖1 載體下潛螺旋運(yùn)動(dòng)受力圖Fig.1 Carrier submerge circle motion and force plot

考慮到本設(shè)計(jì)中滑翔機(jī)的機(jī)身為回轉(zhuǎn)體的特點(diǎn)，這里的橫滾控制采用旋轉(zhuǎn)方式，利用偏心滑塊(圖2)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)重心的側(cè)向移動(dòng)。

圖2 橫滾質(zhì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Roll centroid adjusting structural plot

橫滾控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。偏心質(zhì)量塊裝于2個(gè)支撐盤(pán)之間的支撐軸上，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)連軸器帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿副帶動(dòng)質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)，從而形成質(zhì)心側(cè)移。

圖3 橫滾調(diào)節(jié)組件示意圖Fig.3 Roll adjusting discreteness plot

半圓形質(zhì)量塊繞支撐軸做360°旋轉(zhuǎn)，對(duì)支撐軸產(chǎn)生的力矩=質(zhì)量×質(zhì)心距離，距離支撐軸越遠(yuǎn)處的質(zhì)量產(chǎn)生的力矩越大，所以要盡可能增加質(zhì)量塊的半徑。質(zhì)量塊的半徑受到螺桿位置的限制，螺桿距離支撐軸中心最近距離為182 mm，為了避免干涉，質(zhì)量塊半徑設(shè)計(jì)為172 mm。預(yù)設(shè)計(jì)質(zhì)量塊厚度為40 mm，則質(zhì)量塊體積為

質(zhì)量塊材料采用普通鋼，密度7.85 g/cm3，則質(zhì)量塊的總質(zhì)量為14.59 kg。質(zhì)量塊的質(zhì)心相對(duì)支撐軸中心位置由下式計(jì)算：

假設(shè)滑翔機(jī)的總質(zhì)量為M，質(zhì)量塊質(zhì)量為m，質(zhì)量塊相對(duì)滑翔機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為γ，穩(wěn)心(浮心與質(zhì)心的高度差)高為H，滑翔機(jī)的橫滾角φ是由質(zhì)心的偏移量與穩(wěn)心高度之比決定的。由圖4可建立質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)與滑翔機(jī)橫滾角之間的關(guān)系：

H表明質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)穩(wěn)心高度產(chǎn)生了影響，使其升高了mR(1－cosγ)/M，重心偏移量y=mRsinγ/M。已知水下滑翔機(jī)質(zhì)量為475 kg，穩(wěn)心高度(重心下移量)為10 mm，則可以計(jì)算：

圖4 橫滾角計(jì)算圖Fig.4 Roll angle computing plot

將式(4)對(duì)γ求導(dǎo)，令其導(dǎo)數(shù)=0，有

可求得，當(dāng)γ=122.9°時(shí)，可以獲得最大的橫滾角φ =42°。

2 俯仰控制

俯仰控制是通過(guò)對(duì)俯仰控制滑塊和壓載艙(調(diào)節(jié)浮力的裝置)的控制實(shí)現(xiàn)的?？刂圃碇饕窃诨柽^(guò)程中根據(jù)滑翔機(jī)的姿態(tài)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)調(diào)節(jié)俯仰控制塊的縱向位置(x坐標(biāo)的位置)來(lái)調(diào)節(jié)滑翔機(jī)質(zhì)心和浮心的相對(duì)位置，從而使滑翔機(jī)獲得所需的滑翔姿態(tài)角。

由于滑翔機(jī)設(shè)計(jì)的潛水深度達(dá)到1 000 m，壓載艙在進(jìn)水和排水時(shí)的環(huán)境壓力變化大到10 MPa左右，所以在此次設(shè)計(jì)中，壓載艙的設(shè)計(jì)主要采用了以下措施：

1)壓載艙段用耐壓殼體，壓載艙總體積(排水/裝水)為80 L，有效凈浮力為±40*9.8 N;

2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓系統(tǒng)，主要包括1個(gè)伺服電機(jī)，1個(gè)油缸(油缸4 000 mL)。

由于俯仰控制塊運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)平衡壓力環(huán)境，運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，其俯仰控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是1個(gè)電機(jī)、質(zhì)量塊和滑軌。主要任務(wù)是配合壓載艙的重心變化，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊前后移動(dòng)，使滑翔機(jī)以預(yù)定的姿態(tài)角航行。為了充分利用滑翔機(jī)體內(nèi)空間，質(zhì)量塊由系統(tǒng)的電池塊充當(dāng)。也就是用電池組的位移來(lái)調(diào)節(jié)滑翔機(jī)質(zhì)心的位置。俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理如圖6所示。

3 滑翔機(jī)總體布局

3.1 總體布局原則

1)浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)的姿態(tài)調(diào)節(jié)是通過(guò)質(zhì)心調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其航向的改變通過(guò)滑翔機(jī)的橫滾累積來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以其布局首先要考慮質(zhì)量布局，要能快速調(diào)整滑翔機(jī)的質(zhì)心位置，滿足滑翔機(jī)動(dòng)力平衡和運(yùn)動(dòng)性能所提出的質(zhì)心位置要求。

2)合理調(diào)整滑翔機(jī)的凈浮力。本次設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)為浮力驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力皆來(lái)源于系統(tǒng)的凈浮力。另外，在滑翔機(jī)浮出水面與外界進(jìn)行通信時(shí)，必須保持一定的平衡姿態(tài)，而且有足夠的正浮力能使滑翔機(jī)的通信設(shè)備以一定的姿態(tài)探出水面。

3)盡量減小內(nèi)部系統(tǒng)和線路的迂回。減少內(nèi)部系統(tǒng)和線路的迂回可以提高可靠性，減少傳動(dòng)的積累誤差，同時(shí)可以減輕質(zhì)量。

4)盡可能滿足各機(jī)組、各裝置的特殊要求。如液壓系統(tǒng)，橫滾傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器組件的安裝。同時(shí)考慮為其他特種水下探測(cè)設(shè)備的安裝預(yù)留足夠的接口和空間。

3.2 總體布局設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)滑翔機(jī)主要部件質(zhì)量計(jì)算，根據(jù)總體布局原則和質(zhì)心控制要求，對(duì)浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)的主要組件進(jìn)行了布局設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖7 滑翔機(jī)的主要組件與總體布局Fig.7 The main discreteness of glider and total layout plot

滑翔機(jī)各主要組件質(zhì)量質(zhì)心位置列于表1。滑翔機(jī)總質(zhì)量475 kg，質(zhì)心坐標(biāo)(1 927.1，0，－10.0);排水體積 0.479 m3，浮心坐標(biāo)(1 927.274，0，0)。根據(jù)目前的滑翔機(jī)總體布局，質(zhì)心的軸向調(diào)節(jié)范圍為：

1)在壓載艙壓載為40 kg時(shí)，x方向的調(diào)節(jié)范圍為±100 mm。

2)在壓載艙壓載為80 kg時(shí)，x方向的調(diào)節(jié)范圍為－130～99 mm。

現(xiàn)來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)方案能否滿足最大穩(wěn)定滑行速度Vmax=3.5 m/s的要求。如前所述，當(dāng)滑行角ε=35.26°［4］時(shí)獲得最大滑行速度，根據(jù)文獻(xiàn)［4］有：

利用相關(guān)軟件可以算出，當(dāng)α≈4°時(shí)，滑翔機(jī)升力系數(shù)CL≈0.011。因此所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)的升力可以滿足最大穩(wěn)定滑行速度Vmax=3.5 m/s的要求。

當(dāng) α=4°時(shí)，俯仰力矩系數(shù) my(α=4°)= －0.002 6，滑翔機(jī)的力矩為

這個(gè)力矩通過(guò)移動(dòng)滑動(dòng)塊改變質(zhì)心位置來(lái)平衡，需要的質(zhì)心軸向移動(dòng)距離為

由前可知，所設(shè)計(jì)的方案，質(zhì)心可調(diào)節(jié)范圍為100 mm，因此可以滿足滑翔機(jī)以最大穩(wěn)定滑行速度滑行時(shí)的力矩平衡的要求。

?

當(dāng)α=4°時(shí)，阻力系數(shù)Cx=0.006 7?；铏C(jī)產(chǎn)生的阻力可根據(jù)下式［4］計(jì)算：

滑翔機(jī)以最大滑行速度滑行時(shí)的凈浮力產(chǎn)生的主動(dòng)力為

可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)方案，可以實(shí)現(xiàn)最大穩(wěn)定滑行速度Vmax=3.5 m/s的指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了浮力驅(qū)動(dòng)式水下滑翔機(jī)總體設(shè)計(jì)要求和原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)外形設(shè)計(jì)完成滑翔機(jī)提出了利用質(zhì)心調(diào)節(jié)法的姿態(tài)控制方案，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的主要功能組件——橫滾控制組件和俯仰控制組件，并進(jìn)行了總體布局設(shè)計(jì)。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)的總體衡重參數(shù)和流體動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，初步驗(yàn)證了總體設(shè)計(jì)方案的可行性，可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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Research on buoyancy driven underwater glider attitude adjusting machine

WU Ming，SUN Shan-chun
(The 710 Research Institute of CSIC，Yichang 443003，China)

Buoyancy driven underwater glider has important application prospects in ocean exploitation and national defense．The article introduces mechanism of buoyancy driven underwater glider，according to one glider，specifically design the discreteness of roll and pitching to achieve attitude control，and put the structure position of the glider．Ultimately，computes the weight and hydrokinetic parameters of the glider，preliminary verify feasibility of total design scheme，is meet design requirement on most of design target．

buoyancy driven;glider;structural design;structural layout

TH134

B

1672－7649(2012)05－0058－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.013

2011－08－26;

2011－09－19

鄔明(1985－)，男，工程師，主要從事水下滑翔機(jī)外形設(shè)計(jì)及流體力學(xué)研究。