波浪能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

常宗瑜，戴 源，常東輝，鄭中強(qiáng)

（1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島266100；2.山東煙臺(tái)利達(dá)木工機(jī)械有限公司，山東 煙臺(tái)264100）

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》指出的海洋研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先主題，浮標(biāo)、潛標(biāo)及水下移動(dòng)平臺(tái)、水面調(diào)查船、海底觀測(cè)站以及衛(wèi)星和航空遙感組成了立體海洋觀測(cè)系統(tǒng)，可以獲取的大范圍、全天候、連續(xù)和長時(shí)間的序列的海洋觀測(cè)資料。

在各類立體海洋觀測(cè)系統(tǒng)中，浮標(biāo)系統(tǒng)是重要的海洋環(huán)境觀測(cè)裝備，具有在惡劣的海洋環(huán)境下，長時(shí)間全天候、連續(xù)、自動(dòng)地對(duì)海洋氣象、水文環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是海洋觀測(cè)岸基站、調(diào)查船和調(diào)查飛機(jī)在空間和時(shí)間上的拓展，具有其他調(diào)查方法無法替代的優(yōu)點(diǎn)，在海洋觀測(cè)中發(fā)揮著巨大的作用。但是浮標(biāo)布放之后只能在固定站位開展觀測(cè)，得到站位附近的海洋觀測(cè)要素，重新定位布放需要船只、人員大量消耗。建立自主控制的移動(dòng)海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)是海洋學(xué)家深入研究海洋環(huán)境的迫切需求，最近國外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者提出了機(jī)動(dòng)海洋浮標(biāo)的概念。文獻(xiàn)［1］開發(fā)了一種用于河流和淺海的機(jī)動(dòng)浮標(biāo) Autonomous Surface Mobile Vehicle（ASMV），它可以監(jiān)測(cè)給定的位置和路徑的海洋環(huán)境，并可以根據(jù)指令自主解錨和錨定，如圖1（a）所示；文獻(xiàn)［2］開發(fā)了一種海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo) OASIS（Ocean Atmosphere Sensor Integration System），具有監(jiān)測(cè)海－氣界面通量、赤藻發(fā)生及其他氣象和水文資料的功能，如圖1（b）所示；文獻(xiàn)［3］開發(fā)的Scout浮標(biāo)可以通過螺旋槳和導(dǎo)航控制實(shí)現(xiàn)給定站點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)，如圖1（c）所示；文獻(xiàn)［4］提出了一種可以追蹤溢油的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)（Spilled Oil Tracking Autonomous Buoy），如圖1（d）。此外還有已廣泛應(yīng)用的ROV和AUV等。這些非漂浮的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)都需要自帶能源供應(yīng)，能量供給的限制大大阻礙了移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)在長時(shí)間大范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)。

圖1 典型機(jī)動(dòng)浮標(biāo)Fig.1 The typical mobile buoy

本文提出了一種能夠利用波浪能驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，它可以利用波浪的升沉振蕩轉(zhuǎn)化為向前運(yùn)動(dòng)。文中介紹了該浮標(biāo)的工作原理，給出了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和樣機(jī)，并對(duì)該浮標(biāo)進(jìn)行了海上試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該機(jī)構(gòu)可以順利在波浪作用下前進(jìn)。

1 基本原理

海洋中的波浪經(jīng)久不息地做著起伏運(yùn)動(dòng)，海水中的每個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)主要以垂蕩運(yùn)動(dòng)為主，輔以小幅度的水平運(yùn)動(dòng)，而且隨著深度的增加波浪的振動(dòng)情況會(huì)大大減少，波浪水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以及與水深的關(guān)系如圖2所示。

圖2 波浪質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)Fig.2 The motion of the wave particle

本文敘述的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)就是利用了海洋表面的波浪垂蕩運(yùn)動(dòng)來作為推動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的動(dòng)力，其工作機(jī)理如圖3所示。從圖上可以看到，當(dāng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)處于靜水中時(shí)，水下推進(jìn)裝置處于水平狀態(tài)，圖3（a）所示，當(dāng)水面浮體在波浪的作用下向上移動(dòng)的時(shí)候，葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相對(duì)水流垂直向下作用在葉片上，分解為垂直于葉片的法向力和沿著葉片的切向力，其中法向力就會(huì)產(chǎn)生推動(dòng)葉片向前移動(dòng)的一個(gè)推力，如圖3（b）所示。

同樣道理，當(dāng)水面浮體在波浪作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，水流作用下垂直向上作用在葉片上，分解為向上的法向力和沿著葉片的切向力，同樣法向力也會(huì)產(chǎn)生推動(dòng)葉片向前移動(dòng)的推力，如圖3（c）所示。

這種情況類似于在飛行過程機(jī)翼所產(chǎn)生的升力，只不過機(jī)動(dòng)浮標(biāo)中速度方向?yàn)榇怪狈较颍a(chǎn)生的升力是水平向上。

由此，通過機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無論在波浪推動(dòng)浮標(biāo)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)都能產(chǎn)生向前的推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)載體的無動(dòng)力、全靜音驅(qū)動(dòng)。而且從波浪驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的原理可以看出，隨著波浪振蕩幅值的增加，水上浮體拉動(dòng)水下推進(jìn)裝置的幅度增加，推進(jìn)的速度進(jìn)一步加快，因此在高海況條件下，不僅不會(huì)影響機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的使用，而且會(huì)令機(jī)動(dòng)浮標(biāo)有更快的速度。

2 波浪驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述波浪驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，對(duì)波浪驅(qū)動(dòng)浮標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，浮標(biāo)的示意圖如圖4所示。其中1為水面浮體，2為水下推進(jìn)裝置，二者之間為連接的纜索3，其中水面浮體上主要構(gòu)件為浮體和舵板4。

圖3 仿生機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的工作原理Fig.3 The principle of bionic mobile buoy

圖4 機(jī)動(dòng)浮標(biāo)總體示意圖Fig.4 The sketch map of mobile buoy

水面浮體的尺寸為900mm×600mm×70mm，采用薄鋼板包絡(luò)的泡沫浮體材料。連接上浮體與水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)的繩索長度為4m，水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)總長度大約為800mm。水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置的動(dòng)力源和核心機(jī)構(gòu)。如圖5所示，整個(gè)水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)由推進(jìn)機(jī)構(gòu)基體、擺桿、連桿和翼片組成，10片翼片連接在10個(gè)擺桿的連接體處，對(duì)稱分布在基體的兩端，擺桿和連桿組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，保證五組翼板同步。翼片尺寸為400 mm×100mm×3mm。除去翼片采用有機(jī)玻璃板、浮體外，其他構(gòu)件均為316不銹鋼。葉片組數(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度加以增減。

圖5 水下推進(jìn)裝置示意圖Fig.5 The sketch map of underwater propulsion device

3 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述原理和設(shè)計(jì)圖紙，制作了機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。波浪作用在水面浮體上，通過纜索帶動(dòng)水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)葉片的擺動(dòng)，使整個(gè)裝置向前緩慢移動(dòng)，水面浮體的方向舵用于控制機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的行進(jìn)方向，由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。水面浮體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和方向舵的轉(zhuǎn)角通過傳感器檢測(cè)通過無線傳輸給計(jì)算機(jī)。此外有水下攝像機(jī)對(duì)水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)葉片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。

圖6 波浪能驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)Fig.6 The system of mobile buoy directly driven by wave

根據(jù)上述原理和設(shè)計(jì)圖紙，制作一個(gè)小型機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的樣機(jī)，其各個(gè)主要尺寸和材料見表1。

表1 小型機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的樣機(jī)參數(shù)Table 1 The parameter of physical prototype of mobile buoy

制作的水下推進(jìn)裝置實(shí)驗(yàn)樣機(jī)見圖7。

圖7 水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)Fig.7 The divce of underwater propulsor

利用該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了海試。為監(jiān)測(cè)水下推進(jìn)裝置的翼片運(yùn)動(dòng)情況，在纜索下端安裝水下攝像機(jī)。在煙臺(tái)養(yǎng)馬島水域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著波浪的起伏，機(jī)動(dòng)浮標(biāo)緩慢向前移動(dòng)（見圖8），通過水下攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)翼片隨著波浪做顯著擺動(dòng)。實(shí)驗(yàn)初步證明本設(shè)計(jì)原理和樣機(jī)是有效的。

圖8 仿生推進(jìn)裝置海試圖（截圖自錄像資料）Fig.8 The experiment of underwater propulsion device in sea

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型波浪能驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，該浮標(biāo)由水面浮體和水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)可以將波浪垂蕩振動(dòng)轉(zhuǎn)化為前進(jìn)的動(dòng)力，本文介紹了該浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了海試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)可以在波浪的作用下實(shí)現(xiàn)有效的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，輔以遠(yuǎn)程控制舵板等機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)有控制的巡航。本文提出的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)方案為了開展物理海洋環(huán)境、海洋生態(tài)、海洋污染的提供一種有效儀器搭載工具。

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