水下滑翔機浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)布局研究

余忠晶，章 杰

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

隨著海洋開發(fā)熱潮的興起，水下無人潛器越來越受到世界各國的關(guān)注，作為水下無人潛器之一的水下滑翔機，以其低阻力、低噪聲、遠航程、低功耗、長航期、高隱蔽性等特點脫穎而出，并在海洋科學(xué)調(diào)查、海洋環(huán)境要素探測、信息收集等方面發(fā)揮了舉足輕重的作用。下面列舉了國外研究機構(gòu)研究的幾種典型的水下滑翔機。其中最具代表性的是以下3種滑翔機，美國韋伯研究公司研制的Slocum glider 包括Slocum Electric glider 和Slocum Thermal glider，外形采用的長橢圓形。Slocum Electric glider 長1.5 m，質(zhì)量為52 kg，皮囊容量為520 mL，最大水平速度為0.4 m/s。Slocum Thermal glider 長為1.5 m，質(zhì)量為52 kg，皮囊容量為410 mL，最大水平速度為0.27 m/s;斯克里普斯海洋研究所研制的Spray glider外形采用的是類長圓柱形，長為2 m，質(zhì)量為51 kg，皮囊容積為900 mL，最大水平速度為0.45 m/s;華盛頓大學(xué)研制的Seaglider 外形采用的是滿足Granville 曲線的紡錘型，長為1.8 m，質(zhì)量為52 kg，皮囊容積為840 mL，最大水平速度為0.45 m/s。以上滑翔機的浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)都在艉部或者艏部，這些成功的設(shè)計方案為進一步研究提供了參考。

本文在分析和總結(jié)典型的浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)對滑翔機的影響的基礎(chǔ)上，提出了一種新的布局方式，并對其進行了詳細地研究分析。

1 運動機理

水下滑翔機運動原理是利用內(nèi)部的浮力調(diào)節(jié)以及質(zhì)浮心距的改變，導(dǎo)致水下滑翔機姿態(tài)傾角產(chǎn)生變化(Pitch、Roll、Yaw)，在上升或下沉運動時使安裝在殼體兩側(cè)的滑翔翼產(chǎn)生升力，使之產(chǎn)生鋸齒形滑翔運動軌跡［1-5］，如圖1 所示。水下滑翔機之所以能夠長時間自主工作，是因為AUG在滑翔時僅在上升下沉轉(zhuǎn)換或改變姿態(tài)才需要浮力調(diào)節(jié)或質(zhì)心調(diào)節(jié)工作，消耗能源相對較少;同時航行中僅需要浮力的輕微改變，以及利用滑翔翼將垂直運動變成水平運動，這樣就以非常低的電能消耗推動自身前進，實現(xiàn)超長航程和續(xù)航力［6-10］。資料顯示，2009年美國Slocum Glider 從美國新澤西航行到西班牙，橫跨大西洋，歷時7 個月，航程7 279 km，如圖2 所示。

圖1 鋸齒形軌跡示意圖

圖2 滑翔機軌跡示意圖

2 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)布局分析

假設(shè)水下滑翔機內(nèi)部油箱距頭部距離d1，油囊距頭部距離d2，調(diào)平衡后質(zhì)心和浮心距頭部距離分別為d3=d4，打油或回油后質(zhì)心和浮心距頭部的距離分別為d'3、d'4，排水量為M'。初始狀態(tài)下，滑翔機重G，排水量M = G，油的密度為ρ油，水的密度為ρ水，滑翔機打油或回油的質(zhì)量為m。

圖3 滑翔機示意圖

假設(shè)不考慮打油的質(zhì)量m，滑翔機質(zhì)量為G-m，質(zhì)心位置距離頭部的距離為x，得

由以上各式得:

在打油過程中，要使質(zhì)浮心矩不發(fā)生變化，即d'3= d'4，推導(dǎo)得

根據(jù)上式可知，在理論浮心位置兩側(cè)，總存在一個油箱和油囊的平衡位置，將油從內(nèi)部調(diào)節(jié)到外部或從外部調(diào)節(jié)到內(nèi)部不會引起系統(tǒng)質(zhì)、浮心較大變化，而將浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)放置在滑翔機的艏部或者艉部，就會引起質(zhì)、浮心發(fā)生變化，如圖4 所示。

圖4 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝位置與質(zhì)浮心距變化關(guān)系

從圖4 可以看出，在打油量一定的情況下，質(zhì)心的變化量是保持不變的，浮心變化量是先變小后變大，在相交的B點處，質(zhì)浮心變化量相等，總體的質(zhì)浮心距保持不變，即浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在滑翔機B 點處，打油或回油不影響滑翔機的滑翔姿態(tài)。將浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在滑翔機艏部，滑翔機的質(zhì)浮心距的變化方向相反，相比而言調(diào)整水下滑翔機達到同樣姿態(tài)，質(zhì)心調(diào)節(jié)移動距離較短，節(jié)約了電池的耗能，適合比較頻繁的上升和下潛姿態(tài)的更替，缺點是單位移動距離對應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整角度大，不容易獲得良好的姿態(tài)控制精度，姿態(tài)穩(wěn)定性不好;將浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在滑翔機艉部，滑翔機的質(zhì)浮心距的變化方向相同，與浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在艏部相比，質(zhì)心調(diào)節(jié)移動距離較長，單位移動距離對應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整角度小，容易獲得良好的姿態(tài)控制精度，缺點是質(zhì)心調(diào)節(jié)機構(gòu)耗能，占用更大的空間，不適合在水深較淺的地方頻繁地更換姿態(tài)滑翔;將浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在B 點處，打油或回油不影響質(zhì)浮心距，質(zhì)心調(diào)節(jié)移動距離適中，有較好的姿態(tài)控制精度，占用的空間和能耗都適中，可以較好的兼顧上述2 種方式的優(yōu)點。

3 結(jié)論

本文對水下滑翔機進行了力學(xué)分析，分析了將浮力調(diào)節(jié)裝置布置在艏部和艉部的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上，提出了將浮力調(diào)節(jié)裝置布置在中段某處，使油囊和油箱距質(zhì)心的距離的比值為，定量打油或回油時，質(zhì)浮心距不發(fā)生變化。

浮力調(diào)節(jié)裝置在艙體內(nèi)的位置對俯仰姿態(tài)控制以及對總體質(zhì)、浮心移動有重要影響。常規(guī)布置方案是將浮力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計在水下滑翔機的艉部，這種布局可以獲得較好的姿態(tài)控制和姿態(tài)保持能力，缺點是浮力調(diào)節(jié)會使質(zhì)、浮心產(chǎn)生位移，當(dāng)液壓泵將油箱液體壓入油囊時，由于油囊位于水下滑翔機后端，必然導(dǎo)致水下滑翔機的質(zhì)、浮心向后移動，其中浮心的位移變化更大，這就需要質(zhì)心調(diào)節(jié)機構(gòu)的移動距離更大，才能抵消上述影響。同理如果將浮力調(diào)節(jié)裝置布置在水下滑翔機的艏部，當(dāng)液壓泵將油箱液體壓入油囊時，由于油囊位于滑翔器前端，必然導(dǎo)致滑翔器的質(zhì)、浮心向前移動，相比而言調(diào)整水下滑翔機達到同樣姿態(tài)，質(zhì)心調(diào)節(jié)移動距離較短。如果油囊體積較小，質(zhì)浮心的位置變化量可以忽略不計，但我國大部分海域受到黑潮的影響，平均海流速度大，一些區(qū)域海流達2 kn。普通水下滑翔機浮力調(diào)節(jié)能力有限，而水下滑翔機的水平速度主要與浮力調(diào)節(jié)能力有關(guān)，因此為了抗高流速，有必要采用高浮力調(diào)節(jié)方案，位置變化不可忽略，將浮力調(diào)節(jié)裝置放置在某處，將油從內(nèi)部調(diào)節(jié)到外部或從外部調(diào)節(jié)到內(nèi)部不會引起系統(tǒng)質(zhì)、浮心較大變化，這就為采用大浮力方案提供了依據(jù)。

［1］倪園芳，馬捷，王俊雄.水下滑翔機浮力系統(tǒng)的機理和調(diào)節(jié)性能［J］.船海工程，2008，37(2):95-99.

［2］曾學(xué)禮，張宇文，趙加鵬.水下滑翔機總體設(shè)計與運動分析［J］.計算機仿真，2010(1):1-5.

［3］武建國. 混合驅(qū)動水下滑翔器系統(tǒng)設(shè)計與性能分析［D］.天津:天津大學(xué)，2010.

［4］程雪梅.水下滑翔機研究進展與關(guān)鍵技術(shù)［D］.太原:西北工業(yè)大學(xué)，2009.

［5］趙進平.發(fā)展海洋檢測技術(shù)的思考與實踐［M］.北京:海洋出版社.

［6］杜加友.水下滑翔機本體及調(diào)節(jié)機構(gòu)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［7］Alvarez A，Caffaz A，Caiti A，et al.Folaga:a low -cost autonomous underwater vehicle combining glider and AUV capabilities［J］.Ocean Engineering，2009，36:24-38.

［8］Scott A J，Douglas E H.Underwater Glider System Study.Scripps Institution of Oceanography Technical Report［Z］.2003.

［9］Joshua Grady Graver. Underwater Gliders:Dynamics，Control and Design［D］.Princeton University，2005.

［10］Jenkins S A，Humphreys D E，Sherman J，et al.Underwater glider system study，Technical Report，Office of Naval Research［Z］.2003.