一種波浪滑翔器水下舵機設計

木建一 劉銀泉 李培正 朱 坤 王煒皋

（中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

波浪滑翔器是一種新型海上無人移動平臺，它以波浪能作為動力來源、以太陽能作為電力來源，具有航行時間長、航行距離遠、維護費用低、適合高海況、布放回收簡單、不依賴化學燃料以及雷達反射面積小等優點。它最初由美國Liquid Robtic公司研制，后被波音公司收購。波浪滑翔器搭載不同的載荷可以執行不同的任務，例如在民用方面，它可以用于對海洋氣象、海洋環境以及海洋生物的研究；在軍事國防領域，它可以用于通信中繼、目標偵察等[1]。波浪滑翔器作為一種新型波浪能推進海洋無人航行器，它具有超長航時、自主、零排放以及經濟性等突出優點[2]。波浪滑翔器在軍事和民用方面都有非常重要的研究和使用價值[3]。

由于波浪滑翔器需要長時間在海上工作，最長工作時間可達1 a，航行距離達到幾千公里，期間可能經歷臺風等極端海況，波浪滑翔器任何一個關鍵部件的損壞都有可能導致整個設備丟失。因此，對波浪滑翔器上各個模塊單元的穩定性和可靠性有極高的要求。

1 波浪滑翔器組成及工作原理

如圖1所示，波浪滑翔器分為水面艇和水下波浪能推進器2個部分，中間靠臍帶纜連接。當波浪起伏時，水面艇牽引水下波浪能推進器下上運動，水下波浪能推進器在上下運動時產生水平方向的動能，可以拖動水面艇在水平方向上運動。為了最大限度地獲取波浪能，波浪滑翔器的尺寸不能太大，水面艇的尺寸（長度）一般為2 m～3 m，水下波浪能推進器的尺寸（長度）一般為1.5 m～2 m，總質量在100 kg～200 kg，臍帶纜長度為4 m～8 m。波浪滑翔器的于速度完全依賴海洋環境[4]，一般情況下海況高，前進速度就快，三級海況大約可以達到1 kn的速度。

圖1 波浪滑翔器組成示意圖

水面艇主要由艇體、航行控制單元、通信導航單元以及太陽能發電板組成；水下波浪能推進器主要由框架、水動力翼片、水下舵機以及電子羅盤組成。其中，太陽能發電板發出的電能儲存在可充電電池中，可以供航行控制單元、通信導航單元以及水下舵機等使用。臍帶纜不但可以提供結構上的連接，而且還可以提供電源和通信控制的連接。

執行任務時，地面控制站通過衛星通信鏈路將目標點發送給波浪滑翔器；波浪滑翔器通信導航單元接收到目標點后，將其發送給航行控制單元；航行控制單元收到目標點后，從通信導航單元獲取自身的實時位置信息，從電子羅盤獲取水下波浪能推進器的艏向信息進行綜合判斷，隨后生成舵令并經過臍帶纜下發給水下舵機。判斷過程如下：當目標點在艏向左側時，發送左舵舵令給水下舵機；當目標點在艏向右側時，發送右舵舵令給水下舵機；當目標點在艏向正前方時，發送中舵舵令給水下舵機，實際算法中需要留有一定余量。水下舵機接收到舵令后開始執行舵令，當執行左舵舵令時，水下波浪能推進器的艏向將往左調整；當執行右舵舵令時，水下波浪能推進器的艏向將往右調整；因此最終結果是使水下波浪能推進器的艏向始終朝向目標點。

2 波浪滑翔器水下舵機的設計

由以上描述可知，波浪滑翔器的水下舵機起到控制水下波浪能推進器艏向的作用，通過改變水下波浪能推進器的艏向最終控制波浪滑翔器的航行方向。當水下舵機失效時，波浪滑翔器將失去控制。波浪滑翔器一般在深遠海執行任務，一旦失去控制，回收成本極高。波浪滑翔器的水下舵機長時間浸沒在海水中，平均幾秒就要執行一次舵令，1 a需要執行50萬次以上舵令。目前國內的無刷舵機基本可以滿足對執行舵令次數的要求，波浪滑翔器水下舵機的性能主要取決于水密性能，海浪沖擊、海水腐蝕以及海生物附著等因素都有可能引起密封失效，從而造成舵機進水。因此水下舵機的可靠性和壽命直接決定了波浪滑翔器整機的可靠性和壽命。

多位研究人員曾在文獻中表示水下動密封設計是水下設備研制的重點難點所在，例如水下機器人研制的關鍵問題之一是軸的動密封，即軸伸出殼體處的密封。水下機器人因密封問題而引發故障的概率比因電子器件等問題而引發故障的概率高[5]。水下機器人的密封分為靜密封和動密封， 靜密封相對來說容易解決， 動密封的問題比較難解決， 軸在旋轉時， 由于軸與機殼間存在間隙， 因此，就會產生泄漏， 而且介質壓力越高、軸的轉速越高， 就越容易產生泄漏[6]。凝汽器清洗機器人機械臂的密封分靜密封和動密封，靜密封相對容易解決，旋轉關節的動密封是設備研制的難點。關節旋轉時，軸孔間存在配合間隙，因此會產生泄漏，且水室中的循環水多取自江河水（部分為海水），水介質中的氯離子、微生物等產生的腐蝕作用以及硬質雜質（例如泥沙等）產生的磨損都會影響機械臂旋轉關節的密封效果[7]。

磁性聯軸器主要應用于各類機械運輸設備之上，可以對2個軸進行有效連接，將2個軸處于同一旋轉狀態，以此傳遞扭矩和運動。同時，磁性聯軸器的結構較為簡單，并且超載時不易損壞其他部件。另外，磁性聯軸器的使用性能較好，與傳統聯軸器相比，它有非常明顯的突破，可以在主動軸和從動軸之間沒有直接接觸的情況下傳遞力和力矩，從而降低運行機械設備出現故障的概率[8]。由上述文獻可知，在一些驅動和輸出之間不能直接接觸或需要緩沖的地方已經開始使用磁耦合的方式傳遞力矩，但是針對采用磁耦合的方式驅動舵軸的設計并不多見。該文通過磁耦合裝置將電機的旋轉輸出傳送至舵軸。采用磁力傳輸扭矩的方式可以將動密封轉換為靜密封，如圖2所示，磁耦合裝置主要由磁性外轉子、隔離套以及磁性內轉子組成。電機的輸出軸連接在外轉子上，當外轉子轉動時，內轉子在磁力作用下跟隨轉動，隔離套起到隔離密封內、外轉子的作用。由于隔離套的存在，所有密封為靜密封，沒有相對運動和摩擦，因此它可以在對可靠性、耐腐蝕性要求較高的場合中應用。另外由于內外轉子采用非剛性傳動，因此當舵軸有徑向、軸向偏移時也不會影響密封效果。

圖2 磁耦合裝置示意圖

圖3為項目團隊設計的波浪滑翔器磁耦合水下舵機的實物圖，水下舵機由艙體、水密接插件、減速電機、軸承、軸承座、磁耦合裝置以及控制電路板等組成。水密接插件和臍帶纜連接，航控單元的舵令通過臍帶纜發送給控制電路板，控制電路板驅動減速電機轉動。減速電機的輸出通過傳動軸與磁耦合裝置的外轉子進行連接，傳動軸上安裝了軸承，軸承通過軸承座固定在艙體上。內轉子上裝有舵軸，舵軸上裝有舵片，外轉子在減速電機帶動下轉動時內轉子也跟隨轉動，從而帶動舵片轉動。內轉子和外轉子通過隔離套隔離，隔離套安裝在艙體上并通過“O”形圈進行密封。

圖3 磁耦合水下舵機實物圖

3 波浪滑翔器水下舵機試驗

波浪滑翔器水下舵機試驗分為環境試驗、疲勞試驗和實際海試。波浪滑翔器的布放和回收需要租用母船，在海試過程中有可能出現損壞、丟失的情況，且其體積較小還有可能出現被人為打撈的情況。這些因素都提高了波浪滑翔器實際海試的難度，也增加了實際海試的成本。為了盡可能提高海試的成功率、降低海試的成本，波浪滑翔器的各個模塊必須在實驗室經過摸底試驗及環境試驗。

3.1 環境試驗及疲勞試驗

波浪滑翔器水下舵機的環境試驗主要包括高低溫試驗及振動試驗。雖然水下舵機在水下工作，溫差變化不大，但是在布放、回收過程中仍然有可能暴露在母船甲板上，承受極端溫度。如圖4所示，圖中為波浪滑翔器磁耦合水下舵機在高低溫箱中進行高低溫環境試驗的場景。根據IEC（國際電工協會）相關海洋電子設備方面的標準，經過干熱儲存試驗（將被測設備放置在具有正常室溫和標準相對濕度的試驗箱中，然后將溫度提高并維持在（+70 ±3 ）℃，保持10 h，恢復到正常的環境條件并對設備進行性能檢查）、干熱功能試驗（將被測設備放置在具有正常室溫和標準相對濕度的試驗箱中，然后將溫度提高到（+55±3 ）℃，保持10 h，結束時對設備進行性能檢查）、濕熱試驗（將被測設備放置在具有正常室溫和標準相對濕度的試驗箱中，在（3 ±0.5 ）h內將溫度升高到（+40 ±2 ）℃、濕度增加到（93±3）%，保持10 h，設備至少工作2 h，在該過程中保持溫濕度不變對設備進行性能檢查）、低溫試驗（將被測設備放置在一個正常室溫和相對濕度的試驗箱中，在1個10 h～16 h的周期內溫度降低到并維持在（-20 ±3 ）℃，在這個周期或者30 min后，打開被測設備并保持運作2 h，在該過程中對設備進行一次性能檢查）以及振動試驗后都能正常工作。

除了對波浪滑翔器水下舵機進行環境試驗以外，還在實驗室對其進行疲勞試驗和耐壓試驗。疲勞試驗中，水下舵機在水中累計執行舵令60余萬次，試驗完成后舵機沒有損壞仍能正常工作。在耐壓試驗中，水下舵機打壓到30 m水深并保持24 h，對應正常7 m工作水深留有3倍以上余量，試驗完成未發現進水。

3.2 實際海試

2015—2020年期間，波浪滑翔器在寧波象山、海南陵水和三亞等海域共進行了30多次海試。總試驗里程超過6 000 km，總海試時間超過6 000 h，采用磁耦合的水下舵機在海試過程中沒有出現損壞的情況。如圖5所示，在2020年6—7月的海試中，波浪滑翔器總共歷時52 d，期間經歷鸚鵡號臺風的影響。海試完成后的水下舵機除表面有海生物附著外，舵機性能未受影響，艙體內部未進水，仍可正常使用。

圖5 磁耦合水下舵機實際海試情況

4 結論

該文提出的一種波浪滑翔器水下舵機設計利用磁耦合裝置將傳統的水下動密封轉換成靜密封，由于采用磁力進行扭矩傳輸，減速電機驅動和舵軸之間可以實現完全意義上的隔離，做到了零泄漏。采用磁耦合的方式還降低了傳統動密封件的加工和安裝精度，降低了密封難度，提高了水下舵機在惡劣環境下的壽命和性能。磁耦合帶來的額外好處是在減速電機驅動和舵軸之間起到了緩沖作用，海水的瞬時沖擊被磁力矩吸收，減少了減速電機的磨損。該文對樣品進行了環境試驗、疲勞試驗和真實海洋環境試驗，試驗結果表明，采用磁耦合裝置的水下舵機可以長時間在波浪滑翔器上使用。