鄔 明，孫善春

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

浮力驅(qū)動式水下滑翔機姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)研究

鄔 明，孫善春

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

浮力驅(qū)動式水下滑翔機對我國海洋勘探和國防建設(shè)有著重要的應(yīng)用前景。本文介紹了水下滑翔機的工作機理，對某一滑翔機，重點設(shè)計了實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的橫滾控制組件和俯仰控制組件，同時提出總體布局的原則，并給出了滑翔機總體結(jié)構(gòu)布局方案。對所設(shè)計的滑翔機的總體衡重參數(shù)和流體動力參數(shù)進行了計算，初步驗證了總體設(shè)計方案的可行性，可以滿足設(shè)計指標要求。

浮力驅(qū)動;滑翔機;機構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)布局

0 引言

浮力驅(qū)動式水下滑翔機就是通過浮力驅(qū)動、翼型固定的自主水下裝置。水下滑翔機最顯著的特點是航行時不需要主動推進力，它在水下環(huán)境中作縱向運動的動力來自垂直運動的能量轉(zhuǎn)換，而垂直運動的動力則來源于自身浮力的改變。它具有超常的續(xù)航能力，其續(xù)航時間以月記，且造價相對同等續(xù)航能力的艦船更為低廉。

根據(jù)相關(guān)報道，美軍已研制了一種“水下無人滑行艇”原理樣機［1］，滑行速度可達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。遠航程、低功耗、長航程將是未來水中兵器的重要發(fā)展方向之一，也是我國海軍急需的一種武器裝備［2］。

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

1 橫滾控制

當水下滑翔機在縱平面作上浮、下潛前進運動時，需要利用橫滾控制來抑制擾動產(chǎn)生的橫滾，保持滑翔機在縱平面內(nèi)運動。當滑翔機需要轉(zhuǎn)向或作回旋運動時，則需要通過橫滾控制來發(fā)動。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(機體坐標系坐標原點在彈體的浮心，x軸與彈軸重合指向機頭，y軸為橫軸，與水平翼在同一個平面垂直x軸，z軸垂直與xy平面)［3］，使滑翔機機首朝下尾朝上(或反之)，進行下潛運動;然后使橫滾控制質(zhì)量塊移動，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。此水動力作用在載體水平翼上的升力，產(chǎn)生1個xz平面的俯仰力分力和1個+y方向的回轉(zhuǎn)力分力;水動力作用在尾翼上的升力產(chǎn)生1個xz平面的俯仰分力和－y方向的回轉(zhuǎn)力分力，產(chǎn)生側(cè)向運動，實現(xiàn)滑翔機的轉(zhuǎn)向。如果保持滑翔機的側(cè)向運動，則滑翔機做空間定常回轉(zhuǎn)運動(等角速度繞Z軸旋轉(zhuǎn)，同時以等俯仰角下潛，)運動軌跡成螺旋線。通過控制橫滾角的大小，可以控制滑翔機的回旋半徑和下潛速度。

圖1 載體下潛螺旋運動受力圖Fig.1 Carrier submerge circle motion and force plot

考慮到本設(shè)計中滑翔機的機身為回轉(zhuǎn)體的特點，這里的橫滾控制采用旋轉(zhuǎn)方式，利用偏心滑塊(圖2)，通過旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)滑翔機重心的側(cè)向移動。

圖2 橫滾質(zhì)心調(diào)節(jié)機構(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)計如圖3所示。偏心質(zhì)量塊裝于2個支撐盤之間的支撐軸上，步進電機通過連軸器帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿副帶動質(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)，對支撐軸產(chǎn)生的力矩=質(zhì)量×質(zhì)心距離，距離支撐軸越遠處的質(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)計為172 mm。預(yù)設(shè)計質(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)心相對支撐軸中心位置由下式計算：

假設(shè)滑翔機的總質(zhì)量為M，質(zhì)量塊質(zhì)量為m，質(zhì)量塊相對滑翔機轉(zhuǎn)過的角度為γ，穩(wěn)心(浮心與質(zhì)心的高度差)高為H，滑翔機的橫滾角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)與滑翔機橫滾角之間的關(guān)系：

H表明質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動對穩(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。已知水下滑翔機質(zhì)量為475 kg，穩(wěn)心高度(重心下移量)為10 mm，則可以計算：

圖4 橫滾角計算圖Fig.4 Roll angle computing plot

將式(4)對γ求導，令其導數(shù)=0，有

可求得，當γ=122.9°時，可以獲得最大的橫滾角φ =42°。

2 俯仰控制

俯仰控制是通過對俯仰控制滑塊和壓載艙(調(diào)節(jié)浮力的裝置)的控制實現(xiàn)的?？刂圃碇饕窃诨柽^程中根據(jù)滑翔機的姿態(tài)設(shè)計要求，通過調(diào)節(jié)俯仰控制塊的縱向位置(x坐標的位置)來調(diào)節(jié)滑翔機質(zhì)心和浮心的相對位置，從而使滑翔機獲得所需的滑翔姿態(tài)角。

由于滑翔機設(shè)計的潛水深度達到1 000 m，壓載艙在進水和排水時的環(huán)境壓力變化大到10 MPa左右，所以在此次設(shè)計中，壓載艙的設(shè)計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)行機構(gòu)采用液壓系統(tǒng)，主要包括1個伺服電機，1個油缸(油缸4 000 mL)。

由于俯仰控制塊運行環(huán)境是一個平衡壓力環(huán)境，運動相對簡單，其俯仰控制執(zhí)行機構(gòu)主要是1個電機、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，使滑翔機以預(yù)定的姿態(tài)角航行。為了充分利用滑翔機體內(nèi)空間，質(zhì)量塊由系統(tǒng)的電池塊充當。也就是用電池組的位移來調(diào)節(jié)滑翔機質(zhì)心的位置。俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)的原理如圖6所示。

3 滑翔機總體布局

3.1 總體布局原則

1)浮力驅(qū)動式水下滑翔機的姿態(tài)調(diào)節(jié)是通過質(zhì)心調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，其航向的改變通過滑翔機的橫滾累積來實現(xiàn)。所以其布局首先要考慮質(zhì)量布局，要能快速調(diào)整滑翔機的質(zhì)心位置，滿足滑翔機動力平衡和運動性能所提出的質(zhì)心位置要求。

2)合理調(diào)整滑翔機的凈浮力。本次設(shè)計的滑翔機為浮力驅(qū)動，其運動的動力皆來源于系統(tǒng)的凈浮力。另外，在滑翔機浮出水面與外界進行通信時，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，減少傳動的積累誤差，同時可以減輕質(zhì)量。

4)盡可能滿足各機組、各裝置的特殊要求。如液壓系統(tǒng)，橫滾傳動系統(tǒng)、傳感器組件的安裝。同時考慮為其他特種水下探測設(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

通過對滑翔機主要部件質(zhì)量計算，根據(jù)總體布局原則和質(zhì)心控制要求，對浮力驅(qū)動式水下滑翔機的主要組件進行了布局設(shè)計，如圖7所示。

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

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

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

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

現(xiàn)來驗證所設(shè)計的滑翔機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，當滑行角ε=35.26°［4］時獲得最大滑行速度，根據(jù)文獻［4］有：

利用相關(guān)軟件可以算出，當α≈4°時，滑翔機升力系數(shù)CL≈0.011。因此所設(shè)計的滑翔機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 α=4°時，俯仰力矩系數(shù) my(α=4°)= －0.002 6，滑翔機的力矩為

這個力矩通過移動滑動塊改變質(zhì)心位置來平衡，需要的質(zhì)心軸向移動距離為

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

?

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

滑翔機以最大滑行速度滑行時的凈浮力產(chǎn)生的主動力為

可見，所設(shè)計的滑翔機方案，可以實現(xiàn)最大穩(wěn)定滑行速度Vmax=3.5 m/s的指標。

4 結(jié)語

本文在分析了浮力驅(qū)動式水下滑翔機總體設(shè)計要求和原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體設(shè)計指標，對外形設(shè)計完成滑翔機提出了利用質(zhì)心調(diào)節(jié)法的姿態(tài)控制方案，設(shè)計了實現(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，并進行了總體布局設(shè)計。最后，對所設(shè)計的滑翔機的總體衡重參數(shù)和流體動力參數(shù)進行了計算，初步驗證了總體設(shè)計方案的可行性，可以滿足設(shè)計指標要求。

［1］劉淮．美國海軍無人水下航行器的發(fā)展重點和特點［J］．船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟信息，2005，(238)：26 －32．

LIU Huai．The united states navy unmanned underwater vehicle development key and Characteristic［J］．Technology and Economy Information of Shipbuilding Industry，2005，(238)：26－32．

［2］符敏，吳喬．國外無人潛水器研制概況與發(fā)展趨勢［J］．水雷戰(zhàn)與艦船防護，2004，(2)：48－51．

FU Min，WU Qiao．Foreign unmanned submersible research survey and development tendency［J］．Mine Warfare ＆ Ship Self-defence，2004，(2)：48 －51．

［3］闞雷，張宇文，范輝，等．浮力驅(qū)動式水下滑翔機運動仿真［J］．計算機工程與應(yīng)用，2007，(18)：199～201．

KAN Lei，ZHANG Yu-wen，F(xiàn)AN Hui，et al．Buoyancy driven underwater glider motion simulation［J］．Computer Engineering and Application，2007，(18)：99 －201．

［4］鄔明，張宇文，張博，張紀華．浮力驅(qū)動式水下航行器設(shè)計參數(shù)分析［J］．機械科學與技術(shù)，2010，(12)：1655－1657．

WU Ming，ZHANG Yu-wen，ZHANG Bo，ZHANG Ji-hua．Analysison designing parameterofbuoyancy driven underwater vehicle［J］． Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2010，(12)：1655 －1657．

［5］俞建成，張奇峰，吳利紅，等．水下滑翔機器人運動調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計與運動性能分析［J］．機器人，2005，27(5)：390－395．

YU Jian-cheng，ZHANG Qi-feng，WU Li-hong，et al．Movement mechanism design and motion performance analysis of an underwater glider［J］．Robot，2005，27(5)：390－395．

［6］張奇峰，俞建成，唐元貴，等．水下滑翔機器人運動分析與載體設(shè)計［J］．海洋工程，2006，24(1)：74 －78，85．

ZHANG Qi-feng，YU Jian-cheng，TANG Gui-yuan，et al．Motion analysis and body design of an underwater glider［J］．The Ocean Engineering，2006，24(1)：74 －78，85．

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外形設(shè)計及流體力學研究。