劉雁集，馬捷

（上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

水下滑翔機(jī)作為一種航程遠(yuǎn)、續(xù)航能力強(qiáng)的水下航行器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋探測(cè)。經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，水下滑翔機(jī)已經(jīng)發(fā)展出多種成熟的機(jī)型，如 Slocum[1]、Seaglider[2]、Spray[3]、SeaExplorer[4]、海翼[5]、海燕號(hào)等[6]。

隨著海洋探索的深入，對(duì)水下滑翔機(jī)的要求越來越高，要求更強(qiáng)的續(xù)航力與更深的下潛深度。為提高續(xù)航力，Slocum Thermal滑翔機(jī)利用能量轉(zhuǎn)換裝置將溫差能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能與電能驅(qū)動(dòng)滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)[7]。Seaglider通過加入合理的死區(qū)非線性環(huán)節(jié)間歇性地開啟控制器降低系統(tǒng)能耗。浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是滑翔機(jī)的主要?jiǎng)恿Σ考?，其能耗約占系統(tǒng)總能耗的70%，合理降低浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能耗可以提高續(xù)航能力。Slocum、Seaglider、Spray等傳統(tǒng)滑翔機(jī)利用耐壓艙內(nèi)負(fù)壓實(shí)現(xiàn)油液的自動(dòng)回流，節(jié)省回油過程的能耗[8]。為提高下潛深度，以適應(yīng)探索深海的需求，滑翔機(jī)通常配置具有高壓工作能力的柱塞泵作為主泵驅(qū)動(dòng)油液外流，但柱塞泵的自吸能力通常較差，在泵的出口具有高壓的情況下，容易造成吸油失效，尤其在柱塞泵入口有氣泡的情況下。為保證主泵的正常工作，需要在主泵前加入初級(jí)增加泵增加主泵的入口壓力，但增壓泵會(huì)增加一定的能耗[9-10]。

為了保證主泵的正常工作，同時(shí)合理降低初級(jí)增壓系統(tǒng)的能耗，文中設(shè)計(jì)低功耗的空氣增壓系統(tǒng)。系統(tǒng)采用空氣泵作為主要?jiǎng)恿υ?，利用兩個(gè)微型氣動(dòng)三通電磁閥實(shí)現(xiàn)抽壓與增壓的轉(zhuǎn)換，一個(gè)正負(fù)壓傳感器反饋增壓艙內(nèi)的壓力變化，反饋數(shù)據(jù)為壓力的控制提供依據(jù)。

浮力系統(tǒng)的響應(yīng)性能受外部水壓影響大。較大的外部壓力，不僅增加主泵電機(jī)的能耗，而且降低主泵的工作效率。為充分研究外壓對(duì)浮力系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)壓力可調(diào)的小型海洋壓力模擬裝置，在其中測(cè)試不同壓力條件下浮力系統(tǒng)的響應(yīng)。

1 浮力系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 浮力系統(tǒng)參數(shù)分析

滑翔機(jī)通過浮力量的調(diào)節(jié)控制航行速度，當(dāng)航速達(dá)到一定量時(shí)，水動(dòng)力的合力與浮力的分量平衡，滑翔機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)?；铏C(jī)在垂直平面內(nèi)穩(wěn)定下潛和穩(wěn)定上浮運(yùn)動(dòng)過程中的受力分析如圖1所示，圖中m0g為滑翔機(jī)凈浮力（m0為滑翔機(jī)總質(zhì)量與排水質(zhì)量之差）；D為滑翔機(jī)所受的阻力；L為滑翔機(jī)所受的升力；V為滑翔機(jī)在垂直平面內(nèi)的速度大?。沪葹楦┭鼋?，昂艏為正，俯艏為負(fù)；α為攻角，自V向e1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)。ξ為滑翔角，定義為ξ=θ－α，且與θ同向。

由圖1可知，

類比于海軍系數(shù)法（Admiralty Coefficient），把滑翔機(jī)所受的阻力用式（2）表示[11]：

式中：Δ為滑翔機(jī)排水量，kg；CD為阻力系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有滑翔機(jī)參數(shù)，可用數(shù)據(jù)計(jì)算其值約為0.8。

根據(jù)式（1）與式（2），得到浮力量的表達(dá)式：

根據(jù)現(xiàn)有滑翔機(jī)數(shù)據(jù)，水下滑翔機(jī)一般排水量在55 kg左右，常規(guī)最大滑翔速度0.3 m/s，滑翔角度一般在±（20°～40°）之間，將數(shù)值帶入式（3），得到需要的浮力調(diào)節(jié)量為0.18～0.25 kg?？紤]在水下時(shí)的浮力損失，設(shè)計(jì)20%的余量，確定浮力系統(tǒng)的浮力調(diào)節(jié)量為-0.3～0.3 kg。

1.2 浮力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，設(shè)計(jì)的浮力調(diào)節(jié)主要包含內(nèi)油囊、外油囊、油路、空氣增壓系統(tǒng)等4個(gè)部分。當(dāng)滑翔機(jī)達(dá)到設(shè)定深度開始上浮時(shí)，出油油路工作，主泵轉(zhuǎn)動(dòng)并且空氣系統(tǒng)增壓，將油液從低壓環(huán)境下的內(nèi)油囊輸送到高壓環(huán)境下的外油囊，此時(shí)機(jī)體浮力變大。為防止油液回流，在主泵的出口管路上設(shè)計(jì)有單向閥?；赜陀吐返耐〝嗤ㄟ^一個(gè)常閉式電磁閥控制，當(dāng)滑翔機(jī)接近水面時(shí)，回油油路工作，電磁閥通電開啟，并且空氣增壓系統(tǒng)降壓，內(nèi)油囊整體密封于氣動(dòng)增壓系統(tǒng)中，此時(shí)油液從高壓的外油囊經(jīng)過回油油路回流到具有一定負(fù)壓的內(nèi)油囊。若油液不潔凈，不能達(dá)到油泵的用油標(biāo)準(zhǔn)，將影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在主泵入口前，配備一個(gè)20 μm孔徑的過濾器濾除雜質(zhì)。

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示。內(nèi)油囊與空氣增壓系統(tǒng)密封在浮力機(jī)構(gòu)主殼體內(nèi)，壓力調(diào)節(jié)范圍為-0.036～0.065 MPa的抽打一體空氣泵FNY6003用于艙體內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié)。增壓系統(tǒng)的一個(gè)端口置于浮力系統(tǒng)殼體內(nèi)，另一個(gè)端口通過密封件連接到浮力系統(tǒng)殼體外。兩個(gè)氣動(dòng)三通電磁閥與一個(gè)氣路閥座實(shí)現(xiàn)換向功能，控制抽氣打氣的切換。油路置于浮力系統(tǒng)殼體外，與內(nèi)油囊通過高壓油管連接。采用正負(fù)壓力傳感器PT65測(cè)量主殼體內(nèi)的空氣壓力，量程為-0.03～0.05 MPa，采用直線位移傳感器Novotechnik TX2-100測(cè)量油囊液位，量程為10 cm。

主泵系統(tǒng)的微型高壓泵選擇柱塞泵HydroLeduc PB32.5，極限工作壓力為 35 MPa，理論上可以在3500 m的海洋深度工作，排量為45 mm3/r，最大轉(zhuǎn)速為5000 r/min。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇EC-max 40，最大轉(zhuǎn)速為8040 r/min，最大扭矩為89.6 N·m。浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的浮力調(diào)節(jié)量為 225 mL/min。設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)最大調(diào)節(jié)量為0.6 L，則外油囊體積由0 L調(diào)節(jié)到0.6 L的最短時(shí)間為160 s。

2 系統(tǒng)校核與實(shí)驗(yàn)

2.1 耐壓部件強(qiáng)度分析

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過控制油液在內(nèi)皮囊與外皮囊之間的流動(dòng)來控制機(jī)體的浮力，系統(tǒng)的外皮囊與海水接觸，來自海水的壓力通過油液傳導(dǎo)到管路上，電磁閥、單向閥與泵等動(dòng)力部件阻礙壓力的進(jìn)一步傳導(dǎo)，因此，出油油路是系統(tǒng)的承壓部分。出油管路由模塊化的結(jié)構(gòu)組合而成，需要校驗(yàn)強(qiáng)度，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

利用有限元方法對(duì)出油油路進(jìn)行計(jì)算。建模軟件為 Abaqus6.12-3 CAE，解算軟件為 Abaqus6.12-3 Standard。對(duì)出油油路內(nèi)表面施加3 MPa壓力，觀察形變和應(yīng)力等情況。部件的建模如圖 4a所示。采用Tex網(wǎng)格劃分，如圖 4b所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)自身情況定義邊界條件及受力面，如圖4c所示。從圖4d中可看出，最大應(yīng)力在閥塊部件，為16.1 MPa；從圖4e中可以看出，最大位移在主泵座部件，為0.000 24 mm；從圖 4f中可看出，最大應(yīng)變?cè)陂y塊部件，為0.0002 mm。材料使用的7075-t6鋁合金，抗拉強(qiáng)度為530 MPa，取安全系數(shù)為0.65，則許用應(yīng)力為344 MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。從以上分析可知，設(shè)計(jì)的管路具有較高的耐壓能力。

2.2 浮力系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

為研究浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境下的性能，在壓力環(huán)境下測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)能力。壓力環(huán)境模擬裝置主要由耐壓筒體與加壓裝置組成，通過針閥手動(dòng)調(diào)節(jié)筒體內(nèi)壓力。設(shè)計(jì)的壓力裝置可以模擬0.1～6 MPa的壓力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)時(shí)，浮力系統(tǒng)的尾部結(jié)構(gòu)安裝于筒體端蓋的安裝口，浮力系統(tǒng)的艙外部分整體置于壓力筒內(nèi)，如圖5所示。

在出油實(shí)驗(yàn)過程中，浮力系統(tǒng)向外油囊排油，會(huì)進(jìn)一步增大壓力筒內(nèi)的壓力，為了保證穩(wěn)定的壓力環(huán)境，通過針閥手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力?；赜蛯?shí)驗(yàn)在0.1 MPa大氣壓環(huán)境下進(jìn)行，空氣增壓系統(tǒng)工作，使內(nèi)油馕表面壓力維持在-0.03 MPa左右，直至回油到指定狀態(tài)。

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)依靠一個(gè)與內(nèi)油囊的移動(dòng)端相連接的位移傳感器反饋油囊體積，對(duì)油囊體積的準(zhǔn)確測(cè)量是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。所采用的定排量柱塞泵具有穩(wěn)定輸出的優(yōu)良屬性，通過柱塞泵的轉(zhuǎn)速可以較準(zhǔn)確地推算所輸送的油液體積。通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出位移傳感器電阻值與油囊體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。從關(guān)系曲線中可以看出，位移變化量與體積變化量的關(guān)系并不是嚴(yán)格線性的，而是存在一定的非線性關(guān)系。該非線性是由波紋狀的皮囊容器造成的，如圖3所示。在油囊被壓縮時(shí)，波紋狀油囊內(nèi)部開始貼合在一起，使原有的空間迅速消失，造成此處實(shí)測(cè)值與理論值間的偏差較大；在油囊被拉伸時(shí)，油囊內(nèi)部不會(huì)因貼合而引起空間的快速消失，所以，此時(shí)的實(shí)測(cè)值較準(zhǔn)確。總體來說，測(cè)量值與理論值的最大偏差小于油囊總體積的 2%，該偏差遠(yuǎn)小于外壓造成的體積損失?？梢钥闯觯瑑?nèi)皮囊結(jié)構(gòu)造成的缺陷對(duì)滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)十分影響有限。位移傳感器具有毫米級(jí)別的分辨率，由于浮力系統(tǒng)工作時(shí)內(nèi)部油液的慣性及油囊的大橫截面的影響，造成系統(tǒng)對(duì)油囊體積的分辨率較低，經(jīng)多次測(cè)試，分辨率約為6 mL。在隨后的研究中，認(rèn)為浮力系統(tǒng)體積的變化是線性的，并且測(cè)量是準(zhǔn)確的。

浮力系統(tǒng)的回油依靠作用在內(nèi)皮囊上的負(fù)壓，回油時(shí)，先將內(nèi)皮囊上的大氣壓力控制在-0.03 MPa。開始回油的同時(shí)，空氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)不間斷工作，以位置腔內(nèi)的微弱負(fù)壓來保證回油的順利進(jìn)行。系統(tǒng)回油過程內(nèi)皮囊體積的變化如圖7所示，可以看出，在回油開始時(shí)刻，回油速度較快。隨著回油量的增加，系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓減小，回油速度開始變慢。隨著回油量的進(jìn)一步增加，系統(tǒng)內(nèi)空間越來越小，此時(shí)氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用相對(duì)變強(qiáng)，使系統(tǒng)以較快的速度回油?；赜瓦^程中，回油平均速度約90 mL/min，系統(tǒng)能耗穩(wěn)定在1 W以內(nèi)。

滑翔機(jī)運(yùn)行在水下環(huán)境中時(shí)，浮力系統(tǒng)外皮囊受到海水壓力的直接作用，從而影響浮力系統(tǒng)的工作性能。在不同測(cè)試壓力下測(cè)試流量的變化，如圖8所示。在外壓為0.1、2、2.5 MPa的不同設(shè)置下，分別測(cè)試了電機(jī)在3000 r/min與4000 r/min條件下的流量曲線。可以看出，外部壓力對(duì)浮力系統(tǒng)的工作效率有一定影響，隨著外壓的逐步增大，系統(tǒng)的流率有逐步減小的趨勢(shì)，在3000 r/min的條件下，流率最多下降了6 mL/min，降低了4.5%。4000 r/min的條件下，流率最多下降了5 mL/min，約占總流量的2.8%。由此可見，在外部壓力增大的情況下，泵的工作效率受到影響，達(dá)到設(shè)定值需要的時(shí)間更長(zhǎng)。對(duì)于需要精確操控的水下滑翔機(jī)，可以基于這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論值進(jìn)行修正，以達(dá)到準(zhǔn)確反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的目的。同時(shí)，電機(jī)通過增大自身功率的方式維持轉(zhuǎn)速，如圖 9所示。在0.1 MPa的大氣壓力環(huán)境下，電機(jī)以3000 r/min的轉(zhuǎn)速輸送油液需消耗9 W左右的能量，而當(dāng)外部環(huán)境壓力為2.5 MPa時(shí)，功耗為30 W，比大氣壓力條件下輸油的功耗大了3倍多。

3 結(jié)論

筆者初步研究并設(shè)計(jì)了深海滑翔機(jī)的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基于理論模型確定浮力調(diào)節(jié)量參數(shù)，系統(tǒng)通過可以調(diào)節(jié)正負(fù)壓力的氣壓調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)浮力系統(tǒng)內(nèi)部壓力，以保證主泵的正常工作與系統(tǒng)的順利回油。對(duì)承壓管路的有限元強(qiáng)度計(jì)算分析有力保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。最后模擬滑翔機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的外壓變化情況，在一個(gè)壓力模擬裝置中試驗(yàn)研究了浮力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。