劉 鵬，張昭鵬，辛龍慶，馬 良

（1.中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.青島海洋科技中心，山東 青島 266237）

目前，城市內(nèi)河、湖泊等小型水域及近海水域上的水生植物和漂浮物的有效清理仍是一個(gè)難題[1-3]（圖1），這些漂浮垃圾和水生植物長久以來依賴“圍、攔、拖”等方式，或者直接由人工打撈，或由清漂船舶收集。但人工清理方式不僅耗費(fèi)大量人力物力，且效率極為有限，同時(shí)還存在著較大的安全隱患[4]；而現(xiàn)有的清漂船多為人工操縱的大型船舶（圖2），采用螺旋槳或明輪推進(jìn)，存在噪聲大，效率低、極易被纏繞等不足，且在一些小型水域中難以作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)一種適用于小型清漂船的淺吃水船舶推進(jìn)裝置，同時(shí)避免水生植物纏繞、具備相對(duì)較高效率的推進(jìn)器成為水域清漂作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。

圖1 青島近海滸苔情況

圖2 明輪推進(jìn)的清漂船

相對(duì)于螺旋槳和明輪，一些履帶式兩棲推進(jìn)裝置[6]結(jié)構(gòu)小巧，簡單輕便，運(yùn)動(dòng)時(shí)可減小水生植物纏繞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有吃水小、回轉(zhuǎn)半徑小等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在淺水水域工作。一種采用串列式蹼板推進(jìn)的方法[7]結(jié)合了明輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)履帶式推進(jìn)裝置進(jìn)行了進(jìn)一步地優(yōu)化，使其更適合在水上推進(jìn)，可以被作為清漂船推進(jìn)器的選擇之一。履帶式推進(jìn)方式最初是應(yīng)用在軍事上，其中應(yīng)用最多的就是在1930 年被設(shè)計(jì)出來的履帶式登陸艦（Landing Vehicle Track，LVT）。LVT 是船舶到岸作業(yè)最重要的現(xiàn)代技術(shù)貢獻(xiàn)之一[8]，所采用的履帶式推進(jìn)裝置屬于半潛式推進(jìn)方式。為了增加在水面行駛時(shí)的推力，LVT 在履帶板體上增加了渦輪狀的葉片，最終將總效率提高到25%[9]。隨后這種推進(jìn)方式被應(yīng)用在一些超重型兩棲登陸艇上[10-11]，這種車輛均具有兩棲使用的功能，所以需使用較為密集的浮體代替蹼板來保證在水中的推進(jìn)并且增加在陸地上的移動(dòng)速率，但這樣無疑限制了蹼板推進(jìn)器在水中推進(jìn)的性能。近些年來，履帶式推進(jìn)方式在向小型化進(jìn)行轉(zhuǎn)變，但大多依舊是應(yīng)用在兩棲機(jī)器人上。2014 年，CUI J 等[12]受蜈蚣運(yùn)動(dòng)啟發(fā)設(shè)計(jì)了一種小型兩棲機(jī)器人AmBot，用來檢測西澳大利亞州的河口數(shù)據(jù)，其在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由浮子組成的履帶提供浮力和推力。2017 年，SUSANTO R D 等[13]設(shè)計(jì)了使用明輪和連續(xù)履帶結(jié)合的兩棲機(jī)器人，目的是使用一套推進(jìn)裝置完成在兩棲環(huán)境中使用，從而縮小機(jī)器人整體尺寸，在水中，明輪為兩棲機(jī)器人提供推進(jìn)力。2018 年，HOSOTANI K 等[14]研究了一種柔性尖刺履帶推進(jìn)器，主要用于維護(hù)池塘和稻田。推進(jìn)器最大尺寸約為45 cm，陸地和水上使用同一套推進(jìn)裝置，其在履帶上布置柔韌的尖刺，利用尖刺陣列在水中產(chǎn)生推進(jìn)力，工作時(shí)需添加浮體以保證其在水面的漂浮狀態(tài)。

本文結(jié)合履帶式推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)模式，在明輪的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一種串列式蹼板推進(jìn)系統(tǒng)[15]（Tandem Paddle Propulsion，TPP），推進(jìn)系統(tǒng)依靠蹼板在水中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推力，相對(duì)于傳統(tǒng)明輪式推進(jìn)，串列蹼板式推進(jìn)延長了蹼板在水下平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和距離，縮小了旋轉(zhuǎn)尺寸，解決了占用空間大的問題；在此基礎(chǔ)上加工了串列蹼板推進(jìn)系統(tǒng)的原理樣機(jī)，并進(jìn)行水槽試驗(yàn)，測試其推進(jìn)性能情況；在此基礎(chǔ)上將串列蹼板推進(jìn)器安裝于小型無人清漂船，實(shí)地檢驗(yàn)其應(yīng)用效果。

1 TPP 設(shè)計(jì)方案與樣機(jī)

串列蹼板推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了履帶式推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)模式，與明輪的工作原理一致，均是依靠蹼板劃水獲得動(dòng)力。但與明輪不同的是，串列蹼板推進(jìn)系統(tǒng)固定串列蹼板的驅(qū)動(dòng)帶需與水面呈平行狀態(tài)，使得蹼板劃水時(shí)與水面呈垂直狀態(tài)，延長了蹼板在水下垂直水面劃水的距離，減少了蹼板揚(yáng)水的進(jìn)程。

如圖3 所示，2 為一級(jí)驅(qū)動(dòng)輪，直徑為56 mm，由直流電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可替換為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)從而提升動(dòng)力。圖3（a）中，4 為主動(dòng)輪，直徑142 mm，其后側(cè)有與一級(jí)驅(qū)動(dòng)輪2 等直徑的二級(jí)驅(qū)動(dòng)輪，二級(jí)驅(qū)動(dòng)輪與主動(dòng)輪之間相互固定，二者具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，同時(shí)兩者固聯(lián)于中心軸12。主動(dòng)輪通過傳動(dòng)履帶5 將線速度傳遞給同步從動(dòng)輪6，傳動(dòng)履帶厚度約為5 mm，從動(dòng)輪直徑與主動(dòng)輪直徑相同，均為142 mm。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪具有相同的線速度，由中心軸固定在支撐橫梁8 上。

圖3 串列蹼板推進(jìn)器樣機(jī)3D 設(shè)計(jì)模型

主動(dòng)輪驅(qū)使傳動(dòng)履帶運(yùn)轉(zhuǎn)，串列蹼板7 被等間距安裝在傳動(dòng)履帶上，數(shù)量共計(jì)12 個(gè)，間距約為136.7 mm，蹼板頂端需采用半柔性腳蹼形式，以避免纏繞或鉤掛漂浮物，蹼板根部加裝固定塊與傳動(dòng)履帶連接，固定塊直接與傳動(dòng)履帶固定連接，保證蹼板與傳動(dòng)履帶之間的強(qiáng)度。由于傳動(dòng)履帶為柔性材料制作，為防止履帶在運(yùn)行過程中發(fā)生凹陷變形，因此推進(jìn)器樣機(jī)在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間放置兩個(gè)支撐輪9 起到支撐履帶的作用，支撐輪不提供動(dòng)力，同樣與橫梁固定連接。為了使推進(jìn)器控制入水深度，在橫梁另一側(cè)固定安裝滑塊11，滑塊可沿導(dǎo)軌10 上下自由滑動(dòng)，可以調(diào)節(jié)推進(jìn)器的入水深度，以及與浮體之間的上下位置關(guān)系。整個(gè)推進(jìn)器長約920 mm，寬約270 mm，高約340 mm，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的向前或向后推進(jìn)。如圖3（b）所示，本文規(guī)定串列蹼板推進(jìn)器左側(cè)為前進(jìn)方向，對(duì)應(yīng)蹼板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

此外，在串列蹼板推進(jìn)器的實(shí)際應(yīng)用中，還需考慮中心驅(qū)動(dòng)軸的安裝位置，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)軸盡可能地高于水面安裝，由此可以減少防水設(shè)施的使用，避免水下穿透的水密問題。串列蹼板推進(jìn)器的中心轉(zhuǎn)軸位置較低，在船體水上舷側(cè)開孔穿過會(huì)對(duì)船體強(qiáng)度有不利影響。為了減少船體開孔，減少揚(yáng)水飛濺對(duì)電機(jī)的影響，需抬高推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，因此，本文推進(jìn)器選擇二級(jí)驅(qū)動(dòng)形式將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸抬高，遠(yuǎn)離船體和水面。

如圖4 所示，一級(jí)驅(qū)動(dòng)輪2 與二級(jí)驅(qū)動(dòng)輪直徑相等，并通過驅(qū)動(dòng)履帶3 連接，由此將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞至主動(dòng)輪，從而帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，使串列蹼板獲得動(dòng)力。

圖4 串列蹼板推進(jìn)器二級(jí)傳動(dòng)形式示意圖

在水域中所使用的推進(jìn)器多依靠蹼板或槳產(chǎn)生推力，因此蹼板或槳的設(shè)計(jì)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣具有重要意義。對(duì)于以履帶形式驅(qū)動(dòng)的串列蹼板推進(jìn)器此前很少有人涉及，因此本文要展開蹼板形態(tài)的設(shè)計(jì)，需要參考借鑒一些其他推進(jìn)形式蹼板的設(shè)計(jì)思路。在眾多水上的半潛式推進(jìn)機(jī)構(gòu)中最常見的是明輪推進(jìn)器，而針對(duì)明輪蹼板的研究多集中于蹼板的展弦比和彎曲程度，二者的目的都是為了提高推進(jìn)系統(tǒng)的推力和效率，其中蹼板的彎曲程度與其入水時(shí)對(duì)水面的擾動(dòng)和引起的液體飛濺有關(guān)。因此，本文對(duì)蹼板自身的曲度進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇了直板、弧板和折板三種結(jié)構(gòu)形式。

如圖5 所示，其中弧板的設(shè)計(jì)來源于體育運(yùn)動(dòng)中劃船所用的船槳啟發(fā)，參照Macon 槳[16]的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以上3 個(gè)蹼板面積相同，控制其展弦比相同，展長最大為95 mm，弦長最大為50 mm，蹼板厚度為2 mm。串列蹼板推進(jìn)器所用的金屬材料外表噴漆，進(jìn)行防銹處理，制造出的推進(jìn)器樣機(jī)如圖6所示。

2 TPP 推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在中國海洋大學(xué)的波流水槽中進(jìn)行，水槽長30 m，寬0.6 m，高1.0 m。實(shí)驗(yàn)中來流的控制通過造流機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行，包括水流流速和深度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中采用旋槳式流速儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測過水?dāng)嗝娴钠骄魉?。如圖7 所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。其中控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行控制系統(tǒng)的命令，實(shí)現(xiàn)串列蹼板的周期性運(yùn)動(dòng)，隨著蹼板的運(yùn)轉(zhuǎn)，測量系統(tǒng)通過力傳感器接收推進(jìn)器產(chǎn)生的推力，并通過軟件進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理。圖8 展示了實(shí)驗(yàn)裝置的安裝示意圖。

圖7 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖8 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)裝置圖

如圖7 所示，為了保證整個(gè)串列蹼板推進(jìn)器能夠平穩(wěn)線性運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)采用在水槽上端兩側(cè)分別安裝一條直線滑軌的方法[17]，并在直線滑軌上各裝上兩個(gè)滑塊，導(dǎo)軌與水槽側(cè)壁堅(jiān)實(shí)固定，以減少推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)影響。串列蹼板推進(jìn)器的蹼板處于水槽的中間位置，以減少水槽側(cè)壁玻璃壁面對(duì)蹼板的影響。采用歐標(biāo)3030 鋁型材制作T 型支撐框架，并將其固定連接在滑塊上，這些滑塊允許T 型支架在實(shí)驗(yàn)中沿著直線導(dǎo)軌進(jìn)行同步直線滑動(dòng)。然后將串列蹼板推進(jìn)器固定在兩個(gè)T 型支架的下端，為了減少支架梁對(duì)測量結(jié)果的干擾，選擇T型支架的下端長度對(duì)水流的影響盡可能小，并且兩個(gè)支架的上梁長度大于水槽的寬度，保證推進(jìn)器可以懸空安裝在水槽的上方，而不會(huì)滑脫。力傳感器一端連接在上游T 形支架的梁中心，另一端連接在水槽上方的固定梁上。為了獲得串列蹼板在絕對(duì)坐標(biāo)系下的線速度，實(shí)驗(yàn)使用非接觸式轉(zhuǎn)速儀測量已知直徑的從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速和流量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，開始使用力傳感器記錄推力值。傳感器的采樣頻率為50 Hz，獲得的數(shù)據(jù)通過二階Savitzky-Golay 濾波器進(jìn)行處理[18]。

整體的循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖9 所示。與推進(jìn)器和水流互相干擾的區(qū)域尺寸相比，水槽的長度足夠長，并且在其末端安裝消波裝置，因此在實(shí)驗(yàn)中可以忽略推進(jìn)器產(chǎn)生的尾部波浪引起的尾跡反射對(duì)推力測量的影響?，F(xiàn)場測量時(shí)的照片如圖10所示，實(shí)驗(yàn)過程中使用的儀器如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的器材

圖9 循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)裝置安裝完畢后，在水槽無水的情況下測試滑軌阻力。力傳感器一端與T 型支架固定連接，另一端與牽引滑臺(tái)連接，保證兩端連接點(diǎn)共線。牽引滑臺(tái)帶動(dòng)推進(jìn)器在直線滑軌上勻速行駛并記錄力傳感器數(shù)值，重復(fù)3 次取平均值，此值可以被認(rèn)為是推進(jìn)器在直線滑軌上所受到的阻力。當(dāng)水槽注水完成之后，受不同水深的浮力影響，推進(jìn)器所受到滑軌上的阻力可能存在不同，但由于推進(jìn)器浸沒水中的部分體積很小，因此這種影響可以忽略。

在每次運(yùn)行期間，瞬時(shí)力Fx以50 Hz 的速率采樣。圖11（a）中的灰線表示水流速度V0=0.1 m/s，蹼板速度Vd=0.5 m/s，入水深度hs=133 mm 的實(shí)驗(yàn)中Fx作為時(shí)間的函數(shù)曲線?？梢钥吹?，以50 Hz采樣的原始信號(hào)顯示出明顯的波動(dòng)。然而，為了更好的可讀性，信號(hào)使用Savitzky-Golay 濾波器濾波，濾波器寬度在不同工況下樣本寬度不一致。

圖11 TPP 推力的時(shí)歷變化曲線

圖11（a）中的黑實(shí)線表示濾波后的信號(hào)。力信號(hào)在前22 s 內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的下降波動(dòng)，這是由于之前實(shí)驗(yàn)對(duì)自由液面的擾動(dòng)可能未完全平穩(wěn)。之后，力傳感器的值趨于穩(wěn)定但仍有波動(dòng)，造成波動(dòng)的原因可能是水槽的流量在運(yùn)行中不穩(wěn)定所導(dǎo)致的。每組工況的數(shù)據(jù)測量3 次，然后取平均值，所有的計(jì)算和分析都是使用此平均值進(jìn)行的。

此外，在實(shí)驗(yàn)過程中串列蹼板推進(jìn)器完整的力波動(dòng)數(shù)據(jù)同樣被記錄下來，如圖11（b）所示。在A階段，蹼板均處于靜止階段，但水槽中的水流速度不為0，此時(shí)間段內(nèi)推進(jìn)器會(huì)受到水流的沖擊，從而產(chǎn)生阻力。從最初的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（點(diǎn)1）開始，蹼板轉(zhuǎn)速增加至設(shè)定值并開始產(chǎn)生相應(yīng)推力，此時(shí)間間隔為B 階段。隨著數(shù)據(jù)的采集趨于穩(wěn)定后，關(guān)閉蹼板轉(zhuǎn)速和水槽水流，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力逐漸降至點(diǎn)2，此刻推進(jìn)器產(chǎn)生的推力為負(fù)值，意味著承受阻力。雖然蹼板停止運(yùn)動(dòng)，但由于蹼板之前的運(yùn)動(dòng)對(duì)水流造成擾動(dòng)，水流會(huì)產(chǎn)生慣性，因此水流的慣性會(huì)對(duì)推進(jìn)器造成沖擊從而產(chǎn)生了阻力，并隨著慣性的消失逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，此時(shí)間間隔為C 階段。在D 階段，當(dāng)自由液面穩(wěn)定時(shí)，串列蹼板推進(jìn)器所受到的力幾乎為0，此時(shí)串列蹼板推進(jìn)器受到力的過程完全結(jié)束。

3.2 入水深度對(duì)TPP 推力的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，推進(jìn)器的吃水深度往往會(huì)隨著船舶載荷的變化而變化，故蹼板的入水深度將隨船體吃水的增加而增大。實(shí)驗(yàn)改變了蹼板的入水深度并測量其在不同入水深度下所產(chǎn)生的推力值。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取入水深度分別在45 mm、95 mm 和133 mm 時(shí)進(jìn)行測量推力值。圖12 展示了不同蹼板入水深度下推力實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比情況，其中，數(shù)值結(jié)果參考文獻(xiàn)[7]。

從圖12 可看出，在三種不同的入水深度下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果趨勢(shì)一致，推力與速度成正比，變化規(guī)律相同。當(dāng)蹼板入水深度為45 mm 和95 mm 時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果略大于模擬結(jié)果，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差較小，平均誤差在10%內(nèi)；當(dāng)入水深度為133 mm 時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果要小于模擬結(jié)果，二者之間的誤差較大，但平均誤差均不超過15%，最大誤差不超過21%，最大誤差在hs=133 mm，Vd=0.5 m/s時(shí)產(chǎn)生。與數(shù)值模擬中的三維模型不同，由于實(shí)驗(yàn)中使用了一些支撐結(jié)構(gòu)，當(dāng)浸水深度增加時(shí)，這些結(jié)構(gòu)部分沉入水中受到水流沖擊的影響，因此會(huì)產(chǎn)生附加阻力。而蹼板產(chǎn)生的部分推力將不得不用來克服這種阻力，導(dǎo)致測量的推力值下降，但這些誤差仍然在可接受的范圍內(nèi)，由此可以證明本文中所采用的數(shù)值模擬方法具有一定的準(zhǔn)確性。

3.3 蹼板形狀對(duì)TPP 推力的影響

在上述實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不同的入水深度會(huì)對(duì)蹼板背流側(cè)的尾渦結(jié)構(gòu)造成一定影響。因此本節(jié)選擇了hs=95 mm 和hs= 171 mm 兩種代表工況下，對(duì)蹼板曲度與推進(jìn)性能的關(guān)系進(jìn)行闡述。實(shí)驗(yàn)中測量了三種不同曲度的蹼板在入水深度hs=95 mm 時(shí)所產(chǎn)生推力的大小關(guān)系，如圖13 所示。

圖13 三種蹼板曲度下的推力實(shí)驗(yàn)值

從圖13 中可以看出，三種蹼板產(chǎn)生的推力隨速度的增加而增加，在實(shí)驗(yàn)速度范圍內(nèi)，直板產(chǎn)生的推力最大，弧板次之，折板最小。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究可以得到三種不同曲度的蹼板所產(chǎn)生的推力具有一定差異，但受實(shí)驗(yàn)器材的限制，無法很好地分析出這種差異的原因。故結(jié)合數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：圖14 展示的是推進(jìn)效率隨蹼板速度的變化趨勢(shì)，效率的計(jì)算方式參考明輪效率的計(jì)算公式[19]。由圖可以看出，當(dāng)蹼板速度Vd=2.0 m/s 時(shí)，直板推進(jìn)系統(tǒng)的效率要大于折板推進(jìn)系統(tǒng)，隨著蹼板速度的減小，折板推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率遠(yuǎn)大于直板推進(jìn)系統(tǒng)，而弧板推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的效率介于二者之間。在現(xiàn)場觀測中發(fā)現(xiàn)，折板引起的揚(yáng)水量最大，直板最小，揚(yáng)水量的變化趨勢(shì)與效率的變化趨勢(shì)相關(guān)，說明效率與揚(yáng)水量存在一定關(guān)系，但揚(yáng)水量并不是影響效率的唯一因素。折板推進(jìn)系統(tǒng)在產(chǎn)生較高推進(jìn)效率的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致較大的揚(yáng)水量，因此，在折板推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際使用中，應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)格地做好防水措施。

圖14 三種蹼板曲度下的效率計(jì)算值（hs=171 mm）

3.4 TPP 的實(shí)船推進(jìn)測試

圖15 展示了清漂船的整體構(gòu)造。清漂船采用雙體船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將上文所研發(fā)的串列蹼板推進(jìn)器對(duì)稱地安裝在兩個(gè)船體的內(nèi)側(cè)，外側(cè)船體可以阻擋水域中的漂浮物，以免造成推進(jìn)器的損壞。兩船體之間的距離為835 mm，整船的長約為2.05 m，寬約為1.4 m，高約為0.6 m。在串列蹼板推進(jìn)器之間放置存儲(chǔ)容器，存儲(chǔ)空間約為0.08 m3，用于儲(chǔ)存收集物，其上方放置電池和控制系統(tǒng)，提供能源和發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令。存儲(chǔ)容器前側(cè)安裝收集裝置，輸送帶上網(wǎng)狀有透水孔，可以減少清漂船工作時(shí)的阻力。

圖15 清漂船的整體構(gòu)造

兩串列蹼板推進(jìn)器的速度可以分別控制，當(dāng)兩推進(jìn)器的速度出現(xiàn)差值時(shí)，清漂船即可完成大曲徑轉(zhuǎn)向操作，當(dāng)推進(jìn)器蹼板運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)清漂船即可完成原地轉(zhuǎn)向操作。清漂船的原地自轉(zhuǎn)如圖16所示，經(jīng)過測量，船身轉(zhuǎn)過90 °需要約10 s 的時(shí)間。

圖16 清漂船原地自轉(zhuǎn)測試

忽略測試環(huán)境中的風(fēng)場影響，對(duì)雙串列蹼板推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)的清漂船的行駛速度進(jìn)行測量，清漂船的速度U與蹼板速度Vd的關(guān)系如圖17 所示。經(jīng)過測量，在靜水中，當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率（120 W）驅(qū)動(dòng)下的串列蹼板的速度最大達(dá)到1.1 m/s 左右，對(duì)應(yīng)船速約為0.42 m/s。船速與蹼板速度成正比，在較高的蹼板速度下船速的增長幅度變緩。

圖17 清漂船速度與蹼板速度關(guān)系圖

3.5 TPP 的揚(yáng)水量測試

在現(xiàn)場測試過程中，特別注意了串列蹼板推進(jìn)器在工作中產(chǎn)生的揚(yáng)水現(xiàn)象是否與實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬表現(xiàn)一致。圖18 給出了串列蹼板推進(jìn)器在水面測試中的揚(yáng)水現(xiàn)象，并與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

圖18 現(xiàn)場水面測試與數(shù)值模擬對(duì)比圖

如圖18 所示，蹼板入水時(shí)會(huì)拍擊水面，在拍擊面周圍激起波浪，短時(shí)間內(nèi)會(huì)形成一個(gè)碗狀無水區(qū)域。自由液面下的蹼板在快速移動(dòng)時(shí)，會(huì)在蹼板的前進(jìn)側(cè)形成隆起，而在其另一側(cè)則會(huì)產(chǎn)生由低壓區(qū)導(dǎo)致的腔體，隨著時(shí)間增加，蹼板產(chǎn)生的隆起和空腔會(huì)更加劇烈，隨后蹼板上方會(huì)產(chǎn)生尖端朝向蹼板下邊緣的錐形破碎波浪，從而產(chǎn)生通風(fēng)腔。從圖18 中可以看到測試中自由液面的情況與文獻(xiàn)[7]中數(shù)模云圖情況較為吻合。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于淺吃水無人船的新型推進(jìn)裝置—串列蹼板推進(jìn)系統(tǒng)，并根據(jù)三維設(shè)計(jì)方案，制造推進(jìn)器樣機(jī)，并進(jìn)行不同蹼板速度、入水深度和曲度下的水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)蹼板運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的推力數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和處理，并比較了已有數(shù)值模擬結(jié)果。

結(jié)果顯示，推進(jìn)器推力隨著運(yùn)轉(zhuǎn)速度的增加而增大，但在不同蹼板浸沒深度下推力的增加幅度不同，在浸沒深度為95 mm 時(shí)，推力隨轉(zhuǎn)速變化最為劇烈；計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)一致，數(shù)值相差不大，平均誤差均在15%以內(nèi)，驗(yàn)證了已建立數(shù)值方法的有效性和準(zhǔn)確性。

單從推力來看，采用直板的推進(jìn)器產(chǎn)生推力最大，折板最小，但結(jié)合揚(yáng)水量及數(shù)值流場結(jié)果，在低進(jìn)速系數(shù)下，折板的揚(yáng)水量最小、效率最高，而直板的效率最低，故折板推進(jìn)系統(tǒng)在擁有較高推進(jìn)效率的同時(shí)，還會(huì)帶來較大的揚(yáng)水。

清漂船在雙推進(jìn)器的協(xié)同工作下可以完成原地自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向等操作，且推進(jìn)器產(chǎn)生的揚(yáng)水現(xiàn)象隨著蹼板速度的增加而越來越明顯。在一定范圍內(nèi)，清漂船的速度與蹼板速度呈線性增長，在目前電機(jī)功率的基礎(chǔ)上，清漂船達(dá)到的最大速度約為0.42 m/s。

本文所提出的設(shè)計(jì)方案將對(duì)我國近海、內(nèi)河、湖泊等水域的環(huán)境維護(hù)與信息監(jiān)測提供技術(shù)與裝備支持，助力城市“綠水青山”建設(shè)，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試方法與結(jié)果為無人清漂船的航行性能預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。未來可進(jìn)一步研究船體對(duì)推進(jìn)器性能的影響及雙推進(jìn)器的回轉(zhuǎn)操控特性，建立蹼板速度與轉(zhuǎn)向角度的關(guān)系，嘗試預(yù)報(bào)路徑參數(shù)；此外，本文是以內(nèi)河和小型景觀湖泊等無波浪水域?yàn)楸尘?，接下來可結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法研究串列蹼板推進(jìn)器在海洋波浪環(huán)境下的性能情況，建立不同海況下串列蹼板推進(jìn)性能的預(yù)測模型。