一种具有可收展机翼的长航程水下航行器

1.本发明属于水下探测设备技术领域，尤其涉及一种具有可收展机翼的长航程水下航行器。


背景技术：

2.海洋是我国经济社会高质量发展的战略要地，是重要的战略空间，也是孕育新产业、拓展新空间、引领新增长的重要领域。关心海洋、认识海洋、经略海洋，走向深海是海洋强国建设的必由之路。进入二十一世纪伊始，美国海洋政策委员会就向国会提交了《21世纪海洋蓝图》，瞄准海洋战略制高点，制定国家海洋发展战略。随后欧盟、澳大利亚、日本、韩国等发达国家或经济体相继提出了海洋发展规划和战略，加强海洋生物产业布局。2017年，联合国大会宣布2021年到2030年为“国际海洋科学促进可持续发展十年”，开启了全面认识海洋、经略海洋、保护海洋的新时代。
3.具备修长机翼的水下滑翔机凭借续航能力突破千公里级而得到逐渐普及，螺旋桨驱动的自主水下航行器凭借高机动性而进行商业化普及，但由于机翼的物理结构限制，能够实现兼顾续航能力和高机动能力的长航行水下航行器具有更为广阔的应用前景。
4.当前长航程水下航行器主要有美国的tethys auv、英国的autosub lr auv、挪威的hugin endurance auv等，国内外一些科研单位已经开始了长航程水下航行器的研发工作，但是多数是从能源携带量、控制策略及随波逐流等方式来实现航程的大幅度提升，存在控制算法复杂、整机吨位较大的弊端。从物理结构的根本角度融合两种航行器的航行特点而提升续航能力的设计较少，例如2018年公开的“一种大型重载混合驱动水下滑翔机”专利号为201810508824.8，该发明公开了一种大型重载混合驱动水下滑翔机，包括滑翔机机身、浮力调节装置、姿态调节装置、折叠翼装置、能源模块等，该技术解决了多航行器运动结合的问题，但是其采用的折叠翼装置运动副较多，传动结构复杂，对航行器外形破坏较大，在海洋长航程航行过程中故障率极高，难以实现普及化应用，造成了能源的浪费，甚至航行器丢失。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决目前水下航行器续航能力和高机动能力难以兼具，兼具两性能的少数设备存在控制算法复杂、整机吨位较大、传动结构复杂、故障率高等问题的具有可收展机翼的长航程水下航行器。
6.本发明是这样实现的，一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，包括航行器本体，所述航行器本体具有壳体和推进器，其特征在于，还包括转轴、翻转机翼和机翼驱动电机，所述壳体的两侧对称安装所述转轴，所述转轴与所述壳体构成转动副，所述转轴的轴线与所述航行器本体的轴线不平行且不相交；两所述翻转机翼分别安装于所述转轴；所述机翼驱动电机与所述转轴连接并驱动所述转轴转动；
7.在航行器本体的轴线上设定原点o建立直角坐标系o-xyz，航行器本体沿轴线自前
端顶点指向尾部的向量为oz，xoz平面与水平面平行，xoy平面与航行器轴线垂直，机翼后缘后掠角为，翻转机翼自水平的展开状态转换至收合状态时，翻转机翼绕转轴额轴线旋转角度为，转轴的轴线矢量k(kx，ky，kz)在坐标系xoy中的各个分量表达式为：
[0008][0009]
在上述技术方案中，优选的，所述壳体的两侧对称安装机翼座，所述机翼座设有轴孔，所述转轴配装于所述轴孔，所述转轴与所述机翼座构成转动副。
[0010]
在上述技术方案中，优选的，所述机翼座具有设于壳体外侧的外座部和设于壳体内侧的内座部，所述外座部和内座部之间形成与所述壳体结合的卡槽，所述卡槽内设置用于对机翼座与壳体密封的密封圈。
[0011]
在上述技术方案中，优选的，所述轴孔设于所述外座部和内座部，所述轴孔贯通所述壳体的内侧和外侧，所述转轴的外圆周面设有圆环形密封槽，所述圆环形密封槽中安装用于对转轴与机翼座密封的密封圈。
[0012]
在上述技术方案中，优选的，所述机翼驱动电机设于所述壳体内侧，所述机翼驱动电机的输出轴与所述转轴连接。
[0013]
在上述技术方案中，优选的，所述机翼驱动电机安装于所述内座部。
[0014]
在上述技术方案中，优选的，所述机翼驱动电机为双出轴电机，所述机翼驱动电机的之一输出轴与所述转轴连接，所述机翼驱动电机的之另一输出轴连接角度传感器，所述角度传感器安装于所述内座部。
[0015]
在上述技术方案中，优选的，所述转轴的外端部安装机翼连接件，机翼连接件用于翻转机翼与转轴的外端部固定连接。
[0016]
在上述技术方案中，优选的，所述航行器本体包括自前至后依次设置的艏部单元、前部单元、姿态调节单元、浮力调节单元和尾部单元，所述翻转机翼安装于所述前部单元。
[0017]
在上述技术方案中，优选的，所述的艏部单元包括前导流罩、任务传感器；所述姿态调节单元包括导轨和姿态调整电机；所述浮力调节单元包括浮力电机、油泵、内油箱和外油囊；所述尾部单元包括通讯单元、后导流罩、垂直尾舵、水平尾舵、抛载单元、任务传感器和所述推进器。
[0018]
本发明专利申请的优点和效果是：
[0019]
1、本技术技术方案所提出的长航程水下航行器可以通过翻转机翼的展开和收合动作，令水下航行器从物理结构角度具备水下滑翔机锯齿形轨迹的滑翔运动模式和自主水下航行器的自主高速定深航行模式，兼具续航能力和高机动能力。
[0020]
2、本技术技术方案所提出的长航程水下航行器所具备的可折展翻转机翼，可以实现机翼展长变化：浮力驱动状态下翻转机翼完全展开，航行器可以具备高升阻比，进而实现
远距离滑翔；推进器驱动状态下翻转机翼平面与航行器艇体外形轮廓线相切，大幅降低升阻比，缩小机翼对航行器俯仰姿态的影响，有效提升航行精度；水下航行器在由水面下潜至设定深度或由特定深度上浮至水面时，可以将翻转机翼展开，进而实现滑翔下潜或上浮，大幅提升航行器的续航里程。
[0021]
3、本技术技术方案所提出的长航程水下航行器中的每个展翻转机翼折展机构均只为一个转动副，结构简单、传动可靠、且故障率低，对航行器外形破坏性小。
[0022]
4、本技术技术方案所提出的长航程水下航行器中的两个翻转机翼可独立动作，可以将一个翻转机翼收起，另一个翻转机翼展开而实现转向运动，同时也可以与垂直尾舵协同运动，进一步缩小航行器的转弯半径，提升航行器的机动性。
附图说明
[0023]
图1为本发明的具有可收展机翼的长航程水下航行器总体示意图。
[0024]
图2为本发明的具有可收展机翼的长航程水下航行器的机翼收起时总体示意图。
[0025]
图3为本发明的可收展翼单元结构示意图。
[0026]
图4为本发明的可收展翼单元剖视结构示意图。
具体实施方式
[0027]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]
为解决目前水下航行器续航能力和高机动能力难以兼具，兼具两性能的少数设备存在控制算法复杂、整机吨位较大、传动结构复杂、故障率高等问题，本发明特提供一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，本航行器兼具续航能力以及机动性，且结构简单、故障率低。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：
[0029]
请参阅图1-图4，一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，包括航行器本体，航行器本体具有壳体和推进器。航行器本体是指具有水下航行和探测基本功能的设备主体。本实施例中，航行器本体包括自前至后依次设置的艏部单元1、前部单元2、姿态调节单元3、浮力调节单元4和尾部单元5。艏部单元、前部单元、姿态调节单元、浮力调节单元和尾部单元的外部壳体形成前端带导流罩的圆柱状的航行器外壳。
[0030]
本实施例中，具体的：
[0031]
艏部单元包括前导流罩、任务传感器、前密封端盖和配重块。前导流罩与任务传感器采用共形设计，任务传感器的类别可以为温盐深、声学、视觉、叶绿素等传感器。配重块用于调整整机重量和浮力的初始关系。
[0032]
前部单元是位于航行器中前部的结构单元，前部单元包括能源模块、外部壳体和连接环，连接环是用于前部单元的外部壳体与相邻单元的外部壳体之间连接的部件，其结构和连接方式为常规已知技术。
[0033]
姿态调节单元是调节航行器航行姿态的功能单元，包括外部壳体、连接环、能源模块、导轨和姿态调整电机，其中，能源模块作为该水下航行器的能源供给，也可在姿态调节电机的驱动下沿着导轨移动，进而调整整机质心和姿态，上述导轨的轴线与航行器轴线平
行。
[0034]
浮力调节单元是用于控制航行器上浮和下潜的功能单元，包括外部壳体、电机、油泵、内油箱和外油囊，内油箱的体积可调节，整个浮力调节单元的作用为控制水下航行器整机的排水体积。
[0035]
尾部单元包括后端盖、通讯单元、后导流罩、水平尾舵5-1、垂直尾舵5-2、抛载模块、任务传感器和推进器5-3。抛载模块与后端盖通过电磁铁进行连接，上述电磁铁的磁力在通电状态下可消失。垂直尾舵为上下两个相同舵面，采用一个驱动电机同轴驱动。水平尾舵为左右两个相同舵面，采用一个驱动电机同轴驱动。抛载单元位于尾部单元的下部。本实施例中，推进器为螺旋桨推进器。
[0036]
上述艏部单元、前部单元、姿态调节单元、浮力调节单元和尾部单元为常规已知构造，本技术不对上述单元的具体结构进行限定，凡是具备推进器的、具有水下自主航行功能的航行器部件总成均可适用于本技术方案中。
[0037]
还包括转轴6、翻转机翼7和机翼驱动电机8。转轴、翻转机翼和机翼驱动电机构成航行器所装配的可收展机翼组件。
[0038]
具体的，壳体的两侧对称安装转轴，转轴与壳体构成转动副，转轴的轴线与航行器本体的轴线不平行且不相交。本实施例中，壳体的两侧对称安装机翼座9，机翼座是转轴安装于航行器壳体的座体部件。机翼座具有设于壳体外侧的外座部9-2和设于壳体内侧的内座部9-2，外座部和内座部之间形成与壳体结合的卡槽9-3，外座部和内座部是机翼座中相连接的两部分，机翼座安装于壳体的状态下，外座部是位于壳体外侧部分，内座部是位于壳体内侧的部分。卡槽是用于壳体装卡壳体壳板的环形槽构造，外座部和内座部分别压紧于壳体的外壳面和壳体的内壳面。卡槽内设置用于对机翼座与壳体密封的密封圈。
[0039]
机翼座设有轴孔，转轴配装于轴孔，转轴与机翼座构成转动副。转轴配装在轴孔的状态下，转轴具有绕自身轴线转动的自由度，这种套体构件与轴件之间形成转动副的结构方式是机械领域常规已知技术。转轴以机翼座为装载基础，可绕自身轴线转动。轴孔设于外座部和内座部，轴孔贯通壳体的内侧和外侧。转轴的外端伸出航行器的壳体外侧，转轴的内端位于壳体的内侧。转轴的外圆周面设有圆环形密封槽，圆环形密封槽中安装用于对转轴与机翼座密封的密封圈。
[0040]
两翻转机翼分别安装于转轴。本实施例中，翻转机翼为板体构造，转轴的外端部安装机翼连接件10，机翼连接件用于翻转机翼与转轴的外端部固定连接。具体的，机翼连接件包括与转轴端部连接的套部10-1，此套部与转轴端部过盈配合，保证二者之间不会产生相会活动。套部具有与其一体成形的侧夹板10-2，此侧夹板通过紧固件连接另一可拆卸的侧夹板。两侧夹板分别位于翻转机翼连接部的两侧，通过两个侧夹板的夹紧连接，实现翻转机翼与转轴的连接。侧夹板与翻转机翼加工出相对应的通孔，通过贯通相对应的通孔的螺栓螺母实现对翻转机翼的夹紧。套部与侧夹板的板面的角度设计，决定翻转机翼与转轴轴线之间的位置关系。
[0041]
以航行器本体的前端顶点为原点o建立直角坐标系o-xyz，航行器本体沿轴线自前端顶点指向尾部的向量为oz，xoz平面与水平面平行，xoy平面与航行器轴线垂直，机翼后缘后掠角为，翻转机翼自水平的展开状态转换至收合状态时，翻转机翼绕转轴额轴线旋转角度为，转轴的轴线矢量k(kx，ky，kz)在坐标系xoy中的各个分量表达式为：
[0042][0043]
机翼驱动电机与转轴连接并驱动转轴转动。本实施例中，机翼驱动电机设于壳体内侧，机翼驱动电机的输出轴与转轴连接。机翼驱动电机安装于内座部。机翼驱动电机为双出轴电机，机翼驱动电机的之一输出轴与转轴连接，机翼驱动电机的之另一输出轴连接角度传感器，角度传感器安装于内座部。
[0044]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，包括航行器本体，所述航行器本体具有壳体和推进器，其特征在于，还包括：转轴，所述壳体的两侧对称安装所述转轴，所述转轴与所述壳体构成转动副，所述转轴的轴线与所述航行器本体的轴线不平行且不相交；翻转机翼，两所述翻转机翼分别安装于所述转轴；机翼驱动电机，所述机翼驱动电机与所述转轴连接并驱动所述转轴转动；在航行器本体的轴线上设定原点o建立直角坐标系o-xyz，航行器本体沿轴线自前端顶点指向尾部的向量为oz，xoz平面与水平面平行，xoy平面与航行器轴线垂直，机翼后缘后掠角为θ
w
，翻转机翼自水平的展开状态转换至收合状态时，翻转机翼绕转轴额轴线旋转角度为σ，转轴的轴线矢量k(kx，ky，kz)在坐标系xoy中的各个分量表达式为：2.根据权利要求1所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述壳体的两侧对称安装机翼座，所述机翼座设有轴孔，所述转轴配装于所述轴孔，所述转轴与所述机翼座构成转动副。3.根据权利要求2所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述机翼座具有设于壳体外侧的外座部和设于壳体内侧的内座部，所述外座部和内座部之间形成与所述壳体结合的卡槽，所述卡槽内设置用于对机翼座与壳体密封的密封圈。4.根据权利要求3所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述轴孔设于所述外座部和内座部，所述轴孔贯通所述壳体的内侧和外侧，所述转轴的外圆周面设有圆环形密封槽，所述圆环形密封槽中安装用于对转轴与机翼座密封的密封圈。5.根据权利要求4所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述机翼驱动电机设于所述壳体内侧，所述机翼驱动电机的输出轴与所述转轴连接。6.根据权利要求5所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述机翼驱动电机安装于所述内座部。7.根据权利要求6所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述机翼驱动电机为双出轴电机，所述机翼驱动电机的之一输出轴与所述转轴连接，所述机翼驱动电机的之另一输出轴连接角度传感器，所述角度传感器安装于所述内座部。8.根据权利要求7所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述转轴的外端部安装机翼连接件，机翼连接件用于翻转机翼与转轴的外端部固定连接。9.根据权利要求1或8所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述航行器本体包括自前至后依次设置的艏部单元、前部单元、姿态调节单元、浮力调节单元和尾部单元，所述翻转机翼安装于所述前部单元。
10.根据权利要求9所述的一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，其特征在于，所述的艏部单元包括前导流罩、任务传感器；所述姿态调节单元包括导轨和姿态调整电机；所述浮力调节单元包括浮力电机、油泵、内油箱和外油囊；所述尾部单元包括通讯单元、后导流罩、垂直尾舵、水平尾舵、抛载单元、任务传感器和所述推进器。

技术总结
本发明公开一种具有可收展机翼的长航程水下航行器，属于水下探测设备技术领域，包括航行器本体，所述航行器本体具有壳体和推进器，其特征在于，还包括转轴、翻转机翼和机翼驱动电机，所述壳体的两侧对称安装所述转轴，所述转轴与所述壳体构成转动副，所述转轴的轴线与所述航行器本体的轴线不平行且不相交；两所述翻转机翼分别安装于所述转轴；所述机翼驱动电机与所述转轴连接并驱动所述转轴转动；本航行器可以通过翻转机翼的展开和收合动作，令水下航行器从物理结构角度具备水下滑翔机锯齿形轨迹的滑翔运动模式和自主水下航行器的自主高速定深航行模式，兼具续航能力以及机动性，且结构简单、故障率低。故障率低。故障率低。


技术研发人员：王延辉 孙通帅 杨绍琼 牛文栋 杨明 马伟
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/5/31