一种水下航行器用应急自平衡装置以及水下航行器

1.本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种水下航行器用应急自平衡装置以及水下航行器。


背景技术：

2.如今，人们越来越重视海洋开发，水下航行器是海洋开发的主要设备，越来越多的得到各个领域的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。水下航行器的续航能力强、航程远、机动性好的特点使其非常适合生、化、物等参数的测量工作，使其成为最常用的水下移动观测平台之一。
3.当前国内外海洋探测领域，1500米级深度水下航行器的发展已经相对成熟，但是其探测深度、探测范围不能有效满足科学研究需求。近年来，国内一些科研单位已经开始了大深度水下航行器的研制，例如2020年申请公开的“一种7000米级深渊水下滑翔机”，其申请公布号为cn112124538a，该发明公开了一种7000米级深渊水下滑翔机，包括艉部浸水舱段、浮力调节舱段、姿态调节舱段、天线等，该技术解决了大深度、高密度海洋水文观测需求。但是，目前，上述深渊水下滑翔机采用单一的浮力调节装置作为驱动力，机动性受限，如定深航行、短时较高速巡航作业模式等均无法完成。除此之外，对于一般的水下航行器，在人为误操作导致水下航行器机体进入应急模式即应急重物脱离机体后，水下航行器由于处于较大的正浮力状态，便会浮出水面，由于机体浮力大于重力，水下航行器便无法继续潜深作业，只能待工作人员对其进行“抢救”后才可继续作业，若水下航行器赴较远海域进行作业，显然“抢救”任务将会产生巨大的经济和时间成本。


技术实现要素：

4.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浮力控制调节功能单一，无应急调节浮力平衡的功能，运维成本高等问题的水下航行器用应急自平衡装置以及水下航行器。
5.本发明是这样实现的，一种水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，包括基架、电极端子、第一牵拉导线、应急浮力调节壳体、电磁阀、第二牵拉导线和配重体；所述电极端子设于所述基架上；所述第一牵拉导线与所述基架上的两电极端子形成通电后令第一牵拉导线熔断的第一电流通路；所述应急浮力调节壳体通过所述第一牵拉导线连接于所述基架，所述应急浮力调节壳体的内部设有浮力调节密封腔；所述电磁阀安装于所述应急浮力调节壳体，所述电磁阀与所述浮力调节密封腔连通，所述电磁阀连接非承载引线；所述第二牵拉导线通过非承载导线与两电极端子形成通电后令第二牵拉导线熔断的第二电流通路；所述配重体通过所述第二牵拉导线连接于所述应急浮力调节壳体。
6.在上述技术方案中，优选的，所述电极端子包括第一阳极端子、第二阳极端子和阴极端子，所述第一阳极端子、第一牵拉导线和阴极端子连接构成所述第一电流通路；所述第二阳极端子、非承载导线、第二牵拉导线和阴极端子连接构成所述第二电流通路。
7.在上述技术方案中，优选的，所述应急浮力调节壳体为圆柱形构造，所述应急浮力调节壳体的内部构成圆环形的所述浮力调节密封腔，圆环形的所述浮力调节密封腔内侧形成下端开口的圆柱形的中心嵌槽，所述配重体是配装于所述中心嵌槽中的圆柱体构造。
8.在上述技术方案中，优选的，所述电磁阀安装于所述浮力调节密封腔中，所述应急浮力调节壳体的侧壁设有与所述电磁阀连通的孔口。
9.在上述技术方案中，优选的，所述应急浮力调节壳体的上部安装水密线缆接头，与所述电磁阀连通的所述非承载引线自所述水密线缆接头引出至所述应急浮力调节壳体外侧。
10.在上述技术方案中，优选的，所述应急浮力调节壳体的上部安装有密封堵头。
11.在上述技术方案中，优选的，所述应急浮力调节壳体安装抽气单向阀，所述抽气单向阀用于浮力调节密封腔形成真空。
12.本发明申请的优点和效果是：
13.1、本技术提出的大深度水下航行器在人为误操作机体进入应急模式后的自平衡装置，当因为人为误操作原因使水下航行器的应急重物脱离机体后，重浮力不平衡导致水下航行器无法作业，本装置可使水下航行器重新恢复平衡及作业能力，同时自平衡装置仍能作为二次应急重物脱离机体，使水下航行器安全到达水面。
14.2、本自平衡装置在设计时，充分考虑了重物净重与进水质量相同，并且所进水的重心与重物重心均在浮力调节密封腔的几何轴线上，这样进入浮力调节密封腔的水便可替代重物，使水下航行器重新恢复到平衡状态。
15.3、本发明的大深度水下航行器的应急自平衡装置有四种工作模式：a、机体首次进入应急模式，配重体脱离机体；b、启动自平衡装置，使进入应急模式的机体重新恢复作业能力；c、机体再次进入应急模式，自平衡装置脱离机体；d、机体首次进入应急模式，重物脱离机体失败，自平衡装置脱离机体；该装置充分保障了水下航行器的安全性，避免由于重物脱离机体失败造成水下航行器无法上浮的问题。
16.本发明的另一目的，提出一种水下航行器，包括依次连接的艏部总成、舯部耐压舱总成和艉部总成，其特征在于，所述艉部总成中安装权利上述的应急自平衡装置。
17.在上述技术方案中，优选的，所述艏部总成安装有艏部浮力补偿模块，所述艉部总成安装有尾部浮力补偿模块。艏部和尾部浮力补偿模块内置可压缩液体，随水下航行器下潜深度的增加，可压缩液体被压缩后体积变小，由此便可补偿海水密度变化引起的浮力变化量，从而令使水下航行器的能耗进一步降低。
附图说明
18.图1是本发明中应急自平衡装置的结构示意图；
19.图2是本发明中应急自平衡装置的剖视图；
20.图3是本发明中水下航行器的结构示意图；
21.图4是本发明中艏部总成的结构示意图；
22.图5是本发明中舯部耐压舱总成的结构示意图；
23.图6是本发明中艉部总成的结构示意图。
具体实施方式
24.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。
25.为解决目前水下航行器浮力控制调节功能单一，无应急调节浮力平衡的功能，运维成本高等问题，本发明特提供一种水下航行器用应急自平衡装置以及水下航行器，本装置可令水下航行器具备浮力自主应急调节功能，提高水下航行器的机动性，以及令水下航行器具备浮起后的自主调节功能。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：
26.实施例一
27.请参阅图1和图2，一种水下航行器用应急自平衡装置，包括基架、电极端子、第一牵拉导线、应急浮力调节壳体、电磁阀、第二牵拉导线和配重体。
28.基架包括支撑板4-1和固定板4-2，支撑板为塑料的平面板体，固定板通过螺钉固定于支撑板，固定板由通过螺钉连接的塑料上固定板和塑料下固定板组成，固定板是本装置装载于水下航行器的连接部件。
29.电极端子设于基架上。电极端子包括第一阳极端子4-3、第二阳极端子4-4和阴极端子4-5。本实施例中，具体的，第一阳极端子、第二阳极端子和阴极端子固定于基架的支撑板。第一阳极端子、第二阳极端子和阴极端子通过自身形成的螺纹配装固定于支撑板。
30.第一牵拉导线4-6与基架上的两电极端子、海水形成第一电流通路。第一电流通路通电后，第一牵拉导线会电解熔断。本实施例中，具体的，第一阳极端子、第一牵拉导线、海水和阴极端子连接构成第一电流通路。第一牵拉导线为不锈钢丝，不锈钢丝的两端以绳结的方式连接第一阳极端子和应急浮力调节壳体。第一牵拉导线在第一电流通路上电后，在海水中发生电解反应，随后熔断。
31.应急浮力调节壳体4-7通过第一牵拉导线连接于基架。具体的，应急浮力调节壳体的上部通过螺钉固定塑料的上端板4-8，第一牵拉导线的下端以绳结的方式连接上端板。应急浮力调节壳体的内部设有浮力调节a密封腔。本实施例中，具体的，应急浮力调节壳体为圆柱形构造，应急浮力调节壳体的内部构成圆环形的浮力调节密封腔，圆环形的浮力调节密封腔内侧形成下端开口的圆柱形的中心嵌槽，由上壳体和下壳体通过焊接成形，焊口为两道环向焊口。应急浮力调节壳体的上部安装有密封堵头4-9。密封堵头通过螺纹拧紧在应急浮力调节壳体上端部，保证浮力调节密封腔的密封性。
32.应急浮力调节壳体安装抽气单向阀4-10，抽气单向阀用于浮力调节密封腔形成真空。抽气单向阀通过螺纹拧紧在。应急浮力调节壳体上，用来获取浮力调节密封腔内真空环境。
33.电磁阀4-11安装于应急浮力调节壳体，电磁阀与浮力调节密封腔连通，电磁阀连接非承载引线。本实施例中，具体的，电磁阀安装于浮力调节密封腔中，应急浮力调节壳体的侧壁设有与电磁阀连通的孔口。电磁阀在真空和常压水中均可工作，上电时阀口开启，断电时阀口闭合。应急浮力调节壳体的上部安装水密线缆接头4-12，与电磁阀连通的非承载引线4-13自水密线缆接头引出至应急浮力调节壳体外侧。水密线缆接头通过螺纹拧紧在应急浮力调节壳体上端部，通过接头上的o封圈保证密封性。非承载引线是电磁阀的电源和控
制线路。“非承载”是指其具备基本的导线功能而不具有牵拉能力，在第一牵拉导线熔断后，非承载的线体会在重力作用下断开，保证对应的部件脱离。
34.第二牵拉导线4-14通过非承载导线4-15与两电极端子、海水形成第二电流通路，第二电流通路通电后令第二牵拉导线在海水中发生电解反应，随后熔断。本实施例中，具体的，第二阳极端子、非承载导线、第二牵拉导线和阴极端子连接构成第二电流通路。即在上端板上通过螺纹安装第三阳极端子4-16，第三阳极端子与第二阳极端子通过非承载导线电连接，第二牵拉导线与第三阳极端子连接。
35.配重体4-17通过第二牵拉导线连接于应急浮力调节壳体。配重体是配装于中心嵌槽中的圆柱体构造。第二牵拉导线的两端以绳结的方式分别连接第三阳极端子和配重体。
36.本装置中，第二电流通路的通电可以令第二牵拉导线熔断，配重体可以自本装置脱离；电磁阀工作，可以令浮力调节密封腔中充水或者真空，令本装置自身重量改变；第一电流通路的通电可以令第一牵拉线熔断，应急浮力调节壳体以及未能顺利脱离的配重体可以实现整体脱离。三种方式可以实现对装载本装置的水下航行器多种处境下针对性的实现浮力补偿，以发挥应急自平衡的作用。
37.实施例二
38.请参阅图3，一种水下航行器，包括依次连接的艏部总成1、舯部耐压舱总成2和艉部总成3。
39.请参阅图4，艏部总成包括艏部前壳1-1、艏部浮力补偿模块1-2、艏部加固环1-3、艏部后壳1-4以及艏部连接件1-5，艏部前壳和艏部后壳为abs壳体。艏部加固环通过环向均布的螺钉将艏部前壳与艏部后壳固定连接。艏部浮力补偿模块通过四个圆周均布螺钉紧固在艏部前壳的环形加强肋上。艏部浮力补偿模块内置硅油可压缩液体，模块囊体为pe塑料材质。随下潜深度的增加，可压缩液体被压缩后体积变小，由此便可补偿海水密度变化引起的浮力变化量。艏部连接件与舯部耐压舱总成的耐压舱体的前端通过螺钉紧固相连，用于对所搭载的传感器进行连接固定。
40.请参阅图5，舯部耐压舱总成包括耐压舱体2-1、电源模块2-2、俯仰姿态调节模块2-3、控制模块2-4、浮力调节模块2-5以及导航与通讯模块2-6。其中耐压舱体为承压结构件，为能源模块、控制模块等提供干燥、常压的工作环境。电源模块为水下航行器提供能源，同时可通过位置变动来调整航行器重心位置，以此调节航行器俯仰姿态。俯仰姿态调节模块为电源模块位置变动的执行模块。控制模块控制水下航行器的运行以及传感器采集信息处理和存储。浮力调节模块通过调节水下航行器的浮力大小来实现水下航行器的上浮和下潜，并能够调整水下航行器的俯仰姿态。导航与通讯模块通过信号的发送与接收，实现水下航行器的定位及与操作者的实时信息交互。
41.请参阅图6，艉部总成包括艉部前壳3-1和艉部后壳3-2，艉部前壳和艉部后壳为abs壳体。还包括连接片3-3、环向加固环3-4、十字舵模块3-5、尾部浮力补偿模块3-6、推进器3-7以及实施例一所述的应急自平衡装置4。艉部前壳和艉部后壳借助环向固定环通过环向的螺钉紧固连接。连接片共有相同的4片，且通过螺钉紧固的方式固连在环形固定环与耐压舱体后部。十字舵模块通过调节水平舵和竖直舵的摆动角度，来达到控制水下航行器俯仰姿态和航向的目的。
42.尾部浮力补偿模块通过环向的螺钉与艉部后壳固定连接，用来补偿航行器下潜和
上浮时由于海水密度变化引起的浮力变化量。推进器安装在艉部总成的最尾端，用于给水下航行器提供向前的推力。应急自平衡装置通过螺钉紧固在耐压舱体后部。
43.水下航行器下潜到目标深度过程：开启下潜模式后，控制模块发送信号控制姿态调节模块调整姿态，然后控制浮力调节模块使水下航行器总体浮力减小，从而实现下潜；
44.定深巡航过程：当下潜到目标深度后，控制模块控制搭载的传感器进行信号测量并保存，同时控制姿态调节模块和十字舵保证航行姿态和航向，使水下航行器始终处于目标深度范围，呈水平航行状态，此时控制模块控制推进器和十字舵，使水下航行器进行定深巡航作业；
45.上浮过程：当定深探测巡航作业完成后，控制模块发送命令控制姿态调节模块调节姿态，并控制浮力调节模块使水下航行器总体浮力增大，从而实现上浮，当到达水面后，与路基总控台进行通讯。
46.本应急自平衡装置工作状态一：应急自平衡装置使人为误操作引起应急模式之后的水下航行器自平衡，并恢复再次作业能力。
47.在人为误操作致使水下航行器进入应急模式后，控制模块控制电源模块给第二阳极端子和阴极端子通电，此时第二牵拉导线将会发生电解熔断，电解熔断之后，配重体自水下航行器机体脱离，水下航行器由于处于正浮力状态便会回到水面，工作人员确认水下航行器满足再次作业条件时，控制模块控制电源模块通过非承载引线和水密线缆接头给电磁阀上电，阀口开启，在真空吸力作用下，浮力调节密封腔内会注满水，所注入水的重力将会等效替代应急重物重力，使水下航行器继续保持平衡状态(不计电磁阀、抽气单向阀对平衡的轻微影响)，由于待操作人员检测到水下航行器姿态平衡后，便可将电源模块断电。
48.本应急自平衡装置工作状态二：在水下航行器的配重体因故障脱离机体失败时，通过应急自平衡装置中安装配重体的应急浮力调节壳体脱离机体，来保障水下航行器的安全性。
49.水下航行器进入应急模式后，控制模块控制电源模块给第二阳极端子和阴极端子通电，此时第二牵拉导线将会发生电解熔断，电解熔断之后，配重体理应从水下航行器机体脱离，此时配重体没有脱离机体，水下航行器将处于十分危险状态，若出现该情况，操作人员通过控制模块控制电源模块给第一阳极端子和阴极端子通电，此时第一牵拉导线将会发生电解，在重力作用下，非承载导线和非承载引线相继被拉断，此时应急浮力调节壳体及其内部件、配重体等均脱离水下航行器机体，此时水下航行器在正浮力作用下将会浮出水面。
50.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：
1.一种水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，包括：基架；电极端子，所述电极端子设于所述基架上；第一牵拉导线，所述第一牵拉导线与所述基架上的两电极端子形成通电后令第一牵拉导线熔断的第一电流通路；应急浮力调节壳体，所述应急浮力调节壳体通过所述第一牵拉导线连接于所述基架，所述应急浮力调节壳体的内部设有浮力调节密封腔；电磁阀，所述电磁阀安装于所述应急浮力调节壳体，所述电磁阀与所述浮力调节密封腔连通，所述电磁阀连接非承载引线；第二牵拉导线，所述第二牵拉导线通过非承载导线与两电极端子形成通电后令第二牵拉导线熔断的第二电流通路；配重体，所述配重体通过所述第二牵拉导线连接于所述应急浮力调节壳体。2.根据权利要求1所述的水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，所述电极端子包括第一阳极端子、第二阳极端子和阴极端子，所述第一阳极端子、第一牵拉导线和阴极端子连接构成所述第一电流通路；所述第二阳极端子、非承载导线、第二牵拉导线和阴极端子连接构成所述第二电流通路。3.根据权利要求2所述的水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，所述应急浮力调节壳体为圆柱形构造，所述应急浮力调节壳体的内部构成圆环形的所述浮力调节密封腔，圆环形的所述浮力调节密封腔内侧形成下端开口的圆柱形的中心嵌槽，所述配重体是配装于所述中心嵌槽中的圆柱体构造。4.根据权利要求2所述的水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，所述电磁阀安装于所述浮力调节密封腔中，所述应急浮力调节壳体的侧壁设有与所述电磁阀连通的孔口。5.根据权利要求4所述的水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，所述应急浮力调节壳体的上部安装水密线缆接头，与所述电磁阀连通的所述非承载引线自所述水密线缆接头引出至所述应急浮力调节壳体外侧。6.根据权利要求5所述的水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，所述应急浮力调节壳体的上部安装有密封堵头。7.根据权利要求6所述的水下航行器用应急自平衡装置，其特征在于，所述应急浮力调节壳体安装抽气单向阀，所述抽气单向阀用于浮力调节密封腔形成真空。8.一种水下航行器，包括依次连接的艏部总成、舯部耐压舱总成和艉部总成，其特征在于，所述艉部总成中安装权利要求1-7任一所述的应急自平衡装置。9.根据权利要求8所述的水下航行器，其特征在于：所述艏部总成安装有艏部浮力补偿模块，所述艉部总成安装有尾部浮力补偿模块。

技术总结
本发明公开了一种水下航行器用应急自平衡装置以及水下航行器，属于水下航行器技术领域，应急自平衡装置包括基架、电极端子、第一牵拉导线、应急浮力调节壳体、电磁阀、第二牵拉导线和配重体；电极端子设于基架上；第一牵拉导线与电极端子形成第一电流通路；应急浮力调节壳体通过第一牵拉导线连接于基架，应急浮力调节壳体的内部设有浮力调节密封腔；电磁阀安装于应急浮力调节壳体，电磁阀与浮力调节密封腔连通，电磁阀连接非承载引线；第二牵拉导线与电极端子形成第二电流通路；配重体通过第二牵拉导线连接于应急浮力调节壳体。本装置可令水下航行器具备浮力自主应急调节功能，提高水下航行器的机动性，以及令水下航行器具备浮起后的自主调节功能。的自主调节功能。的自主调节功能。


技术研发人员：王延辉 孙通帅 杨绍琼 牛文栋 杨明 马伟 卢法良
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/5/23