专利名称：一种三螺旋桨主动矢量推进的方法
技术领域：
本发明涉及一种水下航行器的推进方法，尤其是--- 种三螺旋桨主动矢量推 进方法。
背景技术：
目前，比较成熟的国内外研制的水下航行器的推进方式， 一般都是采用多 个螺旋桨进行协同控制，获得载体的操控力和操控力矩，实现水下航行器诸如 前进、后退、转弯等机动动作。若期望水下航行器实现上浮、下潜、俯仰等机 动动作，则需要增加操控舵或者螺旋桨推进装置。而过多地配置螺旋桨推进器 或引入操控舵，在提高载体航行机动能力的同时，将增加航行阻力。而且有的 航行器的螺旋桨不使用时可能成为航行的阻力乃至障碍，从而使系统的复杂性 大大提高而整体的可靠性却大为降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种三螺旋 桨主动矢量推进的方法，使用该方法可使水下航行器不仅可以前进、后退、转 弯，还可以上浮、下潜、俯仰，动作自如而不需要增加操控舵。
本发明的技术解决方案是，所述这种三螺旋桨主动矢量推进的方法，是利 用三个螺旋桨多方位的主动矢量推进力的有机配合来替代操控舵的功能以实现 水下航行器的各种机动动作。即是遵循下述步骤
1、 在水下航行器载体l上，安装包括如图l所示的第一螺旋桨主动矢量推
进器2、第二螺旋桨主动矢量推进器3和第三螺旋桨主动矢量推进器4在内的三 套螺旋桨主动矢量推进器，其中所述第一螺旋桨主动矢量推进器2与第二螺旋 桨主动矢量推进器3左右对称地分别安装在所述水下航行器载体1的两翼，所 述第三螺旋桨主动矢量推进器4安装在所述水下航行器载体1的机尾。所述该 三套螺旋桨主动矢量推进器的螺旋桨7，参见图2，皆朝向机尾方向；
2、 通过对上述三套螺旋桨主动矢量推进器的协同操控来实现水下航行器的 前进、后退、转弯、上浮、下潜、偏航(参见图3。)、俯仰(参见图4。)、 水下悬浮(参见图5。)、侧向平移(参见图6。)、可控横滚(参见图7。) 等各种机动动作。本发明的一种三螺旋桨主动矢量推进方法，参见图1 2，如上述系利用安 装在水下航行器载体1上的三套螺旋桨主动矢量推进装置的多个螺旋桨多方位 的:fe动矢量推进力的有机配合，来替代操控舵的功能以实现水下航行器的各种 机动动作。设所采用的螺旋桨7的旋转方向均为右旋，并定义其产生推进力指
向动力源5的旋转方向为正向。以载体几何中心为原点o，过。点沿载体前进方
向为^轴，过o点且竖直向上为z轴，通过右手定则确定^轴，建立直角坐标系
"""。将第-螺旋桨主动矢量推进器2和第二螺旋桨主动矢量推进器3对称地安 装在水下航行器载体1前部两侧机翼上，使螺旋桨7的支撑轴6在伸直的情况 下与^方向平行，螺旋桨7朝向机尾安装。第三螺旋桨主动矢量推进器4安装 在水下航行器载体1尾部中间位置，使其支撑轴6在伸直的情况下与^方向平 行，且与前两套推进器处于同一高度，螺旋桨7亦朝向机尾方向。此时若操控 螺旋桨7正向或者反向旋转，则产生与^方向相同或者相反的推进力，完成水
F航行器前进或后退的机动动作。
本发明使用的上述螺旋桨主动矢量推进器装置，参见图2，之所以能够使水
卜航行器胜任上述各种机动动作，是因为其螺旋桨7在动力源5的驱动下可以 绕其支撑轴6在空间范围内偏摆。在螺旋桨偏摆到空间某一姿态后，还可以保 持该姿态下绕自身轴线旋转，从而产生大小和空间方向均可以变化的矢量推进 力，完成多个螺旋桨协同配合的功能。将至少三套这种螺旋桨主动矢量推进装 赏安装在水下航行器上，其中两套左右对称地安装在其两侧机翼靠前处， 一套 安装在其尾部纵向对称面处，通过控制该三套螺旋桨主动矢量推进装置的协同 推进，完成水下航行器载体的上述各种复杂的机动动作，从而满足水下复杂环 境对水下航行器的机动航行能力的要求。
本发明使用时，参见图3，欲实现水下航行器向左偏航，保持第一螺旋桨主 动矢量推进器2和第二螺旋桨主动矢量推进器3的支撑轴6与^方向相同，操 控第三螺旋桨主动矢量推进器4的支撑轴6在^^平面内向^轴正向偏转，同时 操控螺旋桨7旋转，即可产生沿M轴的正向偏航力矩。此外，还可以操控第三 螺旋桨矢量推进器4的支撑轴6在^^平面内向^轴正向偏转，操控第一螺旋桨 主动矢量推进器2和第二螺旋桨主动矢量推进器推进器3的支撑轴6同时在^W 平面内向炒轴负向偏转，产生更大的偏航力矩，完成向左的迅速偏航；欲实现 水下航行器向右偏航，则操控支撑轴6在^^平面内向^轴负向偏转；而欲实现水下航行器原地转弯，只需将第一螺旋桨主动矢量推进器2的偏转方向与第二 螺旋桨主动矢量推进器3的偏转方向反相操控，同时反相调整螺旋桨7的旋转 方向，使其产生反向拉力即可。
参见图4，欲实现水下航行器下潜，可保持第一螺旋桨主动矢量推进器2和 第二螺旋桨主动矢量推进器3的支撑轴6与^方向相同，然后操控第三螺旋桨 主动矢量推进器4的支撑轴6在^z平面内向^轴负向偏转。同时操控螺旋桨7
旋转，即可以产生沿^轴正向的俯仰力矩。此外，还可操控第一螺旋桨矢量推 进器2和第二螺旋桨矢量推进器3的支撑轴6同时在"。z平面内向oz轴正向偏转， 操控第三螺旋桨主动矢量推进器4的支撑轴6在加z平面内向oz轴负向偏转，产 生更大的俯仰力矩，完成迅速下潜之机动动作；而欲实现水下航行器上浮，只 需反相操控所有支撑轴6的偏转方向即可。
参见图5，欲实现水下航行器水下某一深度悬停时，可同时操控三套螺旋桨 t:动矢量推进器的支撑轴6在"z平面内向w轴的负向偏转，即可使得螺旋桨7 l':i身的轴线与^平行，然后操控螺旋桨7在该姿态下旋转，产生向上的推力， 即可克服水下航行器自身重力与浮力的差值，实现悬停。此外，还可以同时操 控三套螺旋桨主动矢量推进器的支撑轴6在^7平面内向^轴的正向偏转，从而 使得螺旋桨7自身的轴线与。z反向平行，然后操控螺旋桨7在该姿态下反向旋 转，产生向上的拉力，即可克服水下航行器自身重力与浮力差，实现悬停。由 此而来，在此种状态下，如不同转速分别操控三套螺旋桨主动矢量推进器的螺 旋桨7，亦可实现水下航行器的水下垂直升降。
参见图6，欲实现水下航行器水下向左侧向平移时，可同时操控三套螺旋桨 ]:《动矢量推进器的支撑轴6在，平面内向^轴的负向偏转至螺旋桨7的轴线与 "、'、H亍，然后操控三套螺旋桨主动矢量推进器的支撑轴6在戶z平面内向oz轴负 向偏转一定角度，操控螺旋桨7产生在，z平面内与W轴正向成一定夹角的推进 力，该推进力一方面克服水下航行器自身重力与浮力差，另一方面推动水下航 行器向左即^正向移动；当欲实现水下航行器水下向右侧向平移时，操控方法 类似，只是三套螺旋桨主动矢量推进器的支撑轴6在"，平面内的偏转方向相反， 其它的偏转方向相同。
参见图7，欲实现水下航行器于行进中绕^轴正向横滚时，此时可操控第一 螺旋桨主动矢量推进器2在^z平面内后向^轴负向偏转，同时操控二螺旋桨主动矢量推进器3在切Z平面内向M轴正向偏转。保持第三螺旋桨主动矢量推进器 4的支撑轴6的轴线与^轴正向重合。操控三套螺旋桨主动矢量推进器中的螺旋
桨7正向旋转，则第一螺旋桨主动矢量推进器2和第二螺旋桨主动矢量推进器3 产生的推力将给水下航行器提供一个绕"轴正向的横滚力偶，使其产生横滚运 动，而第三螺旋桨主动矢量推进器4则提供水下航行器前进的推力。
本发明的有益效果是本发明的方法与现有的螺旋桨协同推进方法相比较，
大大简化了水下航行器的推进系统，具有很强的可移植性和实用性。其优点在
于
(1 )、螺旋桨推进器的采用数目可以少至三个即可实现水下航行器的各种 常规机动动作，大大降低了成本；
(2) 、使目前水下航行器几乎无法完成的机动动作如水下悬停、侧向平移、 可控横滚等得以完成；
(3) 、无需配置操控舵或鳍，使水下航行器结构简单、外形流畅而使得流 体阻力大为减小。
图1是本发明实施于水下航行器载体的使用状态参考图2是螺旋桨主动矢量推进器的结构示意图3是实施本发明的方法实现偏航动作时的使用状态参考图4是实施本发明的方法实现俯仰动作时的使用状态参考图5是实施本发明的方法实现水下悬浮动作时的使用状态参考图6是实施本发明的方法实现侧向平移动作时的使用状态参考图7是实施本发明的方法实现可控横滚动作时的使用状态参考图。
以上图1 7中的标示为
1— -水下航行器载体，
2— 第一螺旋桨主动矢量推进器，
3— 第二螺旋桨主动矢量推进器，
4— 第三螺旋桨主动矢量推进器，
5— 动力源，
6— 支撑轴，7—螺旋桨。
具体实施例方式
参见图1 2，本实施例中，本发明的三螺旋桨主动矢量推进方法所用安装 在水卜航行器载体1上的第一螺旋桨主动矢量推进器2、第二螺旋桨主动矢量推 进器3和第三螺旋桨主动矢量推进器4三套螺旋桨主动矢量推进装置均采用自 主研发的型号为LT-310型螺旋桨主动矢量推进器，该推进器的螺旋桨采用市售 LS-511型螺旋桨。设上述螺旋桨主动矢量推进器之螺旋桨7的旋转方向均为右 旋，并定义其产生推进力指向动力源5的旋转方向为正向。以水下航行器载体l 的儿何中心设为原点o，过o点沿载体前进方向为^轴，过o点且竖直向上为z轴， 通过右手定则确定^轴，建立直角坐标系^w。将第一螺旋桨主动矢量推进器2 和第二螺旋桨主动矢量推进器3对称地安装在水下航行器载体1前部两侧机翼 上，使螺旋桨7的支撑轴6在伸直的情况下与m方向平行，螺旋桨7朝向机尾 安装。第三螺旋桨主动矢量推进器4安装在水下航行器载体1尾部中间位置， 使其支撑轴6在伸直的情况下与^方向平行，且与前两套推进器处于同一高度， 螺旋桨7亦朝向机尾方向。
J:述结构的本发明的这种三螺旋桨主动矢量推进的方法经在多处试验，被 证明效果良好，完全达到设计要求。
权利要求
1、一种三螺旋桨主动矢量推进的方法，该方法为下述步骤(1)、在水下航行器载体(1)上，安装包括第一螺旋桨主动矢量推进器(2)、第二螺旋桨主动矢量推进器(3)和第三螺旋桨主动矢量推进器(4)在内的三套螺旋桨主动矢量推进器，其中所述第一螺旋桨主动矢量推进器(2)与第二螺旋桨主动矢量推进器(3)左右对称地分别安装在所述水下航行器载体(1)的两翼，所述第三螺旋桨主动矢量推进器(4)安装在所述水下航行器载体(1)的机尾，所述该三套螺旋桨主动矢量推进器的螺旋桨(7)皆朝向机尾方向；(2)、通过对上述三套螺旋桨主动矢量推进器的操控来实现水下航行器的前进、后退、转弯、上浮、下潜、偏航、俯仰、水下悬浮、侧向平移、可控横滚。
全文摘要
本发明的一种三螺旋桨主动矢量推进的方法为下述步骤(1)在水下航行器载体(1)上，安装三套螺旋桨主动矢量推进器。其中第一螺旋桨主动矢量推进器(2)与第二螺旋桨主动矢量推进器(3)左右对称地安装在水下航行器载体(1)的两翼。第三螺旋桨主动矢量推进器(4)安装在水下航行器载体(1)的机尾。(2)通过对上述三套螺旋桨主动矢量推进器的操控实现水下航行器的前进、后退、转弯、上浮、下潜、偏航、俯仰、水下悬浮、侧向平移、可控横滚。本发明大大简化了水下航行器的推进系统，具有很强的可移植性和实用性。且结构简单、外形流畅、降低了成本。
文档编号B63G8/00GK101596931SQ20091004376
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者湘 张, 徐小军, 徐海军, 易声耀, 潘存云 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学