水下航行器的制作方法

文档序号:4135076阅读:417来源:国知局
专利名称:水下航行器的制作方法
技术领域
本发明涉及水下航行器领域,特别是涉及一种基于仿生学原理的水下 航行器。
背景技术
近年来,无人t)c下航行器(UUV, Unmanned Underwater Vehicle)作 为一种新兴的作战力量正在受到各军事大国的高度重视。与此同时,现代的 高科技战争条件也对无人水下航行器的航行能力、机动性和隐身性等提出 了越来越高的要求。然而,传统UUV普遍采用的是螺旋桨为主的推进器, 这些常规推进方式明显存在推进效率低、定位困难、转弯缺乏灵活性和悬 停不精确等缺点。
有鉴于此,在新一代水下作战平台中,出现了基于仿生学原理研制的 仿生无人水下航行器。相对于前述采用螺旋桨作为推进器的无人水下航行 器,仿生无人水下航行器以其效率较高、机动性较强、噪声较低和藏身于 水生动物群中等优势,比常规海战武器更加富有突防性、隐蔽性、欺骗性 和经济性,因而特别适合军事应用。
比如,其中通过对鱼类的运动方式进行研究和模仿,提出了一种仿生 鱼水下航行器。由于鱼类主要依靠其尾鳍的对称拍动获得向前的高效巡游 推进力,或通过非对称大角度的高速拍动获得拐弯的高机动(所谓C形机 动),因此其局限性是,游动方向的改变一般主要采用首先调整身体方向 然后再前游的方式获得,尤其是在竖直平面内的方向调整, 一般需要作用 力较小的胸鳍来緩慢实现,这就使得仿生鱼水下航行器尽管具有较高的推 进效率、在机动性等方面相对于前述采用螺旋桨作为推进器也有所提高, 但是其在诸如上浮、下潜、滚转、倒退以及急停等综合机动性能方面却受 到鱼类本身结构和运动方式的很大局限,最终无法突破和超越其模仿对象。
此外,现有技术中的仿生鱼水下航行器依靠单个尾鳍推进,并使用单关节、双关节抑或多关节仿生尾鳍。 一般而言,采用多关节尾鳍仿生鱼能 够通过身体的波动来产生推进力,尽管此种结构根接近低能耗的例如鳟鱼 式运动,但是其波动部分占体长的比例较高,因此其推进能力(速度与体 长之比)普遍不及单关节尾鳍。另一方面,多关节尾鳍在可靠性和成本方 面也不如单关节尾鳍。然而,使用单个尾鳍其推进能力难以得到进一步的 提高,而且尤为突出的问题是,依靠单个尾鳍推进的仿生鱼水下航行器本 体会随着尾鳍的摆动而晃动,不仅导致其运动稳定性很差,而且推进效率 也因此有所降低。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。 为此,本发明的一个目的在于提供一种水下航行器,该水下航行器能 够显著提高了水下航行器的推进能力。
为了达到上述目的,根据本发明的一个方面,提供一种水下航行器,
其包括主体;第一尾鳍部件和第二尾鳍部件,所述第一尾鳍部件和第二 尾鳍部件可摆动地且沿主体的横向并排地连接到所述主体上;和胸鳍部件, 所述胸鳍部件连接到所述主体上。
本发明由于采用并排连接到主体上的第 一尾鳍部件和第二尾鳍部件, 因此在保留单关节尾鳍在可靠性和成本方面优势的同时,以及在不增加水 下航行器体长的情况下能够显著提高水下航行器的推进能力。
此外,根据本发明实施例的水下航行器还具有如下附加技术特征 所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件相对于所述主体的纵向方向对称。 将所述第 一尾鳍部件和第二尾鳍部件对称地设置,当所述第 一尾鳍部 件和第二尾鳍部件摆动时有利于保持水下航行器的平衡性,避免因推力不
对称而发生不必要的偏转。
所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件摆动的相位差为180度。 将第一尾鳍部件和第二尾鳍部件摆动时的相位差设置为180度,即第 一尾鳍部件和第二尾鳍部件同时反向摆动,这样可以消除尾鳍部件向两側 交替地摆动所产生的横向作用力,能够保证水下航行器本体的稳定性。
所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件可同时摆动至分别与所述主体的纵向方向呈90度夹角的位置处。
由于所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件可同时反向摆动至分别与所述 主体的纵向方向呈90度的夹角的位置处,因此当水下航行器需要急停时, 可以通过所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件向所述位置处的摆动来实现紧 急制动。
所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件摆动的相位差为0度。 所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件可同时摆动至与所述主体的纵向方 向呈90度夹角的位置处。
由于所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件可以同向摆动且能够摆动至与 所述主体的纵向方向呈卯度的夹角的位置处,因此可以在水下航行器需要 急转弯时,通过所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件向所述位置处的摆动来
实现急转。
所述胸鳍部件包括第 一朴翼结构和第二朴翼结构,所述第 一朴翼结构 和第二朴翼结构对称地连接在所述主体的横向两侧,且所述第一朴翼结构 和第二朴翼结构相对于所述主体可摆动和/或可旋转。
由于在水下航行器中结合了具有鸟类翅膀特点的第一朴翼结构和第二 朴翼结构,其摆动和旋转运动的结合可以在与所述第一朴翼结构和第二朴
翼结构所在平面相垂直的纵向竖直平面内产生任意方向的推力矢量,因此 大大提高了水下航行器的机动性。
所述第一朴翼结构和第二朴翼结构可保持在正攻角位置或负攻角位置。
由此,所述第一朴翼结构和第二朴翼结构可以起到艏水平舵机动的作 用,以实现水下航行器的上浮或下潜机动。
所述所述第一朴翼结构和第二朴翼结构可同时保持在相对于所述主体 的纵向方向呈90度夹角的位置处。
这样,当水下航行器需要急停时,可以通过所述第一和第二朴翼结构 向所述位置处的摆动来进一步加强紧急制动效果。
所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件的推力平面与所述第一朴翼结构和 第二朴翼结构的推力平面相互正交。
由此,通过两个相互正交的平面内的推力的叠加,水下航行器可以在三维空间中获得360度的推力矢量,进而使得水下航行器具有极大的机动 能力。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面 的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。


本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述 中将变得明显和容易理解,其中
图1为根据本发明一个实施例的水下航行器的结构示意图,其中主体 部分采用半剖形式示出;
图2为根据本发明一个实施例的水下航行器中第一尾鳍部件和第二尾 鳍部件的动作示意图3A、 3B为根据本发明一个实施例的水下航行器中第一朴翼结构和 第二朴翼结构的动作示意图,示出了所述第一朴翼结构和第二朴翼结构在
执行前进和后退操作时的动作过程;
图4为根据本发明的一个实施例的水下航行器中第一或第二朴翼结构 及其动作和受力示意图。
具体实施例方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其 中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发 明,而不能了理解为对本发明的限制。
需要说明的是,在本发明中,术语"上"、"下"、"左"、"右" "横向"、"纵向"、"竖直"等位置关系为基于附图所示的位置关系, 仅仅是为了方便描述本发明,而不能解释为对本发明的限制。
下面参考附图1-4详细描述根据本发明实施例的水下航行器。
如图1所示,根据本发明一个实施例的水下航行器包括主体1、尾 鳍2以及胸鳍部件3。
在本实施例中,尾鳍2具体包括第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22。第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22沿主体1的横向方向并排地连接到主 体1的后部(例如后端)上且可以摆动,胸鳍部件3则连接到主体1的前 部。在图l所示的示例中,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22分别由鱼 尾鳍状的板构成。
因此,根据本发明的水下航行器,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件 22并排连接到主体1的后部,因此在保留单关节尾鳍在可靠性和成本方面 优势的同时,以及在不增加水下航行器体长的情况下通过增加尾鳍部件的 数量,进而显著提高水下航行器的推进能力(速度和体长之比)。需要指 出的是,尽管本实施例中仅描述了两个尾鳍部件,但本发明并不局限于此, 在水下航行器的航行工况允许的条件下,也可以设置其它数量比如4个的 尾鳍部件都是可以的。
在上述实施例中,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22沿横向并排设 置在主体l的后端,但本发明并不局限于此,可选地,第一尾鳍部件21和 第二尾鳍部件22可以沿图l上下方向并排设置。
此外,参见图1所示,主体1包括载物密封舱11、外壳12以及位于 头部的整流罩13等。外壳12构成主体1的框架结构,密封舱ll可用于容 置诸如仪器设备和/或武器部件等,而整流罩13则有利于减小水下航行器 在水中运动的阻力。由于这些结构可以为公知技术,不再赘述。
根据本发明的一个示例,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22相对于 主体l的纵向方向(即,主体l的长度方向,图l中的左右方向)相互对 称。这样,在所述第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22摆动时有利于保持 水下航行器巡游时的平衡性,避免由于推力不对称而发生不必要的偏转。
再者,如图2所示,根据本发明的一个示例,第一尾鳍部件21和第二 尾鳍部件22摆动的相位差为180度。换言之,第一尾鳍部件21和第二尾 鳍部件22在巡游时可同时反向或者说对称摆动。这样,由于第一尾鳍部件 21和第二尾鳍部件22相互对称且同时反向摆动,因此在正常推进的过程 中可以最大程度地消除现有技术中单个尾鳍向两侧交替摆动所产生的横向 作用力,进而能够保证水下航行器本体在航行中的稳定性。
此外,根据本发明的一个示例,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22 可同时反向摆动至分别与主体1的纵向方向呈90度夹角的位置处。换言之,由于所述第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22可分别向其所 在側摆动至与所述主体的纵向方向呈卯度的夹角的位置处,因此当水下航 行器需要急停时,可以通过所述第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22向所 述位置处的摆动来实现紧急制动。
另外,根据本发明的一个示例,所述第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件 22摆动的相位差也可以为0度。即,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22 也可以同向同步摆动。在这种情况下,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件 22能够同向同步摆动至与主体1的纵向方向呈90度夹角的位置处。由此, 当水下航行器需要急转弯时,可以通过所述第一尾鳍部件21和第二尾鳍部 件22向与主体1的纵向方向呈90度夹角的位置处的摆动(比如连续和急 速摆动)来实现急转。
根据本发明的另一个实施例,所述胸鳍部件3包括第一朴翼结构31和 第二朴翼结构32。该第一朴翼结构31和第二朴翼结构32对称地连接在所 述主体1的横向两侧,且第一朴翼结构31和第二朴翼结构32相对于主体 1具有两个自由度,即可相对于主体1摆动和/或旋转。
公知地,对于昆虫类飞行动物来说,它们一般通过翼的摆动(或称挥 拍)和旋转来保持翼运动过程中的高升力。另外,还可以通过改变拍动方 向或两翼的不对称性来调整受力方向,因而其机动性较之鱼类更为灵活。 而真实的鱼类胸鳍只有很小幅度的摆动,主要起稳定姿态和控制方向的作
用,由于昆虫翅膀处在小阻尼的流体环境中,所以其能够实现一个很复杂 的三维运动。对于组合仿生潜航器,要求朴翼胸鳍的推动性能远强于真实 胸鳍,所以需要有比胸鳍更大面积的朴翼。而对于水下航行器而言,其所 处环境较之昆虫翅膀,周围流体的粘性要大很多,所以不需要模拟高速的, 复杂的三维运动,只需实现二维的低速运动就可以产生所需要的机动和推 进性能。参见图3A、 3B,其中示出了第一朴翼结构31和第二朴翼结构32 在执行前进和后退操作时的动作过程。
如图4所示,筒化后的第一朴翼结构31或第二朴翼结构32够模拟两 个自由度的运动,即摆动和旋转。两种运动組合,可以产生x向的推力和 z向的升力,Y向的力则左右抵消。两种运动组合可以在与所述第一朴翼结 构31和第二朴翼结构32所在平面(此处指第一朴翼结构31和第二朴翼结构32既不摆动也不旋转时通常所处的平面)相垂直的纵向竖直平面(即推 力平面)内产生任意方向的推力矢量,因此大大提高了水下航行器的机动 性。
具体来说,在上挥过程中第一朴翼结构31或第二朴翼结构32保持正 攻角,下拍过程中保持负攻角,可以产生向前的推力。将旋转运动的中心 位置旋转90度,则产生上浮的升力。通过调整挥拍平面及其与旋转运动的 相位关系,两自由度胸鳍部件3可以产生任意方向的推力矢量。
根据本发明的一个示例,所述第一朴翼结构31和第二朴翼结构32可 以保持在正攻角位置、负攻角位置。这样,所述第一朴翼结构31和第二朴 翼结构32可以起到艏水平舶机动的作用,以在所述第一朴翼结构31和第 二朴翼结构32在保持正攻角和负攻角时分别实现水下航行器的上浮或下 潜机动。
根据本发明的一个示例,所述第一朴翼结构31和第二朴翼结构32可 同向同步摆动至相对于主体1的纵向方向呈卯度的位置处。由此,当水下 航行器需要急停时,可以通过所述第一朴翼结构31和第二朴翼结构32向 相对于主体1的纵向方向呈90度的位置处的摆动来进一步起到紧急制动的 效果。另外,所述第一朴翼结构31和第二朴翼结构32还可以彼此反向摆 动和/或旋转,以进一步提高水下航行器的机动性。
根据本发明的一个示例,第一朴翼结构31和第二朴翼结构32的推力 平面与第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22的推力平面相互正交。由此, 通过二个平面上推力的叠加,水下航行器可以在三维空间中获得各种角度 的推力矢量,进而使得水下航行器具有极大的机动能力。
此外,为了取得最佳的推进效果,可以将第一尾鳍部件21和第二尾鳍 部件22和第一朴翼结构31和第二朴翼结构32的推力中心与水下航行器的 重心保持在同一水平线上。
其中,第一尾鳍部件21和第二尾鳍部件22以及第一朴翼结构31和第 二朴翼结构32的摆动或旋转可以通过设置在主体1上的相应的舵机(未示 出)来实现,并通过控制单元(未示出)进行动作的调节和协调,比如正 常航行、急停、急转等。由于现有技术中已有能够实现摆动和/或旋转等自 由度的舵机,本领域的技术人员能够根据需要容易地进行选用,因此此处不予赘述。总之,本发明推出了组合仿生推进的技术方案,使用该种技术方案的 水下航行器集游动动物鱼类的高推进能力(并有所提高)和鸟类的高机动 能力之所长,突破了生物本身结构和功能的局限,与已有的仿鱼类航行器 相比,这种潜航器兼具上浮、下潜、翻转、后退机动等推力矢量,因此具 有噪声小、推进效率高、机动性高、定位准确、欺骗性强等优势。此外,通过多翼或鳍的适当组合,可以大幅减少仿生航行器的晃动。因此是兼具 高效的推进能力和高度的机动性和灵活性的水下航行器。根据本发明的水下航行器,不仅可应用于军事、科研以及资源勘查等 领域,而且也能在水下考古、水中摄影、探查狭窄水道、测绘海底地形地 貌,以及水中养殖和捕捞等方面,甚或作为水下微小型运载工具,在抢险 搜救等工作中均能发挥重要作用。尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种水下航行器,其特征在于,包括主体;第一尾鳍部件和第二尾鳍部件,所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件可摆动地且沿主体的横向并排地连接到所述主体上;和胸鳍部件,所述胸鳍部件连接到所述主体上。
2. 如权利要求1所述的水下航行器,其特征在于,所述第一尾鳍部件 和第二尾鳍部件相对于所述主体的纵向方向对称。
3. 如权利要求2所述的水下航行器,其特征在于,所述第一尾鳍部件 和第二尾鳍部件摆动的相位差为180度。
4. 如权利要求3所述的水下航行器,其特征在于,所述第一尾鳍部件 和第二尾鳍部件可同时摆动至分别与所述主体的纵向方向呈90度夹角的位置处。
5. 如权利要求2所述的水下航行器,其特征在于,所述第一尾鳍部件 和第二尾鳍部件摆动的相位差为o度。
6. 如权利要求5所述的水下航行器,其特征在于,所述第一尾鳍部件 和第二尾鳍部件可同时摆动至与所述主体的纵向方向呈90度夹角的位置 处。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的水下航行器,其特征在于,所述胸 鳍部件包括第一朴翼结构和第二朴翼结构,所述第一朴翼结构和第二朴翼 结构对称地连接在所述主体的横向两侧,且所述第一朴翼结构和第二朴翼 结构相对于所述主体可摆动和/或可旋转。
8. 如权利要求7所述的水下航行器,其特征在于,所述第一朴翼结构 和第二朴翼结构可保持在正攻角位置或负攻角位置。
9. 如权利要求7所述的水下航行器,其特征在于,所述第一朴翼结构 和第二朴翼结构可同时保持在相对于所述主体的纵向方向呈卯度夹角的位置处。
10. 如权利要求7所述的水下航行器,其特征在于,所述第一尾鳍部 件和第二尾鳍部件的推力平面与所述第一朴翼结构和第二朴翼结构的推力平面相互正交。
全文摘要
本发明公开了一种水下航行器,其包括主体;第一尾鳍部件和第二尾鳍部件,所述第一尾鳍部件和第二尾鳍部件可摆动地且沿主体的横向并排地连接到所述主体上;和胸鳍部件,所述胸鳍部件连接到所述主体上。本发明的水下航行器兼具高效能推进能力和高机动性,可广泛应用于军事、科学研究以及资源勘查等领域。
文档编号B63H1/36GK101643113SQ200910161349
公开日2010年2月10日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者通 金 申请人:中国科学技术大学
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