一种近中性浮力的软体充液水下滑翔机的制作方法

本发明属于水下航行器领域，具体涉及是一种利用充液进行自适应浮力调节的近中性浮力水下滑翔机。

背景技术：

水下滑翔机是一种新型海洋探测监测装备，具有续航时间长、巡航范围广、成本低、操作简便与智能化的特点，通过搭载不同的传感器，可以高效完成多种海洋环境探测与信息收集任务。水下滑翔机的工作原理为利用微小的浮力变化驱动纵平面内的运动，能耗显著减小。传统刚性水下滑翔机工作过程中海水在垂直方向上的密度增加会导致滑翔机浮力增加，而刚性耐压壳体随着工作深度的压缩变形又会导致其浮力减小，二者不匹配。浮力变化量和驱动力数量级相同，使之不能精确控制滑翔机的行程运动。

通过柔性充液舱的设计，将滑翔机结构的压缩变形和海水温度、密度变化因素考虑到样机设计过程中，通过环境自适应性壳体维持航行器的近中性浮力，减少主动浮力调节量，可以增强水下滑翔机的灵活性和环境适应能力，增强其续航能力。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种近中性浮力的软体充液水下滑翔机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种近中性浮力的软体充液水下滑翔机，包括软体充液舱、耐压舱、前导流罩、后导流罩、翼单元、浮力调节单元、姿态调节单元、主控单元和天线单元；所述软体充液舱由柔性蒙皮制成，装配于耐压舱外部，软体充液舱内部可充入可压缩液体；软体充液舱随着海水压力的增大及温度的降低体积减小，反之体积恢复，以抵消水下滑翔机随着下潜深度增加海水密度增大而产生的浮力增加；所述浮力调节单元的外皮囊直接与海水接触，所述浮力调节单元的高压泵和内油箱、姿态调节单元以及主控单元设置于耐压舱内；所述前导流罩和后导流罩分别设置于耐压舱的前端和后端；所述翼单元设置于后导流罩上，翼单元由垂直机翼和水平机翼组成，所述天线单元设置于后导流罩的尾部。

进一步的，所述的软体充液舱外部设有自封闭式油嘴，通过油嘴向软体充液舱内部充入可压缩液体，使水下滑翔机形成良好的水动力外形。

进一步的，所述柔性蒙皮采用纤维组织结构加固的丁腈橡胶分步硫化制作而成，整体材质具有各项异性的特点。

进一步的，所述可压缩液体为轻质矿物油，既满足了浮力调节的功能，又兼备环境友好性的特点。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.通过软体充液舱，可对水下滑翔机进行被动浮力补偿，使水下滑翔机在运行过程中接近中性浮力，降低了对浮力调整单元调节油量的需求，减少滑翔机运动过程中的浮力调节带来的能源消耗，提高水下滑翔机的续航时间与巡航历程。

2.滑翔机的柔性外形表现出来的可变形能力可以增强环境的适应性，起到防撞击及隐蔽的作用，并可减弱航行器表面的生物附着。

附图说明

图1是本发明的外观示意图。

图2是本发明的内部结构示意图。

附图标记：110-浮力调节单元；1-外皮囊；2-高压泵；3-内油箱；4-姿态调节单元；5-主控单元；6-后导流罩；7-天线单元；120-翼单元；8-水平机翼；9-垂直机翼；130-软体充液舱；10-油嘴；11-柔性蒙皮；12-可压缩液体；13-耐压舱；14-前导流罩。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的软体充液水下滑翔机，主要包括软体充液舱130、耐压舱13、前导流罩14、后导流罩6、翼单元120、浮力调节单元110、姿态调节单元4、主控单元5、天线单元7；其中软体充液舱130的柔性蒙皮11与耐压舱13装配密封，未充液状态下二者完全贴合。通过自密封式油嘴10向舱内充入可压缩液体12，本实施例中可压缩液体12选取矿物油，在内部压力作用下柔性蒙皮11发生变形，整个系统形成特定水动力外形。可压缩液体12可根据外部海水的温度、压力的变化进行体积变化，因此软体充液舱130的体积随着工作环境的变化而变化。前导流罩14和后导流罩6为透水元器件，装配于耐压舱13上，浮力调节单元110的外皮囊1直接与海水接触，通过高压泵2对内油箱3和外皮囊1之间的油量调节可以主动改变水下滑翔机的排水体积。

耐压舱13由金属材质制成，其热膨胀可忽略不计，仅需考虑容器的受压变形。前导流罩14和后导流罩6由abs制作而成；固体材料随着压力的增大体积压缩较小，不足以抵抗海水密度增加而带来的浮力增量，滑翔机系统随着工作深度的增加净浮力逐渐减小。

软体充液舱130包含柔性蒙皮11、自密封式油嘴10和可压缩液体12。柔性蒙皮采用纤维组织加固的丁腈橡胶材质分步硫化制作而成，既保证了橡胶材质较好的延展性，又提高了其韧性。纤维组织结构使柔性蒙皮成为各向异性材质，可在充液压力的作用下膨胀成纺锤形，使水下滑翔机具有良好的水动力。当可压缩液体12充入时，其周向可发生膨胀变形，使水下滑翔机形成较好的水动力外形。可压缩液体12随着滑翔机工作环境压力和温度的变化发生体积变化，被动调节浮力，使水下滑翔机达到近中性浮力，减弱对浮力调节单元容量的要求。

浮力调节单元110包含外皮囊1、高压泵2、内油箱3，用于主动调节滑翔机的排水体积，通过浮力变化驱动上浮和下潜运动。高压泵2用于完成内油箱3和外皮囊1的油量传输，外皮囊1在前导流罩内与海水直接接触。

姿态调节单元4可以通过电池位置改变调节滑翔机的重浮心，实现姿态调节能力并为整个系统供能。主控单元5为水下滑翔机控制系统的硬件结构，翼单元120包含水平机翼8和垂直尾翼9，为滑翔机提供水动力。天线单元7是系统的导航和通讯模块。

可压缩液体可根据外部海水的温度、压力进行压缩，使水下滑翔机在运行过程中接近中性浮力。液体材料属性及充液量需要根据工作环境及水下滑翔机整体体积协同计算得出。根据常用液体的物理参数及环境友好性，建议充液采用矿物油。充液体积通过以下方式计算得出：

耐压舱体视为均匀薄壁外压圆筒，其体积的计算公式为：

周长c的变化量，周向应变：

长度方向的变化量，轴向应变

体积变化量

其中εθ和εγ分别为周向应变和轴向应变系数，d，l，δ分别为耐压舱的直径、长度和厚度。e为材料的弹性模量，p为工作压力。

软体舱内的充液体积变化由海水静压和温度改变两个因素造成，计算公式为：

式中，v1为软体舱的初始体积，ev为充液的体积弹性模量，α为体积膨胀系数。

水下滑翔机体积改变量为：

δv＝vv+vl(6)

水下滑翔机整体浮力变化为：

δb＝ρ2g(v-δv)-ρ1gv＝(ρ2-ρ1)gv-ρ2gδv(7)

式中，v为航行器的初始体积，密度变化可由以下拟合公式计算得出：

ρ＝c1h⁴+c2h³+c3h²+c4h+c5(8)

式中，h为工作深度，c1～c5为拟合参数，分别为：-5.083×10^–12，1.95×10^-8，-2.75×10^-5，0.02248和1022.7。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。