一种大比容量浮力调节、应急自救一体装置及潜水器的制作方法

本发明属于潜水器技术领域，具体涉及一种大比容量浮力调节、应急自救一体装置及潜水器。

背景技术：

潜水器作为人类开发利用海洋的主要技术手段之一，已成为海洋高新技术的重要前沿。大量潜水器相继涌现，包括载人潜水器（hov）、有缆遥控的无人潜水器（rov）以及无缆自主的无人潜水器（auv）等。这些潜水器如auv，最多在近海底巡航或座底待命，无法在海床上自由机动。而可在海底作业的如履带式rov需要脐带缆水面供电，故目前世界上尚未出现兼具海底运动和水中浮游功能的多栖型潜水器。

浮力调节是多栖型潜水器的关键技术之一，也是实现潜水器水面、水下和海底多栖运动的重要技术基础。在典型海床条件下，潜水器海底运动的前向驱动力与海床所受压力直接相关，而该压力来自于潜水器在海底的负浮力。因此，浮力调节能力直接影响潜水器在海底的机动性能。

现有技术中的浮力调节系统或装置存在的缺陷主要体现在：

1.浮力调节比太小：以“蛟龙”号载人潜水器为例，其空气中重量22吨，浮力调节量为±150kg，浮力调节比仅为±0.68%。而美国典型的“spray”水下滑翔机，其空气中重量51kg，浮力调节量为±0.45kg，浮力调节比仅为±0.88%。

2.调节方式较落后：目前国内外研制的潜水器浮力调节系统从工作形式上主要有抛载、油囊和注排水三种形式。通过固定抛载，潜水器减轻自重的浮力控制精度较差，且过程不可逆。油囊式的浮力调节量较小，油囊容积也受到限制。而通过机泵注排水易于实现高精度的大容量浮力控制，可循环使用，为大型载人潜水器所常用，但通常采用单向机泵进行注排水。这种方式需要借助电磁阀或液压油路操纵阀门进行换向，加大了浮力调节系统的集成难度。

3.安装布置较麻烦：常规潜水器多为水平-垂直立式三维布置空间，球形潜水器的内外球之间属于异型空间，浮力调节装置的安装布置存在困难。此外，对于多栖潜水器在水中和海底的作业模式具有重复切换的特点，因此浮力调节装置必须可重复多次使用、实用可靠，对其工程设计和应用性能提出了严苛要求。

4.自救设计不合理：当两栖型潜水器在海底发生严重故障或应急条件下，依靠固定抛载等方式难以确保整个潜水器从海底脱离。这种自救方式稳定性差且不可逆转，无法做到高效重复使用的目的。

综上所述，为了满足潜水器的工作要求，不仅需要具备更好的浮力调节能力，而且还要考虑到极端恶劣条件，在潜水器在海底整体无法脱困的情况下，保证潜水器的可靠回收。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大比容量浮力调节、应急自救一体装置及潜水器，不仅能够保证多栖潜水器正常的浮力调节作业能力，也能够在应急情况下保证潜水器的安全上浮回收。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种大比容量浮力调节、应急自救一体装置，包括水舱、机泵阀组总成、检测模块和控制模块；

机泵阀组总成的数目至少为一个，其一个端口与潜水器的通海口连通、另一个端口与水舱连通实现海水的注入和排出；检测模块和机泵总成分别电联接控制模块；检测模块将检测到的信号发送给控制模块，控制模块根据信号控制机泵阀组总成的启闭实现浮力的调节。

进一步地，机泵阀组总成包括第一顺序阀、第一单向阀、第二顺序阀、第二单向阀和机泵；通海口与水舱之间顺次联接第一顺序阀、机泵和第二顺序阀，第一顺序阀和和第二顺序阀互为反向设置；第一单向阀反向联接在第一顺序阀的两端，第二单向阀反向联接在第二顺序阀的两端；机泵电联接控制模块。

进一步地，检测模块包括温度传感器和气压传感器；温度传感器和气压传感器的检测端设置于水舱中、其输出端电联接控制模块。

进一步地，机泵阀组总成的数目为两个，且以对称方式设置。

进一步地，还包括气源、第一电磁阀和第二电磁阀；第一电磁阀与第二电磁阀分别电联接控制模块，水舱通过第一电磁阀连通气源、通过第二电磁阀连通通海口。

进一步地，还包括安全阀，安全阀联接于气源和第一电磁阀之间。

进一步地，还包括截止阀，截止阀联接于气源和第一电磁阀之间。

进一步地，还包括压力表和充气接头；压力表和充气接头均设置于气源的出口处或靠近出口的位置。

进一步地，气源包括一个或多个相串联的气瓶。

本发明还公开了一种潜水器，包括上述的大比容量浮力调节、应急自救一体装置。

本发明具有的有益效果：

1.大比容量的浮力调节能力：通过在球形潜水器上的应用，可以获得足够的海底牵引力，并在有限空间重量约束条件下具有高达10%以上的大比容量调节能力，远远超过目前现有的大多数潜水器，从而满足潜水器在水面漂浮、水下移动和水底滚动的要求。

2.高压双向机泵注排水：不通过海水阀组改变海水流动方向，从而简化了海水阀组的结构，将机泵、海水阀组与压力补偿器设计成一体，既满足了小型化、集成化的设计要求，又增强了系统的易维护性，具有技术先进性和创新性，对同类水下装备的浮力调节设计具有重要的参考价值。

3.异型海水压载舱设计及一体装置共型布置：根据多栖球形潜水器的总布置要求，浮力调节及应急自救装置只能布置在外球和内球之间的狭小、球间弧形空间。通过异型耐压容器和海水压力冲击机理等方面的研究，本发明提出了一种环形耐压水舱的设计思路，将机泵、海水阀组与压力补偿器设计成一体。同时，浮力调节装置采用两套独立的机泵阀组，既可互为冗余提高可靠性，也可减小单个尺寸，便于集成安装。

4.与浮力调节共用海水压载舱的应急自救：本发明采用基于高压吹除压载水的应急回收方案，结合潜水器正常浮力调节的压载水循环系统，具有工程实现难度小、成本低、可靠性高的突出优点，同时节省了设备空间及重量。同时，通过系统电源和独立应急电源的冗余供电，确保了应急自救系统的可靠度。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的结构主视图；

图2为图1所示实施例的结构仰视图；

图3为图1所示实施例的连接示意图；

图4为图1所示实施例中应急自救的结构主视图；

图5为图1所示实施例中应急自救的结构俯视图；

图6为图1所示实施例中应急自救的连接示意图。

附图标记：

1水舱；2控制模块；3机泵阀组总成；4第一顺序阀；5第一单向阀；6第二顺序阀；7第二单向阀；8机泵；9气压传感器、10压力表；11温度传感器；12气瓶；13第一电磁阀；14第二电磁阀；15安全阀；16截止阀；17充气接头；18过滤器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明中记载的大比容量浮力调节、应急自救一体装置可以广泛应用于不同类型的潜水器，尤其适用于一种球形多栖潜水器（以下简称潜水器），该潜水器的结构记载于申请号为“2017100372135”、名称为“一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器”的专利申请公开文本中，以下结合该潜水器对本发明中的浮力调节装置进行详细阐述。

如图1至6所示，一种大比容量浮力调节、应急自救一体装置，设置于潜水器外球壳和内球壳之间的空间内，其包括水舱1、机泵阀组总成3、过滤器18、检测模块和控制模块2。

由于潜水器的内球壳的形状为球形并具有一通海口，因此水舱1的形状为截面为圆形的圆环状空心结构体，其环绕内球壳的赤道一圈固定，水舱1采用高强度的耐腐材质制成，具有较好的耐压防腐性能，提高水下的工作寿命。

机泵阀组总成3的数目为两个并以轴对称或中心对称方式设置于内球壳的两侧以达到节省空间、便于安装和调节平衡的目的。机泵阀组总成3可全部开启也可单独开启，每个机泵阀组总成3包括第一顺序阀4、第一单向阀5、第二顺序阀6、第二单向阀7和机泵8。通海口与水舱1之间顺次联接过滤器18、第一顺序阀4、机泵8和第二顺序阀6；第一顺序阀4和第二顺序阀6互为反向设置，以此在注水或排水时，其中一个开启、而另一个关闭。

第一单向阀5反向联接在第一顺序阀4的两端组成第一平衡阀，第二单向阀7反向联接在第二顺序阀6的两端组成第二平衡阀。机泵8电联接控制模块2。注水时，海水依次经过第一单向阀5、机泵8和第二顺序阀6进入水舱1；由于第二顺序阀6开启而导致一部分海水经其泄水口重进回到注水水路中。排水时，海水依次经过第二单向阀7、机泵8和第一顺序阀4排出通海口；由于第一顺序阀4开启而导致一部分海水经其泄水口重进回到排水水路中。

考虑到潜水器的工作深度以及管路中的压力损失，最大设计输出压力为潜水器最大工作深度压力的1.25倍。第一顺序阀4和第二顺序阀6的控制端的压差超过0.5mpa时处于开启状态。过滤器18可有效阻挡水体中的泥沙、垃圾、浮游动植物等进入管路中，避免影响装置的正常运行。

检测模块包括温度传感器11和气压传感器9；温度传感器11和气压传感器9的检测端均设置于水舱1中、其输出端均电联接控制模块2。气压传感器9和温度传感器11分别将检测到的水舱1内的压力信号和温度信号发送给控制模块2。由于潜水器的质量以及水舱1的容积均为恒定值，因此控制模块2根据检测到的压力和温度信号计算出水舱1内空气的体积从而反算出海水的体积，据此控制机泵8的运行从而实现对潜水器所需浮力的精确调节。

为了实现潜水器在发生故障时能够应急自救而自动浮到水面上，大比容量浮力调节、应急自救一体装置还包括气源、第一电磁阀13和第二电磁阀14。

气源包括一个或多个相串联并盛有高压气体的气瓶12。第一电磁阀13与第二电磁阀14分别电联接控制模块2，水舱1通过第一电磁阀13连通气瓶12、通过第二电磁阀14连通通海口。

为了实现安全运行，大比容量浮力调节、应急自救一体装置还包括安全阀15，安全阀15联接于气源和第一电磁阀13之间的气路上，安全阀的作用是防止气源内部压力过高，超过设定压力会自动向外排气。

大比容量浮力调节、应急自救一体装置还包括截止阀16，截止阀16联接于气源和第一电磁阀13之间的气路上。截止阀的作用是保持气源向水舱的单向流动，防止高压气回流。

大比容量浮力调节、应急自救一体装置还包括压力表10和充气接头17；压力表10和充气接头17均设置于气源的出口处或靠近出口的位置。气瓶12可重复使用，当放气完毕需要充气时，通过充气接头17连接外部气源进行充气，压力表10能够实时观察充气压力以及判断充气程度。

浮力调节的工作原理及过程

当需要减小浮力实现潜水器下潜时，机泵8在控制模块2的控制下启动设定正转为注水，由于机泵8的运行导致第二顺序阀6的控制端压差超过设定值而使第二顺序阀6打开，此时海水经通海口进入，依次经过过滤器18、第一单向阀5、机泵8、第二顺序阀6进入水舱1中使潜水器的重量增加，在此过程中，控制模块2通过温度和气压计算出当前浮力值从而控制机泵8在达到所需浮力值时关闭。

与此相反的，当需要增大浮力实现潜水器上浮时，机泵8反转，由于机泵8的运行导致第一顺序阀4的控制端压差超过设定值而使第一顺序阀4打开，此时海水依次经过第二单向阀7、机泵8、第一顺序阀4、过滤器18、通海口排出，使潜水器的重量减少，在此过程中，控制模块2通过温度和气压计算出当前浮力值从而控制机泵8在达到所需浮力值时关闭。

应急自救的工作原理及过程

当潜水器发生故障需要浮到水面上时，控制模块2发出控制指令使第一电磁阀13和第二电磁阀14均开启，此时气瓶12内的高压气体迅速进入水舱1中将其内的海水从通海口排出从而使潜水器的浮力在短时间内增大而迅速上浮到水面上。

本发明中，大比容量浮力调节、应急自救一体装置可由潜水器内部电源供电，也可通过独立的应急电源冗余供电保障在发生故障时第一电磁阀13和第二电磁阀14均能够正常启闭。电路联接均采用水密电缆，水路或气路联接均采用耐压水管或耐压气管。由于工作介质为海水，因此相关部件的表面均做防腐处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。