船帆及航行设备的制作方法

本申请属于船舶技术领域，更具体地说，是涉及一种船帆及使用该船帆的航行设备。

背景技术：

无人帆船以其尺寸小，不受能源限制，可长周期、大范围作业，是目前备受青睐的海洋探测设备。船帆作为无人帆船的动力输出来源，直接决定了无人帆船的航行能力及作业能力。

目前，无人帆船在遇到大风大浪等紧急情况时，船帆作为主要受力对象，易受海浪及海风的冲击力而折断，船帆的结构强度低，严重影响无人帆船的续航及后续作业。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种船帆及航行设备，以解决相关技术中存在的船帆的结构强度低，易折断的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案是：

一方面，提供一种船帆，包括帆本体、支撑所述帆本体的多个支撑骨架和支撑多个所述支撑骨架的支撑杆，多个所述支撑骨架平行间隔套设于所述支撑杆上，所述帆本体包裹多个所述支撑骨架，所述帆本体在垂直于所述支撑杆之中轴线的平面方向上的截面为翼型截面；所述帆本体具有供所述支撑杆的一端伸出的顶面和供所述支撑杆的另一端伸出的底面，所述顶面平行于所述底面，所述帆本体的宽度由所述顶面朝向所述底面的方向逐渐增大。

在一个实施例中，所述顶面内的最大内切圆的圆心与所述底面内的最大内切圆的圆心之间的连接线倾斜于所述支撑杆的中轴线。

在一个实施例中，所述连接线与所述支撑杆的中轴线之间的夹角范围为4°-6°。

在一个实施例中，各所述支撑骨架上开设有供所述支撑杆穿过的第一通孔和与所述第一通孔间隔设置的第二通孔。

在一个实施例中，于各所述支撑骨架中：所述支撑骨架的一端与所述第一通孔的圆心之间的距离小于所述支撑骨架的另一端与所述第一通孔的圆心之间的距离。

在一个实施例中，所述翼型截面为对称翼型截面。

另一方面，提供一种航行设备，包括船主体和上述的船帆；所述支撑杆远离所述帆本体之所述顶面的一端转动安装于所述船主体上。

在一个实施例中，所述船主体包括船架本体、安装于所述船架本体之底部的水翼和连接所述船架本体与所述水翼的连接杆；所述船架本体上开设有供所述支撑杆伸入的第三通孔，所述连接杆的一端与所述船架本体相连，所述连接杆的另一端与所述水翼相连。

在一个实施例中，所述船主体还包括安装于所述船架本体之船尾位置处的尾舵，所述船架本体上开设有容置所述尾舵的容置槽。

在一个实施例中，所述尾舵包括与所述船架本体可拆卸连接的存储箱、用于调节所述船架本体之行驶方向的舵叶、与所述舵叶相连的转动杆和用于驱动所述转动杆转动的驱动单元；所述转动杆远离所述舵叶的一端伸入所述存储箱中，所述驱动单元安装于所述存储箱中，所述驱动单元与所述转动杆远离所述舵叶的一端相连。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

(1)本申请提供的帆本体的顶面和底面平行，且帆本体的宽度由顶面朝向底面的方向逐渐增大，帆本体的正投影为梯形，可有效降低船帆的合力受力点，进而降低支撑杆的外力力矩，进而提高支撑杆的结构强度，避免因海浪或海风的冲击力过大而折断；

(2)通过将帆本体在垂直于支撑杆之中轴线的平面方向上的截面设计为翼型截面，可提高船帆受力的合理性，减小航行设备的阻力，避免帆本体受力过大而导致支撑杆的折断。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的船帆的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的船帆的分解示意图；

图3为本申请实施例提供的船帆的截面示意图；

图4为本申请实施例提供的支撑骨架的主视图；

图5为本申请实施例提供的航行设备的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的航行设备的分解示意图一；

图7为本申请实施例提供的航行设备的分解示意图二；

图8为本申请实施例提供的航行设备的截面示意图；

图9为图8中a处的放大示意图；

图10为本申请实施例提供的船架本体之底部的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的第一锁环的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的连接杆的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的第二锁环的结构示意图；

图14为本申请实施例提供的水翼的结构示意图；

图15为本申请实施例提供的夹持座的结构示意图；

图16为本申请实施例提供的尾舵的分解示意图；

图17为本申请实施例提供的尾舵的部分截面示意图；

图18为本申请实施例提供的转动杆的结构示意图。

其中，图中各附图主要标记：

1-船帆；11-支撑杆；12-支撑骨架；120-第一通孔；121-第二通孔；122-第一片；123-第二片；13-帆本体；131-顶面；132-底面；14-连接线；

2-船主体；21-船架本体；210-第三通孔；211-第一锁环；2110-第一过孔；2111-第一内螺纹；2112-定位孔；212-第一过线孔；213-从动齿轮；214-动力单元；215-主动齿轮；216-容置槽；2161-第二螺丝孔；2162-第四过线孔；

22-水翼；220-第四通孔；221-第二锁环；2210-第二过孔；2211-第二内螺纹；2212-盲孔；222-开口；223-夹持座；2231-第一凹槽；2232-安装孔；2233-第一卡槽；224-第二过线孔；

23-连接杆；231-第一外螺纹；232-第二外螺纹；

24-尾舵；241-存储箱；2410-开窗；2411-箱体；2412-盖板；2413-卡凸；2414-第二卡槽；2415-第一螺丝孔；2416-第三过线孔；

242-舵叶；2420-第五通孔；

243-转动杆；2431-第三外螺纹；2432-第二凹槽；2433-轴套；2434-六方轴部；

245-驱动单元；2451-输出轴；

246-摆动座；2460-开孔；2461-卡齿；

247-传动齿轮。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在整个说明书中参考“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征，结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，“在一个实施例中”或“在一些实施例中”的短语出现在整个说明书的各个地方，并非所有的指代都是相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征，结构或特性。

请参阅图1至图3，现对本申请实施例提供的船帆1进行说明。该船帆1包括支撑杆11、平行间隔套设于支撑杆11上的多个支撑骨架12和套设于支撑杆11上并包裹多个支撑骨架12的帆本体13，该帆本体13在垂直于支撑杆11之中轴线的平面方向上的截面为翼型截面。帆本体13具有供支撑杆11的一端伸出的顶面131和供支撑杆11的另一端伸出的底面132，顶面131平行于底面132，且帆本体13的宽度由顶面131朝向底面132的方向逐渐增大。此结构，本申请提供的帆本体13的顶面131和底面132平行，且帆本体13的宽度由顶面131朝向底面132的方向逐渐增大，帆本体13的正投影可为梯形，可有效降低船帆1的合力受力点，进而降低支撑杆11的外力力矩，进而提高支撑杆11的结构强度，避免因海浪或海风的冲击力过大而折断。通过将帆本体13沿支撑杆11之径向方向的截面设计为翼型截面，可提高船帆1受力的合理性，减小航行设备的阻力，避免帆本体13受力过大而导致支撑杆11的折断。

在一个实施例中，本申请提供的帆本体13的顶面131的弦长可为450mm，最大厚度可为100mm；帆本体13的底面132的弦长可为700mm，最大厚度可为130mm；帆本体13的展长可为1500mm。需要说明的是，翼型截面的前端圆滑，后端呈尖角形，该尖角形位置处的尖点称为后缘，翼型截面上离该后缘最远的点称为前缘，连接前缘与后缘的直线称为翼弦，其长度称为弦长。翼型截面内部作一系列与上下翼面相切的内切圆，多个内切圆的圆心的连线称为中弧线，其中最大的内切圆的直径称为厚度。帆本体13的展长即为顶面131与底面132之间的直线距离。

在一个实施例中，请参阅图3，作为本申请实施例提供的船帆1的一种具体实施方式，顶面131内的最大内切圆的圆心与底面132内的最大内切圆的圆心之间的连接线14倾斜于支撑杆11的中轴线。具体地，帆本体13上的各翼型截面上的最大内切圆的圆心均位于连接线14上。此结构，可保证帆本体13上的各翼型截面上的合力作用点均位于支撑杆11上，从而可提高支撑杆11的受力合理性，可以有效避免支撑杆11的断裂。

在一个实施例中，请参阅图3，作为本申请实施例提供的船帆1的一种具体实施方式，连接线14与支撑杆11的中轴线之间的夹角范围为4°-6°。此角度范围内，支撑杆11的受力合理性好，抗海浪及海风程度高，支撑杆11的结构强度大，不易断裂。其中，连接线14与支撑杆11的中轴线之间的夹角可为4°、5°或6°等，在此不作唯一限定。

在一个实施例中，请参阅图2和图4，作为本申请实施例提供的船帆1的一种具体实施方式，各支撑骨架12上开设有供支撑杆11穿过的第一通孔120和与第一通孔120间隔设置的第二通孔121。此结构，各第一通孔120可供支撑杆11穿过，实现支撑骨架12与支撑杆11的安装。第二通孔121可减少各支撑骨架12的材料使用量，降低各支撑骨架12的重量，进而降低航行设备的整体重量。

在一个实施例中，请参阅图4，各支撑骨架12呈片状结构，各支撑骨架12的截面可为与帆本体13的翼型截面相适应的翼型截面，从而可对帆本体13进行支撑，避免帆本体13受力变形。多个支撑骨架12平行间隔设置于支撑杆11上，且相邻两个支撑骨架12之间的距离相等，从而可提高对帆本体13的支撑可靠性，增加支撑杆11的受力均匀性。

在一个实施例中，请参阅图4，作为本申请实施例提供的船帆1的一种具体实施方式，于各支撑骨架12中：第一通孔120将支撑骨架12分隔为第一片122和第二片123，第一片122的长度小于第二片123的长度；第二片123上开设有第二通孔121。此结构，各支撑骨架12的第一片122作为主受力板体，第一片122呈实心板状，可有效提高抗冲击能力。第二片123作为支撑板体，将第二通孔121开设于第二片123上，可有效降低重量。其中，第一片122的长度可为支撑骨架12的一端与第一通孔120的圆心之间的距离l1，第二片123的长度可为支撑骨架12的另一端与第一通孔120的圆心之间的距离l2，l2大于l1，帆本体13的导流效果好。

在一个实施例中，各支撑骨架12可采用碳纤维材料制成，机械强度高，且重量轻。帆本体13用于包裹支撑骨架12之第一片122的区域可由复合材料制成，帆本体13用于包裹支撑骨架12之第二片123的区域可由轻薄材料制成，如铝等，从而可有效降低整个航行设备的重量。

在一个实施例中，请参阅图4，作为本申请实施例提供的船帆1的一种具体实施方式，翼型截面为对称翼型截面。此结构，翼型截面的中弧线与翼弦重合，从而可保证帆本体13两侧的导流一致性，进而提高航行设备的稳定性。

本申请实施例提供的船帆1与同面积的矩形帆进行了对比分析。本申请的船帆1的几何中心在支撑杆11底部产生的力矩是矩形帆的92.8％，即在同等船帆1面积下产生同样大小的推进升力时，本申请的船帆1对支撑杆11的结构强度要求至少低7.2％，即本申请的船帆1在同等面积、同等升力的条件下，能承受的冲击力要更大，特别是在航行设备发生倾斜时，效果更加明显。

本申请还对船帆1进行了试验，测试了船帆1在不同风速和迎风角度下产生的升力和阻力，具体如下表所示。

由上表可知，当风速一定时，升力随着攻角的增加先增大后降低，阻力随着攻角的增加逐渐增大。当攻角一定时，升力和阻力都随着风速的增加而逐渐增加。

请参阅图5，本申请还提供了一种航行设备，包括船主体2和上述的船帆1。支撑杆11远离帆本体13之顶面131的一端转动安装于船主体2上。此结构，通过支撑杆11在船主体2上的转动，从而可对船帆1的迎风角度进行调节，进而可调节航行设备的动力方向及大小。

在一个实施例中，请参阅图7、图9和图10，作为本申请实施例提供的航行设备的一种具体实施方式，船主体2包括船架本体21、安装于船架本体21之底部的水翼22和连接船架本体21与水翼22的连接杆23；船架本体21上开设有供支撑杆11伸入的第三通孔210，连接杆23的一端与船架本体21相连，连接杆23的另一端与水翼22相连。此结构，通过水翼22可降低航行设备的流体阻力，可为航行设备提供一定的升力。通过连接杆23将水翼22与船架本体21连接，便于实现水翼22与船架本体21之间的快速拆装，提高效率，便于维护。

在一个实施例中，请参阅图9、图12和图13，第三通孔210中安装有支撑支撑杆11的第一锁环211，第一锁环211上开设有与第三通孔210同轴设置的第一过孔2110；水翼22上开设有供连接杆23的一端伸入的第四通孔220，第四通孔220中安装有第二锁环221，第二锁环221上开设有与第四通孔220同轴设置的第二过孔2210；第一过孔2110的内周面上设有第一内螺纹2111，第二过孔2210的内周面上设有第二内螺纹2211；连接杆23的一端之外周面上设有与第一内螺纹2111连接的第一外螺纹231，连接杆23的另一端之外周面上设有与第二内螺纹2211连接的第二外螺纹232。此结构，连接杆23的两端可分别与第一锁环211和第二锁环221螺纹连接，可便于连接杆23分别与水翼22及船架本体21之间的快速拆装。

在一个实施例中，请参阅图11，第一锁环211上环型阵列开设有多个定位孔2112，便于实现第一锁环211与船架本体21之间的拆装。其中，各定位孔2112的中轴线可与第一过孔2110的中轴线平行。

在一个实施例中，请参阅图14和图15，水翼22的相对两个侧壁上分别开设有供第二锁环221的两端伸出的开口222。此结构，两个开口222可将第二锁环221夹持，使得第二锁环221可在两个开口222中转动，便于操作人员对第二锁环221的转动，进而实现与连接杆23的拆装，操作方便。

在一个实施例中，请参阅图13，第二锁环221的外周面上环型阵列开设有多个盲孔2212。此结构，盲孔2212可供外部工具伸入，便于对第二锁环221的转动，从而提高第二锁环221与连接杆23之间的拆装效率。

在一个实施例中，请参阅图14和图15，水翼22包括两个夹持连接杆23的夹持座223，各夹持座223上开设有与相应开口222连通的第一凹槽2231，两个第一凹槽2231围合成第二通孔121。此结构，当连接杆23通过第一外螺纹231与第一锁环211螺纹连接后，将两个夹持座223合并以将连接杆23夹持；第二锁环221设于两个开口222中，通过旋转第二锁环221，实现与连接杆23上的第二外螺纹232的连接固定，从而可实现连接杆23与水翼22之间的快速拆装。

在一个实施例中，请参阅图15，两个夹持座223上对应开设有多个安装孔2232。此结构，多个安装孔2232中可安装螺栓、螺钉等紧固件，实现两个夹持座223之间的可拆卸连接。

在一个实施例中，请参阅图10和图14，船架本体21的底部开设有第一过线孔212，水翼22上对应开设有与第一过线孔212连通的第二过线孔224。此结构，通过第一过线孔212及第二过线孔224可将船架本体21与水翼22连通，便于导线穿过。其中，请参阅图15，两个夹持座223上分别开设有第一卡槽2233，两个第一卡槽2233合围成第二过线孔224，便于对导线的夹持。

在一个实施例中，请参阅图7和图8，支撑杆11上套设固定有从动齿轮213，船架本体21上安装有动力单元214和与动力单元214相连的主动齿轮215，该主动齿轮215与从动齿轮213相啮合。其中，动力单元214可为电机。此结构，通过动力单元214、主动齿轮215及从动齿轮213带动支撑杆11转动，进而实现对船帆1之迎风角度的调节，齿轮的调节精度高。主动齿轮215的直径小于从动齿轮213的直径，即通过小齿轮带动大齿轮，动力单元214的传动效率高，且省力，便于在风力较大的情况下对船帆1的迎风角度的调节。

在一个实施例中，请参阅图5，作为本申请实施例提供的航行设备的一种具体实施方式，船主体2还包括安装于船架本体21之船尾位置处的尾舵24，船架本体21上开设有容置尾舵24的容置槽216。此结构，可实现对尾舵24的快速定位拆装；另一方面，避免外部物体对尾舵24的撞击，实现对尾舵24的保护。

在一个实施例中，请参阅图16，作为本申请实施例提供的航行设备的一种具体实施方式，尾舵24包括与船架本体21可拆卸连接的存储箱241、用于调节船架本体21之行驶方向的舵叶242、与舵叶242相连的转动杆243和用于驱动转动杆243转动的驱动单元245；转动杆243远离舵叶242的一端伸入存储箱241中，驱动单元245安装于存储箱241中，驱动单元245与转动杆243远离舵叶242的一端相连。其中，驱动单元245可为电机。此结构，通过将驱动单元245设置于存储箱241中，通过转动杆243将舵叶242与驱动单元245连接，驱动单元245、转动杆243、舵叶242及存储箱241集成于一体，并形成为用于调节船架本体21之行驶方向的尾舵24。由于存储箱241与船架本体21之间为可拆卸连接；当尾舵24因水密失效或因外部撞击受损需要维护时，可直接将尾舵24从船架本体21上拆卸下来，便于对驱动单元245、转动杆243、舵叶242等的维护及更换，操作方便快捷。

在一个实施例中，请参阅图16，尾舵24还包括套设固定于转动杆243上的摆动座246和与驱动单元245相连的传动齿轮247，摆动座246的外周面上设有与传动齿轮247啮合的卡齿2461，摆动座246设于存储箱241中。具体地，传动齿轮247套设固定于驱动单元245的输出轴2451上，摆动座246的中心套设固定于转动杆243上。此结构，通过传动齿轮247及摆动座246带动转动杆243转动，可提高转动杆243转动的可靠性。

在一个实施例中，请参阅图16，输出轴2451的中轴线与转动杆243的中轴线平行间隔设置，可保证输出轴2451与转动杆243转动的一致性。在另一个实施例中，输出轴2451的中轴线与转动杆243的中轴线可垂直设置，输出轴2451的中轴线位于摆动座246所在的平面内；传动齿轮247可为曲线齿轮，有助于驱动单元245的安装，减小体积。

在一个实施例中，请参阅图16，摆动座246呈扇形。此结构，由于航行设备在行驶的过程中，通过舵叶242小幅度的摆动就能实现航行设备之航行方向的大角度变化，从而可减小摆动座246的体积及制作成本。

在一些实施例中，摆动座246的两端可分别设置有挡板，可实现与传动齿轮247的抵挡，避免摆动座246因转动角度过大而与传动齿轮247脱离。

在一个实施例中，请参阅图16，摆动座246的角弧度范围为60°-120°。此结构，摆动座246以输出轴2451和转动杆243的连接线14为中心线呈对称分布，摆动座246左右摆动的角度范围在30°-60°之间，足以调节航行设备的行驶方向。其中，摆动座246的角弧度范围可为60°、70°、80°、90°、100°、110°或120°等，在此不作唯一限定。

在一个实施例中，请参阅图18，转动杆243远离舵叶242的一端之外周面上设有第三外螺纹2431。此结构，通过第三外螺纹2431可与外部螺丝配合将摆动座246锁紧固定，避免摆动座246与转动杆243的脱离。

在一个实施例中，请参阅图16和图18，转动杆243的中部为六方轴部2434，摆动座246上开设有供转动杆243伸入的开孔2460，该开孔2460可为与六方轴部2434适配的六方孔。此结构，可实现摆动座246与转动杆243之间的锁紧，避免摆动座246与转动杆243之间的打滑。

在一个实施例中，请参阅图17和图18，舵叶242沿该舵叶242的长度方向开设有供转动杆243伸入的第五通孔2420，第五通孔2420的内周面上沿舵叶242的长度方向安装有凸条(图未示)；转动杆243上对应开设有供凸条伸入的第二凹槽2432。此结构，通过凸条伸入第二凹槽2432中，可实现转动杆243与舵叶242之间的连接固定，避免转动杆243与舵叶242之间的相对转动，进而提高舵叶242摆动的可靠性。

在一个实施例中，请参阅图18，转动杆243的中部位置套设固定有轴套2433，轴套2433设于存储箱241的外部。轴套2433可减小转动杆243与存储箱241之间的摩擦磨损，起到对转动杆243的保护作用，也能起到密封存储箱241上供转动杆243伸出的过孔的作用，起到一定的防水作用。

在一个实施例中，请参阅图16，存储箱241包括顶部开窗2410的箱体2411和遮盖箱体2411的盖板2412，盖板2412与箱体2411可拆卸连接。此结构，通过将盖板2412与箱体2411可拆卸连接，从而可对存储箱241中的各部件进行维护及更换，操作方便快捷。

在一个实施例中，请参阅图16，开窗2410的内周面上安装有卡凸2413，盖板2412上对应开设有供卡凸2413伸入的第二卡槽2414。此结构，通过卡凸2413与第二卡槽2414的卡紧配合，可实现盖板2412与箱体2411之间的快速拆装。在一些实施例中，存储箱241还包括密封箱体2411与盖板2412之间缝隙的密封圈，进而可提高存储箱241的密封性能。

在一个实施例中，请参阅图6和图16，存储箱241上间隔开设有多个第一螺丝孔2415，容置槽216的底面对应于各第一螺丝孔2415的位置开设有第二螺丝孔2161，存储箱241与船架本体21之间可通过螺丝锁紧固定。

在一个实施例中，请参阅图6和图16，存储箱241面向船架本体21的侧面上开设有第三过线孔2416，容置槽216的底面对应开设有与第三过线孔2416连通的第四过线孔2162。此结构，通过第三过线孔2416和第四过线孔2162，可将船架本体21与存储箱241连通，便于导线通过。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。