波浪能直接驅(qū)動機動浮標(biāo)的推進機構(gòu)設(shè)計*

常宗瑜，戴 源，常東輝，鄭中強

（1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島266100；2.山東煙臺利達木工機械有限公司，山東 煙臺264100）

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》指出的海洋研究的重點領(lǐng)域和優(yōu)先主題，浮標(biāo)、潛標(biāo)及水下移動平臺、水面調(diào)查船、海底觀測站以及衛(wèi)星和航空遙感組成了立體海洋觀測系統(tǒng)，可以獲取的大范圍、全天候、連續(xù)和長時間的序列的海洋觀測資料。

在各類立體海洋觀測系統(tǒng)中，浮標(biāo)系統(tǒng)是重要的海洋環(huán)境觀測裝備，具有在惡劣的海洋環(huán)境下，長時間全天候、連續(xù)、自動地對海洋氣象、水文環(huán)境進行觀測等優(yōu)點，是海洋觀測岸基站、調(diào)查船和調(diào)查飛機在空間和時間上的拓展，具有其他調(diào)查方法無法替代的優(yōu)點，在海洋觀測中發(fā)揮著巨大的作用。但是浮標(biāo)布放之后只能在固定站位開展觀測，得到站位附近的海洋觀測要素，重新定位布放需要船只、人員大量消耗。建立自主控制的移動海洋監(jiān)測平臺是海洋學(xué)家深入研究海洋環(huán)境的迫切需求，最近國外研究機構(gòu)和學(xué)者提出了機動海洋浮標(biāo)的概念。文獻［1］開發(fā)了一種用于河流和淺海的機動浮標(biāo) Autonomous Surface Mobile Vehicle（ASMV），它可以監(jiān)測給定的位置和路徑的海洋環(huán)境，并可以根據(jù)指令自主解錨和錨定，如圖1（a）所示；文獻［2］開發(fā)了一種海洋機動浮標(biāo) OASIS（Ocean Atmosphere Sensor Integration System），具有監(jiān)測海－氣界面通量、赤藻發(fā)生及其他氣象和水文資料的功能，如圖1（b）所示；文獻［3］開發(fā)的Scout浮標(biāo)可以通過螺旋槳和導(dǎo)航控制實現(xiàn)給定站點的環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，如圖1（c）所示；文獻［4］提出了一種可以追蹤溢油的機動浮標(biāo)（Spilled Oil Tracking Autonomous Buoy），如圖1（d）。此外還有已廣泛應(yīng)用的ROV和AUV等。這些非漂浮的機動浮標(biāo)都需要自帶能源供應(yīng)，能量供給的限制大大阻礙了移動監(jiān)測平臺在長時間大范圍內(nèi)的監(jiān)測活動。

圖1 典型機動浮標(biāo)Fig.1 The typical mobile buoy

本文提出了一種能夠利用波浪能驅(qū)動的機動浮標(biāo)，它可以利用波浪的升沉振蕩轉(zhuǎn)化為向前運動。文中介紹了該浮標(biāo)的工作原理，給出了該機構(gòu)的設(shè)計方案和樣機，并對該浮標(biāo)進行了海上試驗，試驗表明該機構(gòu)可以順利在波浪作用下前進。

1 基本原理

海洋中的波浪經(jīng)久不息地做著起伏運動，海水中的每個水質(zhì)點的運動主要以垂蕩運動為主，輔以小幅度的水平運動，而且隨著深度的增加波浪的振動情況會大大減少，波浪水質(zhì)點的運動以及與水深的關(guān)系如圖2所示。

圖2 波浪質(zhì)點的運動Fig.2 The motion of the wave particle

本文敘述的機動浮標(biāo)就是利用了海洋表面的波浪垂蕩運動來作為推動機動浮標(biāo)的動力，其工作機理如圖3所示。從圖上可以看到，當(dāng)機動浮標(biāo)處于靜水中時，水下推進裝置處于水平狀態(tài)，圖3（a）所示，當(dāng)水面浮體在波浪的作用下向上移動的時候，葉片順時針旋轉(zhuǎn)，相對水流垂直向下作用在葉片上，分解為垂直于葉片的法向力和沿著葉片的切向力，其中法向力就會產(chǎn)生推動葉片向前移動的一個推力，如圖3（b）所示。

同樣道理，當(dāng)水面浮體在波浪作用下向下運動時，葉片逆時針轉(zhuǎn)動，水流作用下垂直向上作用在葉片上，分解為向上的法向力和沿著葉片的切向力，同樣法向力也會產(chǎn)生推動葉片向前移動的推力，如圖3（c）所示。

這種情況類似于在飛行過程機翼所產(chǎn)生的升力，只不過機動浮標(biāo)中速度方向為垂直方向，而產(chǎn)生的升力是水平向上。

由此，通過機構(gòu)的巧妙設(shè)計實現(xiàn)了無論在波浪推動浮標(biāo)上下運動時都能產(chǎn)生向前的推動力，實現(xiàn)了對載體的無動力、全靜音驅(qū)動。而且從波浪驅(qū)動機動浮標(biāo)的原理可以看出，隨著波浪振蕩幅值的增加，水上浮體拉動水下推進裝置的幅度增加，推進的速度進一步加快，因此在高海況條件下，不僅不會影響機動浮標(biāo)的使用，而且會令機動浮標(biāo)有更快的速度。

2 波浪驅(qū)動機動浮標(biāo)的設(shè)計

根據(jù)上述波浪驅(qū)動機動浮標(biāo)運動機理，對波浪驅(qū)動浮標(biāo)進行設(shè)計，浮標(biāo)的示意圖如圖4所示。其中1為水面浮體，2為水下推進裝置，二者之間為連接的纜索3，其中水面浮體上主要構(gòu)件為浮體和舵板4。

圖3 仿生機動浮標(biāo)的工作原理Fig.3 The principle of bionic mobile buoy

圖4 機動浮標(biāo)總體示意圖Fig.4 The sketch map of mobile buoy

水面浮體的尺寸為900mm×600mm×70mm，采用薄鋼板包絡(luò)的泡沫浮體材料。連接上浮體與水下推進機構(gòu)的繩索長度為4m，水下推進機構(gòu)總長度大約為800mm。水下推進機構(gòu)是整個裝置的動力源和核心機構(gòu)。如圖5所示，整個水下推進機構(gòu)由推進機構(gòu)基體、擺桿、連桿和翼片組成，10片翼片連接在10個擺桿的連接體處，對稱分布在基體的兩端，擺桿和連桿組成平行四邊形機構(gòu)，保證五組翼板同步。翼片尺寸為400 mm×100mm×3mm。除去翼片采用有機玻璃板、浮體外，其他構(gòu)件均為316不銹鋼。葉片組數(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度加以增減。

圖5 水下推進裝置示意圖Fig.5 The sketch map of underwater propulsion device

3 實驗研究

根據(jù)上述原理和設(shè)計圖紙，制作了機動浮標(biāo)的樣機，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。波浪作用在水面浮體上，通過纜索帶動水下推進機構(gòu)葉片的擺動，使整個裝置向前緩慢移動，水面浮體的方向舵用于控制機動浮標(biāo)的行進方向，由計算機遠程控制。水面浮體的運動參數(shù)和方向舵的轉(zhuǎn)角通過傳感器檢測通過無線傳輸給計算機。此外有水下攝像機對水下推進機構(gòu)葉片的運動進行觀測。

圖6 波浪能驅(qū)動機動浮標(biāo)系統(tǒng)Fig.6 The system of mobile buoy directly driven by wave

根據(jù)上述原理和設(shè)計圖紙，制作一個小型機動浮標(biāo)的樣機，其各個主要尺寸和材料見表1。

表1 小型機動浮標(biāo)的樣機參數(shù)Table 1 The parameter of physical prototype of mobile buoy

制作的水下推進裝置實驗樣機見圖7。

圖7 水下推進機構(gòu)Fig.7 The divce of underwater propulsor

利用該實驗樣機進行了海試。為監(jiān)測水下推進裝置的翼片運動情況，在纜索下端安裝水下攝像機。在煙臺養(yǎng)馬島水域進行了實驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著波浪的起伏，機動浮標(biāo)緩慢向前移動（見圖8），通過水下攝像機發(fā)現(xiàn)翼片隨著波浪做顯著擺動。實驗初步證明本設(shè)計原理和樣機是有效的。

圖8 仿生推進裝置海試圖（截圖自錄像資料）Fig.8 The experiment of underwater propulsion device in sea

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型波浪能驅(qū)動的機動浮標(biāo)，該浮標(biāo)由水面浮體和水下推進機構(gòu)兩部分組成，水下推進機構(gòu)可以將波浪垂蕩振動轉(zhuǎn)化為前進的動力，本文介紹了該浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了設(shè)計方案，并進行了海試，實驗結(jié)果表明文中設(shè)計的機動浮標(biāo)系統(tǒng)可以在波浪的作用下實現(xiàn)有效的前進運動，輔以遠程控制舵板等機構(gòu)可以實現(xiàn)有控制的巡航。本文提出的機動浮標(biāo)方案為了開展物理海洋環(huán)境、海洋生態(tài)、海洋污染的提供一種有效儀器搭載工具。

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