水下滑翔機(jī)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)研制

楊海，劉雁集

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108

2 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

0 引 言

水下滑翔機(jī)是浮力驅(qū)動(dòng)的、帶有固定機(jī)翼的低噪聲水下機(jī)器人。目前國(guó)內(nèi)外研制有多型水下滑翔機(jī)，如美國(guó)的Slocum［1］，Seaglider［2］，Spray［3］，法國(guó)的SeaExplorer［4］，中國(guó)的“海翼”號(hào)［5］及“海燕”號(hào)［6］等。水下滑翔機(jī)大部分時(shí)間可以進(jìn)行無(wú)動(dòng)力的穩(wěn)定滑翔，具有長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程的特點(diǎn)，能出色地完成大尺度海域的探測(cè)，可以作為一種海洋環(huán)境觀測(cè)平臺(tái)投放應(yīng)用。

水下滑翔機(jī)是在深潛浮標(biāo)的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)，通過(guò)增加偏置的重心獲得俯仰等姿態(tài)調(diào)節(jié)能力，通過(guò)增加水平機(jī)翼獲得升力。與浮標(biāo)相同，滑翔機(jī)依靠浮力驅(qū)動(dòng)，由浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制滑翔機(jī)速度和下潛、上浮狀態(tài)的切換［7］，且影響滑翔角度，是滑翔機(jī)的關(guān)鍵組件。按執(zhí)行機(jī)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行劃分，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為電機(jī)—活塞驅(qū)動(dòng)和電機(jī)—油泵驅(qū)動(dòng)2類(lèi)。電機(jī)—活塞驅(qū)動(dòng)形式較為簡(jiǎn)單，比較適合運(yùn)行于淺水區(qū)域的快速反應(yīng)的水下滑翔機(jī)［8］；通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，也適用于深水環(huán)境［9］；但此類(lèi)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與能耗均較大。電機(jī)—油泵驅(qū)動(dòng)形式的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)更適合于深水環(huán)境，利用一臺(tái)雙向油泵即可實(shí)現(xiàn)油液的雙向輸送［10-11］，但回油過(guò)程需要反向轉(zhuǎn)動(dòng)高壓油泵，能耗也較大。為了降低能耗，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往利用耐壓殼體的內(nèi)、外壓差自然回油，在此類(lèi)系統(tǒng)中，需要配置一臺(tái)單向的高壓油泵向外輸油；與此同時(shí)，為了消除高壓油泵入口的負(fù)壓，需要在高壓油泵前配置增壓泵及增壓回路，以保證高壓油泵正常工作，從而加大了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

為此，本文擬研制可快速出油和回油、可用于高壓環(huán)境的低能耗浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并研制海洋壓力環(huán)境模擬器，以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。此外，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行效率受外部壓力環(huán)境的影響［12］，為充分研究不同外部壓力環(huán)境對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究在不同外部壓力下浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與能耗水平。

1 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析

水下滑翔機(jī)在垂直平面內(nèi)穩(wěn)定滑翔時(shí)，升力、阻力與凈浮力平衡。在機(jī)型已經(jīng)確定的情況下，機(jī)體的升力、阻力與攻角的關(guān)系可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)方式獲得，由此確定機(jī)體所需要的浮力調(diào)節(jié)量。設(shè)計(jì)的水下滑翔機(jī)如圖1所示，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)位于機(jī)體的后部。

在垂直平面內(nèi)，水下滑翔機(jī)穩(wěn)定下潛和穩(wěn)定上浮過(guò)程中的受力分析如圖2所示。圖中：L為水下滑翔機(jī)所受的升力；D為水下滑翔機(jī)所受的阻力；m0為水下滑翔機(jī)總質(zhì)量減去排水質(zhì)量（凈浮力質(zhì)量）；m0g為水下滑翔機(jī)凈浮力；V為水下滑翔機(jī)在垂直平面內(nèi)的速度；θ為俯仰角，抬頭為正，低頭為負(fù)；i為慣性坐標(biāo)系的i軸，位于水平面內(nèi)；e1為機(jī)體坐標(biāo)系的e1軸，指向水下滑翔機(jī)艏部；α為攻角，自V向e1坐標(biāo)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正；ξ為滑翔角，定義為ξ=θ-α，且與θ同向。

根據(jù)受力分析，垂直平面內(nèi)的力平衡方程為

由式（1）和式（2）可得

水下滑翔機(jī)所受的阻力D和升力L分別表示為

式中：ρ為流體密度；A為機(jī)翼面積；CD(α)和CL(α)分別為隨攻角α變化的阻力系數(shù)和升力系數(shù)。

基于k-ε模型，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)設(shè)計(jì)的水下滑翔機(jī)（幾何模型如圖1所示）進(jìn)行模擬，得到的流場(chǎng)速度矢量圖、壓力云圖、速度云圖如圖3所示，得到的升力、阻力與攻角的關(guān)系如圖4所示。

對(duì)圖4所示的阻力曲線(xiàn)和升力曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到的阻力系數(shù)與升力系數(shù)分別為：

式中，CD0=0.092 09，CDα=0.001 555，CLα=0.094 48。

根據(jù)式（3）和式（4），可得到給定速度下的滑翔角與凈浮力的關(guān)系，則水下滑翔機(jī)的水平速度為

由式（1）和式（2），可得

根據(jù)滑翔角的定義，以及式（4）～式（7），可得

根據(jù)式（10），可得

當(dāng)ξ=35°（-35°）時(shí)，利用式（11）求得對(duì)應(yīng)的α=-1.440 8°（1.440 8°）。

聯(lián)立式（6）和式（8），可求得當(dāng)滑翔機(jī)的水平速度Vx=0.25 m/s時(shí)，需要的凈浮力質(zhì)量m0=±0.13 kg，體積變化約±130 mL?？紤]到系統(tǒng)儲(chǔ)備情況，設(shè)計(jì)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)體積變化范圍為［-300 mL，300 mL］。

2 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作深度為200 m，可調(diào)節(jié)體積變化量為±300 mL。如圖5所示，設(shè)計(jì)的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括出油管系和回油管系，管系的兩端是內(nèi)油囊與外油囊。出油管系包括1臺(tái)柱塞泵、1個(gè)單向閥和1個(gè)過(guò)濾器，回油管系包括1臺(tái)低功耗齒輪泵和1個(gè)電磁閥。

出油管系中，柱塞泵排量為0.1 mL/r，最高工作壓力為50 MPa。為保證柱塞泵正常工作，在柱塞泵前配置一個(gè)濾網(wǎng)孔徑為60 μm的過(guò)濾器。單向閥保證出油油路單向流動(dòng)。

回油管系中，齒輪泵為磁力驅(qū)動(dòng)的低功耗齒輪泵，最大排量為500 mL/min，0～5V電壓調(diào)速。

為方便測(cè)量浮力調(diào)節(jié)量，內(nèi)油囊設(shè)計(jì)為波紋狀，有效容積約0.9 L。采用一個(gè)量程為10 cm的直線(xiàn)位移傳感器測(cè)量?jī)?nèi)油囊的容積，該傳感器分辨率為0.01 mm，線(xiàn)性度為±0.1%。

出油時(shí)，回油油路電磁閥常閉，齒輪泵不供電，柱塞泵供電，將內(nèi)油囊內(nèi)的工作液體輸送至外油囊，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的出油量時(shí)柱塞泵斷電?；赜蜁r(shí)，常閉電磁閥和齒輪泵上電開(kāi)啟，將外油囊內(nèi)的工作液體輸送至內(nèi)油囊，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的回油量時(shí)常閉電磁閥和齒輪泵均斷電關(guān)閉。

2.2 海洋壓力環(huán)境模擬器設(shè)計(jì)

對(duì)于柱塞泵來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速不變時(shí)理論流量恒定不變。但是，實(shí)踐表明，泵的實(shí)際流量比理論流量要小。為了準(zhǔn)確控制油量，研究了浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在實(shí)際海洋壓力環(huán)境下的工作性能，設(shè)計(jì)了海洋壓力環(huán)境模擬器。模擬器原理圖和實(shí)物圖如圖6所示，主要由耐壓裝置和加壓裝置組成，耐壓裝置由耐壓圓筒和耐壓端蓋組成，耐壓圓筒設(shè)計(jì)采用壁厚3 cm的不銹鋼，耐壓端蓋與耐壓圓筒之間采用軸向密封。在耐壓端蓋上，除了設(shè)計(jì)1個(gè)加壓裝置接口和1個(gè)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝接口之外，還設(shè)置有1個(gè)耐壓裝置壓力表和1個(gè)耐壓裝置溢流閥。加壓裝置由1臺(tái)手搖泵和壓力表組成。通過(guò)手搖泵，向耐壓裝置中注水，當(dāng)耐壓裝置中水壓達(dá)到試驗(yàn)壓力時(shí)，停止注水。溢流閥用于保持耐壓裝置中恒定的壓力環(huán)境，也可用于設(shè)置不同的試驗(yàn)壓力。設(shè)計(jì)的環(huán)境模擬器最大可模擬6 MPa的海洋壓力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)時(shí)，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝于耐壓裝置上，其耐壓部件（包括外油囊）全部置于耐壓裝置內(nèi)，以模擬滑翔機(jī)實(shí)際航行過(guò)程中機(jī)體尾部的受壓情況。

3 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同工況下的工作情況，分別測(cè)試系統(tǒng)在不同壓力環(huán)境下的出油性能及在大氣壓下的回油性能。出油過(guò)程通常發(fā)生在水下滑翔機(jī)由下潛運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變到上浮運(yùn)動(dòng)這一時(shí)間段，此時(shí)水下滑翔機(jī)處于較深的位置，若浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能正常工作，則水下滑翔機(jī)繼續(xù)下潛而存在觸底或超壓的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在高壓環(huán)境下，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常出油是保證水下滑翔機(jī)正常上浮的關(guān)鍵因素。

出油實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)向外油囊排油，會(huì)導(dǎo)致耐壓裝置有限容積中的壓力增加。為了保持恒定的壓力環(huán)境，利用溢流閥穩(wěn)定耐壓裝置內(nèi)壓力。由此可在不同壓力環(huán)境下，通過(guò)調(diào)節(jié)柱塞泵的轉(zhuǎn)速，測(cè)試浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出油時(shí)間和能耗。

回油實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到回油時(shí)水下滑翔機(jī)通常位于海洋表面，外油囊的壓力環(huán)境設(shè)定為大氣壓。回油實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，齒輪泵以1 V的恒定電壓控制轉(zhuǎn)速，直至回油到指定狀態(tài)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)位移傳感器測(cè)量?jī)?nèi)油囊體積，在柱塞泵轉(zhuǎn)速一定的情況下，位移傳感器的讀數(shù)與內(nèi)油囊體積之間存在準(zhǔn)線(xiàn)性關(guān)系。如圖7所示，當(dāng)內(nèi)油囊的體積在200～600 mL區(qū)間變化時(shí)，位移與容積之間呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)內(nèi)油囊的體積小于100 mL時(shí)，受內(nèi)皮囊的波紋管形式影響，位移與體積關(guān)系出現(xiàn)輕微的非線(xiàn)性特征，而且內(nèi)油囊越收縮，非線(xiàn)性特性越明顯。位移傳感器具有毫米級(jí)別的分辨率，受浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)油囊的大橫截面的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)內(nèi)油囊體積的分辨率較低。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，分辨率約為6 mL。

圖8所示為不同壓力環(huán)境下，泵轉(zhuǎn)速分別為1 000和2 000 r/min時(shí)的流量曲線(xiàn)。從圖中可以看出，排量隨著壓力的增加而降低，在1 000 r/min時(shí)，排量最多降低約6 mL/min，降低了6%。在2 000 r/min時(shí)，流量最多降低約40 mL/min，降低了20%。由此可見(jiàn)，在外壓增大的情況下，泵的排量受到一定影響，即泵的容積效率降低。同時(shí)，泵的能耗也隨之增加，如圖9所示。

圖10所示為不同壓力環(huán)境下的排油過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。由圖可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著外壓的增大，完成相同排油量所需的時(shí)間增大。并且，在泵轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的情況下，排油所需時(shí)間比理論值增加了約4.1%；在泵轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的情況下，排油所需時(shí)間比理論值增加了約33%。

圖11所示為在大氣壓力環(huán)境下的回油過(guò)程曲線(xiàn)?；赜退俾始s360 mL/min，能耗約20 W。

由圖10（b）可知，在2.5 MPa的壓力環(huán)境下，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)耗時(shí)76 s即可完成300 mL的輸油，實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)體積變化在-150～150 mL之間的切換，完成上潛和下浮狀態(tài)的切換。由圖11可知，回油時(shí)，50 s即可完成浮態(tài)的切換。

綜上所述，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在外部壓力環(huán)境下工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)較快的上潛和下浮狀態(tài)切換。隨著外部壓力的增加，排油時(shí)柱塞泵的排量有所降低。特別是在泵的轉(zhuǎn)速較高時(shí)，影響較大。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水下滑翔機(jī)及其浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論分析和CFD計(jì)算，求得浮力調(diào)節(jié)量這一重要設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)出油油路復(fù)雜及回油慢的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可快速出油和回油、可用于高壓環(huán)境的低能耗浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了海洋壓力環(huán)境模擬器，在不同外部壓力環(huán)境條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置了出油和回油通路、以高壓柱塞泵執(zhí)行深水環(huán)境下向外出油、以低能耗齒輪泵執(zhí)行淺水環(huán)境下回油的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在外部壓力環(huán)境下工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)較快的下潛、上浮狀態(tài)切換。此外，該浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在2.5 MPa壓力環(huán)境下出油過(guò)程正常，在大氣壓力環(huán)境下回油過(guò)程也正常。