水下滑翔机浮力调节机构布局研究

余忠晶，章 杰

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

随着海洋开发热潮的兴起，水下无人潜器越来越受到世界各国的关注，作为水下无人潜器之一的水下滑翔机，以其低阻力、低噪声、远航程、低功耗、长航期、高隐蔽性等特点脱颖而出，并在海洋科学调查、海洋环境要素探测、信息收集等方面发挥了举足轻重的作用。下面列举了国外研究机构研究的几种典型的水下滑翔机。其中最具代表性的是以下3种滑翔机，美国韦伯研究公司研制的Slocum glider 包括Slocum Electric glider 和Slocum Thermal glider，外形采用的长椭圆形。Slocum Electric glider 长1.5 m，质量为52 kg，皮囊容量为520 mL，最大水平速度为0.4 m/s。Slocum Thermal glider 长为1.5 m，质量为52 kg，皮囊容量为410 mL，最大水平速度为0.27 m/s;斯克里普斯海洋研究所研制的Spray glider外形采用的是类长圆柱形，长为2 m，质量为51 kg，皮囊容积为900 mL，最大水平速度为0.45 m/s;华盛顿大学研制的Seaglider 外形采用的是满足Granville 曲线的纺锤型，长为1.8 m，质量为52 kg，皮囊容积为840 mL，最大水平速度为0.45 m/s。以上滑翔机的浮力调节机构都在艉部或者艏部，这些成功的设计方案为进一步研究提供了参考。

本文在分析和总结典型的浮力调节机构对滑翔机的影响的基础上，提出了一种新的布局方式，并对其进行了详细地研究分析。

1 运动机理

水下滑翔机运动原理是利用内部的浮力调节以及质浮心距的改变，导致水下滑翔机姿态倾角产生变化(Pitch、Roll、Yaw)，在上升或下沉运动时使安装在壳体两侧的滑翔翼产生升力，使之产生锯齿形滑翔运动轨迹［1-5］，如图1 所示。水下滑翔机之所以能够长时间自主工作，是因为AUG在滑翔时仅在上升下沉转换或改变姿态才需要浮力调节或质心调节工作，消耗能源相对较少;同时航行中仅需要浮力的轻微改变，以及利用滑翔翼将垂直运动变成水平运动，这样就以非常低的电能消耗推动自身前进，实现超长航程和续航力［6-10］。资料显示，2009年美国Slocum Glider 从美国新泽西航行到西班牙，横跨大西洋，历时7 个月，航程7 279 km，如图2 所示。

图1 锯齿形轨迹示意图

图2 滑翔机轨迹示意图

2 浮力调节机构布局分析

假设水下滑翔机内部油箱距头部距离d1，油囊距头部距离d2，调平衡后质心和浮心距头部距离分别为d3=d4，打油或回油后质心和浮心距头部的距离分别为d'3、d'4，排水量为M'。初始状态下，滑翔机重G，排水量M = G，油的密度为ρ油，水的密度为ρ水，滑翔机打油或回油的质量为m。

图3 滑翔机示意图

假设不考虑打油的质量m，滑翔机质量为G-m，质心位置距离头部的距离为x，得

由以上各式得:

在打油过程中，要使质浮心矩不发生变化，即d'3= d'4，推导得

根据上式可知，在理论浮心位置两侧，总存在一个油箱和油囊的平衡位置，将油从内部调节到外部或从外部调节到内部不会引起系统质、浮心较大变化，而将浮力调节机构放置在滑翔机的艏部或者艉部，就会引起质、浮心发生变化，如图4 所示。

图4 浮力调节机构安装位置与质浮心距变化关系

从图4 可以看出，在打油量一定的情况下，质心的变化量是保持不变的，浮心变化量是先变小后变大，在相交的B点处，质浮心变化量相等，总体的质浮心距保持不变，即浮力调节机构安装在滑翔机B 点处，打油或回油不影响滑翔机的滑翔姿态。将浮力调节机构安装在滑翔机艏部，滑翔机的质浮心距的变化方向相反，相比而言调整水下滑翔机达到同样姿态，质心调节移动距离较短，节约了电池的耗能，适合比较频繁的上升和下潜姿态的更替，缺点是单位移动距离对应的姿态调整角度大，不容易获得良好的姿态控制精度，姿态稳定性不好;将浮力调节机构安装在滑翔机艉部，滑翔机的质浮心距的变化方向相同，与浮力调节机构安装在艏部相比，质心调节移动距离较长，单位移动距离对应的姿态调整角度小，容易获得良好的姿态控制精度，缺点是质心调节机构耗能，占用更大的空间，不适合在水深较浅的地方频繁地更换姿态滑翔;将浮力调节机构安装在B 点处，打油或回油不影响质浮心距，质心调节移动距离适中，有较好的姿态控制精度，占用的空间和能耗都适中，可以较好的兼顾上述2 种方式的优点。

3 结论

本文对水下滑翔机进行了力学分析，分析了将浮力调节装置布置在艏部和艉部的优缺点，在此基础上，提出了将浮力调节装置布置在中段某处，使油囊和油箱距质心的距离的比值为，定量打油或回油时，质浮心距不发生变化。

浮力调节装置在舱体内的位置对俯仰姿态控制以及对总体质、浮心移动有重要影响。常规布置方案是将浮力调节装置设计在水下滑翔机的艉部，这种布局可以获得较好的姿态控制和姿态保持能力，缺点是浮力调节会使质、浮心产生位移，当液压泵将油箱液体压入油囊时，由于油囊位于水下滑翔机后端，必然导致水下滑翔机的质、浮心向后移动，其中浮心的位移变化更大，这就需要质心调节机构的移动距离更大，才能抵消上述影响。同理如果将浮力调节装置布置在水下滑翔机的艏部，当液压泵将油箱液体压入油囊时，由于油囊位于滑翔器前端，必然导致滑翔器的质、浮心向前移动，相比而言调整水下滑翔机达到同样姿态，质心调节移动距离较短。如果油囊体积较小，质浮心的位置变化量可以忽略不计，但我国大部分海域受到黑潮的影响，平均海流速度大，一些区域海流达2 kn。普通水下滑翔机浮力调节能力有限，而水下滑翔机的水平速度主要与浮力调节能力有关，因此为了抗高流速，有必要采用高浮力调节方案，位置变化不可忽略，将浮力调节装置放置在某处，将油从内部调节到外部或从外部调节到内部不会引起系统质、浮心较大变化，这就为采用大浮力方案提供了依据。

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