浅谈无人水下飞机设计

曾 淦 李 林 刘贤烨 许铭深 李健沣

（广东白云学院，广东 广州 510450）

0 引言

随着海洋探测需求的推进，无人潜航器的发展进入多元化阶段，目前国内外应用于海洋物理信息监测等领域的无人潜航器主要机型有Slocum、Spray、Seaglider、Seawing、Peterl等[1]，但无人潜航器体积较大、价格高昂、需要人工进行投放和回收，一般用于军事和科考领域的无人潜航器的作业范围都是在深水域，在民用方面运用较少。因此，该文设计了一种多用途浅水域无人水下飞机，不需要像传统的无人潜航器那样借助浮筒动力或舰艇中转接收重新投放，该无人水下飞机体积较小，在水中的航行能力更加灵活。

1 结构设计

1.1 整体结构设计

无人水下飞机由一个流线型机身、后掠翼和垂尾组成。外部使用耐压壳进行抗压并采用翼身融合布局。机翼内部镶嵌2 条直径为5 mm 的碳杆，用来保证机翼受力均匀并提高机翼的抗弯折力。垂尾使用的翼型为NACA 0014 全动结构，采用贯穿全部翼肋，直径为6 mm 的碳杆作为无人水下飞机垂尾的转动轴，在加强垂尾结构的同时提高了飞机在水中的灵活性。无人水下飞机总体积约为14×106 mm3，用SolidWorks软件进行三维建模如图1 所示。

图1 无人水下飞机模型图

1.2 机翼选型

水下航行时无人水下飞机升阻比主要由主体的湿表面积和外形决定[2]，拥有良好的升阻比能提高无人水下飞机的滑翔效率。由于考虑到无人水下飞机制作的难度以及为了减小其航行的阻力，因此在Profili 翼型库中最终选择了5 种合适的平凸翼型，分别是①-Clark-Y、②-Mirage、③ -USA 45M、④ -GOE 289（MVA 289）、⑤ -Eppler 399。由图2 可知在温度293.2 k、航行深度3 m 内，假设机翼表面水流速度为3 m/s、机翼弦为345 mm 时，计算得到雷诺数Re=708000，通过对5 款翼形升阻比与迎角的关系进行比较，发现Eppler 399 翼型拥有比其他4 种翼型更好的升阻比。通过对翼型的选择，无人水下飞机最终确定使用后掠翼布局，其翼展总长为660 mm，最大厚度为40 mm，最小厚度为10 mm。使用后掠翼的优点在于可以使垂直于机翼前缘的气流速度分量低于飞行速度，降低飞行阻力，提高飞机整体性能。

图2 机翼升阻比与迎角的关系

1.3 流线型机身设计分析

无人水下飞机机身总长为530 mm，前端导流罩为60 mm，中部机身段为400 mm，尾部导流罩为70 mm。根据伯努利方程公式，机身采用流线型设计[3]，头部和尾部均使用导流罩，可以有效地减少无人水下飞机航行时的阻力，并降低电能损耗。水中航行时，水流场在物体表面会形成边界层，使用流线型机身意味着与流场的流动贴合得比较好，边界层是限定在一定范围之内的，因此粘性阻力的能耗较小。而钝体外型曲率变化较大，流动时不能很好地贴合在流体和物体的界面处。破坏流场的流动，会产生大范围的尾涡，能量损耗增加。如图3 所示，其中①-流线型机身、②-非流线型机身。

1.4 浮力调节装置

图3 流线型机身与非流线型机身水流流动迹线对比图

如图4 所示，该无人水下飞机的浮力调节装置由电机驱动， 通过连杆系统将电机输出的力矩转换成作用到活塞上的轴向力，并利用位移传感器与压力传感器控制电机输出[1]，因浮力调节装置的移动会导致飞机重心的改变，所以每当浮力调节装置进行活塞运动时，无人水下飞机会根据浮力调节装置中活塞的移动，适当地调整俯仰角，保证无人水下飞机处于平衡状态，达到无人水下飞机能在不同浅水域内航行的目的[4]。

图4 浮力调节装置原理图

2 性能分析

2.1 动力系统

该无人水下飞机在水下航行时会受到水动力的影响， 而水动力的大小将会影响无人水下飞机的运动，所以根据这种现象，无人水下飞机的动力源使用12.6 V 承压锂电池进行直流供电[5]，无刷电机逆变电路将直流电逆变成三相方波交流电使电机转动，并利用飞行控制系统获得电机最佳转速。为了延长续航时间，无人水下飞机可以根据不同情况搭载太阳能充电装置或波浪能充电装置。

2.2 飞行控制系统

该文设计的无人水下飞机搭配有飞行控制系统，其主要由主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等组成。飞行控制系统通过多路模拟信号的高精度采集，感知无人水下飞机航行位置与姿态的变化，并利用多个通信信道，分别实现与机载数据终端、GPS 信号、数字量传感器以及相关任务设备的通信，然后通过输出PWM 信号控制无人水下飞机上的舵机，从而控制无人水下飞机的姿态。

2.3 水下导航系统

该文设计的无人水下飞机在水中航行时，通过水下导航系统进行导航，由于无人水下飞机与水下滑翔机类似，体积较小，所以采用水下滑翔机中应用最为广泛的航位推算方法。其通过内部控制系统结合深度计、电子罗盘等各来源的导航信息综合估算水下位置[5]。具体过程为通过对无人水下飞机的深度变化率、姿态和航向角的测量，计算出无人水下飞机的水平运动速度，利用积分求出其位移， 再结合无人水下飞机在水面时的位置坐标，得到其在水下的相对位置。

2.4 水中性能分析

利用SolidWorks Flow Simulation 软件对无人水下飞机进行流体分析，如图5 所示，在水下航行时，由于水流沿着无人水下飞机表面流动，水从两端排开，使得与无人水下飞机中心面垂直的外流场形成低压区，并在无人水下飞机的前方与后方形成高压区。因此，该文设计的无人水下飞机耐压壳内部装有“T”字型框架，以此来加强壳体的耐压强度，并通过CFD 数值模拟计算出无人机可在水下1 m～3 m 的深度航行。

3 电子元件防水处理

3.1 防水涂料选择

该文设计的无人水下飞机外部均采用耐压壳，电子元器件均置于机身内部的密闭隔仓内。为预防密闭隔仓出现渗水情况，电子元器件都将进行防水处理。经过多次试验发现，纳米防水涂料比三防漆防水特性更加优秀。三防漆膜层厚，影响散热，并且气味较大、涂覆不均匀、含有一定的有害物质，而纳米防水涂料气味较小甚至无气味，膜层薄、固化快、不含挥发性有机物、安全环保。最重要的是纳米防水涂料防水级别可以达到IPX7，意味着设备在深度在1 m 以内的水中，可承受长达30 min 的浸泡而保证其内部不进水，其在PCB 板表面形成网状结膜，能有效降低线路板及电子元器件的表面能量，并能使水滴的接触角趋于最大值，同时使PCB 板表面显示出超强的疏水性能，且不会影响其散热性能和连接器的导电性。

图5 无人水下飞机压力分布云图

3.2 防水处理

将电子调速器表面蒙皮拆解下来，在其细小的电子器件上喷涂纳米防水涂料，并用薄膜包裹放置在密封隔舱内。在电子元件接口等易接触水的地方喷涂环氧树脂，待其凝固后使用热缩管对电子元件接口进行包裹。

4 结语

该文设计的无人水下飞机适用于浅水域，并可以根据不同的任务完成不同的模式切换，解决了传统的水下作业无法完全保障安全的问题，并能够很好地契合未来海洋经济的发展方向，助力“水域产业”的增速扩张，实现多领域的运用。经过测试，该无人水下飞机可在半径范围为5 km 的地方进行作业，飞行速度为15 m/s，水下航行速度为3 m/s，航行深度最大可达3 m，可满足在浅水域稳定运行与巡航的要求。