新型温差能驱动水下滑翔器系统设计

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1、新型温差能驱动水下滑翔器系统设计摘要：温差能驱动水下滑翔器使用海洋温差能作为驱动能源，只使用少部分电能用于控制和传感系统，其巡航范围和工作时间远远大于其它种类的水下航行器，与电能驱动水下滑翔器相比也具有明显优势.文章给出了温差能驱动水下滑翔器各功能模块设计和试验，并进行了总体系统的水域试验，验证了系统设计的有效性.关键词：水下航行器；水下滑翔器；温差能；驱动DesignofanewtypeunderwatergliderpropelledbytemperaturedifferenceenergyAbstract:Theunderwate

2、rgliderwhichisdrivenbytemperaturedifferenceenergyuseslittleelectricenergytothecontrolandcommunicationsystem.ThusitscruiserangeismuchlongerthanotherkindsofUnderwaterVehicles.Andalsoithasmanyadvantagesthantheunderwatergliderdrivenbyelectricenergy.Themainmodulesdesignsandex

3、perimentsareanalyzed.Andtheeffectivenessofthewholeunderwaterglidersystemisverifiedbythetestsinthewaterarea.Keywords:UnderwaterVehicle;underwaterglider;temperaturedifferenceenergy;drive—53—0引言水下滑翔器是在自持式中性浮标的基础上发展的一种海洋观测技术，以补充漂流浮标不具有自主水平运动和定向航行的功能.1978年，WoodsHole海洋研究所（Wood

4、sHoleOceanographicInstitution，简称WHOI）讨论把SOFAR浮标改进，增加水平移动的功能[1].水下滑翔器的原始概念由海洋学家HenryStommel于1989年正式提出[2]，并由海洋科学家DougWebb等人于1995年研制出水下滑翔器，命名为Slocum，用于海洋参数测量[3-4].作为一种新型的海洋传感器搭载和运输平台，水下滑翔器不同于传统的水下机器人，它通过改变自身体积与重力的比例实现升沉运动，并通过尾舵摆动[4]或改变横滚姿态实现转向运动[5-6].这种工作方式使得水下滑翔器巡航范围和时间均有显

5、著提高，增加了海洋监测的能力.目前水下滑翔器浮力驱动系统的能源供给形式分为两种，一种是使用电能驱动，另一种则利用海洋表层与深水层的温度差实现浮力改变.与电能驱动的水下滑翔器比较，温差能驱动水下滑翔器由于使用海洋环境能源作为系统的驱动能源，其巡航范围和时间又有显著提高，同时由于不使用功率较大的电机作为动力源，其水下运行平稳安静，具有极小的噪音和扰动，更适于海洋环境监测[4].表1给出了典型的水下航行器、Slocum电能驱动水下滑翔器和Slocum温差能驱动水下滑翔器的性能.温差能驱动水下滑翔器自概念提出，受到海洋科学家普遍关注，其技术也有

6、了快速发展.2000年10月，温差能驱动水下滑翔器第一次成功实现了水域测试.—53——53——53—此后，其技术一直进行改进[7].我国对温差能驱动水下滑翔器的研究开始于2004年，天津大学和国家海洋技术中心合作，成功研制了温差能驱动水下滑翔器试验样机，并进行了水域试验.此滑翔器在空气中整体质量约为50kg，工作深度可达100m，携带温度传感器获取运动水域的温度信息.此外，滑翔器可以利用水域表面与深水层约10℃的温差产生浮力驱动，浮力调节量为±0.5N，并通过电能控制，调整耐压壳体内部姿态控制机构的状态，使滑翔器重心与浮心产生相对位移，

7、以控制滑翔器的姿态.—53—表1三种水下潜器性能参数潜器名称质量推进方式驱动能源工作深度在位作业时间巡航范围典型水下自航行器几十千克~几吨螺旋桨电池电能几十米~几千米几小时~几十小时几十~几百公里Slocum电能水下滑翔器50kg浮力改变电池电能200m20天几百公里Slocum温差能水下滑翔器约52kg浮力改变海洋温差能2000m4年~5年几千公里—53—1系统设计温差能驱动水下滑翔器整体布局如图1所示，根据功能，其结构主要分为以下4个功能模块：主体模块，包括耐压壳体及其附件，姿态调整模块，控制与通讯模块，浮力调节模块.本文对各功能模

8、块分别进行设计.—53—水下滑翔器整体固紧件TCM电子罗盘加强肋偏心旋转重物偏心旋转重物末端定位件俯仰姿态调整机构驱动电机控制电路板和电机驱动器支架固定端蓄能腔工作腔外皮囊外压力传感器固定垂直尾翼温度传感器