yd水下滑翔机原理样机设计与分析

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1、第 29 卷专 辑固 体 力 学 学 报Vol.29S.Issue2008 年 12 月CHINESE JOURNAL OF SOLID MECHANICSDecember 2008水下滑翔机原理样机设计与分析*王冲** 张志宏 顾建农 刘巨斌(海军工程大学理学院，武汉，430033)摘 要  水下滑翔机是一种新型水下航行载体，具有噪声低、航行距离远、续航时间长、成本低等特点。介绍了水下滑翔机原理样机的外形特征和内部整体结构布局以及控制电路设计，分析了水下滑翔机原理样机的驱动机理和运动实现；利用 CFX 软件，计算得到了升阻力系数随攻

2、角变化关系。关键词  水下滑翔机，原理样机，内部结构设计，数值计算0引言水下滑翔机[1-3]是近年来由美国率先研发的自主式水下载具。它不需要燃料作为动力，可以长时间、长距离的在水下运动，可以安装温度、盐度、深度等各种传感器以收集海洋物理资料，同时可以用它来探雷、布雷等，具有非常重要的军事用途。本文主要根据自行研制的水下滑翔机原理样机，介绍了样机的外形、内部结构以及控制电路的设计与优化，基于 CFX 软件，计算了样机的水动力特性。1水下滑翔机原理样机设计1.1样机的外形设计SLOCUM 等型水下滑翔机的机体尺寸和重量相差不多,体长 2 

3、m 左右，重量约为 50 kg, 如图 1所示.我们的水下滑行机原理样机采用细长比为 1:5的回转体外形，长度为 0.425 m，最大直径为 0.085m. 为了便于研究，将水平翼设计成固定翼，对称翼型，翼展长度为 0.0112 m，样机重量为 1.82 kg，机身采用合金铝材质，水平翼和尾翼采用有机玻璃材质，样机外形如图 2 所示。图 1Slocum 型水下滑翔机Fig.1 Slocum underwater glider*  海军工程大学科研基金项目(HGDJJ06005)资助.** 通讯作者.Tel: 027-834430767

4、, E-mail:wangchong1020g@sohu.com.图 2 水下滑翔机原理样机Fig.2 underwater glider model1.2  样机的内部结构设计SLOCUM 等 型 水 下 滑翔 机 主 要 控制 核 心 是PC-104 微型机，内部结构主要包括能源、电气、重心调节、浮力调节、应急抛载等部分，搭载的传感器有 GPS 接收机、电子罗盘、深度计、高度计及无线传输电台等。在保证实现水下滑翔功能的前提下，原理样机内部结构主要包括控制系统、压力传感器、浮力调节系统、电池组、无线电接收器等，其中重心调节系统被简

5、化，用于实现俯仰调节的质量块用水囊中的水代替，用于实现横滚调节的质量块用电池组代替，其结构示意图如图 3 所示。定常滑翔运动和空间定常回转运动是水下滑翔机作业过程中主要的运动形式.水下滑翔机原理样机在进行滑翔航行过程中交替出现正浮力与负浮力状态，同时水囊中水的重心在纵向位置相应改变，使得水下滑翔机沿锯齿形轨迹航行.在水下滑翔机上浮下潜的过程中，只在其锯齿形航迹的最高点和最低点调节重力、浮力的关系，中间航程完全实现了无动力调节；定常回转运动中,保持重心的侧向偏• 184 •固体力学学报2008 年第 29 卷移量不变，中间过程无需调节。

6、图 3 原理样机内部结构示意图Fig.3 Internal structure of underwater glider model1.3样机的控制电路设计在整个系统中控制电路可以说是核心部件，控制点的主要功能有两个，一是根据压力传感器的电压信号，控制水泵和电磁阀进行排水或排水，调整自身的重量和重心位置，实现俯仰调节；二是在接收到横滚指令后，启动电机，按设定值和设定的方向，将电池组偏置到某设定值，使水下滑翔机产生了第一种工作方式。 改变载体内部质量的纵向分布，可以调节样机的俯仰角；改变内部质量的横向分布，可以实现样机的横滚调节。重力

7、和浮力差值的调节是通过调节样机质量改变其重力实现的。 将样机的质量 m 分为三部分,固定部分 m1 、轴向调节可变部分 m2 和侧向调节部分m3 ，固定部分占整个样机的很大比重。当浮力B = (m1 + m2 /2 + m3 )g ，且重心位于浮心的正下方，连线垂直于样机的纵轴时，样机悬浮于水中。实现重心位置纵向调节，即俯仰调节时，当轴向调节可变部分改变 Äm ，轴向移动距离为 Äx ，则整个载体的重心将移动 x = ÄmÄx / 2(B / g + Äm) .假设滑翔机载体初始稳心高为 h ，则只考虑载体重力、浮力时载体的俯仰角è 

8、与 x、h 有如下关系：横滚。主要核心部件是压力传感器 40PC015 和电位比è = tan −1 (ÄmÄx /[2h(B / g + Äm)](1)较器 LM311 等，电路图如图 4 所示.压力传感器根据样机