Chinese Journal of Ship Research
水下滑翔机浮力调节系统研制
1，刘雁集2杨海 1 201108中国舰船研究设计中心，上海2 200240上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海
摘 要：［目的］浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统，［方法］通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算，以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力调节系统、采用高压柱塞泵实现在深水环境下向外出油、低能耗齿轮泵实现在浅水环境下回油的浮力调节系统。在不同压力环境下对出油和回油特性及其能耗进行实验测试。［结果］结果表明：在2.5 MPa压力环境下，浮力调节系统出油过程正常；在大气压力环境下，浮力调节系统的回油过程正常，所研制的实验装置可模拟水下滑翔机实际运行环境的海洋压力。［结论］研制工作可为浮力调节系统的工程应用提供有益参考。关键词：水下滑翔机；浮力调节系统；海洋压力环境模拟器中图分类号：U664.81 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01238
0引言
水下滑翔机是浮力驱动的、带有固定机翼的低噪声水下机器人。目前国内外研制有多型水下Slocum［1］，Seaglider［2］，Spray［3］，滑翔机，如美国的SeaExplorer法国的 ［ 4 ］ ，中国的“海翼”号［ 5 ］及“海燕”号［6］等。水下滑翔机大部分时间可以进行无动力的稳定滑翔，具有长航时、远航程的特点，能出色地完成大尺度海域的探测，可以作为一种海洋环境观测平台投放应用。水下滑翔机是在深潜浮标的基础之上发展而来，通过增加偏置的重心获得俯仰等姿态调节能力，通过增加水平机翼获得升力。与浮标相同，滑翔机依靠浮力驱动，由浮力调节系统控制滑翔机速度和下潜、上浮状态的切换［ 7 ］，且影响滑翔角度，是滑翔机的关键组件。按执行机构类型进行划分，浮力调节系统可分为电机—活塞驱动和电2机—油泵驱动 类。电机—活塞驱动形式较为简单，比较适合运行于浅水区域的快速反应的水下滑翔机［ 8 ］；通过优化驱动结构，也适用于深水环
境［9］；但此类结构的长度与能耗均较大。电机—油泵驱动形式的浮力调节系统更适合于深水环境，利用一台双向油泵即可实现油液的双向输送［10-11］，但回油过程需要反向转动高压油泵，能耗也较大。为了降低能耗，浮力调节系统往往利用耐压壳体的内、外压差自然回油，在此类系统中，需要配置一台单向的高压油泵向外输油；与此同时，为了消除高压油泵入口的负压，需要在高压油泵前配置增压泵及增压回路，以保证高压油泵正常工作，从而加大了系统的复杂程度。为此，本文拟研制可快速出油和回油、可用于高压环境的低能耗浮力调节系统，并研制海洋压力环境模拟器，以进行实验分析。此外，浮力调节系统的运行效率受外部压力环境的影响［12］，为充分研究不同外部压力环境对系统运行的影响，拟通过实验研究在不同外部压力下浮力调节系统的响应时间与能耗水平。
1 浮力调节系统分析
水下滑翔机在垂直平面内稳定滑翔时，升力、阻力与净浮力平衡。在机型已经确定的情况下，机体的升力、阻力与攻角的关系可以通过数值计算或实验方式获得，由此确定机体所需要的浮力1调节量。设计的水下滑翔机如图 所示，浮力调节系统位于机体的后部。在垂直平面内，水下滑翔机稳定下潜和稳定 2上浮过程中的受力分析如图 所示。图中：L 为水下滑翔机所受的升力；D为水下滑翔机所受的阻力；m 为水下滑翔机总质量减去排水质量（净0浮力质量）；m g 为水下滑翔机净浮力；V 为水下0滑翔机在垂直平面内的速度；θ 为俯仰角，抬头为正，低头为负；i为惯性坐标系的i轴，位于水平面内；e1为机体坐标系的 e1轴，指向水下滑翔机艏部；α 为攻角，自V 向 e1坐标轴顺时针旋转为负，逆时针旋转为正； ξ 为滑翔角，定义为ξ = θ - α ，且与 θ 同向。 根据受力分析，垂直平面内的力平衡方程为（1） L × sin α - D × cos α =m × g × sin θ 0 （2） L × cos α + D × sin α =m × g × cos θ 0 1 2由式（ ）和式（ ）可得（3） D =- m × g × sin ( θ - α )=- m × g × sin ξ 0 0水下滑翔机所受的阻力 D 和升力 L 分别表示为
D = 1 ρC (α)AV （ ） 4 2 D 2 L = 1 ρC (α)AV （ ） 5 2 L 2式中： ρ 为流体密度； A为机翼面积； CD (α) 和CL (α) 分别为随攻角 α 变化的阻力系数和升力系数。k-ε模型，利用计算流体动力学（CFD）对基于 1设计的水下滑翔机（几何模型如图 所示）进行模拟，得到的流场速度矢量图、压力云图、速度云图3如图 所示，得到的升力、阻力与攻角的关系如4图 所示。
4对图 所示的阻力曲线和升力曲线进行拟合，得到的阻力系数与升力系数分别为： CD ( α)= CD0 + CDαα2 C ( α)=C α L Lα （6） 7 （ ）式 中 ，C = 0.092 09 ，C = 0.001 555 ，C = D0 Dα Lα 0.094 48 。根据式（3）和式（4），可得到给定速度下的滑翔角与净浮力的关系，则水下滑翔机的水平速度为1 2 -m g sin ξ
（8） Vx = 0 · cos ξ 1 ρCD ( α)A 2 1 35.26°式中， (sin ξ )2· cos ξ 在 ξ = 时数值最大，约0.6。为 1 2由式（ ）和式（ ），可得0 = écos θ sin θùécos α -sin αùéDù 9 （ ） m g ë-sin θ cos θûësin α cos α ûëLû 0 4 ~ 7根据滑翔角的定义，以及式（ ）式（ ），可得0 cos ξ sin ξ C + CDαα2 1 10 = D0 ρAV 2 （ ） m 0g -sin ξ cos ξ C α 2 Lα 10根据式（ ），可得C CD0 11 α2 + tan ξ × α+ =0 （ ） Lα C CDα Dα =35°（-35°）时 式（11）求当 ξ ，利用 得对应的=-1.440 8°（1.440 8°）。α 联立式（6）和式（8），可求得当滑翔机的水平=0.25 m/s =速度 Vx 时，需要的净浮力质量 m 0 ±0.13 kg，体积变化约±130 mL。考虑到系统储备情况，设计浮力调节系统体积变化范围为［-300 mL，300 mL］。
2 浮力调节系统及实验装置设计 2.1 浮力调节系统设计
200 m，可调节体浮力系统的设计工作深度为积变化量为±300 mL。如图5所示，设计的浮力调节系统包括出油管系和回油管系，管系的两端是