一种扇翼推进水下航行器及其航行方法与流程

1.本发明属于水下航行器领域，具体地说是一种扇翼推进水下航行器及其航行方法。


背景技术：

2.水下航行器是一种可以在水下航行的航行体。它可以辅助或代替人类完成水下勘探、水下作业、水下运输等。为了完成设计功能，水下航行器需要具备最为基本的水介质环境运动能力。现有水下航行器多以主推加舵，并辅以浮力调节装置的方式实现水介质环境中的运动。浮力调节装置往往是水下航行器不可或缺的一部分，因为其在水下航行器的垂向力调节方面具有不可替代的优势，浮力调节装置可以保证在任意航速下水下航行器都具有稳定的且足够的垂向力，而其他的推进形式无法从功能和性能上完全替代浮力调节装置。然而，浮力调节存在装置体积庞大、受下潜深度影响大、调节响应速度慢等缺陷，一直以来都束缚着水下航行器的发展。
3.飞行器和水下航行器由于运动时都处于流体介质，因而有很多共同之处。尽管浮力调节装置并不是飞行器所必须的装置，但是飞行器中同样存在短距起降、低速下提高载重量等实际需求。风扇翼飞行器，如于2003年3月4日公开的、公开号为us6527229b1美国专利、于2012年5月10日公开的、公开号为us20120111994a1美国专利和于2016年12月7日公开的、公开号为cn205770122u中国专利等，利用空用扇翼推进器实现了固定翼飞行器的超短距离起降、低航速高载重和大迎角不失速等。
4.因此，设计一种既不依赖浮力调节，又可以实现水下多自由度灵活运动的水下航行器具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对现有水下航行器存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种扇翼推进水下航行器及其航行方法。该扇翼推进水下航行器搭载有两套独立控制的水下扇翼推进器，可以在不依赖浮力调节装置的情况下在水下灵活运动，调整姿态，并实现定深定速巡航和定深变速巡航。水下航行器整体结构简单，机动性强。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明扇翼推进水下航行器包括航行器主体，该航行器主体的两侧对称设有分别作为动力源的水下扇翼推进器，两侧的所述水下扇翼推进器结构相同，均包括横流风扇及可转动机翼，所述横流风扇转动安装在航行器主体上，所述可转动机翼的一端包围在横流风扇上，另一端为自由端；所述航行器主体内的每侧均安装有横流风扇驱动装置、可转动机翼传动装置及可转动机翼驱动装置，每侧所述横流风扇驱动装置与同侧的横流风扇相连、驱动同侧的所述横流风扇相对于航行器主体持续旋转，每侧所述可转动机翼驱动装置通过同侧的所述可转动机翼传动装置与同侧的所述可转动机翼连接；所述航行器主体内还分别安装有控制系统及为所述扇翼推进水下航行器提供能量的能源单元，该控制系统与所述能
源单元相连，每侧所述横流风扇驱动装置及可转动机翼驱动装置均分别与控制系统相连。
8.其中：所述可转动机翼的端面呈“v”形，该“v”形开口端的一侧为弧形、并抵接在所述横流风扇上，所述“v”形开口端的另一侧与横流风扇抵接，所述“v”形开口端半包围在横流风扇上。
9.每侧所述横流风扇在同侧横流风扇驱动装置的驱动下绕各自中心线相对于航行器主体旋转，每侧所述可转动机翼在同侧可转动机翼驱动装置的驱动下绕同侧横流风扇的旋转中心转动设定角度并保持该角度，或始终处于一设定的固定角度。
10.所述航行器主体的一端两侧对称设有水下扇翼推进器，所述能源单元位于航行器主体另一端的内部，所述航行器主体安装水下扇翼推进器的一端具有仰角。
11.所述航行器主体的内部还安装有载荷。
12.通过调整所述载荷在航行器主体内的位置及重量，实现所述扇翼推进水下航行器在静止状态具有正浮力。
13.每侧所述横流风扇均位于同侧可转动机翼的下侧，每侧所述可转动机翼的一端均对同侧的横流风扇半包围。
14.本发明扇翼推进水下航行器的航行方法，包括如下航行方法：
15.前进、后退、下潜和上浮：固定所述航行器主体两侧的可转动机翼的转动角度时，同时调整两侧所述横流风扇的转动速度，可以使所述扇翼推进水下航行器受到的前向力和垂向力发生改变，进而产生相对于水的前进、后退、下潜和上浮运动，实现所述扇翼推进水下航行器前进、后退、下潜和上浮；
16.调整俯仰角、横滚角以及侧倾角：固定所述航行器主体两侧的可转动机翼的转动角度时，改变两侧所述横流风扇的旋转速度的相对大小，可以使所述扇翼推进水下航行器两侧产生的前向力和垂向力不同，进而可调整所述扇翼推进水下航行器整体俯仰角、横滚角以及侧倾角；
17.近似恒功率下前进、后退、下潜、上浮以及改变俯仰角、横滚角和侧倾角：固定所述航行器主体两侧的横流风扇的旋转速度时，改变两侧所述可转动机翼的转动角度，可以使所述扇翼推进水下航行器两侧的水下扇翼推进器产生的前向力和垂向力的大小发生相对变化，进而可以近似恒功率调节所述扇翼推进水下航行器的前进、后退、下潜、上浮，以及改变俯仰角、横滚角和侧倾角；
18.定速定深巡航或定深变速巡航：同时调整所述航行器主体两侧的横流风扇的旋转速度，改变两侧所述可转动机翼的转动角度，可以使所述扇翼推进水下航行器实现定速定深巡航或定深变速巡航。
19.其中：所述定深定速巡航为，调整所述航行器主体两侧的可转动机翼的转动角度到设定值、并保持不变，调整两侧所述横流风扇的旋转速度，使所述扇翼推进水下航行器两侧的水下扇翼推进器所产生的垂向力与扇翼推进水下航行器所受浮力和重力达到力平衡和力矩平衡；所述扇翼推进水下航行器在两侧所述水下扇翼推进器所产生的前向力驱动下，在给定深度航行；由于总垂向力需恒定，总前向力也必然恒定，进而航速恒定，此时所述扇翼推进水下航行器可定深定速巡航。
20.所述定深变速巡航为，调整所述航行器主体两侧的可转动机翼的转动角度、两侧所述横流风扇的转动速度，使所述扇翼推进水下航行器处于定深定速巡航状态时，再次调
节两侧所述可转动机翼的转动角度、并保持，然后再次调整两侧所述横流风扇的转动速度，使得所述扇翼推进水下航行器两侧所述水下扇翼推进器所产生的垂向力再次与扇翼推进水下航行器所受浮力和重力达到力平衡和力矩平衡；由于总垂向力是改变了两侧所述可转动机翼后产生的，两侧所述水下扇翼推进器所产生的前向力发生了改变，进而航速发生改变，此时所述扇翼推进水下航行器即实现定深变速巡航。
21.本发明的优点与积极效果为：
22.1.本发明首次将水下扇翼推进器应用于水下航行器，水下扇翼推进器可以同时产生显著的前向力和垂向力，可以减少水下航行器所需水下推进器的数量，降低水下航行器的设计复杂度。
23.2.本发明所采用的水下扇翼推进器的机翼采用可转动的设计，可以在扇翼推进水下航行器运行时调节水下扇翼推进器的前向力和垂向力的相对大小，实现更大范围内的动力控制。
24.3.本发明可以不依赖浮力调节装置，仅以两个独立控制的水下扇翼推进器实现水下航行器的前进、后退，下潜、上浮，调整俯仰角、横滚角以及侧倾角等运动。
25.4.本发明可以仅调节左横流风扇和右横流风扇的转动速度，以及左可转动机翼和右可转动机翼的转动角度，实现扇翼推进水下航行器定深定速航行或定深变速航行。
附图说明
26.图1为本发明扇翼推进水下航行器的立体结构示意图；
27.图2为本发明扇翼推进水下航行器的内部结构示意图；
28.图3为本发明扇翼推进水下航行器中水下扇翼推进器的展向截面图；
29.其中：1为航行器主体，2为左可转动机翼，3为左横流风扇，4为右可转动机翼，5为右横流风扇，6为右横流风扇驱动装置，7为右可转动机翼传动装置，8为左横流风扇驱动装置，9为右可转动机翼驱动装置，10为左可转动机翼传动装置，11为左可转动机翼驱动装置，12为控制系统，13为载荷，14为能源单元。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步详述。
31.如图1～3所示，本发明的扇翼推进水下航行器包括航行器主体1，该航行器主体1的两侧对称设有分别作为动力源的水下扇翼推进器，两侧的水下扇翼推进器结构相同，均包括横流风扇及可转动机翼，横流风扇转动安装在航行器主体1上，可转动机翼的一端包围在横流风扇上，另一端为自由端。本实施例的航行器主体1一端的左侧分别设有左可转动机翼2及左横流风扇3，一端的右侧分别设有右可转动机翼4及右横流风扇5；左可转动机翼2和左横流风扇3组成左水下扇翼推进器，右可转动机翼4和右横流风扇5组成右水下扇翼推进器，左右两侧的水下扇翼推进器分别作为两个动力源，成为扇翼推进水下航行器仅有的两个动力源。
32.航行器主体1内的每侧均安装有横流风扇驱动装置、可转动机翼传动装置及可转动机翼驱动装置，每侧横流风扇驱动装置与同侧的横流风扇相连、驱动同侧的横流风扇相对于航行器主体1持续旋转，每侧可转动机翼驱动装置通过同侧的可转动机翼传动装置与
同侧的可转动机翼连接。本实施例的航行器主体1内一端的左侧分别设有左横流风扇驱动装置8、左可转动机翼传动装置10及左可转动机翼驱动装置11，一端的右侧分别设有右横流风扇驱动装置6、右可转动机翼传动装置7及右可转动机翼驱动装置9，右横流风扇驱动装置6可以驱动右横流风扇5围绕其中心线相对于航行器主体1以设定的转动速度持续转动，左横流风扇驱动装置8可以驱动左横流风扇3围绕其中心线相对于航行器主体1以设定的转动速度持续转动。右可转动机翼驱动装置9通过右可转动机翼传动装置7驱动右可转动机翼4，并绕右横流风扇5的旋转中心线转动设定角度、并保持该角度，或始终保持一设定的固定角度；左可转动机翼驱动装置11通过左可转动机翼传动装置10驱动左可转动机翼2，并绕左横流风扇3的旋转中心线转动设定角度、并保持该角度，或始终保持一设定的固定角度。
33.本实施例的航行器主体1内还分别安装有控制系统12、载荷13及能源单元14，该控制系统12与能源单元14相连，左横流风扇驱动装置8、左可转动机翼驱动装置11、右横流风扇驱动装置6及右可转动机翼驱动装置9分别与控制系统12相连。控制系统12可以控制右横流风扇驱动装置10，并最终改变或保持右横流风扇5的转动速度；控制系统12还可以控制左横流风扇驱动装置8，并最终改变或保持左横流风扇3的转动速度。控制系统12可以控制右可转动机翼驱动装置9，并最终改变或保持右可转动机翼4的转动角度；控制系统12可以控制左可转动机翼驱动装置11，并最终改变或保持左可转动机翼2的转动角度。本实施例的载荷13位于航行器主体1内的中部，可填充必要载荷，小幅移动位置，并保证扇翼推进水下航行器具有少量正浮力，正浮力值为5％至25％航行器干重。本实施例的能源单元14可以为航行器主体1内部的各驱动装置及控制系统12提供能量，能源单元14位于航行器主体1相对于左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器安装位置的另一端，用于平衡扇翼推进水下航行器在静止状态下的姿态，并使扇翼推进水下航行器安装有水下扇翼推进器的一端具有仰角，仰角可为5
°
～15
°
。
34.本实施例的右横流风扇驱动装置6和左横流风扇驱动装置8可以由现有技术中的大转矩电动机，或减速电动机，亦或大转矩发动机或减速发动机等实现，需持续输出稳定且大转矩的转动动力。右可转动机翼驱动装置9和左可转动机翼驱动装置11可以由现有技术中的大转矩舵机实现。右可转动机翼传动装置7和左可转动机翼传动装置10可以由现有技术中的连杆机构或齿轮传动等刚性传动方式实现。
35.本实施例的可转动机翼的端面呈“v”形，该“v”形开口端的一侧为弧形、并抵接在横流风扇上，“v”形开口端的另一侧与横流风扇抵接，“v”形开口端半包围在横流风扇上。本实施例的右横流风扇5位于右可转动机翼4下侧，且右可转动机翼对右横流风扇5半包围。本实施例的左横流风扇3位于左可转动机翼2下侧，且左可转动机翼2对左横流风扇3半包围。
36.本发明的横流风扇为市购产品，购置于中山市福基电器有限公司，型号为60240。
37.本发明扇翼推进水下航行器的航行方法，包括如下航行方法：
38.前进、后退、下潜和上浮：固定航行器主体1两侧左可转动机翼2和右可转动机翼4的转动角度，同时调整航行器主体1两侧左横流风扇3和右横流风扇5的转动速度，可以使扇翼推进水下航行器的左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器整体受到的前向力和垂向力发生改变，进而产生相对于水的前进、后退、下潜和上浮运动，实现扇翼推进水下航行器前进、后退、下潜和上浮。
39.调整俯仰角、横滚角以及侧倾角：固定航行器主体1两侧左可转动机翼2和右可转
动机翼4的转动角度，改变航行器主体1两侧左横流风扇3和右横流风扇5的旋转速度的相对大小，可以使扇翼推进水下航行器的左水下扇翼推进器产生的前向力和垂向力相对于右水下扇翼推进器产生的前向力和垂向力不同，进而扇翼推进水下航行器在浮力和重力的共同影响下可以受到三个方向上的转动力矩，从而扇翼推进水下航行器整体的俯仰角、横滚角以及侧倾角得到调整。
40.近似恒功率下前进、后退、下潜、上浮以及改变俯仰角、横滚角和侧倾角：固定航行器主体1两侧左横流风扇3和右横流风扇5的旋转速度，改变航行器主体1两侧左可转动机翼2和右可转动机翼4的转动角度，使扇翼推进水下航行器左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器所产生的前向力和二者所产生的垂向力的相对大小发生变化，进而在近似恒功率下实现扇翼推进水下航行器的前进、后退、下潜、上浮，改变俯仰角、横滚角以及侧倾角。
41.定深定速巡航：调整航行器主体1两侧左可转动机翼2和右可转动机翼4的转动角度到设定值、并保持不变，调整航行器主体1两侧左横流风扇3和右横流风扇5的旋转速度，使得扇翼推进水下航行器两侧的左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器所产生的垂向力与扇翼推进水下航行器所受浮力和重力达到力平衡和力矩平衡；扇翼推进水下航行器在左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器所产生的前向力驱动下，在给定深度航行；由于总垂向力需恒定，总前向力也必然恒定，进而航速恒定，此时扇翼推进水下航行器可定深定速巡航。
42.定深变速巡航：调整航行器主体1两侧左可转动机翼2和右可转动机翼4的转动角度，航行器主体1两侧左横流风扇3和右横流风扇5的转动速度，使扇翼推进水下航行器处于定深定速巡航状态时，再次调节左可转动机翼2和右可转动机翼4的转动角度、并保持，然后再次调整左横流风扇3和右横流风扇5的转动速度，使得扇翼推进水下航行器的左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器所产生的垂向力再次与扇翼推进水下航行器所受浮力和重力达到力平衡和力矩平衡；由于总垂向力是改变了左可转动机翼2和右可转动机翼4后产生的，左水下扇翼推进器和右水下扇翼推进器所产生的前向力发生了改变，进而航速发生改变，此时扇翼推进水下航行器即实现定深变速巡航。