一种长续航水下航行器及其控制方法

1.本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的长续航水下航行器及其控制方法。


背景技术：

2.目前，随着社会经济技术发展，海洋活动日益增加。海洋贮存在着丰富的矿产及油气资源，海洋开发逐步受到研究人员的关注，但我们对海洋的研究仍不充分。近年来，我国成功研制“蛟龙号“载人潜水器、“海燕”水下滑翔机，已具备一定对海洋勘探及研究的能力，此类水下航行器仍由常规方式驱动，工作效率较低，不能满足我国目前对海洋勘探日益增长的需求。因此，研究具有模块化设计、新能源驱动长续航功能的水下航行器成为行业内关注的热点。
3.国外已将燃料电池配备在大型uuv上，但是艇内相关设备匹配仍存在巨大优化空间。在新型能源形式驱动下，如何解决燃料电池在水下航行器上高效利用，达到真正意义上的长续航功能是必须面对的问题。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)现有的水下航行器仍由常规方式驱动，工作效率较低，不能满足我国目前对海洋勘探日益增长的需求。
6.(2)现有的水下航行器由常规方式驱动，每个工作周期航程较短，且艇体采用一体化设计，
7.(3)日常维护周期较长，不能满足我国目前对海洋勘探日益增长的需求。现有的水下航行器工作效率较低，未采用高效能量管理系统，且对海洋特性开发应用不充分，多级能源利用及分配系统优化较为困难，如：潮汐能、温差能、波浪能的匹配应用。
8.(4)现有的水下航行器多采用固定滑翔翼形式，提供一定的升力形式。通过攻角变化，可优化艇体水动力性能，实现艇体姿态与水动力性能动态匹配调节。
9.解决以上问题及缺陷的难度为：
10.长续航水下航行器采用燃料电池作为驱动形式，因燃料电池能量密度高，其航程有所提升。但燃料电池作为新形式驱动能源，其可靠性及安全性存在较多考虑因素。
11.艇体结构采用模块化设计，且各舱室均为复合材料，在优化艇体质量单元的同时，各舱室连接状态及力学性能是否满足水下复杂的海况成为亟需关注的问题。
12.多级能源利用形式理论研究较为充分，实际应用过程中，仍需设备辅助工作，且复杂海况条件下，其循环驱动力较差。
13.长续航水下航行器攻角可调对水动力性能的影响研究中，其仿真较好实现，但缩尺比模型制作及水动力性能试验要求较高。可调攻角传动机构与主推进装置动力匹配参数调节工作较为繁琐。
14.解决以上问题及缺陷的意义为：
15.1、长续航水下航行器采用燃料电池新能源驱动形式，配合相关辅助装置。能够在
本质上提升水下航行器续航能力，同一航次可显著提升航程。
16.2、长续航水下航行器艇体结构采用模块化设计可优化质量单元。结构上彼此独立，功能上相互匹配，可独立更换各舱室结构，减少维修及保养时间。
17.3、长续航水下航行器采用能量管理系统。利用海水随深度温差变化特性，结合燃料电池自身存在热化学反应，匹配相变材料及透平发电机构，实现水下航行器姿态调节及自适应发电功能，从多级能源利用角度优化热效率。
18.4、长续航水下航行器采用攻角可调滑翔翼。在上浮及下潜状态时，调节特定攻角形式，实现正\负升力形式，可优化艇体水动力性能。


技术实现要素：

19.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种长续航水下航行器及其控制方法。
20.本发明是这样实现的，一种长续航水下航行器包括：
21.利用前置气囊装置充满的十六烷和海水的状态变化进行下潜与上浮的切换；
22.利用温度传感器采集发电换热器出口与冷凝器进口位置的温差，发电换热器出口与冷凝器进口温差大于设定值时电磁阀开启，发电工况开始循环；燃料电池高温冷却水热量进入自适应发电单元，液氨贮存瓶内液氨汽化推动透平机构发电，汽化后的液氨经冷凝器后进入液氨贮存瓶，并进行循环；
23.在上浮、下潜姿态调整前，先进行攻角调整；潜航状态时保持滑翔翼攻角，翼板不受力进行直线巡航。
24.进一步，所述利用前置气囊装置充满的十六烷和海水的状态变化进行下潜与上浮的切换浮力调节具体包括：
25.利用水下航行器下潜过程中，海水温度不断变化特点，结合燃料电池化学反应放热性质；水下航行器位于海面时，前置气囊装置充满十六烷和海水，此时十六烷一级储存装置内部无物质，艇体随下潜深度外部压力增大，在离心泵及水压的作用下，气囊中的液态十六烷进入一级储存装置，前置气囊装置自身减小排水体积，使航行器进入下潜状态，前置气囊装置内部由正十六烷逐步转化成海水，下潜过程中，外置式换热器与低温海水进行换热，十六烷逐步变为固态；完成下潜阶段后，十六烷一级储存装置打开排水阀，将下潜过程中气囊内部多泵送的海水排出弦外；开始上浮时，前置气囊装置全部为海水，十六烷一级储存装置内部为固态十六烷，十六烷二级储存装置与燃料电池高温冷却水进行换热，此时十六烷二级储存装置的状态为液态；由离心泵泵送至气囊装置内，气囊装置排水阀打开，将气囊装置内的海水排出，此时二级储存装置内的液态十六烷逐步进入前置气囊装置，前置气囊装置内部由海水逐步转化成十六烷，航行器呈上浮姿态；上浮过程中，外置式换热器与高温海水进行换热，十六烷逐步变为液态，将一级储存装置内的十六烷逐步流入二级储存装置内，为下一个循环做准备。
26.本发明地另一目的在于提供一种长续航水下航行器包括：
27.艇体，采用结构模块化设计，包括由前至后依次连接的球鼻艏舱、前压载舱、前气囊舱、主控制舱和后气囊舱，所述主控制舱两侧均连接有滑翔翼，所述后压载舱上侧固定有艉舵；
28.球鼻艏舱用于放置艇内声纳及导航设备同时兼具整流特性；
29.前压载舱、后压载舱用于调节艇体主要浮力状态，同时用于利用压载水对燃料电池及自适应发电单元进行冷却；
30.所述主控制舱内安装有燃料电池、电机和对燃料电池进行管理的能量管理系统，
31.所述电机的输出轴连接有叶轮和攻角调节机构，所述攻角调节机构与滑翔翼连接，攻角调节机构通过攻角变换优化艇体升力特性、阻力特性；
32.所述前气囊舱、后气囊舱中间分别设置有前置气囊装置和后置气囊装置。
33.所述能量管理系统包括：
34.自适应发电单元，用于利用燃料电池高温冷却水热量对液氨贮存瓶内液氨汽化，推动透平机构发电；
35.浮力调节单元，用于利用十六烷一级储存装置和十六烷二级储存装置对前置气囊装置和后置气囊装置的状态进行调节，实现水下航行器的下潜和上浮；
36.进一步，所述自适应发电单元设置有温差发电换热器、冷凝器、液氨贮存瓶、透平和发电机，所述温差发电换热器和冷凝器通过连接管路连通，所述温差发电换热器的出口端与液氨贮存瓶连通，所述冷凝器的出口端与透平连接，所述液氨贮存瓶和透平之间通过连接管路连通，所述发电机与透平连接，所述温差发电换热器的出口端与冷凝器的进口端均设置有温度传感器；
37.所述温差发电换热器的输入端通过连接管路与冷却水箱连通，所述温差发电换热器上侧通过可调节开度三通阀与燃料电池连通；
38.所述燃料电池两侧分别通过连接管路连接有闭式循环换热器和开式循环换热器，所述冷却水箱通过连接管路与开式循环换热器连通。
39.进一步，所述冷凝器与前压载舱和后压载舱通过连接管路并联，所述前压载舱和后压载舱中间通过连接管路和排水阀连通。
40.进一步，所述浮力调节单元设置有分别与前置气囊装置和后置气囊装置连通的两套；
41.所述浮力调节单元设置有内置式换热器、外置式换热器、十六烷一级储存装置和十六烷二级储存装置，所述内置式换热器通过连接管路与十六烷二级储存装置连通，所述外置式换热器通过连接管路与十六烷一级储存装置连通。
42.进一步，所述十六烷一级储存装置、十六烷二级储存装置前端均设置有单向阀，前置气囊装置和后置气囊装置均设置有旋拧阀。
43.进一步，所述前气囊舱、后气囊舱设置有4个横梁，且4个横梁均以圆心为基准，呈45
°
；
44.所述前置气囊装置和后置气囊装置均设置有橡胶外套、内衬套、金属壳体和隔振挡板。
45.进一步，所述攻角调节机构设置有转向齿轮和直齿轮，所述电机的输出轴外侧套设有中间转向齿轮，所述中间转向齿轮两侧分别啮接有一个转向齿轮，两侧的转向齿轮外侧通过连接轴连接有直齿轮，所述滑翔翼里端通过连接轴连接有与直齿轮啮接的从动直齿轮。
46.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
47.本发明中的艇体结构采用模块化设计。各舱室在结构上彼此独立，功能上相互协
调，可降低故障率及维修时间。
48.本发明中的能量管理系统通过分配燃料电池高温冷却水及外置式换热器，实现十六烷固-液两相变化，从而在上浮及下潜状态调节艇体浮力。在潜行状态下，通过透平结构，实现自适应温差发电，提升燃料电池工作效率。
49.本发明中的气囊装置前端为橡胶结构，后端为金属壳体。随下潜深度增加，海水温度降低，水压增大。橡胶发生形变，挤压十六烷进入一级储存装置。此时，相变材料因温度变低从而凝固，改变艇体浮力状态，且内置金属内衬套、隔振挡板，提升十六烷固-液转换效率及可靠性。
50.本发明中的攻角调节机构通过调节上浮与下潜状态时滑翔翼与艇体角度，从艇体水动力角度，优化上浮、下潜及平移过程的阻力特性。
51.本发明采用艇体结构模块化设计，降低其故障率及维修养护时间；优化燃料电池能量管理系统，提高能源利用效率；设计可调攻角装置，从水动力性能角度，减小上浮、下潜及平移过程中阻力。
52.相比于现有技术，本发明地优点进一步包括：
53.本发明采用燃料电池新能源驱动形式，配合相关辅助装置。能够在本质上提升水下航行器续航能力，同一航次可显著提升航程。
54.长续航水下航行器艇体结构采用模块化设计可优化质量单元。结构上彼此独立，功能上相互匹配，可独立更换各舱室结构，减少维修及保养时间。
55.本发明采用能量管理系统。利用海水随深度温差变化特性，结合燃料电池自身存在热化学反应，匹配相变材料及透平发电机构，实现水下航行器姿态调节及自适应发电功能，从多级能源利用角度优化热效率。
56.本发明中的气囊装置前端为橡胶结构，后端为金属壳体。随下潜深度增加，海水温度降低，水压增大。橡胶发生形变，挤压十六烷进入一级储存装置。此时，相变材料因温度变低从而凝固，改变艇体浮力状态，且内置金属内衬套、隔振挡板，提升十六烷固-液转换效率及可靠性。
57.本发明采用攻角可调滑翔翼。在上浮及下潜状态时，调节特定攻角形式，实现正\负升力形式，可优化艇体水动力性能。
附图说明
58.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1是本发明实施例提供的长续航水下航行器的结构示意图。
60.图2是本发明实施例提供的能量管理系统的结构示意图。
61.图3是本发明实施例提供的自适应发电单元的结构示意图。
62.图4是本发明实施例提供的浮力调节单元的结构示意图。
63.图5是本发明实施例提供的气囊装置的结构示意图。
64.图6是本发明实施例提供的内衬套的结构示意图。
65.图7是本发明实施例提供的隔振挡板的结构示意图。
66.图8是本发明实施例提供的攻角调节机构的结构示意图。
67.图中：1、球鼻艏舱；2、连接法兰；3、前压载舱；4、前气囊舱；5、主控制舱；6、滑翔翼；7、后气囊舱；8、后压载舱；9、艉舱；10、艉舵；11、燃料电池；12、闭式循环换热器；13、开式循环换热器；14、冷却水箱；15、可调节开度三通阀；16、温差发电换热器；17、冷凝器；18、液氨贮存瓶；19、透平；20、发电机；21、内置式换热器；22、单向阀；23、外置式换热器；24、十六烷一级储存装置；25、十六烷二级储存装置；26、离心泵；27、旋拧阀；28、排水阀；29、前置气囊装置；30、三通阀；31、电磁阀；32、后置气囊装置；33、温度传感器；34、橡胶外套；35、内衬套；36、金属壳体；37、隔振挡板；38、电机；39、轴承；40、联轴器；41、转向齿轮；42、直齿轮。
具体实施方式
68.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
69.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种长续航水下航行器及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
70.本发明实施例提供一种长续航水下航行器的控制方法，包括浮力调节过程和自适应发电过程；
71.所述长续航水下航行器的控制方法包括：浮力调节：利用前置气囊装置充满的十六烷和海水的状态变化进行下潜与上浮的切换；
72.自适应发电：利用温度传感器采集发电换热器出口与冷凝器进口位置的温差，发电换热器出口与冷凝器进口温差大于设定值时电磁阀开启，发电工况开始循环；燃料电池高温冷却水热量进入自适应发电单元，液氨贮存瓶内液氨汽化推动透平机构发电，汽化后的液氨经冷凝器后进入液氨贮存瓶，并进行循环。
73.在本发明中，所述浮力调节包括2个状态：海面状态、潜航状态，2个运动模式：下潜模式、上浮模式；
74.水下航行器位于海面时，前置气囊装置充满十六烷和海水，此时十六烷一级储存装置内部无物质，艇体随下潜深度外部压力增大，在离心泵及水压的作用下，气囊中的液态十六烷进入一级储存装置，前置气囊装置自身减小排水体积，使航行器进入下潜状态，前置气囊装置内部由正十六烷逐步转化成海水，下潜过程中，外置式换热器与低温海水进行换热，十六烷逐步变为固态；完成下潜阶段后，十六烷一级储存装置打开排水阀，将下潜过程中气囊内部多泵送的海水排出弦外；开始上浮时，前置气囊装置全部为海水，十六烷一级储存装置内部为固态十六烷，十六烷二级储存装置与燃料电池高温冷却水进行换热，此时十六烷二级储存装置的状态为液态；由离心泵泵送至气囊装置内，气囊装置排水阀打开，将气囊装置内的海水排出，此时二级储存装置内的液态十六烷逐步进入前置气囊装置，前置气囊装置内部由海水逐步转化成十六烷，航行器呈上浮姿态；上浮过程中，外置式换热器与高温海水进行换热，十六烷逐步变为液态，将一级储存装置内的十六烷逐步流入二级储存装置内，为下一个循环做准备。
75.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
76.实施例
77.如图1所示，本发明实施例提供的长续航水下航行器的艇体共由10个部分组成，分别为：球鼻艏舱1、前压载舱3、前气囊舱4、主控制舱5、滑翔翼6、后气囊舱7、后压载舱8、艉舱9、艉舵10。
78.球鼻艏舱1用于放置艇内声纳及导航设备同时兼具整流特性；
79.前压载舱3、后压载舱8用于调节艇体主要浮力状态，同时其中压载水用于冷却燃料电池及自适应发电单元；
80.前气囊舱4、后气囊舱7采用横梁结构设计，且4个横梁均以圆心为基准，呈45
°
安装，在满足结构强度的同时，可实现质量优化；
81.前置气囊装置31、后置气囊装置32分别置于前气囊舱4、后气囊舱7内，用于辅助调节艇体浮力状态。
82.主控制舱5位于艇体中间，用于放置燃料电池11、自适应发电单元、浮力调节单元、电机40，同时匹配攻角调节机构，进行攻角变换。
83.球鼻艏舱1与前压载舱3连接采用法兰2螺栓连接，法兰上应当每隔45
°
开螺栓孔，共8个。作为优选，法兰内部应当开槽口设计o型密封圈，保证连接密封性。
84.前压载舱3后端为封闭结构，主控制舱为独立封闭结构，主控制舱前、后开螺栓孔，各通过4个首尾均攻丝的横梁与前、后压载舱3、8相连接。通过模块化设计，优化艇体质量单元，具有更优动力匹配性能，各舱室结构可独立更换，提升工作可靠性。
85.如图2至图4所示，本发明实施例中的长续航水下航行器是基于燃料电池能量管理系统实现的，能量管理系统由浮力调节单元和自适应发电单元组成，包括：前压载舱3、后压载舱8、燃料电池11、闭式循环换热器12、开式循环换热器13、冷却水箱14、可调节开度三通阀15、温差发电换热器16、冷凝器17、液氨贮存瓶18、透平19、发电机20、内置式换热器21、单向阀22、外置式换热器23、十六烷一级储存装置24、十六烷二级储存装置25、离心泵26、旋拧阀27、排水阀28、前置气囊装置29、三通阀30、电磁阀31、后置气囊装置32、温度传感器33。
86.其中管路ⅰ、
ⅸ
、
ⅹ
为系统基础管路，管路ⅰ为总反应水出口管路，
ⅸ
为低温冷却水管路，介质为换热后的低温反应水，主要用于燃料电池的冷却，此冷却形式为开式冷却循环。随反应发生，过多的低温反应水由排水阀28排出。
ⅹ
为海水冷却管路，此冷却循环为闭式循环，主要用于辅助燃料电池的冷却，当开式循此换热效率较低时，燃料电池内部温度过高时，由此方式进行辅助换热。ⅱ、ⅳ、
ⅴ
为发电单元管路，其中ⅱ介质为燃料电池高温反应水，ⅳ介质为液氨循环管路，
ⅴ
介质为海水；ⅲ、ⅵ、ⅶ、
ⅷ
为浮力调节单元管路，其中ⅲ介质为低温反应水、ⅵ为十六烷、ⅶ、
ⅷ
为海水。
87.如图3所示，本发明实施例中的自适应发电单元包括：前压载舱3、后压载舱8、燃料电池11、闭式循环换热器12、开式循环换热器13、冷却水箱14、可调节开度三通阀15、温差发电换热器16、冷凝器17、液氨贮存瓶18、透平19、发电机20、排水阀28、电磁阀31、后置气囊装置32、温度传感器33。自适应发电单元为保证其发电效率，应尽可能提高其温差。温差发电换热器16出口与冷凝器17进口均设置有温度传感器33，当两者差值大于设定值时电磁阀31开启，发电工况开始循环。此时，燃料电池高温冷却水热量进入自适应发电单元，液氨贮存瓶18内液氨汽化推动透平机构发电，汽化后的液氨经冷凝器17后进入液氨贮存瓶，为下一循环准备。冷凝器17与前压载舱3、后压载舱8并联冷却。
88.如图4所示，本发明实施例中的浮力调节单元，包括：前压载舱3、后压载舱8、燃料电池11、闭式循环换热器12、开式循环换热器13、冷却水箱14、可调节开度三通阀15、内置式换热器21、单向阀22、外置式换热器23、十六烷一级储存装置24、十六烷二级储存装置25、离心泵26、旋拧阀27、排水阀28、前置气囊装置29、三通阀30、电磁阀31、后置气囊装置32。
89.浮力调节单元共分为2个状态：海面状态、潜航状态，2个运动模式：下潜模式、上浮模式。
90.水下航行器位于海面时，前置气囊装置29充满十六烷和海水，此时十六烷一级储存装置24内部无物质。艇体随下潜深度外部压力增大，在离心泵26及水压的作用下，气囊中的液态十六烷进入一级储存装置24，气囊自身减小排水体积，使航行器进入下潜状态。此时，前置气囊装置29内部由正十六烷逐步转化成海水。下潜过程中，外置式换热器23与低温海水进行换热，十六烷的熔点为18.2℃，十六烷逐步变为固态。完成下潜阶段后，十六烷一级储存装置24打开排水阀28，将下潜过程中气囊内部多泵送的海水排出弦外。
91.开始上浮时，气囊装置29全部为海水，十六烷一级储存装置24内部为固态十六烷，十六烷二级储存装置25与燃料电池高温冷却水进行换热，此时十六烷二级储存装置25的状态为液态。由离心泵26泵送至气囊装置29内，气囊装置排水阀28打开，将气囊装置内的海水排出，此时二级储存装置25内的液态十六烷逐步进入气囊装置29，气囊装置29内部由海水逐步转化成十六烷，航行器呈上浮姿态。上浮过程中，外置式换热器22与高温海水进行换热，十六烷逐步变为液态。将一级储存装置内24的十六烷逐步流入二级储存装置25内，为下一个循环做准备。
92.浮力调节单元中设置有单向阀22，分别置于十六烷一级储存装置24、十六烷二级储存装置25前端，确保十六烷一级储存装置24不会倒流至气囊装置29，十六烷二级储存装置25不会倒流至一级储存装置。同时在气囊装置前端设置旋拧阀27，每个阶段运动状态完成后，旋拧阀27应当处于关闭状态。
93.如图5至图7所示，本发明实施例中的气囊装置包括：橡胶外套34、内衬套35、金属壳体36、隔振挡板37。因十六烷密度比海水小，在此装装置内，十六烷位于上方橡胶外套处，随长续航水下航行器下潜，其所受压力增大，橡胶外套34所受形变，且内部设置有锥形内衬套35，可使液态十六烷流动更为高效。隔振挡板可减少液体在其中的振荡，提升装置可靠性。
94.如图8所示，本发明实施例中的攻角调节机构包括：电机38、轴承39、联轴器40、转向齿轮41、直齿轮42。电机38用于主推进及攻角调节，可优化水下航行器艇内空间，电机38主要输出形式为沿艇体直线方向轴向转动，配合转向齿轮可将输出形式变为与艇体垂直方向转动。为保证传动机构输出稳定，滑翔翼攻角调整与水下航行器推进过程应当独立工作。电机38通过轴承39与联轴器40相连接。在执行攻角变化时，联轴器39脱开。转向齿轮41接入动力装置，通过转向齿轮，完成攻角调整。
95.攻角调节机构实现优化艇体阻力特性，提升升力特性。在潜航状态下，航速应设定为0.5m/s至1m/s,此状态可较好匹配机动性与阻力特性。长续航水下航行器上浮状态时，滑翔翼攻角在[-4
°
,8
°
]，此时翼板会受到向上的升力，加速上浮；下潜状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-8
°
,-5
°
]，此时翼板会受到负升力，加速下潜；潜航状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-5
°
,-4
°
]，此时翼板基本不受力，可保证直线巡航。
[0096]
作为优选，所述十六烷一级储存装置在循环过程中，十六烷与海水密度差别较小，一级储存装置内可能存在一定海水，一级储存装置应当设置排水阀，且内部应当设置滤网，防止固态十六烷随海水弦外排出。
[0097]
作为优选，所述液氨储存瓶匹配燃料电池反应水温度，其内部应该保持压力1.0mpa-1.5mpa。
[0098]
下面结合实验对本发明的技术方案作进一步描述。
[0099]
为验证本发明的可行性，对燃料电池能量管理系统进行热力学数值计算，及长续航水下航行器艇体升力、阻力特性计算。
[0100]
对选型的燃料电池进行冷却水量计算、出口温度计算，验证是否满足十六烷固-液两相变化及潜航自适应发电功能。燃料电池选型仅用于解释，不用于限定本发明。
[0101]
以功率为25kw燃料电池为例，每秒输入的化学能为69kj，约有28kj能量以热量形式散失。燃料电池冷却水进口温度t
in
68℃，出口温度t
out
75℃。此状态下定压比热容c
p
＝1.862kj/(kg
·
k)，具体参数如下表所示：
[0102]
表1-燃料电池参数
[0103][0104]
冷却水的质量流量计算方程：
[0105][0106]
其中p为冷却水每秒吸收的热量，c
p
为定压比热容，δt＝t
out-t
in
。
[0107]
经计算qm＝1.91kg/s.每小时可以产出约6.88吨冷却水，产生冷却水量满足设计使用要求。
[0108]
选用内径d＝20mm，外径d＝30mm铸铁水管，内置管路沿程距离l＝15m，管外保温材
料选用超细玻璃棉，厚度δ＝5mm，根据经验公式定义导热系数λ：
[0109]
λ＝α1 α2t
out
[0110]
其中α1、α2为经验系数，α1＝0.033；α2＝0.0023,则计算可得，λ＝0.05w/(m
·
k)。此状态下，存在两种换热形式：对流换热、接触换热。取保温层外表面对流放热系数α＝10.3w/℃,对流换热热阻：
[0111][0112]
其中α为对流换热系数，d为外径，δ为保温层厚度。经计算ra＝0.773℃/(w
·
m)
[0113]
接触换热热阻：
[0114][0115]
其中λ为导热系数，d为外径，δ为保温层厚度。经计算r
l
＝0.916℃/(w
·
m)，现计算各种温度载荷工况，以南海某海域为例：
[0116]
春秋季海平面平均温度为15℃，潜航平均温度7℃；冬季海平面平均温度2℃，潜航平均温度-1℃；夏季海平面平均温度30℃，潜航平均温度15℃。管道损失附加系数β＝0.15,计算得各个工况冷却水运输管道出入口温差：
[0117][0118]
经数值计算，可得出以下结果:
[0119]
表2-各工况计算下进、出口温度
[0120][0121]
由于沿程热损失，上浮状态时燃料电池冷却水进入各单元的温度不低于74.58℃，潜航状态时燃料电池冷却水进入各单元的温度不低于74.56℃，满足各单元正常工作最低
要求。
[0122]
对选型的长续航水下航行器进行数值计算及缩尺比模型试验，验证可调攻角机构是否优化艇体水动力性能。长续航水下航行器结构参数仅用于验证其可靠性，不用于限定本发明。
[0123]
以选型长续航水下航行器艇体结构为例，利用有限元分析软件，计算-8
°
至8
°
攻角，共17个攻角工况及0.5m/s、1m/s、1.2m/s，3个航速工况，合计51个工况类型，具体参数如下表所示：
[0124]
表3-长续航水下航行器试验结构参数
[0125]
结构名称结构参数(mm)加工材质球鼻艏舱100复合材料前压载舱280复合材料前气囊舱140不锈钢主控制仓320复合材料后压载舱140复合材料后气囊舱280不锈钢艉舱220不锈钢
[0126]
表4-升力数值计算与实验对比
[0127][0128]
从升力数值计算与实验对比可以看出：(1)正攻角可提供升力，且航速越大升力越大。(2)艇体攻角为-5
°
至-8
°
时，艇体呈负升力状态，表示滑翔翼不提供向上升力，航行器整体呈现下沉的状态。(3)艇体攻角在-4
°
至-5
°
时，所受升力数值水平基本为零，表明此刻为无运动状态。
[0129]
表5-阻力数值计算与实验对比
[0130][0131]
从阻力数值计算与实验对比可以看出：(1)艇体所受阻力数值与攻角变化相关性不大。(2)艇体所受阻力数值大小与艇体航速呈现正相关性。
[0132]
综合以上数据结果：(1)长续航水下航行器在潜航状态下，航速应设定为0.5m/s至1m/s,此状态可较好匹配机动性与阻力特性。(2)长续航水下航行器上浮状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-4
°
,8
°
]，此时翼板会受到向上的升力，加速上浮；下潜状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-8
°
,-5
°
]，此时翼板会受到负升力，加速下潜；潜航状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-5
°
,-4
°
]，此时翼板基本不受力。
[0133]
结合燃料电池工作特性及各工况条件，可得出如下结论：上浮状态时燃料电池冷却水进入各单元的温度不低于74.58℃，潜航状态时燃料电池冷却水进入各单元的温度不低于74.56℃，满足各单元正常工作最低温度要求。从热流量管理角度，结合理论数值计算，验证了系统的可实现性。
[0134]
结合水下航行器数值计算及实验分析，可得出如下结论：水下航行器上浮状态时，滑翔翼攻角在[-4
°
,8
°
]，此时翼板会受到向上的升力，加速上浮；下潜状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-8
°
,-5
°
]，此时翼板会受到负升力，加速下潜；潜航状态时，滑翔翼攻角应当保持在[-5
°
,-4
°
]，此时翼板基本不受力，可保证直线巡航。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0135]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。