一种可折叠的水下航行器扑翼装置及水下航行器的制作方法

本发明涉及水下无人系统动力供给装置设计技术领域，尤其涉及一种可折叠的水下航行器扑翼装置和水下航行器。

背景技术：

在现代化战争中，为了降低人员的伤亡率，各种无人系统在战争中发挥着越来越重要的作用，对于海上战争来说更是如此。近年来，各种水下无人系统取代了水下有人系统用于完成水下环境信息的获取，地方目标的探测、识别、定位、跟踪和打击。水下无人系统是一种具有自主航行能力的水下无人航行器，需要航行器本身具有可续航的能力。常规的水下无人航行器的动力供给一般是热动力和电动力，热动力无人航行器一般由固体火箭发动机等提供动力，这种方式虽然在航速和航程方面都优于电动力，但其技术难度大，噪音大，航迹明显，隐蔽性差。而电动力无人航行器可在大深度航行，噪音小，不排气，无航迹，隐蔽性好，造价也比较低廉。扑翼航行是电动力的其中一个方式，相比于其他方式的电动力，如电动螺旋桨航行，虽然速度较低，但具有更好的隐蔽特性。对于需要在特定区域散布多个水下无人探测航行器，实现对目标的探测，定位和追踪的作战方式来说，扑翼航行因其更好的隐蔽特性在水下集群作战领域具有良好的应用前景。

扑翼装置推动的水下无人航行器虽然具有优异的隐蔽性，但是其航行速度较慢，在目标位置进行缓慢的航行探测可以达到很好的隐蔽效果，但是从发射位置到目标位置的距离若通过扑翼运动航行，不仅会耗时长，还会消耗更多的能源。因此需要通过发射的方式使无人航行器快速到达目标区域附近，之后再通过切换扑翼装置航行的方式在目标区域进行巡航探测。可折叠的扑翼装置可以在发射后的快速运动过程中将扑翼折叠起来，到达目标区域后，扑翼展开，使水下无人航行器执行预订任务。对于不可折叠的扑翼装置，在快速运动过程中会产生很大的阻力，缩短了作战距离，同时扑翼装置还必须具有很高的强度以避免在快速运动过程中出现断裂等强度不够的现象，这会对水下无人航行体的设计带来更多的工作量。因此，一种可折叠的水下航行器扑翼装置能够很好的解决这些作战任务中需要考虑的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可折叠的水下航行器扑翼装置，能够解决水下航行体的发射速度与巡航速度相适配的问题，能够缩短发射位置到巡航位置之间的飞行时间，且在巡航阶段能够具有最大程度的隐蔽性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种可折叠的水下航行器扑翼装置，包括：

电机；

传动组件，与电机相连，将电机的转动转换为往复摆动；

连接结构，与传动组件相连，具有第一连接部；

折叠翼，具有与所述第一连接部配合的第二连接部；第一连接部和第二连接部之间具有两个配合位置；水下航行器从发射位置到巡航位置的航行阶段，两个连接部处于第一配合位置，折叠翼处于折叠状态；在水下航行器巡航阶段，两个连接部处于第二配合位置，折叠翼展开并锁定；电机工作通过所述连接结构将往复摆动传递至折叠翼形成扑翼运动。

优选地，所述连接结构一端连接所述传动组件，另一端设有所述第一连接部；设有第一连接部的一端由底板和端盖组成；折叠翼的第二连接部固定在底板和端盖之间。

优选地，所述第一连接部的工作面设有扭簧槽和第一键槽；扭簧槽中放置扭簧；所述第二连接部的工作面设有中心孔和第二键槽；

当第一连接部与第二连接部的工作面相对扣合时，扭簧槽与中心孔重合；扭簧两个端头分别卡入扭簧槽与中心孔所提供的凹槽内；

第一连接部与第二连接部处于第一配合位置时：扭簧处于预紧状态；第一键槽和第二键槽不重合，第一键槽/第二键槽中放置键，键与所在键槽底部之间安装弹簧，此时弹簧被压缩；键完全容纳于键槽内；

第一连接部与第二连接部处于第二配合位置时：扭簧处于自然状态；第一键槽和第二键槽重合，键在弹簧作用下，部分被推入第二键槽/第一键槽并抵触槽底，从而将连接结构与折叠翼的相对位置锁定。

优选地，所述连接结构具有限位部，当折叠翼从第一配合位置转动到第二配合位置时，阻挡折叠翼的进一步转动。

优选地，所述扭簧槽中安装有扭簧支撑轴。

优选地，安装有键的键槽底部具有限位弹簧的沉孔。

优选地，所述传动组件包括主动齿轮、2个从动齿轮、2个锥齿轮；主动齿轮为部分齿齿轮，连接电机；2个从动齿轮设置在主动齿轮两侧，且与主动齿轮在同一平面内；2个锥齿轮连接在所述连接结构上，从动齿轮通过锥齿轮将转动传递至所述连接结构。

优选地，通过主动齿轮的齿数占圆周的比例，设计扑翼运动的角度。

本发明还提供了一种航行器，也能够解决水下航行体的发射速度与巡航速度相适配的问题，能够缩短发射位置到巡航位置之间的飞行时间，且在巡航阶段能够具有最大程度的隐蔽性。

该水下航行器，具有至少一对上述扑翼装置。

优选地，所述水下航行器体侧开设有容纳所述折叠翼的展开槽。

优选地，当折叠翼处于折叠状态时，电机带动连接结构偏转一定角度θ，使得折叠翼与水下航行器的展开槽槽口不重合，折叠翼受限保持折叠状态；

当需要弹出折叠翼时，电机控制连接结构反向偏转所述角度θ，使得折叠翼与水下航行器的展开槽槽口重合，折叠翼在扭簧预紧力的作用下展开。

有益效果：

(1)本发明设计了可折叠的水下航行器扑翼装置，很有很好的解决水下航行体的发射速度与巡航速度相适配的问题。在到达巡航阶段之前，折叠扑翼实现快速进行，解决了发射位置到巡航位置的飞行时间问题，使水下航行器能够快速的到达目标区域；巡航时展开扑翼最大程度满足隐蔽性要求，能够隐蔽的执行作战区域附近的巡航任务。本发明使水下航行器能够满足探测、识别和定位的作战需求。

(2)本发明传动机构采用部分齿轮设计，传动结构可以使电机在持续转动的情况下实现扑翼的往复运动，解决了电机往复运动带来的使用寿命和控制电路的设计问题。

(3)本发明结构简单，通过扭簧、键的配合即可实现，因此可以应用于小型化的航行器上。

附图说明

图1为可折叠扑翼装置的结构图；

图2为具有可折叠扑翼的水下航行器外形；(a)为折叠状态，(b)为展开状态；

图3为连接结构和折叠翼的连接部示意图；左图为折叠翼，右图为连接结构；

图4为连接结构和折叠翼的爆炸图；

图5为将图4中折叠翼透明化的示意图；

图6为展开锁死状态立体图；

其中，1-电机，2-主动齿轮，3a,3b-从动齿轮，4a,4b-锥齿轮，5-连接结构，51-第一连接部，52-底板，53-端盖，54-扭簧支撑轴，55-扭簧槽，56a,56b-第一键槽，57a,57b-限位弹簧的沉孔，58-螺纹孔，59,64-凹槽，6-折叠翼，61-第二连接部，62-中心孔，63a,63b-第二键槽，7-扭簧，8-键，9-弹簧，10-展开槽。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种可折叠的水下航行器扑翼装置，其包括电机1、传动组件、连接结构5和折叠翼6。电机1通过传动组件与连接结构5相连，传动组件将电机的转动转换为往复摆动，进而传递至折叠翼形成扑翼运动。

连接结构5具有第一连接部51；折叠翼6具有与第一连接部51配合的第二连接部61；第一连接部51和第二连接部61之间具有两个配合位置；水下航行器从发射位置到巡航位置的航行阶段，两个连接部处于第一配合位置，折叠翼6处于折叠状态；在水下航行器巡航阶段，两个连接部处于第二配合位置，折叠翼6展开并锁定。

本发明第一个关键点在于将扑翼设计为折叠翼，在不同阶段选择折叠或展开折叠翼，从而解决了发射位置到巡航位置的飞行时间问题，使水下航行器能够快速的到达目标区域，而且能够隐蔽的执行作战区域附近的巡航任务。

图1示出了折叠翼进行扑翼运动的设计原理。传动组件包括主动齿轮2、2个从动齿轮3a,3b、2个锥齿轮4a,4b。主动齿轮2为部分齿齿轮，连接电机1；2个从动齿轮3a,3b设置在主动齿轮2两侧，且与主动齿轮2在同一平面内；2个锥齿轮4a,4b连接在连接结构5上，从动齿轮3a,3b通过锥齿轮4a,4b将转动传递至连接结构5。其中，每对锥齿轮中的一个与从动齿轮同轴固连，另一个的转动轴固定在连接结构上。两对锥齿轮固定在连接结构的两侧，实现不同方向的转动控制。

电机1通过电机轴带动主动齿轮2转动，主动齿轮2部分有齿，使齿轮在转动过程中能够分别与从动齿轮3a和从动齿轮3b啮合运动，之后通过锥齿轮带动连接结构进行运动，当主动齿轮2与从动齿轮3a啮合时，折叠翼进行顺时针运动，当主动齿轮2与从动齿轮3b啮合运动时，折叠翼进行逆时针运动。通过分别啮合，折叠翼可以进行往复运动，通过调整主动齿轮2与齿轮从动齿轮3a,3b的模数和齿数，可以调节往复运动的转动角度，实现扑翼运动。在此实施案例中，两组锥齿轮的模数和齿数一致，主动齿轮与从动齿轮在同一平面上，两个从动齿轮的模数和齿数一致。从动齿轮3a与主动齿轮2的模数相同，齿数比为4:1。由于主动齿轮2只有一半有齿，因此，起啮合的齿数为2:1。因此在啮合运动中，扑翼的运动角度为90度。

如图3-图6所示，连接结构5一端连接传动组件，另一端设有第一连接部51；设有第一连接部51的一端由底板52和端盖53组成，图3中只示出了底板52和第一连接部51。折叠翼6的第二连接部61固定在底板和端盖之间。第一连接部和第二连接部外形为圆形，以便于转动。

如图3的右图所示，第一连接部51的工作面设有扭簧槽55和第一键槽56a,56b。本实施例中，第一键槽有两个，对称设置在扭簧槽55两侧。扭簧槽55中放置扭簧7；优选地，为了令扭簧有较好支撑，扭簧槽55中安装有扭簧支撑轴54，扭簧7套在该扭簧支撑轴54上。扭簧槽55为圆柱形腔体，与扭簧大小适配，外加一个凹槽59，该凹槽59用于限位扭簧的其中一个端部。

如图3的左图所示，第二连接部61的工作面设有中心孔62和第二键槽63a,63b；本实施例中，第二键槽的数量和位置均与第一键槽对应。中心孔62为圆形孔，与扭簧大小适配，也有一个凹槽64，该凹槽64用于限位扭簧的另一个端部。当第一连接部和第二连接部相对转动时，两个凹槽配合对扭簧施加力，使得扭簧变形产生预紧力，处于预紧状态。

第一连接部51与第二连接部61的工作面相对扣合时，扭簧槽55与中心孔62重合；扭簧两个端头分别卡入扭簧槽55与中心孔62所提供的凹槽59,64内。

第一连接部51与第二连接部61处于第一配合位置时，即折叠状态：扭簧7处于前述的预紧状态。第一键槽和第二键槽不重合，第一键槽或第二键槽中放置键8，键与所在键槽底部之间安装弹簧9，此时弹簧9被压缩；键8完全容纳于键槽内。为了令弹簧9位置固定，安装有键8的键槽底部具有限位弹簧的沉孔57a,57b。本实施例中，令键初始容纳于第一键槽中。由于第一键槽被第二连接部61的工作面阻挡，因此弹簧被压缩。第一键槽的深度大于键8的高度。

第一连接部51与第二连接部61处于第二配合位置时，即展开状态：扭簧7处于自然状态；第一键槽和第二键槽重合，第一键槽端面处的阻碍消失，键8在弹簧9作用下，部分被推入第二键槽并抵触槽底，由于第二键槽的深度小于键8的高度，因此键部分在第一键槽中，部分在第二键槽中，从而将连接结构与折叠翼的相对位置锁定。在实际中，键也可以初始安装于第二键槽中。

如图3所示，连接结构5还具有限位部，当折叠翼从第一配合位置转动到第二配合位置时，阻挡折叠翼的进一步转动，从而留给键足够的时间进行状态变化以实现位置锁定。

本发明的折叠翼结构可以应用于水下航行器，如图2所示。水下航行器上可以配置至少1个上述折叠翼结构。该水下航行器体侧开设有容纳所述折叠翼的展开槽10。当折叠翼6处于折叠状态时，电机带动连接结构偏转一定角度θ，使得折叠翼6与水下航行器的展开槽10槽口不重合，折叠翼6受限保持折叠状态；当需要弹出折叠翼时，电机控制连接结构反向偏转所述角度θ，使得折叠翼6与水下航行器的展开槽10槽口重合，折叠翼6在扭簧预紧力的作用下展开。

折叠翼结构使用方法和工作过程为：

首先，在图3中的连接结构的第一键槽底端的弹簧孔中安装弹簧，将键放置在第一键槽内部。再将扭簧沿扭簧支撑轴装入，使其端部突出部分放置在扭簧槽的凹槽中。

进一步，将折叠翼的中心孔及其凹槽对准扭簧和扭簧支撑轴安装，并对扭簧施加部分预紧力，使折叠翼上的第一键槽和连接结构的第二键槽错开，安装完成后，键位于第一键槽中，且键槽底部的弹簧处于受压状态，之后将连接结构的端盖通过螺纹孔58与连接结构固连。

进一步，将折叠翼进行折叠，使折叠翼处于折叠状态，此时，扭簧在折叠过程中处于预紧状态。折叠翼折叠到固定位置时，由电机带动连接结构偏转一定角度，使折叠翼与水下航行体的展开槽不重合，折叠翼受弹体限制处于折叠状态。

当水下航行体到达预定位置，需要通过扑翼进行驱动时，给航行体上的电机发射信号，使电机控制连接结构偏转，回复到初始状态。使折叠翼与航行体上的展开槽重合，折叠翼在扭簧的预紧力作用下逐渐展开。

进一步，折叠翼在展开过程中，受连接结构的限制，当翼展开到限位位置时将不再继续运动，此时扭簧处于自然状态，连接结构上的第一键槽与折叠翼上的第二键槽重合，键在弹簧的预紧力的作用下进入键槽，折叠翼与连接结构锁死。折叠翼的展开动作完成，可以进行扑翼运动为航行体提供动力。

综上所述，本发明通过连接机构将折叠翼和扑翼两种功能结合在一起；通过电机的偏转使折叠翼与弹体展开槽不重合进行折叠状态的锁死；通过扭簧的扭转预应力使折叠翼从折叠状态转化到展开状态；通过连接结构的设计和扭簧的预紧力限制展开的角度；通过键槽中的带有弹簧预应力的键进行展开状态的定位和锁死；通过齿轮传动机构使折叠翼进行扑翼的运动；通过两端安装齿轮的结构使扑翼进行往复运动；通过部分齿轮啮合的装置，使电机在持续的转动下实现对扑翼的往复运动。通过这样的设计，解决水下航行体的发射速度与巡航速度相适配的问题，能够缩短发射位置到巡航位置之间的飞行时间，且在巡航阶段能够具有最大程度的隐蔽性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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