一种喷水控制多自由度运动水下航行器的制作方法

本实用新型涉及一种水下航行器，特别是涉及一种喷水控制多自由度运动水下航行器。

背景技术：

水下拖曳系统在海洋资源探测、海洋地形地貌勘测、军事反潜作战等方面有着广泛的应用。水下航行器系统的重要组成部分有水下航行器、拖缆、拖船等。拖缆主要有两种，一为拖曳用缆，二为脐带缆，主要用于数据和信号传输；拖船则为航行器提供动力，搭载水下航行器的操纵人员；在水下航行器系统中最为关键的组成部分则是水下航行器，在水下航行器内部安装有作业所需的各种仪器设备，同时依据不同的作业环境，对水下航行器的操纵控制方式也做出了设计优化，使之结构简单、功能齐全，能适应不同的使用环境，能执行复杂多变的海底任务，又由于拖船的持续供能，使之能持续工作，水下带缆航行器在诸多方面得到了充分的应用。

依据不同的外形，水下航行器可以分为回转体型和非回转体型，回转体型又可以细分为鱼雷型、myring型等，非回转体型可再细分为框架式和鱼形等。水下航行器在海底作业中主要担任的角色有二，一为作为运载体，搭载不同的仪器设备；二为定深器，运载不同的仪器设备到达其工作所需水深。同时，航行器、拖缆和拖船组成一个耦合结构，在工作中，海水的扰动、拖船的垂荡、纵摇等运动，拖缆的牵引力等使得对于水下航行器的控制成为一项十分复杂的工作。而对于航行器位置、航行姿态的控制则关系着航行器内部搭载的仪器进行测量或勘测工作的精度。

英国ctg公司的“seasoarmkii”航行器采用的是长方体主体+固定迫沉水翼结构。长方体主体用于搭载物理，化学和生物传感器。从操纵方式而言，“seasoarmkii”航行器采用了可调攻角水平迫沉水翼来实现对其作业深度的控制，在其尾部搭载了导管螺旋桨以实现对其纵向姿态的控制。长方体主体横摇、纵摇阻尼较小，在拖曳过程中容易产生较大的横摇角、纵摇角，加大了航行器的姿态调整操纵的难度，不容易实现多自由度、垂直于拖曳方向的横向水平水下观测。而尾部的导管螺旋桨在进行高速拖曳时，由于进速较大，螺旋桨易产生负推力，从而使得推力方向不确定。因此在高速拖曳时，若采用螺旋桨作为姿态和航向调整设备，会有以上缺点。

综上所述，在进行水下航行器的设计中，需要充分考虑拖船-拖缆-航行器结构的耦合作用，同时也要考虑到外界工作环境对拖曳系统的影响。因此，完善和优化水下航行器的操纵控制方式成为了水下航行器的设计重点和难点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术存在的问题，提供一种喷水推进和控制的、拖曳自航两用的、可多自由度运动的水下航行器。

本实用新型目的通过下述技术方案实现：

一种喷水控制多自由度运动水下航行器，包括固定水平翼、垂直尾翼、水平尾翼、主腔体；主腔体为立式方向舵外形结构，头部和尾部的外形采用myring线形，主腔体前端设有缆线孔，通讯和动力电缆从缆线孔伸出；

两个固定水平翼对称布置在主腔体两侧，水平尾翼和垂直尾翼布置在主腔体的尾部，垂直尾翼布置在主腔体尾部中间，垂直尾翼的尾部与主腔体的尾部在同一条直线上，水平尾翼布置在垂直尾翼上端，两个三角水平尾翼垂直尾翼中线上对称布置；

主腔体艏部顶端设有一个进水口，主腔体尾部的上表面、下表面、左表面、右表面、后表面分别设置一个出水口，主腔体内部布置有喷水推进控制系统；

喷水推进控制系统主要包括主管道、潜水泵、副管道、套管、弯管、圆柱型空腔、支流管、尾管、齿槽、齿轮、步进电机；主管道一端与主腔体顶端的进水口连接，另一端与潜水泵抽水口连接，潜水泵的出水口与布置在主腔体后半部分的副管道连接，副管道的另一端被一个套管包住，接口处采用密封处理，套管外表面端口处布置一圈齿槽，齿槽与齿轮相啮合，齿轮与步进电机连接，套管另一端与一个弯管相连接，套管和弯管伸入一个带有6个孔的圆柱型空腔，套管和弯管从圆柱型空腔的底面的孔伸入，另一个底面密封，圆柱型空腔侧面在上下左右四个方向以及左下方分别设置一个孔，设置4根支流管分别从上下左右四个方向上的四个孔伸入圆柱型空腔，4根支流管的另一端对应连接上表面、下表面、左表面、右表面、后表面的4个出水口；一个尾管从左下方伸入圆柱型空腔，尾管弯曲使另一端与后表面的一个出水口连接。

为了进一步实现本实用新型的目的，优选地，所述的支流管的管口直径比弯管的管口直径大0.5mm-1mm。

优选地，所述的两个固定水平翼为三角翼型，截面形状采用naca对称翼型，两个固定水平翼最外端设置有固定水平翼导流板。

优选地，所述的固定水平翼的内侧截面翼型长度为250-300mm，最大厚度为45-50mm，外侧截面翼型长度为90-100mm，最大厚度为25-30mm；固定水平翼导流板的长度为280-320mm，宽度为50-55mm，厚度为2-2.5mm；固定水平翼与主腔体底部的垂直距离为220-250mm，与主腔体顶部的垂直距离为80-100mm，与主腔体的艏端的水平距离为250-280mm，与主腔体的尾端的水平距离为550-600mm。

优选地，所述的水平尾翼和垂直尾翼采用三角翼，截面形状采用naca对称翼型，水平尾翼最外端设有水平尾翼导流板。

优选地，所述的水平尾翼的内侧截面翼型长度为70-80mm，最大厚度为10-12mm，最外侧截面翼型长度为30-40mm，最大厚度为4-5mm；水平尾翼导流板的长度为35-45mm，宽度为6-8mm，厚度为2-2.5mm；

所述的垂直尾翼的内侧截面翼型长度为100-120mm，最大厚度为15-18mm，最外侧截面翼型长度为70-80mm，最大厚度为10-12mm。

优选地，所述的主腔体的头部和尾部的外形采用myring线形；主腔体的宽度为150-180mm，高度为280-320mm，长度为1000-1200mm。

优选地，所述的主管道10的直径为50-60mm，副管道12的直径为40-50mm，套管13的直径为45-55mm，4个支流管16的直径为30-35mm，尾管17的直径为40-45mm。

优选地，所述的圆柱型空腔15的底面直径为90-100mm，高为70-80mm，管壁及圆柱型空腔厚度为2-3mm。

优选地，所述的主腔体艏端上表面设有拖曳部件，拖曳部件上设置有拖曳孔；拖曳孔数量为4-7个，直径为8-10mm，间距为15-20mm；所述缆线孔直径为30-40mm。

本实用新型采用的是喷水控制无论拖速太高(螺旋桨控制力的方向不确定)还是太低(襟翼表面流速太低，升力不够)都可以很好的控制航行器的航行状态；主腔体的巨大空间可以搭载大量的监测仪器，也可以降低重心调整浮心，增加航行器的稳定。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

(1)用途广，功能多。本实用新型一种喷水控制多自由度运动水下航行器在控制方式相对简单的前提下，实现了拖曳自航两用，而且在拖曳和自航过程中的控制方式基本一致，省去了拖曳和自航过程中控制方式不同所带来的麻烦。另外，拖曳和自航两种状态的转变相对简单，通过控制潜水泵的运作时间就可以满足多种探测任务的要求。同时，巨大的主腔体容积可以同时灵活搭载多种不同的设备，完成不同的水下探测任务。

(2)控制方式简便，控制设备简单。本实用新型一种喷水控制多自由度运动水下航行器通过控制步进电机旋转，通过齿轮、齿槽啮合传动带动套管和弯管转动，使弯管在转动过程中的喷口和上下左右方向上的4个支流管以及尾管的管口相吻合，从而控制水从上表面，下表面，左表面，右表面以及后表面的不同的方向喷出。

(3)控制效率高，机动性强。本实用新型控制不同方向出口向外喷水产生推力，使的水下航行器不同方向偏转一个小角度，然后带动固定水平翼或者方向舵式主腔体的攻角发生变化，产生较大的升沉力和转艏力，使航行器实现多自由度运动。自航过程中，保持航行器向后喷水，产生推力实现自航，同时，控制不同方向出口向外喷水产生推力，使的水下航行器不同方向偏转一个小角度，然后水下航行器沿着偏转的角度航行，实现自航过程中的多自由度航行。不管是拖曳还是自航，都只需要控制喷水产生一个小角度，就可以实现多自由度运动，提高了控制效率，增加了整个水下航行器的机动性。

(4)方向稳定性好，自主稳定性高。本实用新型一种喷水控制多自由度运动水下航行器巨大的方向舵式主腔体以及比较宽的三角型固定水平翼可以实现在航行过程中的稳定。整个水下航行器外表面没有多余的控制机构和附件，可以保证水下航行器表面流场的均匀性，保证航行过程中的稳定。同时，主腔体在竖直方向上有较灵活的空间，可以在底部加较重的仪器或者压载，降低重心实现水下航行器的自主稳性。

(5)阻力转化动力，降低拖曳力，节约能源。本实用新型一种实现了将主腔体前端静水压力转化为向其尾部喷出水流动能的有利转换。本实用新型通过将水流由主腔体前端进水口引入喷水推进控制系统，经潜水泵加速，引导高速水流从出水口喷出而产生推力和操纵力的方式来达到控制水下航行器转艏与升沉的目的。这一操纵力产生的方式减少了水下航行器的拖曳阻力和拖曳不稳定性、提高了水下航行器的操纵效率。

附图说明

图1是一种喷水控制多自由度运动水下航行器的外形结构侧视示意图；

图2是一种喷水控制多自由度运动水下航行器的外形结构俯视示意图；

图3是一种喷水控制多自由度运动水下航行器的外形结构前视示意图；

图4是一种喷水控制多自由度运动水下航行器的喷水推进控制系统侧视示意图；

图5是一种喷水控制多自由度运动水下航行器的喷水推进控制系统俯视示意图；

图6是一种喷水控制多自由度运动水下航行器的喷水推进控制系统圆柱型空腔管道示意图；

图中示出：固定水平翼1、固定水平翼导流板2、垂直尾翼3、水平尾翼4、水平尾翼导流板5、主腔体6、拖曳部件7、进水口8、出水口9、主管道10、潜水泵11、副管道12、套管13、弯管14、圆柱型空腔15、支流管16、尾管17、齿槽18、齿轮19、步进电机20。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1-图3所示，一种喷水控制多自由度运动水下航行器，包括固定水平翼1、固定水平翼导流板2、垂直尾翼3、水平尾翼4、水平尾翼导流板5、主腔体6、拖曳部件7；主腔体6为立式方向舵外形结构，头部和尾部的外形采用myring线形，主腔体艏端上表面设有拖曳部件7，拖曳部件上设置有拖曳孔，前端设有缆线孔，通讯和动力电缆从缆线孔伸出。优选地，拖曳孔数量优选为4-7个，直径为8-10mm，间距为15-20mm，缆线孔直径为30-40mm。

主腔体6艏部顶端设有一个进水口8，主腔体尾部的上表面、下表面、左表面、右表面、后表面分别设置一个出水口9，主腔体内部布置有喷水推进控制系统。

两个固定水平翼1对称布置在主腔体6两侧，水平尾翼4和垂直尾翼3布置在主腔体6的尾部，两个尾翼同样采用三角翼，截面翼型采用naca对称翼型，垂直尾翼3布置在主腔体尾部中间，垂直尾翼3的尾部与主腔体6的尾部在同一条直线上，水平尾翼4布置在垂直尾翼3上端，两个三角水平尾翼4垂直尾翼3中线上对称布置，水平尾翼4最外端设有水平尾翼导流板5以增加翼效。两个固定水平翼1为三角翼型，截面翼型采用naca对称翼型，两个固定水平翼1最外端设置有固定水平翼导流板2以增加翼效。

如图4-图6所示，喷水推进控制系统主要包括主管道10、潜水泵11、副管道12、套管13、弯管14、圆柱型空腔15、支流管16、尾管17、齿槽18、齿轮19、步进电机20。喷水推进控制系统的主管道10一端与主腔体顶端的进水口8连接，另一端与潜水泵11抽水口连接，潜水泵11的出水口与布置在主腔体后半部分的副管道12连接，副管道12的另一端被一个套管13包住，接口处采用密封处理，套管13外表面端口处布置一圈齿槽18，齿槽18与齿轮19相啮合，齿轮19与步进电机20连接，套管13另一端与一个90°弯管14相连接，套管13和弯管14伸入一个带有6个孔的圆柱型空腔15，套管13和弯管14从圆柱型空腔15的底面的孔伸入，另一个底面密封，圆柱型空腔15侧面在上下左右四个方向以及左下方分别设置一个孔，设置4根支流管分别从上下左右四个方向上的四个孔伸入圆柱型空腔15结构，4根支流管16的另一端对应连接上表面、下表面、左表面、右表面、后表面的4个出水口9；设置一个尾管17从左下方伸入圆柱型空腔15结构，尾管17弯曲使另一端与后表面的一个出水口9连接。

如图6所示，圆柱型空腔15结构内部管道布置要求：90°弯管14在步进电机的齿轮啮合传动下，喷口方向不断旋转，在转动过程中要依次能和上下左右方向上的四个支流管16以及尾管17的管口相吻合，为了使水流从弯管14流出之后更多的流入5个支流管16内，设定支流管16的管口直径比弯管14的管口直径大0.5mm-1mm左右。

水从进水口8进入主管道10，通过潜水泵11加速流至副管道12，然后副管道12流向套管内，从伸入圆柱型空腔15的弯管14喷出，通过控制步进电机20旋转，通过齿轮19、齿槽18啮合传动带动套管13和弯管14转动，使弯管14在转动过程中的喷口和上下左右方向上的4个支流管16以及尾管17的管口相吻合，从而控制水从上表面，下表面，左表面，右表面以及后表面不同的方向喷出。

优选地，喷水推进控制系统中，主管道10的直径为50-60mm，副管道12的直径为40-50mm，套管13的直径为45-55mm，4个支流管16的直径为30-35mm，尾管17的直径为40-45mm。

优选地，圆柱型空腔15的底面直径为90-100mm，高为70-80mm，管壁及圆柱型空腔厚度为2-3mm。

优选地，主腔体6的宽度为150-180mm，高度为280-320mm，长度为1000-1200mm。固定水平翼1采用三角翼型，内侧截面翼型长度为250-300mm，最大厚度为45-50mm，外侧截面翼型长度为90-100mm，最大厚度为25-30mm，固定水平翼导流板2的长度为280-320mm，宽度为50-55mm，厚度为2-2.5mm，固定水平翼1与主腔体底部的垂直距离为220-250mm，与主腔体顶部的垂直距离为80-100mm，与主腔体的艏端的水平距离为250-280mm，与主腔体的尾端的水平距离为550-600mm。垂直尾翼3采用三角翼型，内侧截面翼型长度为100-120mm，最大厚度为15-18mm，最外侧截面翼型长度为70-80mm，最大厚度为10-12mm。水平尾翼4采用三角翼型，内侧截面翼型长度为70-80mm，最大厚度为10-12mm。最外侧截面翼型长度为30-40mm，最大厚度为4-5mm；水平尾翼导流板5的长度为35-45mm，宽度为6-8mm，厚度为2-2.5mm。

具体地，在拖曳过程中，水下航行器要产生升沉运动时，通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与上方或下方的两个支流管16的管口吻合，使水流从上表面或下表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向上或向下的推力，使水下航行器产生艏倾或者艉倾，这样就改变了固定水平翼1的攻角，使固定水平翼1产生迫沉力或者上升力，迫使整个水下航行器下沉或上升；水下航行器要产生转艏运动时，通过使步进电机旋转控制弯管的喷口与左边或右边的两个支流管16的管口吻合，使水流从左表面或右表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向左或向右的推力，使水下航行器产生艏摇，这样就改变了主腔体6的攻角，使主腔体6产生转艏力，使水下航行器产生向右或向左的转艏运动。

同样地，在自航过程中，通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与左下方的尾管17的管口吻合，后表面出水口9向后喷水产生推力，使水下航行器航行，要产生升沉运动时，通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与上方或下方的两个支流管16的管口吻合，使水流从上表面或下表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向上或向下的推力，使水下航行器产生艏倾或者艉倾，当转到所需要的角度时，转动弯管14喷口与左下方尾管17管口吻合，后表面出水口9向后喷水产生推力，水下航行器就沿着转过的角度开始航行，实现升沉运动；水下航行器要产生转艏运动时，通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与左边或右边的两个支流管16的管口吻合，使水流从左表面或右表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向左或向右的推力，使水下航行器产生艏摇，当转到所需要的角度时，转动弯管14喷口与左下方尾管17管口吻合，后表面出水口9向后喷水产生推力，水下航行器就沿着转过的角度开始航行，实现转艏运动。

本实用新型无论是在拖曳状态下的控制，还是在自航状态下的控制，都是通过喷水提供一个小的诱导力来产生各个方向上的运动。在拖曳状态下，通过一个喷水提供的小的诱导力改变固定水平翼和主腔体的攻角，来产生较大的方向控制力，来完成各个方向上的运动；在自航状态下，通过喷水提供的小的诱导力来改变航行的方向，使航行器在喷水推进沿这个方向前进，来完成各个方向上的运动。

本实用新型一种喷水控制多自由度运动水下航行器的工作时：

先根据不同的探测任务,在立式方向舵外形主腔体内布置相应类型的海洋监测设备，由于不同类型仪器设备的重量不同，且不同仪器的放置要求也不一样，这些因素都会影响到水下航行器整体的重心。可以在主腔体底部适当地加一些压载，可以调整和降低重心，以使水下航行器重心与浮心处于正浮和具有自主稳定功能的位置要求。调整好之后，将拖缆系在拖曳孔处，进行试拖，根据拖航的情况不断的调整重心位置，以使水下航行器保证良好的拖航状态。

在拖曳过程中，当需要升沉运动时，打开潜水泵11的开关，水从进水口8流入，通过潜水泵11加速，流向副管道12，通过套管13流入在圆柱型空腔15内的弯管14，然后通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与上方或下方的两个支流管16的管口吻合，这样使水流沿着上方或下方的支流管从上表面或下表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向上或向下的推力，使水下航行器产生艏倾或者艉倾，这样就改变了固定水平翼1的攻角，使固定水平翼1产生较大的迫沉力或者上升力，迫使整个水下航行器下沉或上升；当需要转艏运动时，打开潜水泵11的开关，水从进水口8流入，通过潜水泵11加速，流向副管道12，通过套管13流入在圆柱型空腔15内的弯管14，然后通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与左边或右边的两个支流管16的管口吻合，这样使水流沿着左边或右边的支流管从左表面或右表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向左或向右的推力，使水下航行器产生艏摇，这样就改变了主腔体6的攻角，使主腔体6产生较大的转艏力，使水下航行器产生向右或向左的转艏运动。

在自航过程中，使水从进水口8流入，通过潜水泵11加速，流向副管道12，通过套管13流入在圆柱型空腔15内的弯管14，然后通过使步进电机20旋转控制弯管的喷口与左下方的尾管17的管口吻合，这样水流沿着尾管17从后表面出水口9向后喷水产生推力，使水下航行器航行。当需要升沉运动时，通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与上方或下方的两个支流管16的管口吻合，使水流从上表面或下表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向上或向下的推力，使水下航行器产生艏倾或者艉倾，当转到所需的角度时，转动弯管14喷口与左下方尾管17的管口吻合，后表面出水口9向后喷水产生推力，水下航行器就沿着转过的角度开始航行，实现升沉运动；当需要转艏运动时，通过使步进电机20旋转控制弯管14的喷口与左边或右边的两个支流管16的管口吻合，使水流从左表面或右表面上的出水口9流出，这样在水下航行器尾部产生向左或向右的推力，使水下航行器产生艏摇，当转到所需要的角度时，转动弯管喷口与左下方尾管17管口吻合，后表面出水口9向后喷水产生推力，水下航行器就沿着转过的角度开始航行，实现转艏运动。

需要说明的是，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

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