潛水交通工具的製作方法

2023-09-12 10:02:35 2

專利名稱：潛水交通工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種潛水交通工具；並涉及操作、入塢和部署這種交通工具的 方法。應該指出的是，在本說明書中，術語"潛水"是包括使用時交通工具僅 部分潛入水中的表面交通工具以及使用時全部潛入水(或任何其它液體)中的 交通工具。本發明還涉及潛水的小型滑翔機。
背景技術：
US5438947描述了一種內部通道的水下交通工具。該交通工具具有安裝在 通道內的推進器以及控制交通工具前進方向的舵。該交通工具設計成長寬比較 低以使交通工具能夠高速航行。

發明內容
本發明的第一方面提供這樣一種潛水交通工具其具有外船殼，該船殼限 定船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定兩 端敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內，該交通工具 還包括使交通工具圍繞管道滾動的裝置。
在使用中，交通工具可圍繞管道滾動，該滾動可以小於一圈或達到多圈。 交通工具可關於船殼軸線對稱地滾動，或可圍繞管道以偏心方式滾動，尤其是
在重心偏離船殼軸線的情況下。
傳統上， 一直認為大致的環形形狀並不是理想的，因為它導致交通工具在 滾動(即，圍繞管道轉動)中不穩定。然而，本發明人已經認識到該特性在許 多應用中(尤其是涉及無人操縱的自控交通工具)不一定是有害的，並且由於 滾動產生角動量其結果可提供較大的穩定性，所以可以進一步開發利用。此外， 交通工具滾動可與海洋湧流組合而產生馬格努斯力，該力可用來減小遠離交通 工具軸線的側向漂移，這一在水力升力或向下推力的增加為代價，其對應於海洋湧流和交通工具滾動的矢量。在交通工具需要在兩點或多點之間有精確導航 的情況下，這樣的側向漂移減小是有意義的。再者，交通工具的滾動可用來使 傳感器實現二維的掃描，其中通過傳感器裝置利用連續的滾動結合沿交通工具 軸線的直線運動來從突出的矩形視野中獲取信息。矩形視野的寬度由傳感器其 中捕獲信息的傳感器扇區的大小所確定；而矩形視野的長度由交通工具軸向移 動長度所確定。通常，傳感器扇區所對角小於180° ，但若拓展本方法可使傳 感器裝置的傳感器可捕獲超過180°並達到360°的信息。在此情形中，圍繞 由交通工具滾動所對的二維平面，該突出的視野將是連續的。在這種實例中， 傳感器裝置與其角度姿勢相同步地捕獲數據，這樣，在兩者之間可以用精確的 記錄形成連續線。在優選實施例中，傳感器孔的二維合成範圍通過合適地處理 傳感器數據而獲得。在此特殊實例中，合成孔處理特性的局限因素之一在於因 數據獲取的全部時間段內估計的和實際的交通工具位置之間的不精確性帶來 的解析度損失。其結果，這種系統引入了慣性導航設備來提高可估計的交通工 具位置和姿勢的精度。然而，本發明的優選實施例採納成本低廉和更加上乘的 設計，其通過提高角動量並因此減小交通工具位置或姿勢方面的漂移範圍，而 不需複雜的糾正或估計運算資源，以此提高交通工具的基本穩定性。因此，在 下面描述的優選實施例中，提供各種裝置來控制交通工具圍繞管道的滾動以及 控制姿勢的其它構件。
例如，用於使交通工具圍繞管道滾動的裝置可以是例如推進器系統(諸如 雙推力矢量的推進器系統)；諸如鰭片那樣的一個或多個控制表面；慣性的控 制系統；或浮力控制系統，其在電動機控制下圍繞船殼移向左舷或右弦。
本發明的第二方面提供這樣一種潛水交通工具其具有外船殼，該船殼限 定有船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定 兩端敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內，該交通工 具還包括浮力控制系統。
本發明的第三方面提供這樣一種潛水交通工具，其具有外船殼，該船殼限 定有船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定 兩端敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內，其中，外 船殼的至少一部分相對於船殼軸線是後掠的。本發明的第四方面提供這樣一種潛水交通工具其具有外船殼，該船殼限 定有船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定 兩端敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內，其中，船 殼具有凸出的區域S和垂直於船殼軸線的最大外徑B，其中，比值B"S大於 0.5。
直徑相對大的船殼能使兩個或更多個傳感器的陣列在船殼上很好地間隔 開，從而提供大的傳感器基線。這樣，傳感器陣列的有效靈敏度與傳感器基線 長度成正比地提高。再者，相當高的比值B"S也給出高的升力對曳力的比值， 能使交通工具如滑翔器那樣有效地運行。
本發明的第五方面提供這樣一種潛水交通工具，其具有外船殼，該船殼限 定有船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定 兩端敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內。
本發明的第六方面提供一種用於潛水交通工具的推進器系統，該推進器系 統包括安裝在柔性的大致環形外殼內的兩個或多個軸對稱驅動組件。
本發明的第七方面提供一種運行具有兩個或多個軸對稱安裝的驅動組件的 潛水交通工具的方法，該方法包括軸對稱地往復移動驅動組件以通過液體來推 進交通工具。
本發明的第八方面提供一種潛水交通工具其具有外船殼，該船殼限定有 船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定兩端 敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內；以及雙推力矢 量的推進器系統，該系統包括一對或多對推進器裝置，每對裝置包括可樞轉地 安裝在船殼軸線第一側上的第一推進器裝置，以及與第一推進器裝置相對的可 樞轉地安裝在船殼軸線第二側上的第二推進器裝置。
通常每個推進器裝置產生一個推力矢量，通過樞轉該裝置，該推力矢量可 獨立於其它推進器裝置變化。通常每個裝置安裝成可圍繞傾斜於船殼軸線某一 角度(較佳地為90。)的軸線樞轉。例如，推進器裝置可以轉動槳葉或往復地 移動的鰭片。推進器裝置可以位於管道內，或在管道之外，但與外船殼相一致。
本發明的第九方面提供這樣一種潛水小型滑翔器其具有外船殼，該船殼 限定有船殼軸線，當沿著船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定兩端敞開的管道，從而當小型滑翔器潛入液體中時，液體湧入管道內。 以下的評論適用於本發明的所有方面。
在本發明的優選實施例中，管道提供小的船首橫截面以減小曳力，而通過 減小誘發的尾流渦流可保證進一步減小曳力，否則的話，在傳統的平面翼或橫 尾翼穩定器結構中，當誘發渦流時曳力會是相當大。管道壁的形狀最好能以有 效的方式產生水力的升力，該升力可用來幫助交通工具運動通過液體。
管道的另一優點在於，上層結構(諸如推進器裝置)可更安全地容納在管 道內，能使外船殼呈現相當光滑的一致性的外表面，這可用來減小與其它水下 物體碰撞或糾纏引起損壞或損失的風險。
本發明的實施例提供大致環形的外形，與傳統平面翼為基礎的其它外形相 比，它提高了交通工具的結構剛度。實現該優點既可在同樣水力參數下降低交 通工具的成本或質量，又可提高深潛能力，此時，無論是環形船殼還是包含在 船殼內的螺旋管壓力容器都將對彎曲應力提供更好的恢復力。
管道可以沿其全長或部分長度完全閉合，或部分地敞開而沿其長度有一狹 槽。管道還可包括多個狹槽或埠以幫助或修改其在某些特性條件下的水力特 性。


現將參照附圖以示例方式來描述本發明的各種實施例，附圖中
圖la是帶有第一構造型式的推進器的第一推進交通工具的正視圖lb是沿船體軸線和沿圖1中線A-A截取的交通工具剖視圖2a是帶有第二構造型式的推進器的交通工具的正視圖2b是沿圖2a中線A-A截取的交通工具剖視圖3a是第二推進的交通工具的後視圖3b是沿圖3a中線A-A截取的交通工具剖視圖4a是第三推進的交通工具的後視圖4b是沿圖4a中線A-A截取的第三推進的交通工具剖視圖； 圖4c是沿圖4a中線B-B截取的交通工具剖視圖； 圖5a是第一滑翔交通工具的正視圖；圖5b是第一滑翔交通工具的側視圖； 圖5C是第一滑翔交通工具的平面圖5d是另一滑翔器的側視圖，其中羽翼被包括在圍繞環形仰角的狹縫內；
圖6a是另一壓力容器的立體圖6b是另一壓力容器的側視圖7是另一姿勢控制系統的立體圖8是使用中的第四推進交通工具的正視圖9a是入塢過程中沿圖1中線A-A截取的第一推進的交通工具的剖視圖9b示出入塢後的交通工具-，
圖9c是示出感應充電系統的放大圖IO是示出另一入塢結構的剖視圖11是帶有另一入塢結構的拖曳系帶交通工具的示意圖12a是滑翔交通工具的正視圖12b是該交通工具的側視圖12c是該交通工具的平面圖13a是第四推進的交通工具的正視圖13b是該交通工具的側視圖14a是第二拖曳系帶交通工具的正視圖14b是該交通工具的側視圖15a是環形浮力控制系統的軸向圖； 圖15b是螺旋形浮力控制系統的軸向圖； 圖15c是圖15b系統的側視圖；以及 圖15d是另一浮力控制系統的側剖視圖。
具體實施例方式
參照圖la和lb，潛水交通工具1具有一由層流水翼艇外形(顯示在圖lb 中)發展而來的外船殼2，其是一圍繞船殼軸線3的迴旋體。因此，如圖la 所示，如沿船殼軸線觀看的話，外船殼2呈環形。該環形的內壁4限定管道5， 其前後敞開；從而當交通工具潛入水中或任何其它液體時，水湧入該管道並隨著交通工具通過水移動時流過管道，從而產生水力的浮力。
如圖lb所示，水翼艇外形向外從窄的船首端6逐漸地漸擴到最寬點7，然 後，向內較快地漸縮到船尾端8。在此特定實施例中，最寬點7定位在大致船 首和船尾端之間距離的三分之二處。該特定的水翼艇截面可修改為本交通工具 和其它交通工具的多種變體，以便根據由各種應用中有效的合適雷諾數範圍所 確定的特定流域範圍來修改升力係數、曳拉力和顛簸力矩。
一對推進器9、 10對稱地安裝在船殼軸線的相對側上。推進器包括推進器 槳葉ll、 12，它們安裝在L形的支承軸I3、 14上，支承軸又安裝在船殼上與 最寬點7對齊，如圖lb所示。推進器槳葉安裝在罩殼15、 16內，以提高其效 率。每一L形軸可樞轉地安裝在船殼上，使其可圍繞平行於交通工具縱搖軸線 的軸線相對於船殼轉動360度，因此提供推力矢量的推進。罩殼和L形軸都具 有水翼艇的截面，其採用的弦長對高度之比類似於外船殼所述的弦高比。因此， 例如，推進器8、 9可在如圖la和lb所示的同向構造和如圖2a和2b所示的 反向構造之間轉動，在前者構造中，推進器提供推力來向前並沿著船殼軸線推 進交通工具，而在後者構造中，推進器致使交通工具圍繞船殼軸線連續地滾動。 圖2a中的箭頭V顯示交通工具的運動，而圖2a中的箭頭L顯示液體的流動。 由此可知，該特定實施例在其推進系統中使用了四個電動機兩個無刷直流電 機來驅動槳葉，兩個直流電機來驅動安裝槳葉電動機的L形支承軸，其中，其 中使用機械的蝸輪蝸杆傳動齒輪減速機構，來傳遞電動機和L形軸之間驅動力 和載荷。對於後者方案也可使用諸如步進電機之類的替代的電機類型，只要運 行載荷與電動機的額定功率一致就可。
為了提供最小的開路環形顛簸或偏航穩定性，交通工具的重心(CofG)定 位在水力壓力中心的前面，兩個中心之間分離得越遠，其穩定性就越大。然而， 精確的位置並不是關鍵的，因為另外的穩定性還可由閉環姿勢控制系統(未示 出)來提供，該系統可與交通工具的推進系統組合使用。在此情形中，通過操 作交通工具使其CofG位於水力壓力中心處或其後面，就可犧牲穩定性來換取 靈活性。同樣地，推進器的位置可朝向船首向前或朝向船尾向後進行調整為， 其中交通工具的動態特性可相應地得到調整。
這種姿勢控制系統包括(i)測量三個正交軸上的線性加速度的裝置；以及(ii)測量三個正交軸上的角加速度的裝置；以及(iii)測量兩個或三個正交 軸上的定向的裝置；以及(iv)根據此時所要求的特定交通工具的動態運動或 穩定性，組合來自這些裝置的信號並計算模擬上述推進系統的指令信號的裝 置。定向裝置可包括重力傳感器，或探測地球磁場矢量的傳感器，或它們兩者。 交通工具還可包括導航系統，其估計交通工具在任何特定時間相對於某初始參 考位置的位置。這種導航系統的優選實施例包括處理裝置，該處理裝置根據由 上述姿勢控制系統提供的數據進行操作，也可根據其它可選的數據進行操作， 其中提供這種數據的特定傳感器可被包括在交通工具內以用於導航之目的。這 樣的傳感器可包括(i)人造同步定位衛星(GPS)接收器裝置，以及(ii) 一 個或多個音頻應答器或通訊裝置。GPS裝置在近地時用來導出交通工具緯度、 經度和高度的位置估計值。音頻應答器或通訊裝置發送和接收音頻信號以建立 其相對於定位在局部液體介質內的一個或多個對應音頻應答器或通訊裝置的 位置。在優選實施例中，處理裝置包括稱之為kalman過濾器的特定運算，其 根據姿勢控制和導航系統的傳感器裝置所提供的可變數據來估計交通工具的 相對或絕對位置。
在此特定的實施例中，交通工具設計有程度小的正向浮力。浮力中心(Coffi) 可定位在一最小值和一最大值之間的任何位置，在最小值時，Coffi位置與重 心一致，而在最大值時，Coffi位於CofG上方的倒置圓錐的體積內，且錐頂毗 鄰CofG，而錐底對著環形船殼的上部。
在特定實施例中，圓錐傾斜成其體積沒有任何部分位於平分交通工具軸線 並與CofG重合的垂直平面的後面。當Coffi位於該圓錐內並與CofG分離時， 交通工具將採納穩定狀態下的正向顛簸，因此，在僅從正向浮力和來自環形船 殼的水力升力的組合得出的力作用下，可從深處滑翔到水面，其中通過交通工 具淺的滑翔路徑可獲得一定的有效側向移動距離。
這允許通過在其工作循環中再次使用重力，乘機將能量儲存在交通工具電 池箱內。交通工具的滑翔路徑也可通過採用槳葉(未示出)得到改進，在不使 用時，槳葉可以摺疊起來平行於船殼軸線放置，或通過省略掉槳葉罩殼來改進， 在此情形中，交通工具曳力將進一步減小。
交通工具還可包括布置在外船體周圍的太陽能電池(未示出)，這裡環形船殼再次提供了有效的實效，因為其外表面面積比同樣質量的圓柱形交通工具 面積大。在這種實施例中，太陽能電池連接到充電電路中，其補充位於電池箱 內的可充電池內的儲藏能。這允許交通工具在運行或停在海面上或海面附近時 使用太陽能有計劃地和機會地補充交通工具的能量儲存。
在此實施例中，Coffi可固定在上述體積錐內的某一靜止部位處，或Coffi 可用控制機構動態地調整到錐體周圍的位置。在任一情形中，通過位於環形船 殼螺旋部分內的一個或多個正向浮力的壓載元件的位置來控制Coffi。在使用 兩個壓載元件的實施例中，壓載元件可共同位於螺旋管內，在此情形中，交通
工具的靜浮力最大；或者，兩個壓載元件可位於螺旋管周圍使交通工具的Coffi 和CofG都位於船殼軸線上，在此情形中，交通工具的靜穩定性為零。
因此，交通工具可使用其推進器系統來引起圍繞其船殼軸線的轉動，且交 通工具可相對於其CofG調整其Coffi的位置。因此，如果Coffi和CofG之間 有最大的分離較為理想，則當交通工具移動而沒有轉動時，交通工具由此可採 用其動態的運動。然而，在希望將滾動偏心度減到最小的情況下，如果在Coffi 和CofG之間相對於船殼軸線的最小的分離較為理想，則交通工具也可在引起 轉動時改變其動態運動。
推力矢量的推進器提供沿船殼軸線向前或向後運動的裝置，和圍繞船殼軸 線的轉動或滾動，以及圍繞交通工具的CofG的顛簸或偏航。如上所述，顯然， 兩個推進器可以是反向運動以便引起交通工具的滾動。兩個推進器也可同方向 運動。例如，當兩者朝向下使其推力矢量位於CofG上方時，則交通工具將鼻 向下顛簸。同樣地，當兩者朝向上使其推力矢量位於CofG下方時，則交通工 具將鼻向上顛簸。還可明白的是，相對於交通工具和相對於彼此來改變推進器 顛簸的程度可用來獲得交通工具的顛簸、滾動和偏航。也可在採用不同的推進 器轉動速率時通過不同的推力作用來引起偏航。由此可見，交通工具在其自控 的控制之下能夠潛入、轉動、滾動和貼近水面。
當交通工具旋轉時並在CofG的位置與推進器轉動軸線對齊時，交通工具可 以特殊方式驅動。參照圖2b，如果我們定義垂直方向為垂直於紙面，那麼，在 圖la中所示的位置中，交通工具處於0度滾動角，且推進器9朝向上，而推 進器10朝向下。如果需要向下運動，則當交通工具在350度和1—0度之間(或者，某些其它有限的弧形，其中，推進器9一般地朝向上)時推進器9啟動， 且當交通工具在170度和190度之間(或者，某些其它有限的弧形，其中，推 進器10 —般地朝向上)時推進器10啟動。交通工具綜合弧形周圍的推力矢量， 並經受引起正交於船殼軸線(在此情形中為向下)的移動的線性加速。這能使 轉動的交通工具在正交於船殼軸線的平面內精確移動。
由此可見，由於其推力矢量的推進器可布置成在動態控制之下高速轉動， 交通工具具有高度的可操縱性。還可見交通工具具有高度的穩定性。在第一情
形中，當沿著船殼軸線運動時，則利用可抵消引起轉矩的反向轉動的槳葉來獲 得相對高的速度，同時，反向的槳葉提供了進一步的滾動穩定性。在第二情形 中，當引起圍繞船殼軸線的轉動運動時，則增加了角度運動，並再次提高交通 工具的穩定性，這可在經受外力時以交通工具姿勢或位置誤差減小的形式測 到。
交通工具的船頭裝有一對攝像機17、 18用來避免碰撞和攝像。船殼相對大 的直徑能使攝像機很好地間隔開，因此，提供了長的有實體鏡的基線，通過測 量位於兩個攝像機視野內的諸物體之間的視差來精確估計範圍。設置聲納發射 器19和聲納接收器20用於聲納成像和感測。再者，寬的基線是有利的。外船 殼2包含內部空間，該內部空間在圖la中可以看見。該外船殼最好由剛性的 複合材料製成，該複合材料使用玻璃纖維或碳纖維細絲交替地層疊在環氧樹脂 層之間。或者，可用諸如聚亞安酯或高密度的聚乙烯之類的合適硬聚合物來模 製成本較低、彈性較差的船殼。如果船殼是受壓的，則也可用鋁來製造外船殼。 內部空間可藉助於外船殼內的小的孔眼(未示出)被水湧入，或可受壓。內部 空間容納一對電池組21、 22、 一對船尾傳感器23、 24以及四個沿著船殼軸線 間隔開的螺旋壓力容器25-28。壓力容器包含交通工具的電子設備、 一些推進 器子系統的元件以及其它物件，壓力容器用軸向壓杆(未示出)連接起來。在 該特定實施例中，螺旋壓力容器最好由剛性的複合材料製成，該複合材料使用 玻璃纖維或碳纖維細絲螺旋地纏繞在螺旋管周圍餅交替地層疊在環氧樹脂層 之間。或者，螺旋壓力容器可用諸如鋁、不鏽鋼或電鍍鋼材或鈦之類的合適級 的金屬製成。
沿船殼軸線的船殼長度對應於水翼艇截面的舷，這顯示在圖2a中(a)處，而在兩端橫跨管道的直徑或跨度顯示在(b)中。船殼的長寬比(AR)描述如
下
AR=2B2/S
其中，B是船殼的跨度(由船殼的最大外直徑定義)，而S是船殼的突出 面積。
如果我們取跨度B近似等於(b)，而面積S近似等於(b) X (a)，則 AR近似為2 (b) / (a)。在圖2b的交通工具中，AR約為1.42，但在需要其 它長寬比的應用的其它實施例中，該數字可以修改。顯然，交通工具形式可通 過簡單地改變其其螺旋形直徑進行調整，以在長寬比小的時候反映窄的交通工 具，或在長寬比大的時候反映寬的交通工具。在任一情形中，在某些情況下， 可獲得特定的優點，因為使用具有小的長寬比的螺旋形式可獲得相對高的升力 係數，而使用具有高的長寬比的螺旋形式可獲得優化的滑翔斜率比或同等的升 力對曳力比。
外船殼設計成使由雷諾數所確定的流體流動狀態內的曳力係數最小，所述 雷諾數描述了特定情形中的交通工具的操作。外船殼包括一底層(圖lb中用 橫陰影線顯示)和外皮層(未示出)。
在圖3a和3b中顯示有第二種的交通工具30。該交通工具與交通工具1相 同，但代替推進器槳葉雙推力矢量推進器系統，其使用仿生鰭片的雙推力矢量 推進器系統。在該情形中，推進器系統由對鰭片31、 32組成，該對鰭片朝向 船尾端可樞轉地安裝在外船殼上，並可在第一 (裝載)位置和第二位置之間轉 動剛好不到180度，第一位置在圖3a和3b中用實線示出，第二位置在圖3b 中用虛線示出。每個鰭片的轉動通過單獨的直流無刷電機和機械齒輪的減速機 構進行，所述減速機構較佳地包括螺旋形的蝸輪蝸杆傳動裝置(未示出)並可 在多個模式中被驅動。在此結構中，鰭片用特定級的聚亞安酯製造，以提供一 定的曲屈同時在載荷下作往復運動，其中，這樣的曲屈用來從各個鰭片更有效 地引導推進的波浪渦流向後。
在一種模式中，鰭片異相地往復運動以產生驅動交通工具沿著船殼軸線向 前的劃漿運動。在另一種模式中，鰭片以往復運動方式被驅動，但此時彼此同 相運動再次驅動交通工具沿著船殼軸線向前。在另一種模式中，鰭片以往復運動方式被驅動，但此時其往復運動弧的中 心在由船殼軸線和鰭片樞轉軸線定義的水平平面上方和下方移動，這樣，驅動 交通工具向前並引起滾動，其中滾動可以是任一方向，視往復運動鰭片的相對 位移而定。
在另一模式中，鰭片以往復運動方式被驅動，但此時彼此同相，其往復運 動弧的中心再次在由上述定義的軸向樞轉平面上方或下方移動。該模式向前推
進交通工具，但還造成圍繞CofG的顛簸轉動，由此可用於交通工具的下潛或 上浮。如果與交通工具滾動模式結合使用，則該模式將聯合和產生交通工具的 偏航。
仿生推進器設計允許連續地變化頻率和對於每個鰭片推進器的激勵信號的 大小，還允許連續地改變選擇弧的往復運動中心，以及鰭片的往復運動中心， 還允許連續地變化鰭片之間的相位。因此，該設計在低速時獲得良好的推進效 率，以及在高速時也獲得良好的推進效率。
該方案的另一實施例中，使用類似的往復運動的鰭片，但在該特殊的設計 中，在大致鰭片樞軸和鰭片尾部之間的中間部分包括附加的三個關節鉸鏈。這 些關節鉸鏈用不鏽鋼製成，並以往復運動方式被驅動，並注意相對於鰭片樞軸 處提供的激勵的相位。該設計產生運動波，其起始於鰭片樞軸處，在關節鉸鏈 處幅值為x，然後進入鰭片尾部，在該處具有幅值y，其中y大於x。使用該設 計，重複上述操作模式，這是它們操作中的優點，但這裡通過關注樞轉信號和 關節鉸激勵驅動信號之間的相位，來改進推進效率，以便獲得運動的推進波。
在圖4a-c中示出第三推進的交通工具40。該交通工具類似於圖3a和3b所 示的交通工具，其也使用仿生鰭片雙推力矢量推進器系統。一對軸對稱鰭片41、 42安裝在環形船殼的船尾並與環形船殼共形(conformal)。兩鰭片相同，在 圖4c中示出一個鰭片42的截面圖。外船殼的表皮層終止在43處，但底層(其 具有一定程度的柔性)圍繞鰭片延伸，其中，底層包括諸如聚亞安酯那樣的彈 性體材料。鰭片包括結構框架，該框架包括在樞軸46處連接的近端板44和遠 端板45。 一對突脊47、 48沿著其長度路徑的遠端板部分的相對側配合。線49 的兩端附連到樞軸46，並穿過從動滑輪50。驅動該滑輪50致使近端板44圍 繞突脊47、 48轉動；而遠端板圍繞樞軸46轉動；如圖中虛線所示。通過往復運動滑輪50，鰭片42也往復運動。使用另兩個線(未示出)來控制上和下鰭 片尾部角，於是，可獨立地在各個推進器內操縱鰭片尾角，並且兩個推進器各 自獨立，這樣，使用本方法，正向或負向水翼艇翼的扭轉有效地施加在任何鰭 片末端上。該方法對交通工具提供了相當的靈敏性。
該推進器驅動機構的另一替代的實施例使用位於遠端板各側上的兩個電磁 鐵51、 52，它們通過將電流注入位於電磁鐵內的線圈而被激勵，於是，各個電 磁鐵內相位交替的這種信號引起近端板內的往復運動。控制裝置(未示出)控 制著電磁鐵的激勵，還控制著驅動滑輪50的電機的激勵，使遠端板有類似的 往復運動，但通過控制裝置小心地保持往復運動的近端板和遠端板的相對相 位，這樣，通過推進器得到行進的推進波。顯然，在此方案中也可採用其它的 變體，包括在近端板上採用稀土磁鐵或類似磁鐵，以及磁鐵和電磁鐵位置相反 的往復結構。
與環形船殼相結合的該仿生推進器的實施例的主要差別在於，多排的鰭片 可做成軸對稱，這可提高交通工具的推進效率。利用該設計可再次重複上述的 推進模式，例外之處是，通過鰭片尾角的非對稱驅動而引起交通工具滾動。諸 板可以是剛性的，或它們可以設計成彎曲的，只要彎曲能顧及到激勵信號相位 就可。通過激勵和相位調整地驅動近端板和遠端板以及鰭片尾角線，使一對往 復的軸對稱運動的推進波從各鰭片的底部傳遞到各鰭片尾部，這樣再次獲得有 效的推進作用。
如上所述，該種結合環形船殼的仿生推進器的設計在調節其推進效率方面 提供了很大的自由度。
應該明白到，與圖4a、 4b和4c所示的環形船殼相關的推進器數量可容易 地擴展到某個較大的數n，其中，在限制的情形中，各推進器融合在交通工具 尾部圓周的周圍以形成連續和共形、柔性、環形的仿生推進器。
這種以下描述共形、柔性、環形的仿生推進器的特定實施例。上述用於軸 對稱雙鰭片推進器交通工具的驅動組件圍繞環形後面重複，使n二lO，這樣， 遠端板和近端板容納在附連到交通工具環形後面的共形彈性聚亞安酯外套內。 對於尾角鰭片不包括附加線，因為當鰭片推進器完全演變為彈性和共形的環形 時，附加線變得冗餘。如上所述地驅動近端板和遠端板，這樣，從柔性環形的底部到其尾部激勵 出漸進和推進的、連續和軸對稱的運動波，以便沿著其船殼軸線向前驅動交通 工具。在此實施例中，控制顛簸和偏航變得不重要，因為有可能全圓周地控制 柔性環形，且能夠以獨立方式激勵近端板和遠端板。
在圖5a-c中示出滑翔器交通工具100。該交通工具的船殼具有如圖5a所示 的環形結構，並採納後掠形狀以使交通工具的曳力最小；減小釋放到尾流渦流 中的殘餘能量；並提供用於姿勢控制的新型機構。圖5b是交通工具左舷側視 圖，而5c示出了交通工具的平面圖，用虛線表示水翼艇輪廓的外形。外船殼 使用類似的結構，並容納各種傳感器、電池組、以及與圖l-4所示的交通工具 相同的壓力容器，但為了清晰起見它們都未予顯示。
船殼具有四個船首渦流101-104和四個船尾渦流105-108，它們圍繞船殼圓 周分開90度。
浮力發動機(未示出)容納在外船殼內並可循環地被驅動，以使交通工具 交替地下沉和上升。通過細心地調整Coffi和CofG的相對位置，交通工具可 在其下沉和上升時傾斜，於是，外船殼形狀產生升力而賦加向前運動的分量。 這能使交通工具IOO如浮力加載的滑翔器那樣運行，其可以單獨地使用或用於 自監控的船隊中，並可加以編程用來對海洋或海底或海岸的大的區域進行採 樣，無需當地支持團隊進行幹預。
在該特定實施例中，交通工具採用非常低能的結構，因為水力的曳力減到 最小，且無需提供連續的電動機推進器，因為其原動力可從浮力電動機中得到， 在每次下潛和上升循環中，所述浮力電動機僅改變其狀態兩次，於是，電能消 耗也減到最小。
但是，經典的海洋滑翔器修改其浮力和沿其船殼軸線調整質量的位置，本 特定的實施例保持質量固定，並通過沿著環(未示出)調整其浮力發動機來更 改其浮力和Coffi位置，所述環安置在交通工具環形船殼內並遵循船殼的後掠 形狀。當交通工具上移時，浮力發動機位於上船首鰭片101的附近，於是，Coffi 位於CofG前面，導致"鼻向上"的結構。浮力電動機在電機控制下圍繞船殼 朝向左舷或右舷的運動，將使交通工具圍繞其船殼軸線滾動並還將Coffi移動 到CofG後面，此時，交通工具將傾斜為"鼻向下"。然後，使浮力電動機產生負的浮力，且交通工具向下滑翔到海洋中。在一定的預定時間或達到預定深 度時，浮力發動機圍繞其環橫過來，且交通工具開始圍繞其船殼軸線轉動，在
船殼的轉動時Coffi在船殼軸線上方前移通過90。，此時，交通工具鼻向上傾 斜，浮力將變正且交通工具朝向海面滑翔。
交通工具還可包括通過下潛到深處和爬升到海面時從溫躍層中獲取能量的 一個或多個裝置，其中，在許多海洋中0和600m之間深度的溫度梯度可望達 到20。C或更高，其中，75X的海洋的溫度為4。C或更底，而海面溫度可超過 30°C或更高。
一個這種能量獲取裝置是如圖15a或15d所示的浮力控制系統900的一個 特定實施例，其中，對溫度敏感的相變材料(PCM) ， (i)容納在腔室(a) 內，該腔室形成螺旋形壓力容器的部分，且其中多個螺旋形鋁管(b)也位於 該腔室內。腔室壁也用鋁製成，並被包裹在諸如複合泡沫塑料或氯丁橡膠和與 玻璃纖維或碳纖維細絲結合的環氧樹脂那樣的絕熱複合結構層內。其中，這種 細絲螺旋地纏繞在腔室螺旋形周圍，且其中這樣的材料在內表面和外表面之間 保持低的熱傳導率。還包括兩個其它的絕熱螺旋形腔室(c) 、 (d)，其中， 這樣的腔室可以是單獨的螺旋管，或可以是前者螺旋管的一部分，其中，它的 結構可以分為三個或多個圍繞其螺旋軸線的部分。
腔室(a)與通向外部海水的埠接口，這樣，海水可進入該腔室的一部分， 所述腔室也包括熱傳導率低的柔性隔膜或活塞密封接口，以在腔室(a)和海 水之間保持絕熱的物理屏障。腔室(a)還與高壓氣體腔室(j)接口，高壓氣 體腔室(j)通過兩個被一定體積液體和另一閥門分離幵的柔性隔膜連接到海水 中。腔室(c)與兩個埠和兩個閥門(h)接口，這兩個閥門連接到腔室(a) 內的鋁管。螺旋形壓力容器還可包括可選的帶有柔性隔膜組件的低壓氣體腔室 (k)，以及通往外部液體的接口埠。腔室(d)還與兩個埠和兩個連接到 同樣鋁管的閥門(h)接口，並還可包括一系列的熱敏半導體(TES)珀耳帖效 應器件(e)，其中，這種器件的任一側對外部海水或內部流體保持低的熱阻 路徑。腔室(c)和(d)還包括通向海水的埠和閥門。
控制裝置(f)和一個或多個流體泵(g)用來根據交通工具的操作順序打 開和控制閥門和埠。當靠近水面時，腔室(c)被溫和的水填充或補充，而當下潛時，腔室(d)被冷海水填充或補充。控制裝置(f)也可用於激勵TES (e)器件，，以便在啟動交通工具過程中，當靠近海面操作時，使電勢差施 加到其半導體的兩個結上以降低腔室(d)內的流體溫度。或者，可使用簡單 的壓艙裝置來啟動交通工具的初次下潛循環。
當使用相變材料(i)的膨脹體積來接近液體表面以為幹氣體(1)加壓時， 控制裝置(f)就操作埠、閥門和泵，所述相變材料通過管子(b)和熱容器
(c) 和外部液體暴露於熱表面溫度下。在腔室(j)和氣體(1)加壓之後，其 閥門關閉，以儲存起該能量。使用靜止的負向浮力，或使用暫時的壓艙裝置， 或通過使用控制裝置(f)和容器腔室(d)或TES (e)或它們的組合將PCM
(i)暴露於低溫中，由此，使交通工具下沉。在優選的實施例中，容器(c)、
(d) 和管子(b)和泵輔助海水循環以便將由局部溫度梯度引起的低效率減到 最小。通過關閉PCM體積內的鋁管(b)的聯接，其造成PCM內從液體到固 體的相變並相應地減小體積，該體積減小增加交通工具的密度使它變得重於海 水而因此下沉，由此，有效地保持圍繞PCM生成的溫度下降。
當達到預定的深度時，控制裝置(f)操作埠、閥門和泵來釋放加壓的氣 體(1)，於是，移動和填充柔性薄膜並排出一定體積的外部液體，這樣，與外 部液體相比，交通工具的密度變為正，從而交通工具開始上升。在上升過程中， 控制裝置(f)操作埠、閥門和泵，通過管子(b)將暖和的海水從腔室(c) 傳送到腔室(a)內，再次使海水在這兩個腔室之間循環。圍繞PCM形成的溫 度上升導致從固體到液體的相變，相應的體積增加進一步降低交通工具的密 度，從而可加速其上升。
這種交通工具內可使用多種相變材料，例如，石蠟、脂肪酸或水合鹽，其 中，可選擇材料或各種材料的特定混合物，使指定溫躍層內遇到的溫度範圍內 發生其特定的相變，更為典型地是，固體和液體之間的材料相變發生在8"C和 16t:之間，但應選擇精確的範圍來匹配所期望的深度外形和局部海洋溫度。
本發明通過將相變材料集成在螺旋形壓力容器內來保證交替的浮力控制裝 置的優點，其中，組合了局部的幾何形和材料來提供一高效的裝置，其在通過 溫躍層的瞬態過程中調製交通工具的密度。
該能量獲取裝置的另一實施例從溫躍層中萃取附加的能量，以便提高運行效率和交通工具的壽命。在該替代的實施例中，當溫差保持在其相對的側面之
間時，位於腔室(d)的TES (e)和控制裝置(f)的組合可產生TES兩個半 導體結之間的電勢差，當然，這在連續的下潛和上升循環過程中可相繼地達到。 該電勢差引導到一系列超電容器，然後，通過某些高頻切換DC到DC的變換 器連接到交通工具的電池組，變換器將電能損失減到最小並達到超過90%的傳 送效率。該附加的能量獲取裝置還可進行更改，使TES佔據冷腔室(d)和暖 腔室(c)之間的屏障，如圖15a和15d所示。
相反，交通工具可容納許多交替浮力控制裝置之一，包括加壓氣體和儲槽 系統，或液壓泵，或電機驅動器和活塞閥系統，其中，儲存的能量用來從交通 工具內的規定體積中實際地排空海水。
該浮力控制系統的另一優點是可延展性，其中，螺旋形可演變為較大的直 徑，且其中螺旋形可如圖15d中所示地成組使用。該方案的另一實施例將如圖 15a所示的螺旋浮力控制裝置演變為如圖5b和15c所示的螺旋形。該方案保 持了螺旋形式和基本特徵，但線性地延伸了其容量，其用來在有效結構內提供 更大的排量，否則它在大的水下交通工具內會是很笨重並變得困難。
儘管上述實施例僅使用浮力作為其推進的動力源，但顯然可公開其它的實 施例，其增大具有如上述交通工具30、 40那樣仿生鰭片或圓周推進器裝置的 低能量交通工具。還有這裡所述的低能量交通工具可通過如上交通工具1所揭 示的推進槳葉和推進器裝置得到提高。
在低能量滑翔器交通工具的另一實施例中，可固定浮力發動機，相反，在 電動機控制之下圍繞壓力容器移動質量，以有效地前後移動CofG，並因此包 括向上顛簸或向下顛簸的姿勢。在另一實施例中，質量和浮力發動機均可圍繞 環移動。
交通工具也可通過用於其它交通工具的如上所述的太陽能電池得到提高， 於是，當接近海面時補充其儲藏的內部能量，因此延長其在海上執行任務的時 間。
顯然，交通工具還可修改而實施為變化尺寸的海洋滑翔器。環形結構在這 方面是有利的，並提供結構的彈性，於是該形式的交通工具可構造成跨度為 30m或60m或更大。圖6a和6b是類似於圖la和lb所示壓力容器的替代壓力容器150的立體 圖和側視圖。 一對相對大的螺旋形壓力容器151、 152通過軸向支撐153-156 彼此連接。 一對相對小的螺旋形壓力容器157、 158定位在大的壓力容器151、 152的前後，並通過軸向壓杆159-164連接。軸向壓杆本身可以是壓力容器， 於是，整個結構提供單一連續的容器，或者軸向壓杆可以是實心的結構件，在 此情形中，螺旋形形成四個分離的隔開的壓力容器。螺旋形能進行深潛而不需 過多的質量或成本。
圖7是慣性姿勢控制系統200的立體圖。 一環形支承框架201安裝在旋形 壓力容器之一內。該系統200顯示為"平"框架，適於配裝在對應的"平"的 螺旋形壓力容器內，例如，容器l、 30或40之一內。然而，該系統可適於通 過合適地調整框架200的形狀配裝在這裡所述的"後掠"容器結構之一內。
第一對質量塊202、 203通過垂直於船殼軸線的相應軸安裝在框架上。第二 對質量塊204、 205通過平行於船殼軸線的相應軸安裝在框架上。各質量塊可 通過相應的電動機(未示出)圍繞其對應軸線獨立地轉動。通過對質量塊202、 203加速，為交通工具施加相等而相對的角加速度，給予顛簸控制。通過對質 量塊204、 205加速，為交通工具施加相等而相對的角加速度，在圖7的結構 中給予滾動的控制。顛簸和滾動的組合提供了偏航的控制。
圖8示出作為第一交通工具1變體的交通工具210。該交通工具210等同於 交通工具l，但還包括聲納發送器211和傳感器212。在交通工具下方示出表 面213的立體圖。表面213平行於船殼軸線。該交通工具沿表面213旁邊的箭 頭V所示的船殼軸線方向平移。交通工具還圍繞如箭頭V所示的船殼軸線連 續地滾動。發送器211發射跟從螺旋形路徑的波束214並掃過橫貫表面的一系 列條帶215。接收器212具有跟從對應螺旋形路徑的探測軸線，並掃過橫貫表 面的一系列對應條帶。通過處理來自連續條帶的傳感器數據以獲得傳感器孔二 維的合成延伸部，由此控制裝置(未示出)提高傳感器212捕獲的圖像的有效 解析度。
替代交通工具(未示出)可採用類似的原理，其中發送器和傳感器定向成 使其波束平行於船殼軸線，且交通工具平行於與船殼軸線相交成一角度的表面
平移。在此情形中，波束掃過表面上的弧形路徑而不是一系列的條帶。由於沒有外部上層結構能使交通工具1如圖9a和9b所示地入塢。船塢具 有剖視圖中所示的圓柱形內壁230。船塢可形成為水線之下的船殼，或諸如港 口或離岸結構那樣的固定結構。通過沿著船殼軸線移動(如箭頭V所示)，直 到交通工具如圖9b所示地被包圍在船雞內為止，由此交通工具1移入船雞內。 隨著交通工具平移到船塢內而滾動該交通工具提供了附加的穩定性並能精確 地定位。交通工具可通過使其推進器槳葉反向來部署，以使它退出船塢。
圖9c示出感應式充電系統的部分。船雞內環形的主級線圈231感應地聯接 到交通工具內的環形的次級線圈232，以對交通工具電池充電。
在如圖IO所示的第二入塢結構中，船塢具有突出部分240，其被接納在管 道5內並抵靠在船殼內壁上以將其固定就位。
用於替代交通工具260的第三入塢結構顯示在圖11中，該替代交通工具260 的形狀類似於交通工具100。在此情形中，圓柱形的船塢被剖視圖中示出的中 空圓柱形的突出部分250所代替(儘管剖視圖中未示出交通工具260)。突出 部分250被接納在管道內並抵靠船殼的內壁以將其固定就位。在此情形中，交 通工具260是圖5b的"後掠翼"設計的拖曳變體，該交通工具260用繫繩261 附連到船首鰭片262上。管道內沒有上層結構(例如，推進槳葉或鰭片)，於 是突出部分250可完全通過管道。通過向下傾斜突出部分來部署交通工具，於 是，交通工具在重力作用下滑出該突出部分。可以與圖9c類似的方式使用感 應式充電系統。
圖12a、 12b和12c是第六交通工具600的前視圖、左舷側視圖和平面圖。 與圖5a-5c中所示交通工具相同的是，交通工具的船殼是相對於船殼軸線601 後掠的，但在此情形中，船殼具有承載船首鰭片602和船尾鰭片603的後掠的 前部；以及承載船首鰭片604和船尾鰭片605的後掠的背部。交通工具如滑翔 器那樣操作並承載有浮力發動機(未示出)和結構類似於圖7所示系統的慣性 姿勢控制系統(未示出)。因此，交通工具具有完全共形的外形，無論管道內 還是從交通工具外部突出都沒有上層結構。
圖13a和13b是交通工具700的前視圖和左舷側視圖。交通工具顯示為有 如圖1所示類型的推進器系統，有雙推力矢量推進器槳葉705、 706，圖13b 中可見其中一個罩殼708。交通工具通過繩索系帶系統而系縛在母船(未示出)上，該繩索基帶系統包括如圖17b所示的左舷系帶701以及在右舷側上相當位
置處附連到船殼的右舷系帶(未示出)。系帶組合而形成單一系帶繩索，其運 行過程中提供數據傳送以及曳拉載荷的傳送。交通工具具有附加的成對的推進
器裝置702、 703，它們固定地安裝成與外船殼的外表面齊平並提供顛簸控制。 示出傳感器704定位在交通工具的船尾。
圖14a和14b是交通工具800的前視圖和左舷側視圖。交通工具系縛在母 船(未示出)上，並由單一的系帶801拖曳，系帶801也可將數據傳送交通工 具和/或從交通工具傳出數據。系帶801較佳地通過樞軸(未示出)附連到船殼 上，但也可滿意地使用另一替代的繫船索方案。四個鰭片配裝在船殼的船尾處。 圖14b中示出上鰭片802、下鰭片803和左舷鰭片804，但右舷的鰭片隱蔽不 可見。四個鰭片中的每個鰭片可如對於鰭片802、 803的虛線所示那樣樞轉以 實線顛簸和偏航控制。交通工具800更加剛性且不如V翼那樣易鼓翼。因為產 生的拖曳力小且顛簸穩定性提高，所以，較之於V翼其更為有效，因糾正的顛 簸力矩較大。
上述交通工具可用於自控的無人操縱的水下勘探、成像、檢查、繪圖和海 洋科學的監視。在此情形中，被推進的交通工具的大小可以是500mm直徑和 600mm長，滑翔器類型可以是二至四倍之大。然而，基本的交通工具設計可 縮放比例，並可用於跨度尺寸為幾個釐米的非常小的交通工具到跨度尺寸為幾 十米的非常大的海洋交通工具。這些交通工具可容納各種傳感器結構，其包括 雷射器；地音探聽器；水中聽音器；低頻、中頻和高頻的聲納變換發射器；電 磁式傳感器、行掃描器以及二維的成像傳感器。交通工具還適於入塢，或泊 入管道內，或港口或車庫；或在液體床上降落或起飛的操作。
連續滾動產生的穩定性能使交通工具"盤旋"即，基本上保持無平移的 運動。這可與傳統的低速下失去穩定性的自控水下交通工具形成對比。在"盤 旋"模式中操作時，反饋系統可感測到交通工具接近到外部物體，並響應於感 測到的接近度來控制交通工具的位置，例如，根據需要產生小量的推力以將交 通工具保持在遠離物體的固定距離處。
這裡所述交通工具的替代的應用是散裝材料(諸如原油)的長距離散裝運 輸，其中船殼內部填裝了該種材料。在此種設計中，環形船殼長度可以是20米，而外直徑可以限制到10米。材料被包含在內部螺旋形壓力容器內，或外 船殼內，或它們兩者內。交通工具的尺寸和/或長寬比可以根據需要增加。例如， 大型交通工具需承載有效載荷的情形中，延伸的有效載荷部分可構造為螺旋形 艙庫，該艙庫配裝在沿交通工具軸線的某些點處。在該類型的應用中，在交通 工具與海洋流相交成某角度傾斜的情形中，由於海洋流產生的曳力和升力，交 通工具可離開航線而偏航到側邊。然而，通過圍繞其軸線連續地滾動交通工具， 可減小由海洋流形成的側向力。相反，產生馬格努斯力趨於驅動交通工具向上 或向下，但不到側邊。
該類型交通工具的另一替代的應用是交通工具下潛到充滿液體的管子內 (例如，公用事業的水管，或油管)，用於檢查、修理或其它的目的。在此情 形中，選擇直徑足夠小的交通工具以便能容納在管子內。
或者，在水下電纜敷設應用中，可指定大得多的交通工具，這樣，在外船 殼內可裝載長的電纜並從交通工具中展開。例如，這種交通工具可裝載敞開的 螺旋形裝載艙，沉重的水下拖曳的電纜巻繞在該儲存庫上，其中，這種裝載艙 可形成大型交通工具內的一個螺旋形的部分。因此，該交通工具的一個特定實
施例採用長度為5.6米外徑為4米的環形船殼。推進器系統如上所述用於較小 的交通工具，產生的旋轉連同軸向運動一起自控地部署和敷設水下電纜。
代替作為完全下潛的潛水交通工具進行操作，上述交通工具也可設計成作 為使用時交通工具僅部分地潛入水中的水面交通工具進行操作。在此情形中， 照相機和無線電傳感器固定在外環形蒙皮的頂部上，聲納傳感器定位在螺旋形 船殼的下部周圍。水面的交通工具具有與上述其它交通工具類似的結構和推進 器，並可使用後掠的或非後掠的螺旋形形式來實施。由環形船殼形式提供的顯 著優點在於
，當CofG和分布質量低的螺旋形形式提供了有效的破浪運動時，在水面上 或水面附近操作時有提高的穩定性，有效的破浪運動對於由波浪、風或海湧造 成的擾動有回彈力，遠甚於由傳統水面交通工具所獲得的效果。當由波浪、風 或海湧衝擊引起的未預見到的傳感器運動危及到監視或成像或繪圖等操作時， 這就特別地重要。此外，圖2a、 2b、 3a、 3b和4a-4c所示的雙推力矢量推進槳 葉的方案可允許調整交通工具頂表面和海面上方相關的傳感器高度。在上述每個交通工具的其它替代的實施例中，環形在兩視圖中可包括埠
或狹縫110、 111，以及兩側上的羽翼112、 113、 114。在圖5d所示的一個實 例中，羽翼可圍繞定位在形成交通工具結構的一部分的螺旋形杆部分上的鉸鏈 115、 116轉動，其中，在兩個或多個這種螺旋形杆部分的每個上可使用三個這 種羽翼，這些羽翼位於每個左舷和右舷的環形側上。儘管圖5d描述了狹縫和 羽翼被包含在環形內的特定實施例，但應該清楚，該原理也可應用於羽翼形成 環形前導和尾部邊緣的部分的相反結構(未示出)中。
根據交通工具明確的目標和當地主要的條件，使用相關的控制裝置來獨立 地驅動或釋放翼片。當釋放時，通過使流體能夠圍繞翼片有效地流動並流過環 形，翼片可減小橫向流的影響。通過控制裝置上翼片和下翼片可動態地進行調 整以有效地將正向或負向翼扭轉引入到圓形的任何或全部的四分點，這可調製 翼形的顛簸、滾動和偏航力矩，並因此可用來穩定交通工具或引起快速的顛簸 或偏航或滾動。在一實例中，位於密封封殼內的無電刷電機使用減速齒輪機構 來驅動各翼片，使得可在大約0.5秒內實現翼片在±90°運動之內的致動。顯然， 也可以類似方式使用中心的羽翼對。在另一實例中，羽翼可圍繞垂直於圓形表 面的軸轉動，所述軸近似地平分交通工具的CofG，交通工具中包括兩個這種 軸和相關的羽翼，且其中兩個軸的軸線對著90°角，且兩個軸的軸線排列成相 對於與交通工具軸線相一致的垂直平面成45° 。可再次釋放羽翼，或可驅動它
們而沿被聯接到羽翼兩個軸的軸線所定義的平面對著的任何方向移動流體。在 此實例中，羽翼和軸可直接通過關聯的無電刷的DC電機進行驅動，或間接地
使用機械減速齒輪機構來驅動。
當交通工具在連續滾動模式中操作時，這裡所述船殼外形的高度轉動對稱 性(沿船殼軸線觀看)給出諸多優點。然而，本發明還包括本發明的替代實施 例(未示出)，包括
沿船殼軸線觀看，外船殼的內和/或外壁不呈圓形的實施例。例如，
外船殼可具有多邊形環形形狀(正方形、六角形等) 管道被合適的分隔件分為兩個或多個單獨的管道的實施例 外船殼本身限定兩個或多個單獨管道的實施例 外船殼從層流水翼艇演變為不到360度角的繞船殼軸線的迴轉體的實施例。在此情形中，管道將部分地開有沿其長度走向的狹縫。使
所述角度大於180度，較佳地接近360度，船殼將基本上保持環形
以便以任何滾動角提供流體動力學的升力。 圖5a-d和12a-12c示出帶有浮力控制發動機的下潛滑翔器，但在另一替代 的實施例中，圖5a-5d或圖5a-5c所示的船殼外形可用於下潛的小型滑翔器， 例如用於遊泳池中的小型滑翔器。圖5d的滑翔器(不帶翼片)的外形在此應 用中是最佳的形式。
權利要求
1.一種潛水交通工具，該交通工具具有外船殼，該外船殼限定有船殼軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，該環形內部限定有兩端敞開的管道，從而當所述交通工具潛入液體中時，液體湧入所述管道內，所述交通工具還包括使所述交通工具圍繞所述管道滾動的裝置。
2. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，用來使所述交通工具圍繞所述管道滾動的所述裝置設置在所述管道內。
3. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，用來使所述 交通工具圍繞所述管道滾動的所述裝置包括推進器系統。
4. 如權利要求3所述的交通工具，其特徵在於，所述推進器系統具有關於 所述船殼軸線的旋轉對稱性。
5. 如權利要求3或4所述的交通工具，其特徵在於，所述推進器系統包括 一對或多對推進器裝置，每對裝置包括可樞轉地安裝在所述船殼軸線第一側上 的第一推進器裝置，以及與所述第一推進器裝置相對的可樞轉地安裝在所述船 殼軸線第二側上的第二推進器裝置。
6. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，用來使所述 交通工具圍繞所述管道滾動的所述裝置包括一個或多個控制表面。
7. 如權利要求6所述的交通工具，其特徵在於，用來使所述交通工具圍繞 所述管道滾動的所述裝置包括一對或多對控制表面，每對包括安裝在所述船殼 軸線第一側上的第一控制表面，以及與所述第一控制表面相對的安裝在所述船 殼軸線第二側上的第二控制表面。
8. 如權利要求6或7所述的交通工具，其特徵在於，每個控制表面包括鰭片。
9. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，用來使所述 交通工具圍繞所述管道滾動的所述裝置包括慣性控制系統，所述慣性控制系統 包括一個或多個質量塊，可對每個質量塊加速而對所述交通工具施加相等而相 反的加速度。
10. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，還包括浮力控制系統。
11. 一種潛水交通工具，所述交通工具具有外船殼，所述外船殼限定有船殼 軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，所述環形內部限 定有兩端敞開的管道，從而當所述交通工具潛入液體中時，液體湧入所述管道 內，所述交通工具還包括浮力控制系統。
12. 如權利要求10或11所述的交通工具，其特徵在於，所述浮力控制系統 具有關於所述船殼軸線的旋轉對稱性。
13. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，所述外船殼 的至少一部分相對於所述船殼軸線是後掠的。
14. 一種潛水交通工具，所述交通工具具有外船殼，所述外船殼限定有船殼 軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，所述環形內部限 定有兩端敞開的管道，從而當所述交通工具潛入液體中時，液體湧入所述管道 內，其中所述外船殼的至少一部分相對於所述船殼軸線是後掠的。
15. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，所述船殼具 有凸出的區域S和正交於所述船殼軸線的最大外直徑B，且其中比值B2/S小 於l。
16. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，所述船殼具 有凸出的區域S和垂直於所述船殼軸線的最大外直徑B，且其中所述比值B2/8 大於0.5。
17. —種潛水交通工具，所述交通工具具有外船殼，所述外船殼限定有船殼 軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，所述環形內部限 定有兩端敞開的管道，從而當所述交通工具潛入液體中時，液體湧入所述管道 內，其中所述船殼具有凸出的區域S和垂直於所述船殼軸線的最大外直徑B， 且其中所述比值B"S大於0.5。
18. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，當沿所述船 殼軸線截取的橫截面內觀察時，所述環形內部的形狀構造成至少部分呈弧形。
19. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，當沿所述船 殼軸線截取的橫截面內觀察時，所述環形內部和外部的形狀構造成提供水翼艇 的外形。
20. 如權利要求19所述的交通工具，其特徵在於，所述水翼艇外形在沿所 述船殼軸線的中間位置處具有相對寬的部分，而在所述中間位置的前後具有相 對窄的部分。
21. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，還包括容納 在所述外船殼內的一個或多個壓力容器。
22. 如權利要求21所述的交通工具，其特徵在於，當沿著所述船殼軸線觀 看時，所述壓力容器中至少一個呈大致環形。
23. 如權利要求21或22所述的交通工具，其特徵在於，包括沿所述船殼軸 線間隔開的兩個或多個壓力容器。
24. 如權利要求21、 22或23所述的交通工具，其特徵在於，所述壓力容器 和所述外船殼之間的內部空間在使用時被水湧入。
25. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，還包括至少 部分地容納在所述外船殼內的能源。
26. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，還包括一個 或多個傳感器。
27. 如權利要求26所述的交通工具，其特徵在於，所述傳感器中的至少一 個包括接近傳感器。
28. 如權利要求27所述的交通工具，其特徵在於，還包括推進器系統；以 及響應於從所述接近傳感器發出的信號調整所述推進器系統的反饋機構。
29. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，所述交通工 具具有位於所述管道內的重心，以及位於所述管道內的浮力中心。
30. 如上述權利要求中任何一項所述的交通工具，其特徵在於，所述交通工 具具有大致位於所述船殼軸線上的重心，以及大致位於所述船殼軸線上的浮力中心。
31. —種潛水交通工具，所述交通工具具有外船殼，所述外船殼限定有船 殼軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，所述環形內部 限定有兩端敞開的管道，從而當所述交通工具潛入液體中時，液體湧入所述管 道內；以及一雙推力矢量的推進器系統，所述推進器系統包括一對或多對推進 器裝置，每對裝置包括可樞轉地安裝在所述船殼軸線第一側上的第一推進器裝置，以及與所述第一推進器裝置相對的可樞轉地安裝在所述船殼軸線第二側上 的第二推進器裝置。
32. —種潛水交通工具，所述交通工具具有外船殼，所述外船殼限定有船殼 軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，所述環形內部限 定有兩端敞開的管道，從而當所述交通工具潛入液體中時，液體湧入所述管道 內。
33. —種操作如上述權利要求中任何一項所述交通工具的方法，所述方法包 括使所述交通工具潛入液體中，由此使液體湧入所述管道，使所述交通工具圍繞其船殼軸線滾動多圈。
34. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，還包括使所述交通工具圍繞 其軸線滾動時保持所述交通工具基本上沒有平移運動。
35. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，還包括將所述交通工具傾斜 成與液體流成一角度，同時使所述交通工具圍繞其軸線滾動，由此產生的馬格 努斯力。
36. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，還包括在所述交通工具有限 的轉動弧上啟動推進器系統。
37. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，所述交通工具包括傳感器， 所述方法還包括使所述交通工具在圍繞其軸線滾動的同時平移，並每圈一次以 上地從所述傳感器中獲取傳感器數據。
38. 如權利要求37所述的方法，其特徵在於，還包括處理來自連續轉動圈 數的所述傳感器數據，以獲得傳感器孔的二維合成範圍。
39. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，還包括感測所述交通工具與 外部物體的接近程度，並響應於所述探測到的接近程度來控制所述交通工具的 位置。
40. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，還包括從所述交通工具中布 置電纜。
41. 一種使用如權利要求1至32中任何一項所述的交通工具的方法，包括 將所述交通工具潛入到充滿液體的管道內，用於檢査、修理或其它目的。
42. —種使如權利要求1至32中任何一項所述的交通工具入塢的方法，所述方法包括將所述交通工具插入到大致圓柱形的船塢內。
43. —種使如權利要求1至32中任何一項所述的交通工具入塢的方法，所 述方法包括將船塢的突出部分插入到所述管道中。
44. 一種部署如權利要求1至32中任何一項所述的交通工具的方法，所述 方法包括從大致圓柱形的船均中部署所述交通工具。
45. —種部署如權利要求1至32中任何一項所述的交通工具的方法，所述 方法包括從被接納在所述管道內的船塢突出部分中部署所述交通工具。
46. —種用於潛水交通工具的推進器系統，所述推進器系統包括容納在柔性 的大致環形的外套內的兩個或兩個以上軸對稱的驅動組件。
47. —種操作具有兩個或兩個以上軸對稱安裝的驅動組件的潛水交通工具 的方法，所述方法包括軸對稱地往復移動所述驅動組件，以推進所述交通工具 通過液體。
48. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，所述驅動組件是鰭片。
49. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，所述驅動組件容納在柔性的 大致環形的外套內。
50. —種潛水小型滑翔器，所述滑翔器具有外船殼，所述外船殼限定有船殼 軸線，當沿著船殼軸線觀看時，所述船殼基本上呈環形，所述環形內部限定有 兩端敞開的管道，從而當所述小型滑翔器潛入液體中時，液體湧入所述管道內。
51. 如權利要求50所述的小型滑翔器，其特徵在於，所述船殼具有凸出的 區域S和垂直於所述船殼軸線的最大外直徑B，其中，比值B々S大於0.5。
52. 如權利要求50或51所述的小型滑翔器，其特徵在於，所述外船殼的至 少一部分相對於所述船殼軸線是後掠的。
全文摘要
一種潛水交通工具，其具有外船殼，該外船殼限定有船殼軸線，當沿著所述船殼軸線觀看時，船殼基本上呈環形，該環形內部限定有兩端敞開的管道，從而當交通工具潛入液體中時，液體湧入管道內。交通工具還包括使交通工具圍繞船殼軸線滾動的裝置。可設置浮力控制系統，而外船殼可相對於船殼軸線後掠。還描述了部署和使用所述交通工具的各種方法。
文檔編號B63H5/14GK101291845SQ200680038788
公開日2008年10月22日 申請日期2006年10月19日 優先權日2005年10月19日
發明者H·G·D·高斯林 申請人:移動科學有限公司