水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置的製作方法

2023-07-31 13:52:21

專利名稱：水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種控制的執行裝置，尤其是一種水下運載器升沉和姿態控 制的執行裝置，屬於船舶海洋工程技術領域中的水下居住或作業設備。
背景技術：
對於在海洋中潛行的水下運載器，必須準確控制其自身的升沉和運行姿態， 不但要控制自身的俯仰傾角，以掌握正確的傾斜姿態，還要準確控制自身的左右 前進方向，以保證到達正確的目的地。同時，還要隨時調整自身的橫滾姿態，以 免破壞運載器內部動力系統的正常工作條件，並保證前進方向的控制能夠準確有 效地執行。當運載器本身的重心位置因為內部流體的宏觀流動而沿運載器軸向前 後移動時，應當與運載器俯仰姿態控制的需求相配合，而不應當相悖相抵。
在現有技術中，申請號為200410025677.7、名稱為"持續淺水型無人潛水 器"的發明專利，給出了一種持續淺水型無人潛水器，其姿態控制和調整，由水 平尾翼和垂直尾翼的協同動作來實現，對於機身環繞軸線的滾動不能加以阻止和 糾正。申請號為200420109950. X、名稱為"利用海洋溫差能驅動烷烴發動機的 滑翔式潛水器"的實用新型專利，是利用海洋溫差能驅動垸烴發動機的滑翔式 潛水器，其姿態控制和調整，由水平尾翼、垂直尾翼和水平機翼來實現，水平機 翼的流體力學阻力過大，明顯消耗了潛水器本體的能量；該潛水器對於機身環繞 軸線的滾動也無法控制和調整；同時，其工作流體缸安置在潛水器的中前部，工 作氣體缸安置在潛水器的中部，內膽安置在潛水器的後部，外膽安置在潛水器的 後部，這樣的位置布置，使潛水器在內部流體流動時，重心位置變化所引起的姿 態仰俯角與潛水器升沉的需要恰好相悖，為潛水器的姿態控制帶來了額外的負擔 和困難。
實用新型內容
為了克服現有技術的不足，本實用新型提供一種水下運載器升沉和姿態控制 的執行裝置，它不但能夠有效控制運載器的橫滾動作而保證運載器內部的正常工作條件和必要的運行方向控制前提，又能夠保證運載器以正確的水平方向和垂直 方向在水中的遊弋。
本實用新型的技術方案本實用新型包括烷烴發動機，水平尾翼，垂直尾翼、 橫滾調節器和運載器外殼。其中，烷烴發動機由海洋溫差能驅動，包括工作流體 缸，工作氣體缸，內膽，外膽，工作流體活塞，傳遞流體活塞，第一截止閥，第 二截止閥，工作流體腔，工作氣體腔，三通閥；橫滾調節器由驅動機構和偏心輪 組成。
垸烴發動機的工作流體缸、工作氣體缸和內膽分別安置在運載器外殼內的後 部、中部和前部，外膽安裝在運載器外殼外後部的底下位置。工作流體活塞和傳 遞流體活塞分別置於工作流體缸和工作氣體缸內。在工作流體缸內工作流體活塞 上面的部分是工作流體腔，在工作氣體缸內傳遞流體活塞上面的部分是工作氣體 腔。工作流體缸底部通過第二截止閥分別與工作氣體缸的底部和三通閥的A端連 接，工作流體缸底部還通過第一截止閥與內膽頂部相連。內膽底部與三通閥的B 端相連，外膽與三通閥的C端相連。垂直尾翼安置在運載器外殼的尾部上方；左 右各一個水平尾翼分別安置在運載器外殼後半部的兩側。水平尾翼與傳遞流體活 塞聯動。
工作流體腔內充滿工作流體。工作氣體腔內充滿了氬氣，並使氬氣的壓力比 運載器運行區域內海水的最高壓力高。工作流體缸中工作流體活塞以下的部分、 工作氣體缸中傳遞流體活塞以下的部分、內膽和外膽內均充滿了傳遞流體。當垸 烴發動機工作時，工作流體作固、液兩相變換。
當運載器在溫水層中運行時，水溫較高，工作流體吸熱、熔化、體積膨脹、 向下推動工作流體活塞，將工作流體活塞下面的傳遞流體經第二截止閥流入工作 氣體缸的下部，並抬高傳遞流體活塞，擠壓工作氣體腔內的氣體。當運載器將下 降進入冷水層時，應採取向下的俯角。控制三通閥的B端與C端連通，使外膽中 的傳遞流體流入內膽，外膽基本排空，工作流體缸也基本排空，工作流體大量進 入了工作氣體缸的下部。此時，不但運載器總體容積減小，浮力也減小，運載器 下沉，而且運載器的重心前移，自動形成前傾的姿勢，與傳遞流體活塞聯動的水 平尾翼向斜下方傾角而使運載器向前下方滑行，運載器進入冷水層。
當運載器在冷水層中運行時，水溫較低，工作流體放熱、開始凝固、並收縮體積，使工作流體活塞上抬，內膽內的傳遞流體經第一截止閥進入工作流體缸的 下部，工作氣體缸下部的傳遞流體基本排空。當運載器將上升進入溫水層時，應 當採取向上的仰角。控制三通閥的A端與C端相通，工作氣體缸下部的傳遞流體 流入外膽，使外膽體積膨脹，不但運載器總體容積增大，運載器浮力增大，獲得 向上的升力，而且運載器的重心後移，自動形成後仰的姿態，與傳遞流體活塞聯 動的水平尾翼向斜上方向仰起，使運載器向斜上方滑行，運載器進入溫水層。如 此周而復始，運載器持續以"之"字型向前滑行。運載器的烷烴發動機也完成了 一個熱力循環。
本實用新型的有益效果本實用新型不但能夠有效控制運載器的橫滾動作而 保證運載器內部的正常工作條件和必要的運行方向控制前提，又能夠保證運載器 以正確的水平方向和垂直方向在水中的遊弋。它使水下運載器本身重心位置的移 動能夠主動、合理地配合俯仰姿態的控制和調整。該裝置取消了水平機翼，大幅 度降低了水中運行的阻力，以明顯提高運載器的續航能力和運行效率，在科學研 究、海洋建設中都具有積極的意義並將帶來巨大的便利，在我國的海洋發展戰略 中可望取得顯著的社會效益。

圖1是本實用新型控制執行裝置的結構原理圖。
圖2是本實用控制執行裝置中的橫滾調節器的結構原理圖。
圖中，1、工作流體缸，2、工作氣體缸，3、內膽，4、外膽，5、工作流體
活塞，6、傳遞流體活塞，7、運載器外殼，8、第一截止閥，9、第二截止閥，10、
工作流體腔，11、水平尾翼，12、工作氣體腔，13、垂直尾翼，14、三通閥，15、
橫滾調節器，16、驅動機構，17、偏心輪。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施做進一步的描述。
如圖l、圖2所示，本實用新型包括烷烴發動機、水平尾翼ll、垂直尾翼
13、橫滾調節器15和運載器外殼7。其中，垸烴發動機由海洋溫差能驅動，包 括工作流體缸l，工作氣體缸2，內膽3，外膽4，工作流體活塞5，傳遞流體活 塞6，第一截止閥8，第二截止閥9,工作流體腔10，工作氣體腔12和三通閥 14;橫滾調節器15由驅動機構16和偏心輪17組成。運載器外殼7是一流線形的中空殼體。工作流體缸1安置在運載器外殼7內 的後部，工作氣體缸2安置在運載器外殼7內的中部，內膽3安置在運載器外殼 7內的前部，外膽4安置在運載器外殼7後底部的外面。工作流體活塞5置於工 作流體缸1內，傳遞流體活塞6置於工作氣體缸2內。在工作流體缸1內，工作 流體活塞5上面的部分是工作流體腔10，在工作氣體缸2內傳遞流體活塞6上 面的部分是工作氣體腔12。工作流體缸1底部通過第二截止閥9後分別與工作 氣體缸2的底部和三通閥14的A端連接，工作流體缸1底部還通過第一截止閥 8與內膽3頂部相連。內膽3底部與三通閥14的B端相連，外膽4與三通閥14 的C端相連。垂直尾翼13安置在運載器外殼7的尾部上方；左右各一個水平尾 翼11安置在運載器外殼7後半部的兩側。水平尾翼11與傳遞流體活塞6聯動。
工作流體腔10內充滿垸烴類化合物。對不同的海域，溫躍層以上海水層的 溫度是不同的。當海水溫度較低時，採用熔點為l(TC正十五烷或者熔點為16.7 "C正十六烷。當運載器運行海域的海水溫度較高時，可以採用熔點為21.7'C正 十七垸作為工作流體。工作氣體腔12內充滿了氬氣，並使氬氣的壓力比運載器 運行區域內海水的最高壓力高。工作流體缸1中工作流體活塞5以下的部分、工 作氣體缸2中傳遞流體活塞6以下的部分、內膽3和外膽4內均充滿了傳遞流體。 傳遞流體採用烙點為-12'C的正十二垸。當烷烴發動機工作時，工作流體作固、 液兩相變換。
當運載器在溫水層中運行時，水溫較高，工作流體吸熱、熔化、體積膨脹， 向下推動工作流體活塞5，將工作流體活塞5下面的傳遞流體經第二截止閥9流 入工作氣體缸2的下部，並抬高傳遞流體活塞6，擠壓工作氣體腔12內的氣體。 當運載器將下降進入冷水層時，應採取向下的俯角。控制三通閥14的B端與C 端連通，使外膽4中的傳遞流體流入內膽3，外膽4基本排空，工作流體缸1也 基本排空，工作流體大量進入了工作氣體缸2的下部。此時，不但運載器總體容 積減小，浮力也減小，運載器下沉，而且運載器的重心前移，自動形成前傾的姿 勢，與傳遞流體活塞6聯動的水平尾翼11向斜下方傾角而使運載器向前下方滑 行，運載器進入冷水層。
當運載器在冷水層中運行時，水溫較低，工作流體放熱、開始凝固、並收縮 體積，使工作流體活塞5上抬，內膽3內的傳遞流體經第一截止閥8進入工作流體缸1的下部，工作氣體缸2下部的傳遞流體基本排空。當運載器將上升進入溫 水層時，應當採取向上的仰角。控制三通闊14的A端與C端相通，工作氣體缸 2下部的傳遞流體流入外膽4，使外膽4體積膨脹，不但運載器總體容積增大， 運載器浮力增大，獲得向上的升力，而且運載器的重心後移，自動形成後仰的姿 態，與傳遞流體活塞6聯動的水平尾翼11向斜上方向仰起，使運載器向斜上方 滑行，運載器進入溫水層。如此周而復始，運載器持續以"之"字型向前滑行。 運載器的烷烴發動機也完成了一個熱力循環。
運載器中部的橫滾調節器15的運動部件是驅動機構16和偏心輪17。驅動機 構16能保證偏心輪17以準確的速度和方位進行旋轉並固定，使運載器的徑向重 心位置達到正確控制的要求，以滿足橫滾動作的準確完成和姿態的準確控制。當 運載器向左橫滾時，驅動機構16帶動偏心輪17向右轉，使得運載器恢復到水平 狀態繼續前進。當運載器向右橫滾時，驅動機構16帶動偏心輪17向左轉，使得 運載器恢復到水平狀態繼續前進。
權利要求1. 一種水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置，包括烷烴發動機、水平尾翼(11)、垂直尾翼(13)、橫滾調節器(15)和運載器外殼(7)五部分，其中，烷烴發動機由海洋溫差能驅動，包括工作流體缸(1)，工作氣體缸(2)，內膽(3)，外膽(4)，工作流體活塞(5)，傳遞流體活塞(6)，A截止閥(8)，B截止閥(9)，工作流體腔(10)，工作氣體腔(12)和三通閥(14)；橫滾調節器(15)由驅動機構(16)和偏心輪(17)組成；其特徵在於運載器外殼(7)是一流線形中空殼體，工作流體缸(1)安置在運載器外殼(7)內的後部，工作氣體缸(2)安置在運載器外殼(7)內的中部，內膽(3)安置在運載器外殼(7)內的前部，外膽(4)安置在運載器外殼(7)後底部的外面；工作流體活塞(5)置於工作流體缸(1)內，傳遞流體活塞(6)置於工作氣體缸(2)內；在工作流體缸(1)內，工作流體活塞(5)上面的部分是工作流體腔(10)，在工作氣體缸(2)內傳遞流體活塞(6)上面的部分是工作氣體腔(12)；工作流體缸(1)底部通過第二截止閥(9)後分別與工作氣體缸(2)的底部和三通閥(14)的A端連接，工作流體缸(1)底部還通過第一截止閥(8)與內膽(3)頂部相連；內膽(3)底部與三通閥(14)的B端相連，外膽(4)與三通閥(14)的C端相連；垂直尾翼(13)安置在運載器外殼(7)的尾部上方；左右各一個水平尾翼(11)安置在運載器外殼(7)前半部的兩側；水平尾翼(11)與傳遞流體活塞(6)聯動。
2. 根據權利要求1所述的水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置，其特徵 是所述的工作流體腔(10)內充滿熔點為l(TC正十五烷或熔點為16.7'C正十六 烷或熔點為21. 7'C正十七垸的烷烴類化合物。
3. 根據權利要求1所述的水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置，其特徵 是所述的工作氣體腔(12)內充滿了氬氣。
4. 根據權利要求1所述的水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置，其特徵 是所述的工作流體缸(1)中工作流體活塞(5)以下的部分、工作氣體缸(2) 中傳遞流體活塞(6)以下的部分、內膽(3)和外膽(4)內均充滿了熔點為-12 'C的正十二烷作為傳遞流體。
專利摘要水下運載器升沉和姿態控制的執行裝置屬於船舶海洋工程技術領域中的水下居住或作業設備。包括烷烴發動機，水平尾翼，垂直尾翼、橫滾調節器和運載器外殼。當運載器在溫水層中運行時，工作流體吸熱、熔化、體積膨脹，通過工作流體活塞使外膽中的傳遞流體流入內膽，運載器容積減小，浮力減小而下沉，重心前移，前傾進入冷水層時，工作流體放熱、凝固、體積收縮，通過工作流體活塞使內膽中的傳遞流體流入外膽，運載器容積增大，浮力增大而上升，重心後移，後仰進入溫水層，如此周而復始，潛水器持續以「之」字型向前滑行；橫滾調節器進行橫滾控制而保證運載器以正確的水平方向和垂直方向在水中的遊弋，可望在我國的海洋發展戰略中獲得顯著社會效益。
文檔編號B63G8/00GK201313626SQ20082015785
公開日2009年9月23日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者劉曉偉, 夏冬鶯, 捷 馬 申請人:上海交通大學