一種三螺旋槳主動矢量推進的方法
2023-05-09 19:52:26
專利名稱：一種三螺旋槳主動矢量推進的方法
技術領域：
本發明涉及一種水下航行器的推進方法，尤其是--- 種三螺旋槳主動矢量推 進方法。
背景技術：
目前，比較成熟的國內外研製的水下航行器的推進方式， 一般都是採用多 個螺旋槳進行協同控制，獲得載體的操控力和操控力矩，實現水下航行器諸如 前進、後退、轉彎等機動動作。若期望水下航行器實現上浮、下潛、俯仰等機 動動作，則需要增加操控舵或者螺旋槳推進裝置。而過多地配置螺旋槳推進器 或引入操控舵，在提高載體航行機動能力的同時，將增加航行阻力。而且有的 航行器的螺旋槳不使用時可能成為航行的阻力乃至障礙，從而使系統的複雜性 大大提高而整體的可靠性卻大為降低。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術存在的不足，提供一種三螺旋 槳主動矢量推進的方法，使用該方法可使水下航行器不僅可以前進、後退、轉 彎，還可以上浮、下潛、俯仰，動作自如而不需要增加操控舵。
本發明的技術解決方案是，所述這種三螺旋槳主動矢量推進的方法，是利 用三個螺旋槳多方位的主動矢量推進力的有機配合來替代操控舵的功能以實現 水下航行器的各種機動動作。即是遵循下述步驟
1、 在水下航行器載體l上，安裝包括如圖l所示的第一螺旋槳主動矢量推
進器2、第二螺旋槳主動矢量推進器3和第三螺旋槳主動矢量推進器4在內的三 套螺旋槳主動矢量推進器，其中所述第一螺旋槳主動矢量推進器2與第二螺旋 槳主動矢量推進器3左右對稱地分別安裝在所述水下航行器載體1的兩翼，所 述第三螺旋槳主動矢量推進器4安裝在所述水下航行器載體1的機尾。所述該 三套螺旋槳主動矢量推進器的螺旋槳7，參見圖2，皆朝向機尾方向；
2、 通過對上述三套螺旋槳主動矢量推進器的協同操控來實現水下航行器的 前進、後退、轉彎、上浮、下潛、偏航(參見圖3。)、俯仰(參見圖4。)、 水下懸浮(參見圖5。)、側向平移(參見圖6。)、可控橫滾(參見圖7。) 等各種機動動作。本發明的一種三螺旋槳主動矢量推進方法，參見圖1 2，如上述系利用安 裝在水下航行器載體1上的三套螺旋槳主動矢量推進裝置的多個螺旋槳多方位 的:fe動矢量推進力的有機配合，來替代操控舵的功能以實現水下航行器的各種 機動動作。設所採用的螺旋槳7的旋轉方向均為右旋，並定義其產生推進力指
向動力源5的旋轉方向為正向。以載體幾何中心為原點o，過。點沿載體前進方
向為^軸，過o點且豎直向上為z軸，通過右手定則確定^軸，建立直角坐標系
"""。將第-螺旋槳主動矢量推進器2和第二螺旋槳主動矢量推進器3對稱地安 裝在水下航行器載體1前部兩側機翼上，使螺旋槳7的支撐軸6在伸直的情況 下與^方向平行，螺旋槳7朝向機尾安裝。第三螺旋槳主動矢量推進器4安裝 在水下航行器載體1尾部中間位置，使其支撐軸6在伸直的情況下與^方向平 行，且與前兩套推進器處於同一高度，螺旋槳7亦朝向機尾方向。此時若操控 螺旋槳7正向或者反向旋轉，則產生與^方向相同或者相反的推進力，完成水
F航行器前進或後退的機動動作。
本發明使用的上述螺旋槳主動矢量推進器裝置，參見圖2，之所以能夠使水
卜航行器勝任上述各種機動動作，是因為其螺旋槳7在動力源5的驅動下可以 繞其支撐軸6在空間範圍內偏擺。在螺旋槳偏擺到空間某一姿態後，還可以保 持該姿態下繞自身軸線旋轉，從而產生大小和空間方向均可以變化的矢量推進 力，完成多個螺旋槳協同配合的功能。將至少三套這種螺旋槳主動矢量推進裝 賞安裝在水下航行器上，其中兩套左右對稱地安裝在其兩側機翼靠前處， 一套 安裝在其尾部縱向對稱面處，通過控制該三套螺旋槳主動矢量推進裝置的協同 推進，完成水下航行器載體的上述各種複雜的機動動作，從而滿足水下複雜環 境對水下航行器的機動航行能力的要求。
本發明使用時，參見圖3，欲實現水下航行器向左偏航，保持第一螺旋槳主 動矢量推進器2和第二螺旋槳主動矢量推進器3的支撐軸6與^方向相同，操 控第三螺旋槳主動矢量推進器4的支撐軸6在^^平面內向^軸正向偏轉，同時 操控螺旋槳7旋轉，即可產生沿M軸的正向偏航力矩。此外，還可以操控第三 螺旋槳矢量推進器4的支撐軸6在^^平面內向^軸正向偏轉，操控第一螺旋槳 主動矢量推進器2和第二螺旋槳主動矢量推進器推進器3的支撐軸6同時在^W 平面內向炒軸負向偏轉，產生更大的偏航力矩，完成向左的迅速偏航；欲實現 水下航行器向右偏航，則操控支撐軸6在^^平面內向^軸負向偏轉；而欲實現水下航行器原地轉彎，只需將第一螺旋槳主動矢量推進器2的偏轉方向與第二 螺旋槳主動矢量推進器3的偏轉方向反相操控，同時反相調整螺旋槳7的旋轉 方向，使其產生反向拉力即可。
參見圖4，欲實現水下航行器下潛，可保持第一螺旋槳主動矢量推進器2和 第二螺旋槳主動矢量推進器3的支撐軸6與^方向相同，然後操控第三螺旋槳 主動矢量推進器4的支撐軸6在^z平面內向^軸負向偏轉。同時操控螺旋槳7
旋轉，即可以產生沿^軸正向的俯仰力矩。此外，還可操控第一螺旋槳矢量推 進器2和第二螺旋槳矢量推進器3的支撐軸6同時在"。z平面內向oz軸正向偏轉， 操控第三螺旋槳主動矢量推進器4的支撐軸6在加z平面內向oz軸負向偏轉，產 生更大的俯仰力矩，完成迅速下潛之機動動作；而欲實現水下航行器上浮，只 需反相操控所有支撐軸6的偏轉方向即可。
參見圖5，欲實現水下航行器水下某一深度懸停時，可同時操控三套螺旋槳 t:動矢量推進器的支撐軸6在"z平面內向w軸的負向偏轉，即可使得螺旋槳7 l':i身的軸線與^平行，然後操控螺旋槳7在該姿態下旋轉，產生向上的推力， 即可克服水下航行器自身重力與浮力的差值，實現懸停。此外，還可以同時操 控三套螺旋槳主動矢量推進器的支撐軸6在^7平面內向^軸的正向偏轉，從而 使得螺旋槳7自身的軸線與。z反向平行，然後操控螺旋槳7在該姿態下反向旋 轉，產生向上的拉力，即可克服水下航行器自身重力與浮力差，實現懸停。由 此而來，在此種狀態下，如不同轉速分別操控三套螺旋槳主動矢量推進器的螺 旋槳7，亦可實現水下航行器的水下垂直升降。
參見圖6，欲實現水下航行器水下向左側向平移時，可同時操控三套螺旋槳 ]:《動矢量推進器的支撐軸6在，平面內向^軸的負向偏轉至螺旋槳7的軸線與 "、'、H亍，然後操控三套螺旋槳主動矢量推進器的支撐軸6在戶z平面內向oz軸負 向偏轉一定角度，操控螺旋槳7產生在，z平面內與W軸正向成一定夾角的推進 力，該推進力一方面克服水下航行器自身重力與浮力差，另一方面推動水下航 行器向左即^正向移動；當欲實現水下航行器水下向右側向平移時，操控方法 類似，只是三套螺旋槳主動矢量推進器的支撐軸6在"，平面內的偏轉方向相反， 其它的偏轉方向相同。
參見圖7，欲實現水下航行器於行進中繞^軸正向橫滾時，此時可操控第一 螺旋槳主動矢量推進器2在^z平面內後向^軸負向偏轉，同時操控二螺旋槳主動矢量推進器3在切Z平面內向M軸正向偏轉。保持第三螺旋槳主動矢量推進器 4的支撐軸6的軸線與^軸正向重合。操控三套螺旋槳主動矢量推進器中的螺旋
槳7正向旋轉，則第一螺旋槳主動矢量推進器2和第二螺旋槳主動矢量推進器3 產生的推力將給水下航行器提供一個繞"軸正向的橫滾力偶，使其產生橫滾運 動，而第三螺旋槳主動矢量推進器4則提供水下航行器前進的推力。
本發明的有益效果是本發明的方法與現有的螺旋槳協同推進方法相比較，
大大簡化了水下航行器的推進系統，具有很強的可移植性和實用性。其優點在
於
(1 )、螺旋槳推進器的採用數目可以少至三個即可實現水下航行器的各種 常規機動動作，大大降低了成本；
(2) 、使目前水下航行器幾乎無法完成的機動動作如水下懸停、側向平移、 可控橫滾等得以完成；
(3) 、無需配置操控舵或鰭，使水下航行器結構簡單、外形流暢而使得流 體阻力大為減小。
圖1是本發明實施於水下航行器載體的使用狀態參考圖2是螺旋槳主動矢量推進器的結構示意圖3是實施本發明的方法實現偏航動作時的使用狀態參考圖4是實施本發明的方法實現俯仰動作時的使用狀態參考圖5是實施本發明的方法實現水下懸浮動作時的使用狀態參考圖6是實施本發明的方法實現側向平移動作時的使用狀態參考圖7是實施本發明的方法實現可控橫滾動作時的使用狀態參考圖。
以上圖1 7中的標示為
1— -水下航行器載體，
2— 第一螺旋槳主動矢量推進器，
3— 第二螺旋槳主動矢量推進器，
4— 第三螺旋槳主動矢量推進器，
5— 動力源，
6— 支撐軸，7—螺旋槳。
具體實施例方式
參見圖1 2，本實施例中，本發明的三螺旋槳主動矢量推進方法所用安裝 在水卜航行器載體1上的第一螺旋槳主動矢量推進器2、第二螺旋槳主動矢量推 進器3和第三螺旋槳主動矢量推進器4三套螺旋槳主動矢量推進裝置均採用自 主研發的型號為LT-310型螺旋槳主動矢量推進器，該推進器的螺旋槳採用市售 LS-511型螺旋槳。設上述螺旋槳主動矢量推進器之螺旋槳7的旋轉方向均為右 旋，並定義其產生推進力指向動力源5的旋轉方向為正向。以水下航行器載體l 的兒何中心設為原點o，過o點沿載體前進方向為^軸，過o點且豎直向上為z軸， 通過右手定則確定^軸，建立直角坐標系^w。將第一螺旋槳主動矢量推進器2 和第二螺旋槳主動矢量推進器3對稱地安裝在水下航行器載體1前部兩側機翼 上，使螺旋槳7的支撐軸6在伸直的情況下與m方向平行，螺旋槳7朝向機尾 安裝。第三螺旋槳主動矢量推進器4安裝在水下航行器載體1尾部中間位置， 使其支撐軸6在伸直的情況下與^方向平行，且與前兩套推進器處於同一高度， 螺旋槳7亦朝向機尾方向。
J:述結構的本發明的這種三螺旋槳主動矢量推進的方法經在多處試驗，被 證明效果良好，完全達到設計要求。
權利要求
1、一種三螺旋槳主動矢量推進的方法，該方法為下述步驟(1)、在水下航行器載體(1)上，安裝包括第一螺旋槳主動矢量推進器(2)、第二螺旋槳主動矢量推進器(3)和第三螺旋槳主動矢量推進器(4)在內的三套螺旋槳主動矢量推進器，其中所述第一螺旋槳主動矢量推進器(2)與第二螺旋槳主動矢量推進器(3)左右對稱地分別安裝在所述水下航行器載體(1)的兩翼，所述第三螺旋槳主動矢量推進器(4)安裝在所述水下航行器載體(1)的機尾，所述該三套螺旋槳主動矢量推進器的螺旋槳(7)皆朝向機尾方向；(2)、通過對上述三套螺旋槳主動矢量推進器的操控來實現水下航行器的前進、後退、轉彎、上浮、下潛、偏航、俯仰、水下懸浮、側向平移、可控橫滾。
全文摘要
本發明的一種三螺旋槳主動矢量推進的方法為下述步驟(1)在水下航行器載體(1)上，安裝三套螺旋槳主動矢量推進器。其中第一螺旋槳主動矢量推進器(2)與第二螺旋槳主動矢量推進器(3)左右對稱地安裝在水下航行器載體(1)的兩翼。第三螺旋槳主動矢量推進器(4)安裝在水下航行器載體(1)的機尾。(2)通過對上述三套螺旋槳主動矢量推進器的操控實現水下航行器的前進、後退、轉彎、上浮、下潛、偏航、俯仰、水下懸浮、側向平移、可控橫滾。本發明大大簡化了水下航行器的推進系統，具有很強的可移植性和實用性。且結構簡單、外形流暢、降低了成本。
文檔編號B63G8/00GK101596931SQ20091004376
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者湘 張, 徐小軍, 徐海軍, 易聲耀, 潘存雲 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學