glider

第29卷专辑固体力学学报

2008年12月CHINESEJOURNALOFSOLIDMECHANICSDecember2008

*海军工程大学科研基金项目(HGDJJ06005)资助.

**通讯作者.Tel:7,E-mail:wangchong1020g@.

水下滑翔机原理样机设计与分析*

王冲**张志宏顾建农刘巨斌

(海军工程大学理学院，武汉，430033)

摘要水下滑翔机是一种新型水下航行载体，具有噪声低、航行距离远、续航时间长、成本低等特点。介

绍了水下滑翔机原理样机的外形特征和内部整体结构布局以及控制电路设计，分析了水下滑翔机原理样机的驱动

机理和运动实现；利用CFX软件，计算得到了升阻力系数随攻角变化关系。

关键词水下滑翔机，原理样机，内部结构设计，数值计算

0引言

水下滑翔机[1-3]是近年来由美国率先研发的自

主式水下载具。它不需要燃料作为动力，可以长时

间、长距离的在水下运动，可以安装温度、盐度、

深度等各种传感器以收集海洋物理资料，同时可以

用它来探雷、布雷等，具有非常重要的军事用途。

本文主要根据自行研制的水下滑翔机原理样机，介

绍了样机的外形、内部结构以及控制电路的设计与

优化，基于CFX软件，计算了样机的水动力特性。

1水下滑翔机原理样机设计

1.1样机的外形设计

SLOCUM等型水下滑翔机的机体尺寸和重量

相差不多,体长2m左右，重量约为50kg,如图1

所示.我们的水下滑行机原理样机采用细长比为1:5

的回转体外形，长度为0.425m，最大直径为0.085

m.为了便于研究，将水平翼设计成固定翼，对称

翼型，翼展长度为0.0112m，样机重量为1.82kg，

机身采用合金铝材质，水平翼和尾翼采用有机玻璃

材质，样机外形如图2所示。

图1Slocum型水下滑翔机

Fig.1Slocumunderwaterglider

图2水下滑翔机原理样机

Fig.2underwaterglidermodel

1.2样机的内部结构设计

SLOCUM等型水下滑翔机主要控制核心是

PC-104微型机，内部结构主要包括能源、电气、

重心调节、浮力调节、应急抛载等部分，搭载的传

感器有GPS接收机、电子罗盘、深度计、高度计

及无线传输电台等。

在保证实现水下滑翔功能的前提下，原理样机

内部结构主要包括控制系统、压力传感器、浮力调

节系统、电池组、无线电接收器等，其中重心调节

系统被简化，用于实现俯仰调节的质量块用水囊中

的水代替，用于实现横滚调节的质量块用电池组代

替，其结构示意图如图3所示。

定常滑翔运动和空间定常回转运动是水下滑翔

机作业过程中主要的运动形式.水下滑翔机原理样

机在进行滑翔航行过程中交替出现正浮力与负浮力

状态，同时水囊中水的重心在纵向位置相应改变，

使得水下滑翔机沿锯齿形轨迹航行.在水下滑翔机

上浮下潜的过程中，只在其锯齿形航迹的最高点和

最低点调节重力、浮力的关系，中间航程完全实现

了无动力调节；定常回转运动中,保持重心的侧向偏

•184•固体力学学报2008年第29卷

移量不变，中间过程无需调节。

图3原理样机内部结构示意图

Fig.3Internalstructureofunderwaterglidermodel

1.3样机的控制电路设计

在整个系统中控制电路可以说是核心部件，控

制点的主要功能有两个，一是根据压力传感器的电

压信号，控制水泵和电磁阀进行排水或排水，调整

自身的重量和重心位置，实现俯仰调节；二是在接

收到横滚指令后，启动电机，按设定值和设定的方

向，将电池组偏置到某设定值，使水下滑翔机产生

横滚。

主要核心部件是压力传感器40PC015和电位比

较器LM311等，电路图如图4所示.压力传感器根

据样机所处的水深，给出相应的电压值，通过电位

比较器与设定值进行比较，当压力传感器输出的电

压值大于设定值时，三极管导通，电磁阀打开，水

泵开始排水。

图4控制电路

Fig.4Controlcircuit

2样机滑翔功能的实现

2.1重心位置调节原理

水下滑翔机通过改变重心相对浮心的位置，实

现姿态的调节和控制.根据实际需要,水下滑翔机可

以有两种方式实现滑翔。第一种是通过吸入或排出

外部液体，改变自身的重量，产生下沉或上浮的动

力，同时相应改变载体重心在纵向上的位置，形成

一定的攻角，再利用水平翼把该垂向力转化为前行

的动力，从而实现纵向滑翔；第二种是通过液压系

统将液体从外皮囊内压入密封的滑翔器壳体内部或

从密封的滑翔器壳体内部压入外皮囊内，改变自身

的体积，产生下沉或上浮的动力，同时调节载体重

心，实现纵向滑翔[4].为了便于加工，原理样机采用

了第一种工作方式。改变载体内部质量的纵向分

布，可以调节样机的俯仰角；改变内部质量的横向

分布，可以实现样机的横滚调节。

重力和浮力差值的调节是通过调节样机质量改

变其重力实现的。将样机的质量m分为三部分,固

定部分

1

m、轴向调节可变部分

2

m和侧向调节部分

3

m，固定部分占整个样机的很大比重。当浮力

123

(/2)Bmmmg=++，且重心位于浮心的正下

方，连线垂直于样机的纵轴时，样机悬浮于水中。

实现重心位置纵向调节，即俯仰调节时，当轴向调

节可变部分改变mΔ，轴向移动距离为xΔ，则整

个载体的重心将移动/2(/)xmxBgm=ΔΔ+Δ.

假设滑翔机载体初始稳心高为h，则只考虑载体重

力、浮力时载体的俯仰角θ与xh、有如下关系：

)]/(2/[(tan1mgBhxmΔΔΔθ+=−(1)

样机的横滚调节,在具体驱动机构实现上,鉴于

水下航行载体一般是圆筒结构,横滚调节部分一般

有两种实现方式,一种是类似轴向驱动,使侧向调节

质量块侧向平移，另一种则是将侧向调节质量块设

计成偏心形式,通过旋转偏心质量块来实现重心的

侧移。平移运动形式简单,但不能充分利用圆筒的

内部空间,旋转方式充分利用了圆筒结构，通常用

电池组作为侧向调节质量块.设R为

3

m质心旋转半

径，ϕ为

3

m的旋转角度，则旋转角ϕ与横滚角ε的

基本关系为:

)]}cos1(/[sin{tan

33

1ϕϕε−−=−Rm

g

Bh

Rm(2)

2.2样机工作流程

在水池中实验时，首先要向腔内灌水，通过排

气孔向腔外排水，灌水完毕，将排气孔堵上，此时

由于重力大于浮力，水下滑翔机开始向下滑行；当

滑行到一定深度时，压力传感器的电压信号达到某

一设定值，控制电路驱动水泵向外排水，腔内水被

排尽后，重力小于浮力，水下滑行机改变俯仰角，

开始向上滑行；当滑行到某一深度时，压力传感器

的电压信号达到某一设定值，控制电路驱动电磁阀，

打开阀门，由于此时腔内的压强为负压，水被压入

腔内，回到初始状态，再向下滑行.这样，水下滑翔

机就实现了沿纵剖面滑翔的功能.通过遥控器发出

回转指令，控电路就会启动步进电机，使作为侧向

调节质量块的电池组产生偏转，水下滑翔机就会以

专辑王冲等：水下滑翔机原理样机设计与分析•185•

一定攻角产生回转运动。

3水动力性能计算与分析

基于CFX软件,采用结构化网格，层流模式，

SIMPLE算法的压力修正方法，对流项用SMART

格式离散,扩散项用中心差分格式离散，机身和机翼

分块划分网格，求解域的范围是:−2.5l≤x≤4l,

−2l≤y≤2l,0≤z≤2l,l是样机的长度.求解域的边

界包含入流面、出流面、对称面、物面和轴边界，

雷诺数为42500。图5是20º攻角时的压强系数分布。

升力系数的计算公式为：

SuLC

L

2/2

∞

=ρ(3)

阻力系数的计算公式为：

SuDC

L

2/2

∞

=ρ(4)

其中ρ为水的密度，

∞

u为入流速度，S为样机的

迎流截面面积，l为机身长度，L为升力，D为阻

力。

图520º攻角时的压强系数分布

Fig.5Distributingofthepressurecoefficient

whentheattackangleis20º

图6是升阻力系数随攻角变化曲线，从图中可

以看出，在0~30°°之间，升阻力系数随着攻角的

增大而增大．通过计算，入流速度为0.1m/s，攻

角为20D时，阻力系数为1.03,阻力为0.0294N,可

见，在滑行过程中,样机受到的阻力非常小。

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

C

D

&

C

L

α/o

C

D

C

L

图6升阻力系数随攻角变化曲线

Fig.6Thecoefficientofliftanddragchange

withattackangle

4结论

通过设计水下滑翔机原理样机的外形和内部结

构及控制电路，实现了纵向滑翔及回转运动，分析

了水下滑翔机原理样机的驱动机理，通过数值计算，

得出升阻力系数随攻角的变化关系，为进一步深入

研究奠定了基础。

参考文献

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foroceanographicrearch[J].IEEEJournalofOceanic

Engineering,2001,26(4):424-436.

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[4]张奇峰,俞建成,唐元贵等.水下滑翔机器人运动分析与

载体设计[J].海洋工程，2006，24(1):74-78.

DESIGNANDANALYZEOFUNDERWATERGLIDERMODEL

ChongWangZhihongZhangJiannongGuJubinLiu

(SchoolofScience,NavalUniversityofEngineering,Wuhan,430033)

AbstractTheunderwaterglider,anewkindofunderwatervehicle,hastheadvantagesoflownoi,long

range,linecharacterandinternalstructureoverallarrangementandcontrolling

vingmechanismandmotionrealizationof

elcanglideinthelongitudinalandlateraldirection,andlift

coefficientanddragcoefficientvaryingwithangleofattackarecalculatedbyCFX.

Keywordsunderwaterglider,model,internalstructuredesign,numericalrearch