[發明專利]一種水下航行器多級浮力調節裝置的浮力調節方法

有效

• 申請號: 201610391264.3
• 申請日: 2016-06-03
• 公開（公告）號: CN105923130B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 張敏弟;郝加封;梁廷輝;王國玉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B63G8/14
• 分類號: B63G8/14
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 仇蕾安,郭德忠

技術領域

本發明涉及一種用于水下航行器浮力調節的裝置，具體涉及浮力調節裝置的浮力調節方法，屬于水下航行器結構設計技術領域。

背景技術

水下航行器廣泛應用于海洋科學研究、海洋工程、海洋資源勘探、軍事偵查等領域。無人水下航行器在水下航行時會受到各種諸如海水深度、海水溫度、季節、海域等因素影響，或者出于任務需要要求上浮或下潛，此時就需要一種用來調節浮力與重力平衡的裝置，即浮力調節裝置，它可以實現無人水下航行器在不同水域和不同深度航行時的自動配平，從而實現不同航行水域自適應調節、航行姿態輔助調節、航行器定深懸浮調節、安全上浮一系列功能。目前使用的浮力調節裝置有很多種，比如采用高壓氣瓶+壓載水艙的方式，此種裝置結構復雜龐大，而且浮力調節能力小于水下航行器總重量的1％；比如采用推進器的方式，此裝置需要持續運轉，耗能巨大；比如采用油囊方式，此裝置結構簡單，但是調節能力有限，而且不能調節縱傾姿態。還有一種常見的活塞吸排海水調節，但是調節能力有限，調節力度小。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種水下航行器多級浮力調節裝置的浮力調節方法，能夠即時計算出浮力調節裝置入口處的油壓，實現對水下航行器浮力的精確控制。

一種水下航行器多級浮力調節裝置的浮力調節方法，該方法中涉及的多級浮力調節裝置包括液壓控制系統和兩套三級活塞組件；

兩套三級活塞組件對稱的安裝在航行體兩端耐壓殼體內的分級活塞調節艙內，液壓控制系統將壓力油分別作用在活塞和各級活塞軸上，通過活塞的位移將海水排出或吸入排水腔，排水腔通過耐壓殼體上的透水孔與外部貫通，液壓控制系統根據航行器的下潛深度選擇活塞獨立工作或多級活塞軸配合活塞組合工作完成對航行器浮力的調節；所述三級活塞組件包括活塞缸、一級活塞、二級活塞軸、三級活塞軸、噴嘴和超聲波測距儀，所述活塞缸為圓柱形結構，其外圓周面與水下航行器對應位置的耐壓殼體內壁緊密配合，活塞缸具有一個中心沉孔和兩個同心的環形槽，一級活塞的活塞軸與活塞缸的中心沉孔配合，一級活塞的外側端面與分級活塞調節艙形成的空腔為排水腔，一級活塞的內側端面與活塞缸端面之間形成的空腔為控制腔；二級活塞軸和三級活塞軸則分別與活塞缸的環形槽配合，上述三個部件分別與活塞缸配合形成的封閉腔體為工作腔，活塞缸上對應每個工作腔的位置上安裝一個噴嘴和一個超聲波測距儀，噴嘴用來向工作腔中注入壓力油，超聲波測距儀用來測量活塞及活塞軸與活塞缸之間的相對位移；每個噴嘴都分別與液壓控制系統相連，液壓控制系統提供液壓動力源，通過壓力油獨立驅動一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸的運動；

浮力調節方法的具體調節步驟如下：

第一步：根據水下航行器的下潛深度h來選擇采用一級活塞工作、一級活塞和二級活塞軸共同工作或者一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作；

第二步：根據第一步選擇的工況，利用航行器需要達到的目標深度來計算該工況下對應一級活塞、二級活塞軸或三級活塞軸的工作腔在工作時需要達到的油壓：

第三步：根據第二步計算出的工作腔油壓對液壓控制系統作用于工作腔中的壓力進行調整，實現對航行器浮力的調節。

進一步地，所述第二步中三種工況下工作腔油壓與下潛深度的對應關系如下：當一級活塞單獨工作時，一級活塞的工作腔油壓p_i1與下潛深度h的關系為：

dp_i1＝[k₁k_i1γ+γ_oilk_i1(1-k_i1)]dh；

其中：結構系數A為一級活塞的橫截面積，A₁為一級活塞工作腔面積；A_i1為對應一級活塞工作腔噴嘴的截面積；ρ_oil為油的密度；γ是水的重度；γ_oil是油的重度；

當一級活塞和二級活塞軸共同工作時，二級活塞軸的工作腔油壓dp_i2與下潛深度h的關系為：

其中：結構系數A₂為二級活塞工作腔的環形面積；A_i2為對應二級活塞工作腔噴嘴的截面積；

當一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作時，三級活塞軸的工作腔油壓dp_i3與下潛深度h的關系為：

其中：結構系數A₃為三級活塞軸工作腔的環形面積；A_i3為對應三級活塞軸工作腔的噴嘴截面積。

有益效果：