大翼展混合驱动无人水下航行器总体设计及性能分析凌宏杰1,2，张学丰1,2，孙玉山1，王志东2，张 贝2 (1. 哈尔滨工程大学 水下机器人技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；
2. 江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003)
摘要: 为实现长航程、复杂海洋环境中航向高保持能力，本文提出一种高升阻比、分布式推进的新型大翼展水下无人航行器。针对设计目标，基于模块化设计思想，采用仿生构型，完成了大翼展推进与滑翔混合驱动航行器的总体设计，给出了浮力调节系统、重心调节系统、滑翔翼翼型与主尺度、推进器选型及布局等核心单元设计。为提高航行器的生存能力，航行器采用多舱室独立设计及应急抛载单元。基于有限元软件对航行器中耐压壳体进行强度、与刚度的数值与算与分析，结果表明满足规范要求，满足水下1 000 m工作要求。本文所提出的分布式滑翔与推进混合驱动滑翔机的设计理念，具有大翼展高升阻比特性，减小滑翔角，满足长航程要求，解决了目前水下航行器航向改变响应速度慢，无法突破导中尺度涡的现象。 关键词：水下机器人；混合驱动；分布式推进；中尺度涡
中图分类号：U674.38 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2020)12 – 0029 – 07 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2020.12.006
Overall design and performance analysis of large wingspan
hybrid drive unmanned underwater vehicle
LING Hong-jie1,2, ZHANG Xue-feng1,2, SUN Yu-shan1, WANG Zhi-dong2, ZHANG Bei2
(1. Science and Technology on Underwater Vehicle Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;
2. Institute of Marine Equipment, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)
Abstract: In order to realize the high heading capacity in the long range and complex marine environment, this paper proposes a new type of large wingspan unmanned underwater vehicle with high lift resistance and distributed propulsion. Aiming at the design goal, based on the modular design idea and adopting the bionic configuration, the overall design of the large-wing propulsion and gliding hybrid-driven aircraft is completed, and the buoyancy regulation system, the center of gravity adjustment system, the gliding wing type and the main scale, and the propulsion are given. C
ore unit design such as device selection and layout. In order to improve the survivability of the aircraft, the aircraft adopts multi-chamber independ-ent design and emergency throwing unit; based on the finite element software, the numerical value and calculation and ana-lysis of the strength and stiffness of the pressure-resistant casing in the aircraft, the results show that the requirements are met., to meet the underwater 1 000 m working requirements. The design concept of the distributed gliding and propulsion hy-brid drive glider proposed in this paper has the characteristics of large wing extension and high lift-to-drag ratio, reducing the glider angle and meeting the requirements of long range. It solves the problem that the current underwater vehicle change dir-ection is slow and cannot be broken. The phenomenon of guiding mesoscale vortices.
Key words: underwater robot；hybrid drive；distributed propulsion；mesoscale vortex
0 引 言
水下无人航行器是海洋资源开发与探测的主要工具之一。HUG（Hybrid Underwater Glider）是一种融合了传统AUV（Autonomous Underwater Vehicle）和AUG（Autonomous Underwater Glider）驱动方式的新型
第42 卷 第 12 期舰 船 科 学 技 术Vol. 42, No. 12 2020 年 12 月SHIP SCIENCE AND TECH
NOLOGY Dec. , 2020
收稿日期: 2019 – 10 – 15
基金项目: 水下机器人技术重点实验室研究基金资助(61422150307)
作者简介: 凌宏杰(1986 − )，男，助理研究员，研究方向为水下机器人设计及水动力性能。
水下无人航行器[1 – 2]。该类型航行器拥有AUV和AUG 的优点。滑翔模式使其具有大尺度、长航程作业的特点。动力推进模式使其具有高度灵活性和抵抗外界复杂环境载荷的能力。
型线优化、多学科设计优化与模块化设计是水下航行器构型所采用的主流设计方法[3 – 5]。国内外滑翔机外形设计以3种典型线型（Spray，Slocum，Sea glider）为主，在母型基础上优化与改进，以满足设计要求，并取得优良的水动力性能[6]。诸敏等[7]多参数优化了水下滑翔机的外形；张奇峰等[8]采用数值方法分析了水下滑翔机的运动性能。陈刚[9]设计水下滑翔机的浮力调节机构，并采用数值方法分析了滑翔机的运动性能。
国内，2007年，刘锟等首次设计出了新型混合驱动型水下航行器HUG。之后沈阳自动化研究所和西北工业大学等单位开展了HUG理论研究。近些年，国内出现了飞翼式等新型水下航行器，该类航行器具有飞翼式结构，可实现较大升阻比，具有优良的滑翔性能[10]。
FOSY为实现长航程、复杂海洋环境中航向高保持能力，本文提出一种高升阻比、分布式推进的混合驱动水下无人航行器。基于模块化设计思想，采用仿生构型完成了大翼展推进与滑翔混合驱动航行器的总体设计，该航行器具有大翼展高升阻比特性，减小滑翔角，满足长航程要求。在翼梢下方分布2个主推进器，主要实现航行器的航向高度保持能力，在外界海流环境较为恶劣时，启动推进模式，冲破紊流区域。
1 水下航行器设计目标及方法
1.1 设计目标
大翼展混合驱动水下无人航行器（简称HUG）设计目标：
1）具备3种运动模式：滑翔模式，推进模式，滑翔与推进混合模式；
2）最大工作水深：≥1 000 m；
3）设计滑翔速度：≥0.7 kn；
4）最大推进速度：≥4 kn。
该HUG的优势特：
1）大翼展、高升阻比、减小航向角，实现大滑翔比；单水合肼
2）翼梢处对称的主推进器布局，实现低功耗航向高保持能力；
3）混合驱动可实现多模态切换，实现多种功能需求。
该HUG可实现以下功能：
1）可以根据实际的需求，在滑翔机上搭载具体的传感器，使得滑翔机在航行过程中，监测并反馈已获取海洋环境参数（如温跃层参数、盐层参数等）；
2）可精准定位到指定的目标区域，误差小，并对该区域进行实时监测及反馈；
3）可实现GPS精准定位，在滑翔机上装配有卫星通信终端和无线网络，能够在全球范围内与岸基监控中心实现数据通信；
4）可以在预定的区域范围内，完成空间螺旋运动，且螺旋的半径可根据具体的情况设定。
1.2 设计思路
以设计目标为约束条件，水下无人航行器采用模块化设计法开展外形、推进单元、浮力调节单元、俯
仰调节单元，控制单元、抛载单元的总体设计，对其静力学、结构力学、水动力和运动性能进行数值计算与分析，经过反复迭代后，确定水下无人航行器定型设计。HUG总体设计流程见图1。
2 HUG系统总体设计
HUG本体内部系统较为复杂，且功能多样，由各种功能和构型各异的功能部件组合而成，以满足功能需求，主要有浮力调节单元、俯仰姿态调节单元、控制系统单元3个基础的单元，在翼展上装有推进单元、尾舱尾端装有抛载模块等核心单元。各单元在
图 1 总体设计流程图
Fig. 1 Overall design flow chart
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HUG中的分布见图2。
图 2 HUG单元模块分布图
Fig. 2 HUG unit module distribution map
2.1 主体设计
HUG的水动力外形主要由主体、水翼和尾翼等组成。HUG主体采用Spray线型，其中平行中体长度为600 mm，以此获得较高的水动力特性。滑翔机设计时，内部舱容是水下滑翔机性能优异的先决条件，综合考虑内部结构的尺寸和整体结构重量等方面因素，最终选取回转体直径为182 mm。采用半椭圆形首部，其中长半轴180 mm，短半轴90 mm。尾部长度为400 mm，包角为15°，如表1所示。设计总长1855 mm，HUG外形见图3。
表 1 HUG主体主尺度表span80
Tab. 1 HUG main body scale table
参数总长/mm首部长度/mm平行中体/mm尾部长度/mm直径/mm 主尺度18551801 100270182
图 3 HUG主体外形图
Fig. 3 HUG main body outline drawing
2.2 水翼设计
为获得高升阻比翼型结构，基于仿生学原理，仿生海洋生物三角形鳐鱼大翼展构型，如图4所示。测量活体鳐鱼胸鳍外形轮廓尺寸，建立该HUG的水翼物理模型，按照相似原则，对翼型尺度的缩放，确定水翼外形轮廓曲线如图5所示。综合考虑翼的主尺度和重量等因素，翼型剖面选用NACA0006，完成仿生大翼展构型设计。
2.3 尾翼设计
通过增设尾翼提高HUG运动稳定性，翼型选用NACA0012可提供较大操纵力矩。其结构参数包括翼根弦长Cr、翼端弦长Ct、半展长b/2、翼型和后掠角γ，尾翼面积采用经验公式（1）估算，计算所得面积需额外增加50%[11]。
式中：S为尾翼面积；D为航行器直径；L为航行器总长；B为航行器宽度。设计出的尾翼面积为0.07
m2，尾翼各结构参数如表2所示。尾翼结构如图6所示，尾翼外形如图7所示。
表 2 尾翼参数表
Tab. 2 Tail parameter table
参数剖面翼型半展长
/m翼根弦长/m翼端弦长/m后掠角/（
°）主尺度NACA00120.30.280.215
图 6 尾翼结构图
Fig. 6 Tail structure diagram
图 4 三角形鳐鱼图
Fig. 4 Triangle squid illustration
图 5 水翼外形轮廓曲线图
Fig. 5 Hydrofoil profile curve
第 42 卷凌宏杰，等：大翼展混合驱动无人水下航行器总体设计及性能分析· 31 ·
图 7 尾翼外形图
Fig. 7 Tail outline drawing
2.4 浮力调节单元设计
浮力调节单元是HUG滑翔模式上浮和下潜的动力来源。浮力调节单元采用“恒力闭环控制方式”。该单
元采用力传感器作为恒力控制的输入参数，实现内油箱处于恒压力状态，保证油箱内无隙漏。位移传感器精确测量油箱内油量变化，实现内外油箱内油量的精确控制。该系统易于搭建，精度高、可靠性好。浮力调节单元如图8所示。
图 8 浮力调节单元图
Fig. 8 Buoyancy regulation unit diagram
2.5 HUG姿态调节单元设计
毛竹片姿态调节单元是HUG的滑翔上浮和下潜姿态调节的核心单元，由于航行器采用了分布式推进，可以实现航向的实时控制，无需采用重心横向偏移实现航行器横滚姿态调节，因此该系统实现俯仰调节，以位移传感器精确控制质量块沿航行器长度方向运动的位置。以陀螺反馈航行器姿态角实现调节重块位置，HUG 保持在最优姿态角航行，并实现快速上浮、下潜运动。
本文姿态调节单元采用电池包作为调节质量块，如图9所示。该设计形式使航行器内部结构紧凑，占用空间少。
2.6 推进系统设计
为实现HUG航向高保持性和实时响应，提高HUG对外界环境的适应能力，提高自主灵活性以及抗干扰性，在翼梢处对称布置推进器，增加转首力臂，实现推进器在低功耗下获得较大转首力矩，实现航行的高保持性，为突破海洋环境中尺度涡（相对于航行器而言为斜向流）奠定基础。根据航行器的水动力阻力计算结果为依据，推进模式最大航速可达4 kn，可有效应对海洋中的紊流环境，提高生存能力。
推进器基本参数如表3所示。采用推进模式。可实现近海岸浅水区的布防回收和水平运动目标追踪，配合浮力驱动系统可完成强流区的剖面滑翔运动。推进器侧视图和分布图见图10和图11。
表 3 T200参数表
Tab. 3 T200 parameter table
主体尺寸/mm重量/kg工作水深/m最大推力/kgf电压范围Φ100×1320.4221 000 5.116～20VDC
图 10 推进器侧视图
Fig. 10 Propeller side view
图 11 推进器分布图
Fig. 11 Propeller distribution map
2.7 抛载单元设计
为了提高HUG遇到紧急状况的存活率，设计抛载单元。当传感器自检到滑翔机内部进水、电量低、姿态调节功能失效等危险状态时，滑翔机自动抛弃悬挂的抛载单元，使滑翔机快速得到浮力，在重浮力差的驱动下，使航行器实现快速自动上浮。
在尾部端盖外部悬挂半圆环状的抛载铁块，端盖内部开有凹槽，凹槽内镶嵌电磁铁，电磁铁与控制系
图 9 姿态调节系统图
Fig. 9 Attitude adjustment system diagram打印机芯
1.电池组
2.位移传感器
3.俯仰电机
4.丝杆轴
1. Battery pack
2. Displacement sensor
3. Pitch motor
4. Screw shaft
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氧空位
统相连，这样实现了电磁铁对外部的抛载模块的吸附。正常工作状态下，吸附铁块，当遇到紧急状态时，铁块自动脱落，航行器自主上浮。该抛载模块设计简单，安装方便。相比传统的抛载，避免了在端盖处开口带来的密封性能变弱的问题，并且抛载铁块藏身于端盖面后部，对水动力性能影响很小。抛载单元侧视图见图12。
图 12 抛载单元图
Fig. 12 Discharge unit diagram
3 静力学计算与分析
在进行静力学分析计算时，采用右手惯性坐标系，将滑翔机的浮力中心作为坐标系原点，规定沿HUG 向首部方向为X 正轴，沿HUG 横向向左为Y 正
轴，垂直本体向上Z 正轴。图13为所建立的坐标系图。航行器主体为圆柱形，首部为半椭圆形，尾部为圆台形，舱与舱之间采用平板端盖密封。针对航行器开展静力学计算并配平，使航行器重心与浮心相重合达到水平状态。通过液压油与电池块的移动可以计算出该航行器的重心调节范围，如表4所示。
图 13 HUG 坐标系图Fig. 13 HUG coordinate system
表 4 重心调节范围表
Tab. 4 Center of gravity adjustment range
重心位置
工作状态上浮下潜坐标/mm X Y Z X Y Z 调节范围
−22.36～28.38
−2.6～2.6
−10.6～−1
−27.63～23.12
−2.5～2.5
−8.5～−1
4 HUG 系统中承压壳体强度及稳定性计算分析
水下航行器壳体制造通常选择金属材料（如不锈钢、铝合金、钛合金等）和工程塑料（如亚克力，pvc 塑料）等，因耐压壳体长时间海水中工作，对其耐腐
蚀性要求高。综合考虑材料强度、抗腐蚀性能、工作
下潜水深及加工工艺等因素，耐压壳体最终选用高强度铝合金6 061-T6材料，并且在表面采用钝化处理防腐。高强度铝合金6 061-T6材料属性见表5。
表 5 铝合金6 061-T6材料属性
Tab. 5 Aluminum alloy 6 061-T6 material properties
材料热膨胀系数弹性模量/MPa 密度/kg·m −3泊松比屈服强度/MPa 铝合金6 061-T6
2.4×10−5
E =6.9×104
2 700
μ=0.33
275
航行器设计最大下潜深度为1 000 m ，耐压壳体需承载压力为10 MPa 。为提高航行器故障下生存几率和降低加工难度，耐压壳体采用单层耐压壳体，并对各个单元进行模块化分舱设计，各舱相互独立，从而提高水下滑翔机的存活率，为了便于舱与舱之间的连接，各舱首尾部均有台阶结构。舱与舱的通信采用水密接插件。该HUG 壳体结构水动力性能较好，表面过渡平滑，无较大尺寸突变。主要包括首部椭圆状导流透水罩，中部2个舱室的圆柱状壳体，尾部15°半包角的圆台状结构、尾部天线壳体组成。各舱尺寸见表6。HUG 外壳装配结果如图14所示。
表 6 各舱尺寸表
Tab. 6 Cabin size table
类型结构形式数量材料（铝合金）尺寸/mm 承压与否艏部导流罩椭圆形16 061-T6180*90*5否浮力调节舱圆柱形16 061-T6590*180*15是姿态调节舱圆柱形16 061-T6500*180*15是控制系统舱圆台形16 061-T6270*180*5是尾部天线
圆台形
1
6 061-T6
280*30*5
否
浮力调节舱、姿态调节舱与控制舱为承压舱，工作水深1 000 m ，在静应力分析时，对耐压舱外表面需
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