淺談無(wú)人水下飛機(jī)設(shè)計(jì)

曾 淦 李 林 劉賢燁 許銘深 李健灃

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

隨著海洋探測(cè)需求的推進(jìn)，無(wú)人潛航器的發(fā)展進(jìn)入多元化階段，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于海洋物理信息監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的無(wú)人潛航器主要機(jī)型有Slocum、Spray、Seaglider、Seawing、Peterl等[1]，但無(wú)人潛航器體積較大、價(jià)格高昂、需要人工進(jìn)行投放和回收，一般用于軍事和科考領(lǐng)域的無(wú)人潛航器的作業(yè)范圍都是在深水域，在民用方面運(yùn)用較少。因此，該文設(shè)計(jì)了一種多用途淺水域無(wú)人水下飛機(jī)，不需要像傳統(tǒng)的無(wú)人潛航器那樣借助浮筒動(dòng)力或艦艇中轉(zhuǎn)接收重新投放，該無(wú)人水下飛機(jī)體積較小，在水中的航行能力更加靈活。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人水下飛機(jī)由一個(gè)流線型機(jī)身、后掠翼和垂尾組成。外部使用耐壓殼進(jìn)行抗壓并采用翼身融合布局。機(jī)翼內(nèi)部鑲嵌2 條直徑為5 mm 的碳桿，用來(lái)保證機(jī)翼受力均勻并提高機(jī)翼的抗彎折力。垂尾使用的翼型為NACA 0014 全動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用貫穿全部翼肋，直徑為6 mm 的碳桿作為無(wú)人水下飛機(jī)垂尾的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在加強(qiáng)垂尾結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高了飛機(jī)在水中的靈活性。無(wú)人水下飛機(jī)總體積約為14×106 mm3，用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模如圖1 所示。

圖1 無(wú)人水下飛機(jī)模型圖

1.2 機(jī)翼選型

水下航行時(shí)無(wú)人水下飛機(jī)升阻比主要由主體的濕表面積和外形決定[2]，擁有良好的升阻比能提高無(wú)人水下飛機(jī)的滑翔效率。由于考慮到無(wú)人水下飛機(jī)制作的難度以及為了減小其航行的阻力，因此在Profili 翼型庫(kù)中最終選擇了5 種合適的平凸翼型，分別是①-Clark-Y、②-Mirage、③ -USA 45M、④ -GOE 289（MVA 289）、⑤ -Eppler 399。由圖2 可知在溫度293.2 k、航行深度3 m 內(nèi)，假設(shè)機(jī)翼表面水流速度為3 m/s、機(jī)翼弦為345 mm 時(shí)，計(jì)算得到雷諾數(shù)Re=708000，通過(guò)對(duì)5 款翼形升阻比與迎角的關(guān)系進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Eppler 399 翼型擁有比其他4 種翼型更好的升阻比。通過(guò)對(duì)翼型的選擇，無(wú)人水下飛機(jī)最終確定使用后掠翼布局，其翼展總長(zhǎng)為660 mm，最大厚度為40 mm，最小厚度為10 mm。使用后掠翼的優(yōu)點(diǎn)在于可以使垂直于機(jī)翼前緣的氣流速度分量低于飛行速度，降低飛行阻力，提高飛機(jī)整體性能。

圖2 機(jī)翼升阻比與迎角的關(guān)系

1.3 流線型機(jī)身設(shè)計(jì)分析

無(wú)人水下飛機(jī)機(jī)身總長(zhǎng)為530 mm，前端導(dǎo)流罩為60 mm，中部機(jī)身段為400 mm，尾部導(dǎo)流罩為70 mm。根據(jù)伯努利方程公式，機(jī)身采用流線型設(shè)計(jì)[3]，頭部和尾部均使用導(dǎo)流罩，可以有效地減少無(wú)人水下飛機(jī)航行時(shí)的阻力，并降低電能損耗。水中航行時(shí)，水流場(chǎng)在物體表面會(huì)形成邊界層，使用流線型機(jī)身意味著與流場(chǎng)的流動(dòng)貼合得比較好，邊界層是限定在一定范圍之內(nèi)的，因此粘性阻力的能耗較小。而鈍體外型曲率變化較大，流動(dòng)時(shí)不能很好地貼合在流體和物體的界面處。破壞流場(chǎng)的流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大范圍的尾渦，能量損耗增加。如圖3 所示，其中①-流線型機(jī)身、②-非流線型機(jī)身。

1.4 浮力調(diào)節(jié)裝置

圖3 流線型機(jī)身與非流線型機(jī)身水流流動(dòng)跡線對(duì)比圖

如圖4 所示，該無(wú)人水下飛機(jī)的浮力調(diào)節(jié)裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 通過(guò)連桿系統(tǒng)將電機(jī)輸出的力矩轉(zhuǎn)換成作用到活塞上的軸向力，并利用位移傳感器與壓力傳感器控制電機(jī)輸出[1]，因浮力調(diào)節(jié)裝置的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)重心的改變，所以每當(dāng)浮力調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)人水下飛機(jī)會(huì)根據(jù)浮力調(diào)節(jié)裝置中活塞的移動(dòng)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整俯仰角，保證無(wú)人水下飛機(jī)處于平衡狀態(tài)，達(dá)到無(wú)人水下飛機(jī)能在不同淺水域內(nèi)航行的目的[4]。

圖4 浮力調(diào)節(jié)裝置原理圖

2 性能分析

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

該無(wú)人水下飛機(jī)在水下航行時(shí)會(huì)受到水動(dòng)力的影響， 而水動(dòng)力的大小將會(huì)影響無(wú)人水下飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)這種現(xiàn)象，無(wú)人水下飛機(jī)的動(dòng)力源使用12.6 V 承壓鋰電池進(jìn)行直流供電[5]，無(wú)刷電機(jī)逆變電路將直流電逆變成三相方波交流電使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用飛行控制系統(tǒng)獲得電機(jī)最佳轉(zhuǎn)速。為了延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，無(wú)人水下飛機(jī)可以根據(jù)不同情況搭載太陽(yáng)能充電裝置或波浪能充電裝置。

2.2 飛行控制系統(tǒng)

該文設(shè)計(jì)的無(wú)人水下飛機(jī)搭配有飛行控制系統(tǒng)，其主要由主控制模塊、信號(hào)調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。飛行控制系統(tǒng)通過(guò)多路模擬信號(hào)的高精度采集，感知無(wú)人水下飛機(jī)航行位置與姿態(tài)的變化，并利用多個(gè)通信信道，分別實(shí)現(xiàn)與機(jī)載數(shù)據(jù)終端、GPS 信號(hào)、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信，然后通過(guò)輸出PWM 信號(hào)控制無(wú)人水下飛機(jī)上的舵機(jī)，從而控制無(wú)人水下飛機(jī)的姿態(tài)。

2.3 水下導(dǎo)航系統(tǒng)

該文設(shè)計(jì)的無(wú)人水下飛機(jī)在水中航行時(shí)，通過(guò)水下導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，由于無(wú)人水下飛機(jī)與水下滑翔機(jī)類似，體積較小，所以采用水下滑翔機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的航位推算方法。其通過(guò)內(nèi)部控制系統(tǒng)結(jié)合深度計(jì)、電子羅盤等各來(lái)源的導(dǎo)航信息綜合估算水下位置[5]。具體過(guò)程為通過(guò)對(duì)無(wú)人水下飛機(jī)的深度變化率、姿態(tài)和航向角的測(cè)量，計(jì)算出無(wú)人水下飛機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)速度，利用積分求出其位移， 再結(jié)合無(wú)人水下飛機(jī)在水面時(shí)的位置坐標(biāo)，得到其在水下的相對(duì)位置。

2.4 水中性能分析

利用SolidWorks Flow Simulation 軟件對(duì)無(wú)人水下飛機(jī)進(jìn)行流體分析，如圖5 所示，在水下航行時(shí)，由于水流沿著無(wú)人水下飛機(jī)表面流動(dòng)，水從兩端排開(kāi)，使得與無(wú)人水下飛機(jī)中心面垂直的外流場(chǎng)形成低壓區(qū)，并在無(wú)人水下飛機(jī)的前方與后方形成高壓區(qū)。因此，該文設(shè)計(jì)的無(wú)人水下飛機(jī)耐壓殼內(nèi)部裝有“T”字型框架，以此來(lái)加強(qiáng)殼體的耐壓強(qiáng)度，并通過(guò)CFD 數(shù)值模擬計(jì)算出無(wú)人機(jī)可在水下1 m～3 m 的深度航行。

3 電子元件防水處理

3.1 防水涂料選擇

該文設(shè)計(jì)的無(wú)人水下飛機(jī)外部均采用耐壓殼，電子元器件均置于機(jī)身內(nèi)部的密閉隔倉(cāng)內(nèi)。為預(yù)防密閉隔倉(cāng)出現(xiàn)滲水情況，電子元器件都將進(jìn)行防水處理。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米防水涂料比三防漆防水特性更加優(yōu)秀。三防漆膜層厚，影響散熱，并且氣味較大、涂覆不均勻、含有一定的有害物質(zhì)，而納米防水涂料氣味較小甚至無(wú)氣味，膜層薄、固化快、不含揮發(fā)性有機(jī)物、安全環(huán)保。最重要的是納米防水涂料防水級(jí)別可以達(dá)到IPX7，意味著設(shè)備在深度在1 m 以內(nèi)的水中，可承受長(zhǎng)達(dá)30 min 的浸泡而保證其內(nèi)部不進(jìn)水，其在PCB 板表面形成網(wǎng)狀結(jié)膜，能有效降低線路板及電子元器件的表面能量，并能使水滴的接觸角趨于最大值，同時(shí)使PCB 板表面顯示出超強(qiáng)的疏水性能，且不會(huì)影響其散熱性能和連接器的導(dǎo)電性。

圖5 無(wú)人水下飛機(jī)壓力分布云圖

3.2 防水處理

將電子調(diào)速器表面蒙皮拆解下來(lái)，在其細(xì)小的電子器件上噴涂納米防水涂料，并用薄膜包裹放置在密封隔艙內(nèi)。在電子元件接口等易接觸水的地方噴涂環(huán)氧樹(shù)脂，待其凝固后使用熱縮管對(duì)電子元件接口進(jìn)行包裹。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的無(wú)人水下飛機(jī)適用于淺水域，并可以根據(jù)不同的任務(wù)完成不同的模式切換，解決了傳統(tǒng)的水下作業(yè)無(wú)法完全保障安全的問(wèn)題，并能夠很好地契合未來(lái)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向，助力“水域產(chǎn)業(yè)”的增速擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的運(yùn)用。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該無(wú)人水下飛機(jī)可在半徑范圍為5 km 的地方進(jìn)行作業(yè)，飛行速度為15 m/s，水下航行速度為3 m/s，航行深度最大可達(dá)3 m，可滿足在淺水域穩(wěn)定運(yùn)行與巡航的要求。