一種長航程AUV折疊天線機構與密封設計

鄭志航，嚴天宏，何 波，孔露強，吳子明

(1. 中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州 310018；2. 中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100)

0 引 言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是人們探索開發海洋的主要工具。AUV的航程長短對AUV的應用至關重要[1]。提高航程長度，應最小化航行阻力和最大化電池容量[2]。與有纜水下航行器不同，AUV利用無線通信技術與岸上技術人員交互需要一個非金屬的天線。在AUV水下航行時，無線電衰減很快，基本無法傳播，普通AUV不會安裝體積大，功率高的超低頻天線[3]。暫時“多余”的附體勢必成為AUV航行阻力，從而影響航行距離。

為了解決這一問題，王廣耀等[4]設計了一種可升放式的天線裝置，雖然能有效降低附體迎風面積從而降低阻力，但天線體積小、仍有附體阻力；申洪彬等[5]利用雙搖桿機構實現折疊天線，方案有效可行，但存在雙搖桿機構運動空間大的缺點，在不寬裕的AUV空間內占據較大的空間。本方案使用滑塊連桿機構實現折疊天線功能，有占用體積小、能完全減去附體阻力的優點。

1 AUV阻力分析

AUV在水下可以實現六自由度運動，但在日常使用或者水下實驗過程中，AUV直航頻率最高、時間最長，通過降低AUV水下直航阻力便可提高AUV航行時間和距離。

1.1 AUV三維模型

為了獲得較長的航程，AUV的外形選擇上既要在水下航行阻力盡量小的同時，還要盡可能提高艙內可用體積用于儲存鋰電池，提供更多的能量。通過比較航行阻力與質量的比值來為AUV的外形設計提供參考，最終選取橢圓型頭部曲線和MYRING型尾部曲線[6]和作為AUV的主體外形，如圖1所示。

圖1 AUV主體外形圖Fig. 1 AUV main body drawing

為計算天線附體對整體AUV直航阻力的影響，需要建立2個三維模型。模型1為艙體加4個尾舵，模型2為在模型1的基礎上加入天線，擬定天線高度為210 mm，取天線形狀為流線型的NACA0020，天線后掠角為85°。

1.2 仿真計算

獲得三維模型后使用ICEM CFD構建結構網格，結構網格具有網格質量高、仿真運算快、結果精確的優點。求解雷諾應力平均N-S方程，湍流模型選擇自由剪切流動和壁面限制邊界層流動優勢明顯的SST k-omega[7]。而使用這個模型就要考慮邊界層的首層高度為：其中：y+是 無量綱，對于本文中的低雷諾數模型，y+=1為 佳；υ 為流體運動粘度；u*為 近壁面摩擦系數，u*=為 壁面剪切應力；Re為 雷諾數， R e=ρuL/υ；u為速度；ρ為流體密度；L為長度。擬取航行器航行速度2.5 m/s，計算可得首層邊界層高度約為0.01 mm。網格劃分后網格質量在0.3以上，生成網格如圖2和圖3所示。

圖2 模型1的結構網格圖Fig. 2 Structured grid diagram of model 1

圖3 模型2的結構網格圖Fig. 3 Structured grid diagram of model 2

導入Fluent軟件中，湍流模型選用k-omega SST，如圖4所示，入口邊界條件設置為velocity inlet，出口邊界條件設置為outflow，壁面設置為symmetry，求解方法選用SIMPLE。結果如表1所示。

表1 模型1和模型2在不同速度下的阻力對比表Tab. 1 Comparison table of resistance of model 1 and model 2 at different speeds

圖4 邊界條件設置圖Fig. 4 Boundary condition setting diagram

模型1與模型2的壓力云圖如圖5所示。

圖5 模型在2.5 m/s下的壓力云圖Fig. 5 Model contour of dynamic pressure at 2.5 m/s

經過結果對比，航行器增加天線附體會比沒有天線附體增加至少阻力19%，且航速越快，天線阻力占比越大，因此實現折疊天線能有效降低航行阻力從而增加航行距離。

2 折疊天線的機械設計

折疊天線裝置包括驅動機構、傳動機構、天線本體和艙體4個部分，整機的機構簡圖如圖6所示。驅動機構是步進電機。傳動機構包括滾珠絲桿，滑塊滑軌，連桿和軸承，在水下實現滑塊前進后退這種直線往復運動的裝置有防水直線電機，因為價格昂貴，控制方法相對復雜，本文使用價格不高控制方便的“滾珠絲桿-滑塊滑軌”機構將轉動轉化為直線運動。整體機構運動規律與雨傘的開合運動相似，艙內控制電機正轉，電機輸出軸通過聯軸器帶動絲桿轉動，滑塊向前推進，同時連桿1帶動天線整體轉動，實現天線的升起，同理艙內控制電機反轉，滑塊向后移動，天線折疊收起。

圖6 折疊天線模型圖Fig. 6 Folded antenna model diagram

3 機構運動學分析

通過對整體機構平面自由度的分析，驗證機構具有唯一確定的運動，并通過幾何和力學分析，找到在現實條件下的最優結構參數。

3.1 運動學計算

折疊天線的傳動機構如圖7所示。自由度計算公式[8]為：

圖7 平面機構運動簡圖Fig. 7 Plane mechanism movement diagram

其中：F為機構運動自由度；N為活動構件；PL為低副個數；PH為高副個數。計算得轉向機構的自由度為1，有唯一確定的運動。

3.2 運動學計算

由幾何關系可得如下關系式：

式中：LMAX表示當天線為折疊狀態時滑塊到固定鉸鏈中心的距離；LMIN表示天線完全豎起時滑塊到固定鉸鏈中心的距離；A為固定鉸鏈到滑塊中心的垂直距離；B為固定鉸鏈到天線旋轉鉸鏈中心的距離；C為轉動連桿的長度；D為輔助尺寸，L表示固定鉸鏈到滑塊中心的直線距離；α表示轉動連桿于水平面的夾角；β表示天線與水平面的夾角；V0表示滑塊勻速移動的速度；V表示天線瞬時轉動線速度，T表示天線從折疊狀態到豎起狀態的總時長，t表示運動時間；ω表示天線瞬時轉動角速度。

簡化可得：

設V0=10 mm/s，根據實際情況取3組幾何數據，并導入Matlab中進行計算，3組幾何數據分別為：

根據上述方程，利用Matlab軟件可得 β－t的曲線圖，如圖8所示。當滑塊滑動速度相同時，機構參數B越大，折疊伸縮的時間越長，曲線平均曲率（平均角速度ω）越小，曲率的變化率（角加速度）越大；機構參數C越大，折疊伸縮的時間越短，曲線平均曲率（平均角速度ω）越大，曲率的變化率（角加速度）越小。在不考慮折疊伸縮時間的情況下，機構參數B應盡量選大，機構參數C應盡量選小。

圖8 β-t的曲線圖Fig. 8 Graph of β with respect to t

4 密封設計及可行性分

折疊天線涉及分體式天線的局部運動和滾珠絲桿的連續轉動，需要對這兩部分進行防水處理。

4.1 密封設計

天線的密封如圖9所示。本文采用2處靜密封[8]，分別是天線和天線壓蓋中間的一處和天線壓蓋與穿線螺母中間的一處，通過兩道靜密封[9]實現天線整體密封，靜密封O型圈型號及密封槽尺寸均選用司達行的密封標準；同時天線出線端使用穿線螺絲和穿線螺母將天線內傳感器模塊的信號線和電源線引到天線外部，而后使用環氧樹脂對穿線螺釘進行灌封。對于滾珠絲桿的轉動，需要對艙體和絲桿轉動處進行旋轉動密封[10]，如圖10所示。為了方便加工和降低加工成本，將整個密封裝置模塊化分塊，密封壓蓋A與艙體之間使用一道靜密封，密封壓蓋A內端有一道O型密封圈，通過密封壓蓋B緊壓軸承進而擠壓軸承壓蓋保證該道密封圈的密封效果，為保險起見，在密封壓蓋中再加入一道動密封O型圈，同時在密封壓蓋A和密封壓蓋B中間加一道靜密封從而保證2個零件水密。密封圈和密封槽尺寸同樣選用司達行的密封標準。

圖9 天線密封設計Fig. 9 Antenna seal design

圖10 轉軸密封設計Fig. 10 Rotary shaft seal design

為驗證密封設計的可行性，本文通過轉動軸不同角度并進行多次打壓實驗進行驗證，驗證整個裝置的靜態水密性和轉動后的水密性。

4.2 可行性分析

為了驗證滾珠絲桿處的旋轉動密封，將模型依次安裝在水下密封艙中，進行模擬水下200 m的打壓實驗，在壓力罐中加壓2 MPa，并保壓1 h，驗證其水下密封性。結果表明，密封方案可行。

5 結 語

本文通過CFD仿真對比，得出在直航的情況下，傳統AUV直立天線比實現折疊天線后的新型長航程AUV阻力要增加至少19%。因此實現水下航行時天線收起，需要使用時再折疊伸出具有很強的使用需求。通過機械結構設計，利用滾珠絲桿將步進電機的轉動轉化為滑塊的直線運動，通過滑塊的直線運動帶動滑塊上的連桿運動，通過連桿間的約束，實現天線的折疊升降。確定折疊方案后繪制平面機構簡圖，通過計算機構自由度得出當滑塊直線運動時，整體機構有確定、唯一的運動。通過幾何關系和實際情況，設計各個構件的具體參數，推導出幾何關系式，為后續的設計提供理論基礎，并通過理論計算得出相對較優的參數。打壓實驗驗證了天線密封和運動機構密封方案的可行性。