曾 淦 李 林 劉賢燁 許銘深 李健灃

（廣東白云學院，廣東 廣州 510450）

0 引言

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

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖1 無人水下飛機模型圖

1.2 機翼選型

水下航行時無人水下飛機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人水下飛機的滑翔效率。由于考慮到無人水下飛機制作的難度以及為了減小其航行的阻力，因此在Profili 翼型庫中最終選擇了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)機翼表面水流速度為3 m/s、機翼弦為345 mm 時，計算得到雷諾數(shù)Re=708000，通過對5 款翼形升阻比與迎角的關(guān)系進行比較，發(fā)現(xiàn)Eppler 399 翼型擁有比其他4 種翼型更好的升阻比。通過對翼型的選擇，無人水下飛機最終確定使用后掠翼布局，其翼展總長為660 mm，最大厚度為40 mm，最小厚度為10 mm。使用后掠翼的優(yōu)點在于可以使垂直于機翼前緣的氣流速度分量低于飛行速度，降低飛行阻力，提高飛機整體性能。

圖2 機翼升阻比與迎角的關(guān)系

1.3 流線型機身設(shè)計分析

無人水下飛機機身總長為530 mm，前端導流罩為60 mm，中部機身段為400 mm，尾部導流罩為70 mm。根據(jù)伯努利方程公式，機身采用流線型設(shè)計[3]，頭部和尾部均使用導流罩，可以有效地減少無人水下飛機航行時的阻力，并降低電能損耗。水中航行時，水流場在物體表面會形成邊界層，使用流線型機身意味著與流場的流動貼合得比較好，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，流動時不能很好地貼合在流體和物體的界面處。破壞流場的流動，會產(chǎn)生大范圍的尾渦，能量損耗增加。如圖3 所示，其中①-流線型機身、②-非流線型機身。

1.4 浮力調(diào)節(jié)裝置

圖3 流線型機身與非流線型機身水流流動跡線對比圖

如圖4 所示，該無人水下飛機的浮力調(diào)節(jié)裝置由電機驅(qū)動， 通過連桿系統(tǒng)將電機輸出的力矩轉(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輸出[1]，因浮力調(diào)節(jié)裝置的移動會導致飛機重心的改變，所以每當浮力調(diào)節(jié)裝置進行活塞運動時，無人水下飛機會根據(jù)浮力調(diào)節(jié)裝置中活塞的移動，適當?shù)卣{(diào)整俯仰角，保證無人水下飛機處于平衡狀態(tài)，達到無人水下飛機能在不同淺水域內(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 動力系統(tǒng)

該無人水下飛機在水下航行時會受到水動力的影響， 而水動力的大小將會影響無人水下飛機的運動，所以根據(jù)這種現(xiàn)象，無人水下飛機的動力源使用12.6 V 承壓鋰電池進行直流供電[5]，無刷電機逆變電路將直流電逆變成三相方波交流電使電機轉(zhuǎn)動，并利用飛行控制系統(tǒng)獲得電機最佳轉(zhuǎn)速。為了延長續(xù)航時間，無人水下飛機可以根據(jù)不同情況搭載太陽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)計的無人水下飛機搭配有飛行控制系統(tǒng)，其主要由主控制模塊、信號調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機驅(qū)動模塊等組成。飛行控制系統(tǒng)通過多路模擬信號的高精度采集，感知無人水下飛機航行位置與姿態(tài)的變化，并利用多個通信信道，分別實現(xiàn)與機載數(shù)據(jù)終端、GPS 信號、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務設(shè)備的通信，然后通過輸出PWM 信號控制無人水下飛機上的舵機，從而控制無人水下飛機的姿態(tài)。

2.3 水下導航系統(tǒng)

該文設(shè)計的無人水下飛機在水中航行時，通過水下導航系統(tǒng)進行導航，由于無人水下飛機與水下滑翔機類似，體積較小，所以采用水下滑翔機中應用最為廣泛的航位推算方法。其通過內(nèi)部控制系統(tǒng)結(jié)合深度計、電子羅盤等各來源的導航信息綜合估算水下位置[5]。具體過程為通過對無人水下飛機的深度變化率、姿態(tài)和航向角的測量，計算出無人水下飛機的水平運動速度，利用積分求出其位移， 再結(jié)合無人水下飛機在水面時的位置坐標，得到其在水下的相對位置。

2.4 水中性能分析

利用SolidWorks Flow Simulation 軟件對無人水下飛機進行流體分析，如圖5 所示，在水下航行時，由于水流沿著無人水下飛機表面流動，水從兩端排開，使得與無人水下飛機中心面垂直的外流場形成低壓區(qū)，并在無人水下飛機的前方與后方形成高壓區(qū)。因此，該文設(shè)計的無人水下飛機耐壓殼內(nèi)部裝有“T”字型框架，以此來加強殼體的耐壓強度，并通過CFD 數(shù)值模擬計算出無人機可在水下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)計的無人水下飛機外部均采用耐壓殼，電子元器件均置于機身內(nèi)部的密閉隔倉內(nèi)。為預防密閉隔倉出現(xiàn)滲水情況，電子元器件都將進行防水處理。經(jīng)過多次試驗發(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氣味，膜層薄、固化快、不含揮發(fā)性有機物、安全環(huán)保。最重要的是納米防水涂料防水級別可以達到IPX7，意味著設(shè)備在深度在1 m 以內(nèi)的水中，可承受長達30 min 的浸泡而保證其內(nèi)部不進水，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，同時使PCB 板表面顯示出超強的疏水性能，且不會影響其散熱性能和連接器的導電性。

圖5 無人水下飛機壓力分布云圖

3.2 防水處理

將電子調(diào)速器表面蒙皮拆解下來，在其細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)氧樹脂，待其凝固后使用熱縮管對電子元件接口進行包裹。

4 結(jié)語

該文設(shè)計的無人水下飛機適用于淺水域，并可以根據(jù)不同的任務完成不同的模式切換，解決了傳統(tǒng)的水下作業(yè)無法完全保障安全的問題，并能夠很好地契合未來海洋經(jīng)濟的發(fā)展方向，助力“水域產(chǎn)業(yè)”的增速擴張，實現(xiàn)多領(lǐng)域的運用。經(jīng)過測試，該無人水下飛機可在半徑范圍為5 km 的地方進行作業(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3 m，可滿足在淺水域穩(wěn)定運行與巡航的要求。