一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体
阅读说明：本技术 一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体 (Open-frame underwater towed body for ocean observation and underwater recovery ) 是由 向先波 周光照 刘传 杨少龙 向巩 于 2021-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体,开架式水下拖曳体由控制舱、浮筒、舵机舱、可控舵板和支撑架组成,可在复杂的水下环境中,通过调整不同舵角,实现对水下拖曳体本身进行深度和姿态的控制。本发明的开架式水下拖曳体相比于仅有一对迫沉水翼的拖体,深度控制更加稳定,姿态控制效果更好。可作为水下自主航行器回收装置,采用坞站式回收,将水下自主航行器驶入拖体内部拖回水面。亦可作为搭载各种水下探测仪器的平台,提高水下探测精度和工作效率。(The invention discloses an open-frame underwater towed body for ocean observation and underwater recovery, which consists of a control cabin, a buoy, a rudder cabin, a controllable rudder plate and a support frame, and can realize the control of the depth and the attitude of the underwater towed body by adjusting different rudder angles in a complex underwater environment. Compared with the towing body with only one pair of forced sinking hydrofoils, the open-frame underwater towing body has more stable depth control and better attitude control effect. The underwater autonomous vehicle recovery device can be used as an underwater autonomous vehicle recovery device, and the underwater autonomous vehicle is driven into the towed body and towed back to the water surface by adopting docking station type recovery. The underwater detection platform can also be used as a platform for carrying various underwater detection instruments, and the underwater detection precision and the working efficiency are improved.)
技术领域
本发明属于无人水下航行器领域，更具体地，涉及一种用于海洋观测与水下回收的开架式水下拖体。
背景技术
随着海洋开发和利用的发展，对海洋的观测已经进入立体观测阶段。航空航天遥感技术实现了对海洋表层大面积、实时和准实时同步观测。海面观测台、定点浮标等监测技术基本实现了对海气界面的长期、连续、定点观测。为了研究海洋里面的资源，找到海洋资源的储备信息，需要海洋探测技术的支持，目前无人水下观测技术主要分为水下拖体、无人遥控航行器和水下自主航行器三种。
水下拖体属于拖曳式无人水下航行器。它的工作方式为水面母船通过拖缆拖带着拖体在水下航行。拖体的主要动力由拖缆提供，也可安装推进器提供辅助动力。拖缆也作为通信缆，下达控制信息和收集传感器和拖体的状态信息。因此，拖体的航程基本由工作母船保障，可以进行长时间大范围航行。拖体可以根据任务需求的不同，搭载不同的水下探测器航行。对于海底资源探测，通过水下拖体进行近底探测比水面探测精度更高。而和其他近底探测方式相比，拖曳体因装置构造简单，操作方便，且造价较低更受欢迎，但现有水下拖体航速与姿态不容易保持稳定。
在大多数情况下，无人水下航行器是需要重复利用的，在完成任务后必须能够被回收。因此，如何对无人水下航行器实现快速、安全、可靠地回收已成为无人水下潜航器技术的一个研究重点。一般而言，无人水下航行器的回收方式可分为水面回收与水下回收两种。与水面回收方式相比，水下回收方式受海况影响小，速度快，更为隐蔽、灵活，已成为中小型无人水下航行器回收技术的发展趋势。水下回收方式主要有牵引回收、机械臂回收、直接对接回收和附着母艇回收等四种。其中，牵引回收和机械臂回收均采用中介装置与无人水下航行器对接，可避免无人水下航行器与母艇发生碰撞，但是对中介装置的位姿控制要求高。直接对接回收不需要中介装置，但是直接对接产生的碰撞可能损坏无人水下潜航器或者母艇。附着母艇回收可使无人水下潜航器直接降落并附着在母艇上，但这种回收方式需对母艇的外部结构做较大修改，相关技术的难度很高。
发明内容
针对海洋观测技术和水下回收技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体。通过对水下拖体机械结构和舵布置分析，具备保持深度和姿态稳定功能，可解决海洋仪器的运载过程中不稳定导致的观测数据精度低的问题，能够满足水下牵引回收对中介装置位姿控制要求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体。
一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体，用于搭载水下探测仪器进行海洋观测，所述开架式水下拖体包括控制舱1、上浮筒2.1、下浮筒2.2、可控舵板3、舵机舱4和支撑架5；所述开架式水下拖体上方设置有两个上浮筒2.1，下方设置有两个下浮筒2.2，所述控制舱1的外侧面上固定有四个圆管，控制舱1的四个圆管分别与上浮筒2.1和下浮筒2.2的前端焊接，所述支撑架5焊接在上浮筒2.1和下浮筒2.2的中部，所述上浮筒2.1的内部两端设置有舵机4.2，所述下浮筒2.2的两端分别与舵机舱4焊接，舵机舱4内部设置有舵机4.2，所述可控舵板3的一端与舵机4.2的舵机轴固接，另一端可转动的设置在上浮筒2.1或舵机舱4上的圆槽中。
进一步地，所述控制舱1包括拖环1.1、控制舱身1.2、支撑管1.3、加强筋1.4、舱口盖1.5、舱内支架1.6和保护罩1.7；拖环1.1布置在控制舱1的前面端，通过螺纹与控制舱身1.2连接，用于固定拖缆；支撑管1.3焊接于控制舱身1.2周围，与控制舱内部连通，用于走线，外部有加强筋1.4加强；舱口盖1.5与控制舱身1.2螺栓固定，舱内支架1.6放置在控制舱内，与舱口盖1.5连接；保护罩1.7与舱口盖1.5固定连接。
进一步地，所述上浮筒2.1包括有前盖2.01、上筒身2.02和后盖2.06，所述前盖2.01和后盖2.06螺纹密封连接于上筒身2.02，用于对上浮筒2.1的密封；所述下浮筒2.2包括前盖2.01、下筒身2.03、配重2.04、舱盖2.05、后盖2.06和舵机舱4，所述下筒身2.03上通过螺丝固定有舱盖2.05，所述舱盖2.05与下筒身2.03非密封连接，所述配重2.04通过螺栓固定在下筒身2.03的内部，所述下筒身2.03的两端固定有舵机舱4，两端的舵机舱4分别与前盖2.01和后盖2.06螺纹密封。
进一步地，所述可控舵板3包括舵板3.1、舵板轴3.2、走线管3.3和固定弯板3.4；舵板轴3.2穿入舵板3.1，且与舵板3.1螺丝固接；走线管3.3和固定弯板3.4两端焊接于上浮筒或下浮筒，分别用于走线和固定支撑。
进一步地，舵机4.2与浮筒身4.1固连，且舵机4.2的输出轴与联轴器4.3对接，油封4.4放置在浮筒身4.1圆孔处，用于密封，传动轴4.4穿过油封4.4，与联轴器4.3对接。
进一步地，所述支撑架5由圆管5.1和安装固定圆环5.2组成，圆管5.1均匀焊接于安装固定圆环5.2上，用于加强拖体结构强度，安装固定圆环5.2有预留安装孔用于安装水下探测器。
进一步地，舱口盖1.5上面有水密接插件与母船上的拖缆相连接，用于供电和传递信息，其上面还有试漏接口，可以用打压试漏的方法随时检测是否漏水，其上面还有深度计传感器接口，由于深度计为压力式的，水流流动会对准确度有影响，因此设置的保护罩1.7起到降低周围流速的效果。
进一步地，当拖体用于回收水下自主航行器时，安装固定圆环5.2和固定弯板3.4上的预留孔用细金属杆逐个对应连接，形成回收导引装置，便于水下自主航行器水下拖体后方驶入其内部，通过安装固定圆环5.2紧固水下自主航行器拖回水面。
进一步地，从控制舱1出来的供电和通讯的线要到达八个舵机所在的位置，在每个可控舵板3上面都有一个走线管3.3用于连接两端的浮筒，实现任意两个舵机之间的连接，控制舱1与上浮筒和下浮筒通过控制舱支撑管1.3相连通。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、现有水下拖体一般采用装有迫沉水翼的单体结构，本发明设计了框架式结构水下拖体，框架式结构相比于单体结构，摇荡运动阻尼大，稳定性更好。四个浮筒的框架式结构使得其本身在水中运动阻尼大，在受到外力干扰时，姿态不易变化。此外，上浮筒全水密，下浮筒中间段为透水段，内部可以配置压载，因此降低了重心高度，进一步提高横向稳定性。
2、本发明设计的水下拖体采用多舵面设计，可以灵活地控制深度和姿态。单水平翼拖体在潜浮过程中，其纵倾角必然会发生变化，对于本拖体来说，在控制艏水平舵产生的升力变深的同时，可以控制艉水平舵控制纵倾角。同样，艏艉布置的垂直舵，可以同时控制拖体的横荡和艏摇运动。多舵面设计，姿态控制能力强，可以满足其海洋观测和水下回收对拖体姿态的要求。
3、该水下拖体为大舵面积设计，具有八个可控舵板，每个舵板展长467mm，弦长200mm。大舵面积意味着负载能力的提升，每个舵都能提供10kg以上的升力，并且在四个浮筒之间留有大量的安装空间可以用来安装各种水下探测器，可实现多种水下探测器同时工作，极大地提高海洋观测效率。
4、本发明水下拖体采用多舱室密封连通设计，水密舱有两个上浮筒舱、四个舵机舱和一个控制舱，在每个舵板前面都有一个走线管连通两个舵机舱或浮筒舱。最后通过控制舱四个圆管连通控制舱，实现多舱室之间供电和通讯，提高了安全性和可靠性。
5、本发明水下拖体结构设计时考虑了海洋观测和水下回收两种用途，不仅可以作为海洋仪器的运载平台，还可以作为无人水下自主航行器的回收装置。只需把水下拖体的后部预留孔连接构成回收引导装置，就可以实现无人水下自主航行器坞站式牵引回收。
附图说明
图1是开架式水下拖体结构示意图；
图2是本发明水下拖体拖曳工作示意图；
图3是本发明水下回收结构示意图；
图4是本发明控制舱结构示意图；
图5是控制舱内部安装支架结构示意图；
图6是本发明上浮筒结构示意图；
图7是本发明下浮筒部分结构示意图；
图8是本发明可控舵结构示意图；
图9是本发明舵机舱结构示意图；
图10是本发明支撑架结构示意图；
图中控制舱1、上浮筒2.1、下浮筒2.2、可控舵板3、舵机舱4、支撑架5、拖环1.1、控制舱身1.2、支撑管1.3、加强筋1.4、舱口盖1.5、舱内支架1.6、保护罩1.7、前盖2.01、上筒身2.02、下筒身2.03、配重2.04、舱盖2.05、后盖2.06、舵板3.1、舵板轴3.2、走线管3.3、固定弯板3.4、浮筒身4.1、舵机4.2、联轴器4.3、传动轴4.4、油封4.5、圆管5.1、安装固定环5.2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明公开了一种面向海洋观测与水下回收的开架式水下拖体，由控制舱1、浮筒(上浮筒2.1和下浮筒2.2)、可控舵板3、舵机舱4和支撑架5组成。
如图2所示为本发明开架式水下拖体母船拖曳时的状态图。
如图4、5所示，控制舱1包括拖环1.1、控制舱身1.2、支撑管1.3、加强筋1.4、舱口盖1.5、舱内支架1.6和保护罩1.7。拖环1.1布置在最前面，通过螺纹与控制舱身1.2连接，用于固定拖缆。支撑管1.3焊接于控制舱身1.2周围，中间与控制舱内部连通，用于走线，外部有加强筋1.4加强。舱口盖1.5与舱身螺栓固定，舱内支架1.6放置在舱内，与舱口盖1.5连接。舱口盖1.5上面有水密接插件与母船上的拖缆相连接，用于供电和传递信息，其上面还有试漏接口，可以用打压试漏的方法随时检测是否漏水，其上面还有深度计传感器接口，由于深度计为压力式的，水流流动会对准确度有影响，因此设置保护罩1.7与舱口盖1.5固连，能够降低周围流速。
如图6、7所示，上浮筒2.1包括有前盖2.01、上筒身2.02和后盖2.06，所述前盖2.01和后盖2.06螺纹密封连接于上筒身2.02，用于对上浮筒2.1的密封；下浮筒2.2包括前盖2.01、下筒身2.03、配重2.04、舱盖2.05、后盖2.06和舵机舱4，下筒身2.03上通过螺丝固定有舱盖2.05，舱盖2.05与下筒身2.03非密封连接，海水能够灌入到下筒身2.03的内部，配重2.04通过螺栓固定在下筒身2.03的内部，用于调整拖体浮态。下筒身2.03的两端固定有舵机舱4，两端的舵机舱4分别与前盖2.01和后盖2.06螺纹密封。
如图8所示，可控舵板3包括舵板3.1、舵板轴3.2、走线管3.3和固定弯板3.4。舵板轴3.2穿入舵板3.1，与其螺丝固接。走线管3.3和固定弯板3.4两端焊接于上浮筒2.1或下浮筒2.2，分别用于走线和固定支撑。
如图9所示，舵机4.2与浮筒身4.1固连，且舵机4.2的输出轴与联轴器4.3对接，油封4.4放置在浮筒身4.1圆孔处，用于密封，传动轴4.4穿过油封4.4，与联轴器4.3对接。
如图10所示，支撑架5由圆管5.1和安装固定圆环5.2组成，圆管5.1均匀焊接于安装固定圆环5.2上，用于加强拖体结构强度，安装固定圆环5.2有预留安装孔用于安装水下探测器。
当拖体用于回收水下自主航行器时，安装固定圆环5.2和固定弯板3.4上的预留孔用细金属杆逐个对应连接，形成回收导引装置，便于水下自主航行器水下拖体后方驶入其内部，通过安装固定圆环5.2紧固水下自主航行器拖回水面。从控制舱1出来的供电和通讯的线要到达八个舵机所在的位置，在每个可控舵板3上面都有一个走线管3.3用于连接两端的浮筒，实现任意两个舵机之间的连接，控制舱1与上浮筒和下浮筒通过控制舱支撑管1.3相连通。
下面结合图2、图3对海洋观测和水下回收两种工作模式进行介绍：
如图2所示，水下探测仪器安装于拖体四个浮筒中间，减少触碰导致仪器损坏可能，水面母船通过拖缆拖带着拖体在水下航行，拖体的主要动力由拖缆提供。当需要调整深度时，前水平舵转动一定角度产生迫沉力使拖体运动到相应深度。当需要调整纵倾时，后水平舵转动一定角度产生纵倾力矩使纵倾角保持为0。横荡、艏摇与垂荡、纵摇调整方法相同。这样可以保持位置和姿态的稳定，实现精确的海洋观测。
如图3所示，拖体后部用细金属杆连接预留孔构成回收引导装置。在水下拖体拖曳航行位姿保持稳定时，自主水下航行器从水下拖体后方驶入其内部，内部装置紧固并由拖缆拖回至母船，完成水下回收任务。
为了便于对拖体整体的吊装，如图1-3所示在上浮筒2.1的后盖2.06上还可设置有吊环。
综上所述，本发明专利实现了一种设计合理，操纵灵活的开架式水下拖体，能够在复杂的水下环境中，实现自身深度和姿态的精准控制。不仅可以用作各种水下探测仪器的运载平台，提高水下探测精度和工作效率。还可以用作自主水下航行器回收装置，完成自主水下航行器水下牵引回收工作。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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