一种基于仿生运动设计的水下作业装置的制作方法

本申请涉及水下作业装置领域，尤其是一种基于仿生运动设计的水下作业装置。

背景技术：

1、自本世纪以来，各式各样的水下作业装置被研制出来并用于开展各种水下作业活动。在科学和经济领域，它们在海洋科学调查、海底油井作业和电缆铺设与维修、海洋资源勘探、海洋测绘等方面发挥了举足轻重的作用。在军事领域，它们在军事信息侦察、情报搜集、水雷探测以及增加和扩大水下战斗空间方面扮演了越来越重要的角色。

2、传统的水下作业装置一般搭载螺旋桨实现推进控制，以及搭载舵翼操纵系统实现操纵控制。但是螺旋桨工作时机体振动剧烈、噪声较大，使得其隐蔽性能有所降低，不符合水下作业装置低噪声的发展趋势。另外舵翼操纵系统在水下作业装置低速或悬停状态下难以实现快速机动，并且很容易出现卡舵等故障。这些缺陷导致现有大部分水下作业装置的推进效率、机动性以及隐身性能都还不能达到一个很好的表现。

技术实现思路

1、本申请针对上述问题及技术需求，提出了一种基于仿生运动设计的水下作业装置，本申请的技术方案如下：

2、一种基于仿生运动设计的水下作业装置，该水下作业装置包括装置本体和多组仿生扑翼，装置本体包括圆柱形的透水舱段以及固定在透水舱段的轴向两端的头部舱段和尾部舱段，头部舱段和尾部舱段分别采用密封结构；水下作业装置中的电子器件布置在头部舱段和尾部舱段中，水下作业装置中的电子器件包括主控模块、作业组件和扑翼控制组件，主控模块分别连接作业组件和扑翼控制组件，主控模块通过作业组件完成水下作业装置的作业任务；

3、多组仿生扑翼沿着透水舱段的周向布置，每组仿生扑翼包括结构相同的两个仿生扑翼，每个仿生扑翼的根部通过连接轴转动连接于透水舱段上，同一组仿生扑翼中的两个仿生扑翼对称连接在透水舱段的径向两侧，每个仿生扑翼以其在透水舱段上的连接位置处的径向方向的垂直径向方向为转轴；主控模块通过扑翼控制组件连接并控制各个仿生扑翼绕着各自的转轴转动，以调整每个仿生扑翼的表面与透水舱段在仿生扑翼转轴处的轴向剖面之间的夹角；

4、水下作业装置的重力等于浮力，主控模块确定至少一组仿生扑翼作为推进翼组和/或根据目标航向确定至少一组仿生扑翼作为操纵翼组，主控模块通过扑翼控制组件控制推进翼组中的两个仿生扑翼按照相同工作模式转动以实现对水下作业装置的推进控制，和/或，通过扑翼控制组件控制操纵翼组中的两个仿生扑翼按照不同工作模式转动以实现对水下作业装置的操纵控制调整航向。

5、本申请的有益技术效果是：

6、本申请公开了一种基于仿生运动设计的水下作业装置，该水下作业装置在装置本体的周向布置多组仿生扑翼，每组仿生扑翼对称布置在装置本体的径向两侧，利用推进翼组中的两个仿生扑翼的对称拍动操作可以实现对水下作业装置的推进控制，利用操纵翼组中的两个仿生扑翼的不对称拍动操作可以实现对水下作业装置的操纵控制，通过控制仿生扑翼的拍动运动就能实现水下作业装置的高效推进和快速机动。与传统水下作业装置相比，具有噪声低、续航力高、航行效率高等优点，且满足了水下作业装置的任务搭载需求。螺旋桨的敞水推进效率最大值不超过80％，而该水下作业装置的推进效率可达86％，同等巡航速度下螺旋桨转速一般在102量级，对应的水动力噪声亦在100db以上，然而本申请水下作业装置中的仿生扑翼所需的转速小于10hz，对应的水动力噪声不超过40db，使得水下作业装置的隐身性能大幅度改善。续航力方面，传统水下作业装置(4m左右)低速巡航续时续航力约10公里左右，本申请的水下作业装置由于运动频率很低(0.5hz～1hz)，通过数值计算及换算后续航力可达到160公里，续航力的提升大大扩大了水下作业装置的工作范围，有助于未来水下作业装置向着海洋更远更深处作业。

7、该水下作业装置中的仿生扑翼采用刚柔共融的变刚度结构，可增加结构强度，从而扩大频率范围，拍动频率的增加将大幅提升推力系数，进而提高航行速度。该水下作业装置中的仿生扑翼采用变宽度结构设计，可以在平板面积与推进性能之间达到平衡的优化结果，从而在保证推进性能的前提下尽可能减小摩擦阻力。另外，仿生扑翼的端部引入的锯齿沟槽型结构可以使得仿生扑翼的平均推力和推进效率进一步提升。

技术特征：

1.一种基于仿生运动设计的水下作业装置，其特征在于，所述水下作业装置包括装置本体和多组仿生扑翼，所述装置本体包括圆柱形的透水舱段以及固定在所述透水舱段的轴向两端的头部舱段和尾部舱段，所述头部舱段和所述尾部舱段分别采用密封结构；所述水下作业装置中的电子器件布置在所述头部舱段和尾部舱段中，所述水下作业装置中的电子器件包括主控模块、作业组件和扑翼控制组件，所述主控模块分别连接所述作业组件和扑翼控制组件，所述主控模块通过所述作业组件完成所述水下作业装置的作业任务；

2.根据权利要求1所述的水下作业装置，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的水下作业装置，其特征在于，所述主控模块通过所述扑翼控制组件在每个推进周期对所述水下作业装置实现的推进控制还包括：

4.根据权利要求2所述的水下作业装置，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的水下作业装置，其特征在于，每个仿生扑翼沿着从靠近所述透水舱段的根部至远离所述透水舱段的端部的方向的不同剖面位置处的弹性模量逐渐减少，所述仿生扑翼在根部处为刚性结构、在端部处为柔性体结构。

6.根据权利要求5所述的水下作业装置，其特征在于，每个仿生扑翼在沿着从根部到端部方向与根部距离为x的剖面位置处的弹性模量为其中，l是仿生扑翼从根部到端部之间的距离，a和b为参数。

7.根据权利要求1所述的水下作业装置，其特征在于，每个仿生扑翼的表面宽度沿着从靠近所述透水舱段的根部至远离所述透水舱段的端部的方向逐渐增大。

8.根据权利要求7所述的水下作业装置，其特征在于，每个仿生扑翼的根部处的表面宽度为0.85d、端部处的表面宽度为d，其中，d是所述透水舱段的直径。

9.根据权利要求1所述的水下作业装置，其特征在于，每个仿生扑翼的端部采用锯齿沟槽型结构。

10.根据权利要求9所述的水下作业装置，其特征在于，所述仿生扑翼端部的锯齿沟槽型结构中的每个锯齿沟槽的宽度s满足的条件，每个锯齿沟槽的高度h满足的条件，u0表示来流速度，re表示雷诺数且其中，d是所述透水舱段的直径，ν是流体粘性系数。

技术总结
本申请公开了一种基于仿生运动设计的水下作业装置，涉及水下作业装置领域，该水下作业装置包括装置本体及其周向布置的多组转动连接在装置本体上的仿生扑翼，每组仿生扑翼包括结构相同且对称布置在装置本体径向两侧的两个仿生扑翼，主控模块通过扑翼控制组件控制推进翼组中的两个仿生扑翼对称拍动以实现推进控制，主控模块通过扑翼控制组件控制操纵翼组中的两个仿生扑翼不对称拍动以实现操纵控制调整航向，通过控制仿生扑翼的拍动运动就能实现水下作业装置的高效推进和快速机动。与传统水下作业装置相比，具有噪声低、续航力高、航行效率高等优点，且满足了水下作业装置的任务搭载需求。

技术研发人员：李永成,李迎华,潘子英,张明辉,肖冬林,王小庆
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：
技术公布日：2025/1/20