專利名稱：水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制的執(zhí)行裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種控制的執(zhí)行裝置，尤其是一種水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控 制的執(zhí)行裝置，屬于船舶海洋工程技術(shù)領(lǐng)域中的水下居住或作業(yè)設(shè)備。
背景技術(shù)：
對(duì)于在海洋中潛行的水下運(yùn)載器，必須準(zhǔn)確控制其自身的升沉和運(yùn)行姿態(tài)， 不但要控制自身的俯仰傾角，以掌握正確的傾斜姿態(tài)，還要準(zhǔn)確控制自身的左右 前進(jìn)方向，以保證到達(dá)正確的目的地。同時(shí)，還要隨時(shí)調(diào)整自身的橫滾姿態(tài)，以 免破壞運(yùn)載器內(nèi)部動(dòng)力系統(tǒng)的正常工作條件，并保證前進(jìn)方向的控制能夠準(zhǔn)確有 效地執(zhí)行。當(dāng)運(yùn)載器本身的重心位置因?yàn)閮?nèi)部流體的宏觀流動(dòng)而沿運(yùn)載器軸向前 后移動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)與運(yùn)載器俯仰姿態(tài)控制的需求相配合，而不應(yīng)當(dāng)相悖相抵。
在現(xiàn)有技術(shù)中，申請(qǐng)?zhí)枮?00410025677.7、名稱為"持續(xù)淺水型無(wú)人潛水 器"的發(fā)明專利，給出了一種持續(xù)淺水型無(wú)人潛水器，其姿態(tài)控制和調(diào)整，由水 平尾翼和垂直尾翼的協(xié)同動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于機(jī)身環(huán)繞軸線的滾動(dòng)不能加以阻止和 糾正。申請(qǐng)?zhí)枮?00420109950. X、名稱為"利用海洋溫差能驅(qū)動(dòng)烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)的 滑翔式潛水器"的實(shí)用新型專利，是利用海洋溫差能驅(qū)動(dòng)垸烴發(fā)動(dòng)機(jī)的滑翔式 潛水器，其姿態(tài)控制和調(diào)整，由水平尾翼、垂直尾翼和水平機(jī)翼來(lái)實(shí)現(xiàn)，水平機(jī) 翼的流體力學(xué)阻力過(guò)大，明顯消耗了潛水器本體的能量；該潛水器對(duì)于機(jī)身環(huán)繞 軸線的滾動(dòng)也無(wú)法控制和調(diào)整；同時(shí)，其工作流體缸安置在潛水器的中前部，工 作氣體缸安置在潛水器的中部，內(nèi)膽安置在潛水器的后部，外膽安置在潛水器的 后部，這樣的位置布置，使?jié)撍髟趦?nèi)部流體流動(dòng)時(shí)，重心位置變化所引起的姿 態(tài)仰俯角與潛水器升沉的需要恰好相悖，為潛水器的姿態(tài)控制帶來(lái)了額外的負(fù)擔(dān) 和困難。
實(shí)用新型內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制 的執(zhí)行裝置，它不但能夠有效控制運(yùn)載器的橫滾動(dòng)作而保證運(yùn)載器內(nèi)部的正常工作條件和必要的運(yùn)行方向控制前提，又能夠保證運(yùn)載器以正確的水平方向和垂直 方向在水中的游弋。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案本實(shí)用新型包括烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)，水平尾翼，垂直尾翼、 橫滾調(diào)節(jié)器和運(yùn)載器外殼。其中，烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)由海洋溫差能驅(qū)動(dòng)，包括工作流體 缸，工作氣體缸，內(nèi)膽，外膽，工作流體活塞，傳遞流體活塞，第一截止閥，第 二截止閥，工作流體腔，工作氣體腔，三通閥；橫滾調(diào)節(jié)器由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和偏心輪 組成。
垸烴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體缸、工作氣體缸和內(nèi)膽分別安置在運(yùn)載器外殼內(nèi)的后 部、中部和前部，外膽安裝在運(yùn)載器外殼外后部的底下位置。工作流體活塞和傳 遞流體活塞分別置于工作流體缸和工作氣體缸內(nèi)。在工作流體缸內(nèi)工作流體活塞 上面的部分是工作流體腔，在工作氣體缸內(nèi)傳遞流體活塞上面的部分是工作氣體 腔。工作流體缸底部通過(guò)第二截止閥分別與工作氣體缸的底部和三通閥的A端連 接，工作流體缸底部還通過(guò)第一截止閥與內(nèi)膽頂部相連。內(nèi)膽底部與三通閥的B 端相連，外膽與三通閥的C端相連。垂直尾翼安置在運(yùn)載器外殼的尾部上方；左 右各一個(gè)水平尾翼分別安置在運(yùn)載器外殼后半部的兩側(cè)。水平尾翼與傳遞流體活 塞聯(lián)動(dòng)。
工作流體腔內(nèi)充滿工作流體。工作氣體腔內(nèi)充滿了氬氣，并使氬氣的壓力比 運(yùn)載器運(yùn)行區(qū)域內(nèi)海水的最高壓力高。工作流體缸中工作流體活塞以下的部分、 工作氣體缸中傳遞流體活塞以下的部分、內(nèi)膽和外膽內(nèi)均充滿了傳遞流體。當(dāng)垸 烴發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，工作流體作固、液兩相變換。
當(dāng)運(yùn)載器在溫水層中運(yùn)行時(shí)，水溫較高，工作流體吸熱、熔化、體積膨脹、 向下推動(dòng)工作流體活塞，將工作流體活塞下面的傳遞流體經(jīng)第二截止閥流入工作 氣體缸的下部，并抬高傳遞流體活塞，擠壓工作氣體腔內(nèi)的氣體。當(dāng)運(yùn)載器將下 降進(jìn)入冷水層時(shí)，應(yīng)采取向下的俯角?？刂迫ㄩy的B端與C端連通，使外膽中 的傳遞流體流入內(nèi)膽，外膽基本排空，工作流體缸也基本排空，工作流體大量進(jìn) 入了工作氣體缸的下部。此時(shí)，不但運(yùn)載器總體容積減小，浮力也減小，運(yùn)載器 下沉，而且運(yùn)載器的重心前移，自動(dòng)形成前傾的姿勢(shì)，與傳遞流體活塞聯(lián)動(dòng)的水 平尾翼向斜下方傾角而使運(yùn)載器向前下方滑行，運(yùn)載器進(jìn)入冷水層。
當(dāng)運(yùn)載器在冷水層中運(yùn)行時(shí)，水溫較低，工作流體放熱、開(kāi)始凝固、并收縮體積，使工作流體活塞上抬，內(nèi)膽內(nèi)的傳遞流體經(jīng)第一截止閥進(jìn)入工作流體缸的 下部，工作氣體缸下部的傳遞流體基本排空。當(dāng)運(yùn)載器將上升進(jìn)入溫水層時(shí)，應(yīng) 當(dāng)采取向上的仰角?？刂迫ㄩy的A端與C端相通，工作氣體缸下部的傳遞流體 流入外膽，使外膽體積膨脹，不但運(yùn)載器總體容積增大，運(yùn)載器浮力增大，獲得 向上的升力，而且運(yùn)載器的重心后移，自動(dòng)形成后仰的姿態(tài)，與傳遞流體活塞聯(lián) 動(dòng)的水平尾翼向斜上方向仰起，使運(yùn)載器向斜上方滑行，運(yùn)載器進(jìn)入溫水層。如 此周而復(fù)始，運(yùn)載器持續(xù)以"之"字型向前滑行。運(yùn)載器的烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)也完成了 一個(gè)熱力循環(huán)。
本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型不但能夠有效控制運(yùn)載器的橫滾動(dòng)作而 保證運(yùn)載器內(nèi)部的正常工作條件和必要的運(yùn)行方向控制前提，又能夠保證運(yùn)載器 以正確的水平方向和垂直方向在水中的游弋。它使水下運(yùn)載器本身重心位置的移 動(dòng)能夠主動(dòng)、合理地配合俯仰姿態(tài)的控制和調(diào)整。該裝置取消了水平機(jī)翼，大幅 度降低了水中運(yùn)行的阻力，以明顯提高運(yùn)載器的續(xù)航能力和運(yùn)行效率，在科學(xué)研 究、海洋建設(shè)中都具有積極的意義并將帶來(lái)巨大的便利，在我國(guó)的海洋發(fā)展戰(zhàn)略 中可望取得顯著的社會(huì)效益。

圖1是本實(shí)用新型控制執(zhí)行裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本實(shí)用控制執(zhí)行裝置中的橫滾調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖中，1、工作流體缸，2、工作氣體缸，3、內(nèi)膽，4、外膽，5、工作流體
活塞，6、傳遞流體活塞，7、運(yùn)載器外殼，8、第一截止閥，9、第二截止閥，10、
工作流體腔，11、水平尾翼，12、工作氣體腔，13、垂直尾翼，14、三通閥，15、
橫滾調(diào)節(jié)器，16、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，17、偏心輪。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施做進(jìn)一步的描述。
如圖l、圖2所示，本實(shí)用新型包括烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)、水平尾翼ll、垂直尾翼
13、橫滾調(diào)節(jié)器15和運(yùn)載器外殼7。其中，垸烴發(fā)動(dòng)機(jī)由海洋溫差能驅(qū)動(dòng)，包 括工作流體缸l，工作氣體缸2，內(nèi)膽3，外膽4，工作流體活塞5，傳遞流體活 塞6，第一截止閥8，第二截止閥9,工作流體腔10，工作氣體腔12和三通閥 14;橫滾調(diào)節(jié)器15由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)16和偏心輪17組成。運(yùn)載器外殼7是一流線形的中空殼體。工作流體缸1安置在運(yùn)載器外殼7內(nèi) 的后部，工作氣體缸2安置在運(yùn)載器外殼7內(nèi)的中部，內(nèi)膽3安置在運(yùn)載器外殼 7內(nèi)的前部，外膽4安置在運(yùn)載器外殼7后底部的外面。工作流體活塞5置于工 作流體缸1內(nèi)，傳遞流體活塞6置于工作氣體缸2內(nèi)。在工作流體缸1內(nèi)，工作 流體活塞5上面的部分是工作流體腔10，在工作氣體缸2內(nèi)傳遞流體活塞6上 面的部分是工作氣體腔12。工作流體缸1底部通過(guò)第二截止閥9后分別與工作 氣體缸2的底部和三通閥14的A端連接，工作流體缸1底部還通過(guò)第一截止閥 8與內(nèi)膽3頂部相連。內(nèi)膽3底部與三通閥14的B端相連，外膽4與三通閥14 的C端相連。垂直尾翼13安置在運(yùn)載器外殼7的尾部上方；左右各一個(gè)水平尾 翼11安置在運(yùn)載器外殼7后半部的兩側(cè)。水平尾翼11與傳遞流體活塞6聯(lián)動(dòng)。
工作流體腔10內(nèi)充滿垸烴類化合物。對(duì)不同的海域，溫躍層以上海水層的 溫度是不同的。當(dāng)海水溫度較低時(shí)，采用熔點(diǎn)為l(TC正十五烷或者熔點(diǎn)為16.7 "C正十六烷。當(dāng)運(yùn)載器運(yùn)行海域的海水溫度較高時(shí)，可以采用熔點(diǎn)為21.7'C正 十七垸作為工作流體。工作氣體腔12內(nèi)充滿了氬氣，并使氬氣的壓力比運(yùn)載器 運(yùn)行區(qū)域內(nèi)海水的最高壓力高。工作流體缸1中工作流體活塞5以下的部分、工 作氣體缸2中傳遞流體活塞6以下的部分、內(nèi)膽3和外膽4內(nèi)均充滿了傳遞流體。 傳遞流體采用烙點(diǎn)為-12'C的正十二垸。當(dāng)烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，工作流體作固、 液兩相變換。
當(dāng)運(yùn)載器在溫水層中運(yùn)行時(shí)，水溫較高，工作流體吸熱、熔化、體積膨脹， 向下推動(dòng)工作流體活塞5，將工作流體活塞5下面的傳遞流體經(jīng)第二截止閥9流 入工作氣體缸2的下部，并抬高傳遞流體活塞6，擠壓工作氣體腔12內(nèi)的氣體。 當(dāng)運(yùn)載器將下降進(jìn)入冷水層時(shí)，應(yīng)采取向下的俯角?？刂迫ㄩy14的B端與C 端連通，使外膽4中的傳遞流體流入內(nèi)膽3，外膽4基本排空，工作流體缸1也 基本排空，工作流體大量進(jìn)入了工作氣體缸2的下部。此時(shí)，不但運(yùn)載器總體容 積減小，浮力也減小，運(yùn)載器下沉，而且運(yùn)載器的重心前移，自動(dòng)形成前傾的姿 勢(shì)，與傳遞流體活塞6聯(lián)動(dòng)的水平尾翼11向斜下方傾角而使運(yùn)載器向前下方滑 行，運(yùn)載器進(jìn)入冷水層。
當(dāng)運(yùn)載器在冷水層中運(yùn)行時(shí)，水溫較低，工作流體放熱、開(kāi)始凝固、并收縮 體積，使工作流體活塞5上抬，內(nèi)膽3內(nèi)的傳遞流體經(jīng)第一截止閥8進(jìn)入工作流體缸1的下部，工作氣體缸2下部的傳遞流體基本排空。當(dāng)運(yùn)載器將上升進(jìn)入溫 水層時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取向上的仰角?？刂迫ㄩ?4的A端與C端相通，工作氣體缸 2下部的傳遞流體流入外膽4，使外膽4體積膨脹，不但運(yùn)載器總體容積增大， 運(yùn)載器浮力增大，獲得向上的升力，而且運(yùn)載器的重心后移，自動(dòng)形成后仰的姿 態(tài)，與傳遞流體活塞6聯(lián)動(dòng)的水平尾翼11向斜上方向仰起，使運(yùn)載器向斜上方 滑行，運(yùn)載器進(jìn)入溫水層。如此周而復(fù)始，運(yùn)載器持續(xù)以"之"字型向前滑行。 運(yùn)載器的烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)也完成了一個(gè)熱力循環(huán)。
運(yùn)載器中部的橫滾調(diào)節(jié)器15的運(yùn)動(dòng)部件是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)16和偏心輪17。驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)16能保證偏心輪17以準(zhǔn)確的速度和方位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并固定，使運(yùn)載器的徑向重 心位置達(dá)到正確控制的要求，以滿足橫滾動(dòng)作的準(zhǔn)確完成和姿態(tài)的準(zhǔn)確控制。當(dāng) 運(yùn)載器向左橫滾時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)16帶動(dòng)偏心輪17向右轉(zhuǎn)，使得運(yùn)載器恢復(fù)到水平 狀態(tài)繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)運(yùn)載器向右橫滾時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)16帶動(dòng)偏心輪17向左轉(zhuǎn)，使得 運(yùn)載器恢復(fù)到水平狀態(tài)繼續(xù)前進(jìn)。
權(quán)利要求1. 一種水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制的執(zhí)行裝置，包括烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)、水平尾翼(11)、垂直尾翼(13)、橫滾調(diào)節(jié)器(15)和運(yùn)載器外殼(7)五部分，其中，烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)由海洋溫差能驅(qū)動(dòng)，包括工作流體缸(1)，工作氣體缸(2)，內(nèi)膽(3)，外膽(4)，工作流體活塞(5)，傳遞流體活塞(6)，A截止閥(8)，B截止閥(9)，工作流體腔(10)，工作氣體腔(12)和三通閥(14)；橫滾調(diào)節(jié)器(15)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(16)和偏心輪(17)組成；其特征在于運(yùn)載器外殼(7)是一流線形中空殼體，工作流體缸(1)安置在運(yùn)載器外殼(7)內(nèi)的后部，工作氣體缸(2)安置在運(yùn)載器外殼(7)內(nèi)的中部，內(nèi)膽(3)安置在運(yùn)載器外殼(7)內(nèi)的前部，外膽(4)安置在運(yùn)載器外殼(7)后底部的外面；工作流體活塞(5)置于工作流體缸(1)內(nèi)，傳遞流體活塞(6)置于工作氣體缸(2)內(nèi)；在工作流體缸(1)內(nèi)，工作流體活塞(5)上面的部分是工作流體腔(10)，在工作氣體缸(2)內(nèi)傳遞流體活塞(6)上面的部分是工作氣體腔(12)；工作流體缸(1)底部通過(guò)第二截止閥(9)后分別與工作氣體缸(2)的底部和三通閥(14)的A端連接，工作流體缸(1)底部還通過(guò)第一截止閥(8)與內(nèi)膽(3)頂部相連；內(nèi)膽(3)底部與三通閥(14)的B端相連，外膽(4)與三通閥(14)的C端相連；垂直尾翼(13)安置在運(yùn)載器外殼(7)的尾部上方；左右各一個(gè)水平尾翼(11)安置在運(yùn)載器外殼(7)前半部的兩側(cè)；水平尾翼(11)與傳遞流體活塞(6)聯(lián)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制的執(zhí)行裝置，其特征 是所述的工作流體腔(10)內(nèi)充滿熔點(diǎn)為l(TC正十五烷或熔點(diǎn)為16.7'C正十六 烷或熔點(diǎn)為21. 7'C正十七垸的烷烴類化合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制的執(zhí)行裝置，其特征 是所述的工作氣體腔(12)內(nèi)充滿了氬氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制的執(zhí)行裝置，其特征 是所述的工作流體缸(1)中工作流體活塞(5)以下的部分、工作氣體缸(2) 中傳遞流體活塞(6)以下的部分、內(nèi)膽(3)和外膽(4)內(nèi)均充滿了熔點(diǎn)為-12 'C的正十二烷作為傳遞流體。
專利摘要水下運(yùn)載器升沉和姿態(tài)控制的執(zhí)行裝置屬于船舶海洋工程技術(shù)領(lǐng)域中的水下居住或作業(yè)設(shè)備。包括烷烴發(fā)動(dòng)機(jī)，水平尾翼，垂直尾翼、橫滾調(diào)節(jié)器和運(yùn)載器外殼。當(dāng)運(yùn)載器在溫水層中運(yùn)行時(shí)，工作流體吸熱、熔化、體積膨脹，通過(guò)工作流體活塞使外膽中的傳遞流體流入內(nèi)膽，運(yùn)載器容積減小，浮力減小而下沉，重心前移，前傾進(jìn)入冷水層時(shí)，工作流體放熱、凝固、體積收縮，通過(guò)工作流體活塞使內(nèi)膽中的傳遞流體流入外膽，運(yùn)載器容積增大，浮力增大而上升，重心后移，后仰進(jìn)入溫水層，如此周而復(fù)始，潛水器持續(xù)以“之”字型向前滑行；橫滾調(diào)節(jié)器進(jìn)行橫滾控制而保證運(yùn)載器以正確的水平方向和垂直方向在水中的游弋，可望在我國(guó)的海洋發(fā)展戰(zhàn)略中獲得顯著社會(huì)效益。
文檔編號(hào)B63G8/00GK201313626SQ20082015785
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者劉曉偉, 夏冬鶯, 捷 馬 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)