“远游”滑翔机是用于海洋水文数据采集的水下移动观察平台，其具有长航程、低成本、实时数据采集等优点。它最早由浮标演变而来，主要用于海洋环境测量，并具有军事应用价值[1]。远游系列滑翔机可搭载水中重量2kg以内的测量仪器，能够在600米水深以0.7kn速度实现海洋水文数据采集。目前，国外已有较成熟的且用于海洋探测的滑翔机。主要包括：Slocum、Seaglider、Sray[2-6]。中国船舶科学研究中心对水下滑翔机的水动力性能及姿态优化进行了研究[7]。西北工业大学建立了水下滑翔机动力学模型并对其进行了仿真研究[8]。天津大学对水下滑翔机的运动建模及分析，优化设计参数并进行运动性能研究[9-10]。张宏伟、武建国等对水下滑翔机的浮力驱动布局和效率分别作了详细研究[11-12]。总体来说滑翔机浮力变化的实现原理基本一致，都是通过改变滑翔机的排水体积，在配合姿态调整系统等实现下潜和上浮。其中Seaglider和Spray的浮力调节系统位于滑翔机的艉部，而Slocum的浮力调节系统位于设备艏部。上述三种滑翔机的浮力调节均采用液压泵的形式实现，其控制精度较差、结构复杂，且对液压泵的性能要求较高。本文设计开发了一种轴向柱塞形式的浮力泵，能够更好的实现吸排油的控制，并通过大量内外场试验验证了该方案的可行性。二、系统设计开发⒈ 柱塞泵与液压泵对比分析如前文所述，Seaglider、Spray、Slocum三种典型滑翔机采用液压泵的形式实现浮力调节。这种方式需要液压泵、电磁阀、流量计、内油囊、外油囊等多种零部件的配合才能实现浮力调节功能。该方式有如下缺点：①为实现较高精度的浮力变化量统计，需要高精度流量计，一方面成本昂贵，另一方面存在累计误差，需要定期标定；②液压泵存在气蚀现象，如果油路中存在气体，长时间高压环境下运行后会造成效率严重下降；③系统中零部件多，结构复杂，控制难度大。本文设计的柱塞泵采用活塞原理，可以实现高精度浮力变化量统计、避免气蚀，同时结构简单，便于生成和后期维护。⒉柱塞泵结构设计由运动活塞原理，设计了一种轴向柱塞浮力泵，采用滚珠丝杠和驱动机构结合的方式，通过滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为活塞的直线运动。如图1所示：图1 远游滑翔机浮力泵结构简图如图所示，模块中的直流电机通过齿轮传动带动丝杠螺母转动，再通过销轴限制丝杠螺杆的转动，从而实现了丝杠螺杆的直线运动。将带有动密封的活塞与丝杠螺杆的一端连接，通过活塞的往复运动最终完成了滑翔机整体密封体积的变化。根据浮力和重力关系，浮力变化量一般为排水量的1%～2%之间，再参考Slocum和Seaglider的设计参数，将浮力泵的调节量初选为900ml。故选取活塞缸半径r=45mm，有效长度L=150mm，则体积：V＝πr2L/10-6＝3.14×452L/10-6＝0.953L ⑴满足初步设计要求。按照滑翔机下潜1000米水深进行受力分析，则所受压强P近似等于10Mpa，故活塞所受轴向力为：F＝πr2•P＝3.14×452×10＝63585N ⑵根据滚珠丝杠计算公式：T＝0.05(tanβ）-0.5 •(F •γ)/2π ⑶式中T为滚珠丝杠的驱动转矩，单位为kgf•cm；β为导程角； F为丝杠轴向载荷,单位为kgf；γ为丝杠导程，单位为cm。由图1 可知活塞所受的轴向力即为丝杠的轴向载荷。本文选取SFV2506-4.8右旋滚珠丝杠，查询丝杠参数，并将公式⑵带入式⑶得：T＝63947.6Nmm即驱动活塞往复运动时所需的转矩。通过该转矩选取所需的电机以及验证丝杠导轨的屈服强度。⒊ 关键零部件的仿真计算本文通过Workbench对浮力泵的活塞缸进行10MPa压强有限元仿真，见图2。 图2 活塞缸的应变强度仿真通过Workbench仿真结果可知，活塞缸壁厚选取6mm时能够满足应力应变要求。通过活塞所受轴向载荷验证推力轴承和角接触轴承是否符合强度和寿命要求，最后再校核传动齿轮是否满足设计要求，以及丝杠导轨处的滑块是否会发生压溃失效，这里由于篇幅有限不再详细介绍。三、模块内场测试⒈ 测试方法根据海洋设备的测试要求，内场测试主要验证该模块的密封强度和疲劳强度性能。密封强度主要是用来检验设备容器在特定压力时是否出现泄露或渗漏，以保证设备在深海正常工作。 疲劳强度主要是测试设备壳体在交变载荷的作用下是否出现疲劳破坏（机械零件的破坏50%～90%为疲劳破坏）。海洋设备的内场测试主要包括恒定压力载荷测试、波段压力载荷测试、交变压力载荷测试、极限压力测试、模拟压力载荷测试，本文主要进行了模拟压力载荷测试，该测试是模拟设备部件在实际工作情况下（即工作压力）运行。见图3。图3 浮力调节系统的内场测试照片如图3所示，通过自动打压泵给活塞缸施加7.2MPa的压力，之后再控制活塞往复运动，实现远游滑翔机运动的模拟载荷测试。⒉ 测试结果本文采用自制的测试系统对浮力调节系统进行了模拟压力载荷测试，测试数据见图4。图4 内场模拟测试的压力和电流值通过图4可知，本文对远游滑翔机进行了400个剖面的测试，在理想状态下大概相当于水平1000公里的距离。测试结果表明，该系统中零部件均满足密封和结构强度的设计要求。四、整机近海试验⒈ 搭载航行试验远游滑翔机搭载该浮力调节系统进行近海试验，通过不同的体积变化量优化其在水中的航行状态，再通过姿态调整系统实现转向和姿态微调。根据海水密度和淡水密度的差值，在设备内部添加2kg配重，之后将浮力泵的位置设置到中间位置，利用姿态调整系统使远游滑翔机在水面处于水平状态，之后运行艉部的气泵系统，待天线高出水面进行铱星通讯测试。之后通过增加和减少浮力泵的排水体积实现远游滑翔机的上浮和下潜运动。⒉ 航行试验根据国外滑翔机的应用案例，规划了近海测试的路径轨迹，见图5。（a）运行轨迹（b）滑翔机下潜深度、温度和姿态 （c）试验区温度、盐度和深度 图5 远游滑翔机运行轨迹示意图如图5(a)所示，红色线框为预定轨迹，黑色点线为远游滑翔机的实际运行轨迹。由于海流的影响实际航行轨迹与预定轨迹有一些偏差，但整体运行状态良好，符合试验预期。图5(b)中白色线条为远游滑翔机的下潜深度，红色线条为海洋剖面的温度值，绿色线条为远游滑翔机的姿态。图5(c)中红色线条为试验区域CTD测量盐度值，黑色线条为温度值，左侧坐标为下潜深度值。由数据可知，在0～50m时，盐度值在33.6～33.0之间。在50～120m时，盐度随深度的增加由33.0增加到34.4左右。在120～550m之间，随着深度增加盐度值没有明显变化。五、结束语为了实现远游滑翔机600m水深的有效下潜和上浮，并提高其有效搭载能力，本文设计开发了一种轴向柱塞浮力泵，并对该系统进行了内场模拟压力载荷测和近海航行试验。⑴根据理论计算和仿真计算结果，运用正向设计理念设计出了一套浮力调节系统，计算结果满足设计要求。⑵通过内场测试得知，该浮力调节系统工作在600m水深满足密封强度和结构强度要求，并且其900ml的调节量也符合功能要求。⑶该浮力调节系统能够精确控制体积变化量，再配合姿态调整系统实现了远游滑翔机的数据采集，通过对比试验数据和理论数据验证了航行的可靠性。参考文献：[1]RUDNICK D L,DAVIS R E,ERIKSEN C C,etal.Underwater glider for ocean research[J].Marine Technology socirty Journal,2004,38(1):48-59.[2]WEBB D C,SIMONETTI P J,JONES C P.SLO-CUM:An underwater glider propelled by environmental energy[J].IEEE J.Oceanic engineering,2001,26(4):47-452.[3]PARSONS J S.GOODSON R E.GOLDSCHMIED F R.Shaping ofaxisymmetric bodies for minimum drag in incompressible flow[J].J.Hydronautics,1974.8(3):100-107.[4]SHERMSN J,DAVIS R E,OWENS W B.et al.The autonomous underwarter glider“spray”[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4):437-446.[5]GRAVERJ,LIU J.WOOLSEY C.Design and analysis of an underwater vehicle for controlled glidering[C].Conference on Information sciences and systems(CISS). Princcton .March 1998.[6]LEONARD N E,GRAVER J G.Model-based feedback control of autonomous underwater glider[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4):663-645.[7]马冬梅,马峥,张华等.水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究[J].水动力学研究与进展.2007,22(6):703-708.[8]阚雷,张宇文,范辉等.浮力驱动式水下滑翔机运动仿真[J].计算机工程与应用.2007,43(18):199-201.[9]王树新,李晓平,王延辉等.水下滑翔器的运动建模及分析[J].海洋技术.2005,24(1)：5-9.[10]王延辉,张宏伟,陈超英.水下滑翔器设计参数与运动性能分析[J].天津大学学报.2009,42(9)：845-850.[11]张宏伟,李智,王延辉等.水下滑翔器浮力驱动机构布局分析[J].海洋技术.2009,28(1):1-3.[12]武建国,陈英超,王延辉等.水下滑翔器浮力驱效率分析[J].机械工程学报.2009,45(4):172-176.