一种空投型水下航行器的制作方法

本发明涉及水下航行器，具体涉及一种空投型水下航行器。

背景技术：

1、自主水下航行器，尤其是具有较小的体积重量的空投型水下航行器，作为各类探测或采集装备的重要载体工具，在探索和开发海洋的过程中，发挥着越来越重要的作用。

2、对于水下航行器来说，带载能力是一项重要指标，一般来说，自主水下航行器的重量和浮力需基本一致，才能保证其在水下工作时具备良好的操纵性，以完成预设定任务。但自主水下航行器往往受到带载能力的要求以及发射或布放接口的限制条件，相应尺度下产生的浮力往往无法达到载荷所需的浮力要求。因此为实现更高的搭载需求，一般来说有两种方式，一是额外加装浮力材料或水下充气气囊的方式以提高其带载能力，但会造成其流体外形，导致航行阻力的增加，仅适用于超低速航行的水下航行器，二是采用大尺度机翼产生的升力来平衡水中的剩余重量，但需航行器达到较高的航行速度。

3、为提高水下航行器的带载能力，在初始布放接口尺寸不变的前提下，设计一种能够实现设备入水后可伸长的、带载能力获得提升的水下航行器，具有重要的意义。

4、可伸长的空投型水下航行器由飞机投下水下进行作业时，需等到航行进入水下之后进行推进器的加电，且在航行器的水下姿态稳定后，进行航位推算和控制，该过程主要存在以下问题：

5、首先，空投入水后的瞬时，航行器伸长，此时航行器姿态俯仰变化较大，此时，对推进器加电时间不可过早，如果过早，航行器俯仰较大，头部向下，对控制不利，当海域深度较浅，可能使航行器触碰海底。对推进器加电时间也不能太晚，若太晚，在正浮力作用下，航行器很可能已经浮出水面，影响后续控制和任务的完成；

6、其次，空投型水下航行器在空投时刻需设定入水位置，实际上由于飞机运动、风的影响等，入水点可能并不是该设定点，入水后到航行器的开始航位推算前，航行器由于自身入水冲击、水流、初始时段的加电运动等，会产生一定的空间位移，在水下航行器导航控制中，对该段时间航行器的位移获取精度较低。

7、此外，由于航行器的载荷在不同深度下的体积会受到水压的影响，因此需采用补气装置，现有的补气装置大多采用电动式换能器，其具有超低频、宽带、小尺寸、轻质量等特点，其工作时，采用一个天然橡胶制成的气囊置于换能器尾部，其内部预置一定压力的空气。电动式换能器位于某一深度时，气囊在静水压力的作用下压缩，内部空气被压缩的体积由外部的水进行补偿。因此电动式换能器的最大工作深度由振子内部的气隙体积和尾部气囊的体积确定，振子内气隙越小，尾部气囊内的空气体积越大，换能器的工作深度越大。

8、换能器通过尾部加气囊的方式，可以被动的对电动式换能器进行压力补偿，这种方式的缺点是，振子内部气隙减小到一定程度无法继续优化，随着工作深度的增加(比如深度为水下200米)，只能增加气囊体积，但气囊体积的增大，会造成电动式换能器很难适配小型水下平台，限制其的应用范围。

9、目前还有对电动式换能器气囊进行主动补偿的方式，比如通过高压气瓶补偿的方式，该方式的特点为补偿精度差，同时要实现气源循环使用，需要采用高压气体压缩机、阀门等将气体反复压缩至高压气瓶(≥4mpa)内，整个设备体积、重量、功耗均消耗较大。

10、最后，空投型水下航行器的载荷，推进器，通信天线，定位天线，补气装置，各种传感器等组件均需由电池组模块进行供电，常用的电池组模块包括二次电池、原电池、燃料电池等，为满足其航时需求，需要尽可能提高其质量比能量，同时做好成组后电源系统的散热设计。

11、由于水下航行器电源系统长时间工作于密闭环境，散热方式受到限制，需要在散热效果和航行器资源间做出取舍。常见的主动散热方式中，因航行器整体密闭且空气热导率低，空气冷却不适合用于水下散热；若采用液冷设计(包括热管+液冷设计)，则冷却循环系统本身复杂程度高，难以在狭小空间布置循环管路，并且液冷工作介质存在泄漏风险，影响到航行器整体的可靠性。电池组热耗在中低水平的情况下仍以被动散热方式为主。

12、通常的被动散热设计以高导热、绝缘的导热填隙材料填充电池与散热板、外壳之间的间隙，对热量传递路径未做优化，影响水下航行器的续航。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种空投型水下航行器，其包括中间段及连接于中间段两端的头段和尾段，其中所述中间段为由套接的前伸长段与后伸长段可伸长段组成的可伸长段；中间段内设置有伸长驱动模块、电控模块、电池组模块；头段内设置有气体补偿装置。

2、进一步地，所述伸长驱动模块包括：

3、气瓶与电启动器；所述电启动器为套接于气瓶瓶口、内装有气体发生剂的小型气体发生器；气瓶的瓶口处设置有可刺破瓶塞，电启动器设置有与可刺破瓶塞接触的尖刺部，以及设置于尖刺部后方的回缩拉簧；

4、滑动连接于前伸段与后伸长段的锁定楔组件；所述锁定楔组件包括安装槽及固定连接于安装槽内的限位钉和顶出弹簧；限位钉外侧安装有锁定楔，锁定楔设置有具有高度差的第一端面和第二端面，顶出弹簧的上端部与锁定楔接触连接；限位钉为t型结构，当锁定楔的第一端面受压使顶出弹簧为压缩状态时，t型结构的上端面位于锁定楔的第一端面和第二端面之间；当锁定楔的第一端面被释放时，t型结构的上端面与锁定楔的第二端面接触，对锁定楔进行限位。

5、进一步地，所述电控模块包括：

6、检测航行器姿态的mems姿态测量模块；对航行器入水前的位置进行定位的卫星定位模块；对航行器进行入水检测、推进器加电条件判断、稳定初始位置推算、航位推算、航行器姿态控制的中央控制模块。

7、进一步地，所述电池组模块包括：

8、水密外壳；整体为管状结构，内周侧的前后两端分别对称设置有一对固定凸起；

9、电池支架；嵌入所述水密外壳内；包括顶板、至少两块等间距设置在所述顶板下表面的d字型的翅片和两块对称设置在所述顶板上表面两侧的限位板；所述固定凸起与所述限位板相互配合防止所述电池支架沿圆周方向滚动；

10、挡板；共两块，分别设置在所述限位板的前后两端，与所述固定凸起相互配合防止所述电池支架沿轴向滑动；

11、电池片；整体呈d字型，两侧均设置有石墨涂层金属箔，设置在相邻两块翅片之间，相邻两块电池片之间设置有导热软垫；

12、电池支架盖；设置在所述电池支架底部。

13、进一步地，所述气体补偿装置包括：

14、气囊组件；包括柔性气囊及用于检测柔性气囊状态的气囊形变传感器以及安装于柔性气囊内的电动式换能器；

15、充气组件；包括驱动电机、减速齿轮、往复滑块、导轨、柔性活塞和微型气缸；所述驱动电机带动减速齿轮转动；所述往复滑块沿着导轨往复运动，往复滑块的上设置有连接凹槽；减速齿轮的端面上设置有圆柱凸起，圆柱凸起与连接凹槽配合连接；柔性活塞设置在往复滑块的一端，柔性活塞在往复滑块的带动下在微型气缸内移动；微型气缸通过泄压组件给柔性气囊供气；

16、泄压组件；包括直线舵机、密封堵头和三通接头；所述三通接头上设置有堵头槽、通道一和通道二，所述通道一和通道二都与堵头槽连通，通道一连接到微型气缸，通道二连接到柔性气囊；密封堵头设置在直线舵机的一端，直线舵机带动密封堵头在堵头槽内上、中、下三个位置移动。

17、优选的方案中，头段包括载荷一段及头段舱，头段舱内安装有用于检测航行器是否入水及入水深度的入水及深度检测传感器。

18、优选的方案中，头段安装有可分离的通信天线，所述通信天线包括通信模组及安装于通信模组下方的回收气囊，所述通信模组通过锁定线与头段的舱体连接，锁定线上设置有可熔断的加热丝。

19、优选的方案中，尾段包括载荷二段、动力段及螺旋桨组件，动力段内设置有推进器，动力段设置有方向舵安装接口，包括垂直舵、水平舵的方向舵通过方向舵安装接口安装于动力段上。

20、优选的方案中，其包括若干以背对背方式设置在航行器不同位置上的定位天线一、定位天线二，所述定位天线一、定位天线二沿航行器纵轴对称均匀分布，当航行器垂直下落时，定位天线一、定位天线二指向天空并接收不同的方向的卫星信号。

21、空投型水下航行器的控制方法，其包括如下的步骤：

22、s1、卫星定位模块接收若干定位天线一、定位天线二的信号，对航行器进行入水前位置定位；

23、s2、推进器加电控制：中央控制模块通过入水及深度检测传感器实时检测航行器的入水状态，中央控制模块实时采集mems姿态测量模块检测的航行器的横滚角和俯仰角数据，并与设定的阈值区间比较；当航行器进入入水状态，且同时横滚角和俯仰角均落入阈值区间，中央控制模块控制推进器加电；

24、s3、稳定初始位置控制：中央控制模块设置入水后经过时间h的时刻t0为航行器的稳定初始位置，根据采集的卫星定位模块定位的入水初始位置，以及积分推算航行器运动到t0时刻的空间轨迹，确定航行器的稳定实始位置；具体过程包括：中央控制模块在入水时刻采集卫星定位模块给出的航行器位置和速度后，立即开展惯性积分计算，确定航行器在时间h内的空间轨迹及t0时刻航行器的稳定初始位置；

25、s4、气体补偿控制：当航行器处于水下航行状态，由深度为h1向深度为h2工作环境过渡，且h1小于h2时，柔性气囊受到外界水压压缩，柔性气囊带动连接杆、螺杆向右移动，此时应力传感器数值接近零值，充气组件开始工作，柔性气囊内的压力开始增加，当柔性气囊处于饱满状态时，会推动连接盖以及弹簧对密封连接杆产生作用，应力传感器产生数值，根据传感器数值，判断柔性气囊是否达到饱满状态，如果满足条件，则停止充气；

26、当航行器由深度为h2向深度为h1工作环境过渡时，外界水压下降，柔性气囊开始膨胀，根据应力传感器的数值，泄压阀开始工作，进行排气，当传感器数值接近零值时，表明柔性气囊接近初始状态，则停止泄压；

27、当航行器由深度为h2向深度为h3工作环境过渡，且h2小于h3时，如果充气组件的驱动电机出现启动困难，则根据驱动电机工作状态，泄压阀组件配合泄压，保证驱动电机可靠启动。

28、本发明所达到的有益效果为：

29、第一、本发明的空投型水下航行器设置了可进行伸长的中间段，利用气瓶和电启动器作为伸长的驱动装置，伸长过程迅速且易控制，达到水下环境中稳定的伸长效果，航行器中间段伸长后，提升了自主水下航行器入水后的浮力，具备更强的载荷搭载能力，提升了单次航行可完成的目标任务数量。

30、第二、本发明在前伸长段和后伸长段均设置了锁定楔组件，当航行器伸长时，前伸长段和后伸长段解除了对锁定楔第一端面的限制，锁定楔弹出，并由限位钉对锁定楔进行限位，使航行器保持在稳定的伸长状态，提升了航行器运行时的稳定性。

31、第三、本发明在航行器内部设置了mems姿态测量模块，航行器空投入水前和投水下之后，该模块实时不断检测航行器的横滚角和俯仰角，航行器入水后经历了竖直、侧倾、水平等过程，并伴有较大的姿态震荡，期间横滚和俯仰都变化极大。本发明一方面不断检测mems姿态测量模块给出的横滚角和俯仰角，另一方面不断检测入水传感器给出的入水状态，当检测到航行器入水，且横滚角和俯仰角同时满足设定的阈值区间，给推进器加电，航行器开始受控运动，可有效避免航行器触碰海底或冲出水面，保障航行器安全稳定运行；

32、第四、本发明在航行器本体上沿纵轴对称均匀分布加装有多天线，当航行器垂直下落时，天线指向天空并接收不同的方向的卫星信号，可有效对航行器进行入水前定位，为航行器提供高精度的入水点位置信息。

33、第五、本发明根据mems姿态测量模块参数设定了满足航行器完成入水姿态调整、推进器加电和航向调整的时间h，入水后h时间内，航向姿态测量系统进行积分计算，获得入水后的航行轨迹，该过程实现了对入水初始位置的修正，能够获得更精确的稳定初始位置。

34、第六、本发明设置了气体补偿装置，通过充气组件、泄压组件、气囊组件共同作用，为水下气囊进行补偿操作，泄压组件在适当工况可通过泄压操作为充气组件电机高压启动工况提供临时泄压，可保证驱动电机正常启动；通过电机、减速器、往复滑块、柔性活塞头、微型气缸装置，在体积小、重量轻的情况下，实现单缸高压力充气，通过将气囊的形变状态，转换为舱内应力传感器的信号，消除了外界水压的影响，实现了水下气囊压力与形变的监测。

35、第七、本发明设计了电池组模块，其电池、电池架针对水下航行器外形做适应性异形设计，使电池组更有效地利用了水下航行器内空间。电池组安装后径向平面内与水下航行器外壳接近贴合，增大其与外壳的接触面积，提高热传导效率。异形电池片的径向平面的热传导路径长，散热效率低，所以在电池平面贴装石墨涂层金属箔增强传导。石墨涂层内导热率高于金属支架，利于改善电池径向散热；石墨涂层金属箔改善了电池片的径向温均性，提高了电池的工作性能。每片电池片双面贴装石墨涂层金属箔，且金属箔贴紧电池支架盖，电池片并行冷却，同样可以提高散热效率，改善电池片的温均性。石墨涂层金属箔厚度薄，同样散热能力下，电池组整体的质量比能量高。电池支架、电池支架盖与外壳的间隙以及电池片与电池支架的间隙填充导热灌封胶，在填充缝隙改善导热的同时，简化了紧固结构，使电池组具备一定的抗冲击能力。电池组的重心低于圆柱形外壳的中心轴线，即低于浮心，更利于水下航行器的姿态控制。