2022, Vol. 44
2. 中国船舶集团有限公司第七二二研究所, 湖北 武汉 430025
2. The 722 Research Institute of CSSC, Wuhan 430025, China
随着人类对海洋资源的不断研究和开发，水下航行器孕育而出，水下航行器作为水下观察和海洋探测的潜水和设备搭载装置，在水下作业和研究领域起着十分重要的作用[1-3]。自20世纪50年代开始，国内外都对水下航行器进行了摸索、研究和开发设计，如外观设计、制造材料选择、动力系统研发等。由于水下航行器在军事和民用有着广泛的需求，各种各样适用于不同场合的水下航行器被开发出来，并且逐步产品化，如国外的Seaglider，SeaExplorer，Spray和国内的“海燕”号和“海翼”号等[4]。美国的ALVIN号采用可调压载浮力调节装置和日本URASHIMA AUV采用可变体积浮力调节装置，并且试验成功之后，形成了现在浮力调节的2种主要方式：可变体积式和可调压载式[5-6]。现行的水下航行器大部分采用电机—油泵或推进器形式的驱动方式，不可避免的存在线圈和永磁体，其磁场会对天线水下收信试验的无磁环境产生干扰，因此研制一套无磁式气动浮力调节系统，用于水下试验平台的运动控制。
1 浮力调节系统原理浮力调节主要有2种方式：一种是改变自身重力，称为可调压载式；一种是改变排水体积，称为可变体积式。在根本原理上，2种方式都是通过改变水下航行器受到的净浮力大小来实现下沉和上浮的运动控制[7-8]。
采用可变体积式浮力调节系统，通过改变气囊体积改变整机排水体积，从而改变水下试验平台所受到的浮力。水下试验平台在水中运动受到的合外力为[9]：
| $ F = {F_h} + {F_b} + G，$ | (1) |
式中：
当水下实验平台在稳定位置时，所受重力和浮力相等。由式（3）可知，改变气囊体积可以改变浮力大小。
| $ {F_b} = G，$ | (2) |
| $ {F_b} = \rho gV = \rho g({V'} + {V''})，$ | (3) |
式中：
水下试验平台主要运动为垂向运动，对横向运动不关注。由牛顿第二定律，试验平台在升沉方向的运力学微分方程为：
| $ mg - \rho g({V_c} - {C_v}x + V(t)) - \text{sign}(v){C_q}\mathop {{x^2}}\limits^ \cdot = m\mathop x\limits^ \cdot。$ | (4) |
式中：
由于水下试验平台搭载的海洋探测磁性天线对磁场有着极高的要求，故采用压电陶瓷阀为控制元件，代替常用的电磁换向阀，该压电陶瓷阀为锥阀，使用压电陶瓷促动器做为该阀的阀芯。气动浮力调节原理如图1所示。内部气瓶密封在压载舱内，外部气囊裸露在外部海水中。当需要试验平台上浮时，进气阀开启，排气阀关闭，气囊充气膨胀体积变大，浮力大于重力，试验平台上浮；当需要试验平台下沉时，进气阀关闭，排气阀开启，气囊排气收缩体积变小，浮力小于重力，试验平台下沉；当需要试验平台保持稳定浮力时，进气阀排气阀均关闭，气囊体积不变，试验平台所受浮力维持不变。
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图 1 气动浮力调节原理图 Fig. 1 Schematic diagram of pneumatic buoyancy regulation |
利用AMESim软件中的专用气压仿真模块对气动浮力调节系统进行建模仿真。仿真模型应与真实模型相对应，采用二位二通电磁换向阀来模拟压电进排气阀；采用理想压力源来模拟气瓶和海水压力[10]；采用蓄能器来模拟试验平台耐压舱[11]；采用质量块的一维运动来模拟试验平台的上浮和下潜。采用PCD库中的单出杆气压缸来模拟气囊[12]，仿真模型如图2所示，主要元件参数设置如表1所示。
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图 2 浮力调节系统仿真框图 Fig. 2 Simulation block diagram of buoyancy regulation system |
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表 1 参数设置 Tab.1 Parameter setting |
其中气囊的体积变化受气囊保护罩，气囊顶托和底托的限制，只能轴向膨胀，径向形变受限，如图3所示。气囊在自由状态下，气囊受弹簧压缩至最小体积。该最小体积为气囊的死区体积，在AMESim中可以用元件1来设定。气囊充放气时体积膨胀和收缩，该体积变化量可以用元件2来设定。利用元件3来设定气囊体积变化时，气囊组件中的摩擦力，同时可以设定气囊的行程限位。气囊排气依靠自身弹性，弹簧力和外界压力，可以用元件4来模拟气囊排气过程中的受力情况，如图4所示。
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图 3 气囊组件示意图 Fig. 3 Schematic diagram of airbag module |
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图 4 气囊仿真图 Fig. 4 Airbag simulation diagram |
仿真时间600 s，仿真间隔1 s，设定期望深度为10 m，定深悬浮300 s。试验平台受重力下沉，当深度大于10 m，进气阀开，气囊进气膨胀体积变大，浮力增大，当浮力大于重力，试验平台上浮；当深度小于10 m，进气阀关，排气阀开，气囊排气收缩体积变小，浮力减小，当浮力小于重力，试验平台下沉。
如图5所示，试验平台在165 s下沉到最大深度10.34 m，之后稳定调节在10 m左右，定深悬浮295 s后开始上浮，下潜深度相对误差为0.34%，定深时间相对误差为1.6%，定深悬浮效果良好。
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图 5 水下试验平台深度-时间仿真曲线 Fig. 5 Depth-time simulation curve of underwater experimental platform |
如图6所示，在外界水压0.1 MPa左右时，气囊压力变化稳定，进排气阀动作稳定可靠，控制气囊压力变化不超过其最大耐压0.5 MPa。
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图 6 气囊压力-时间仿真曲线 Fig. 6 Airbag pressure-time simulation curve |
由于气囊排气经排气阀至水下实验平台舱内，舱内气体再经过单向阀排出舱外。单向阀设置开启压力为0.05 MPa，在单向阀达到开启压力之前，舱内不断积累气体，压力升高，如图7所示。气囊排气量逐渐减少，气囊排气结束压力逐渐升高。由于水下试验平台定深10 m，外界水压一直在0.1 MPa左右，单向阀不开启，直到舱内压力和外界水压压差大于0.05 MPa时开启，舱内气体排出，如图8所示。
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图 7 水下试验平台舱内压力-时间仿真曲线 Fig. 7 Pressure-time simulation curve of underwater experimental platform |
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图 8 单向阀流量-时间仿真曲线 Fig. 8 Flow-time simulation curve of check valve |
海洋试验在南海进行，浮力调节系统设计完成实验平台水下期望定深10 m，定深悬浮时长300 s，相对安全压力0.15 MPa。
如图9和图10所示，深度最大误差为0.66 m，其最大相对误差为6.6%，定深时间相对误差为16.09%。在完成定深悬浮即450 s后水下试验平台开始上浮，实际运动闭环控制策略是保证气囊安全压力为相对水深压力压差不超过0.15 MPa，如图11所示。在上浮阶段，水深压力不断在减小，所以气囊压力在减小，但是气囊体积不变，如图12所示，所以水下试验平台受到的浮力不变。同时由于海浪力，试验平台运动存在较明显的波动。
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图 9 水下试验平台深度-时间仿真/试验曲线 Fig. 9 Depth-time simulation/test curve of underwater platform |
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图 10 气囊压力-时间仿真/试验曲线 Fig. 10 Airbag pressure-time simulation/test curve |
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图 11 气囊相对安全压力-时间试验曲线 Fig. 11 Relative safety pressure-time test curve of airbag |
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图 12 气囊体积-时间试验曲线 Fig. 12 volume-time test curve of airbag |
针对搭载磁性天线的水下试验平台，考虑避免磁场干扰和水下定深悬浮的设计要求，提出了无磁式水下气动浮力调节系统设计方案，用于水下试验平台的运动控制。通过对水下试验平台运动过程的受力分析，建立运动模型，基于AMESim环境建立模型并进行仿真分析，确定了浮力调节系统的关键设计参数，从而为实际系统的调试提供了理论性的指导，同时发现排气经试验平台舱体再排出舱外，会影响气囊的调节性能。通过海洋试验验证，结果表明：浮力调节系统响应稳定，水下试验平台实现水下上浮，下沉和定深悬浮，并且悬浮最大深度误差为0.66 m，关键参数均满足设计目标，验证了无磁式气动浮力调节系统设计方案的可行性。
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