0 引　言

水下滑翔机以锯齿形轨迹完成周期性上浮和下潜任务，实现对海洋环境的三维立体化观测。其具有噪声低、能耗少、航程远等优点，广泛应用于温跃层探测、海洋环境监测等任务。

传统的滑翔机，主要是回转体构型、水平翼组合的结构形式，滑翔效率低下。国外率先将翼身融合的概念引入到水下滑翔机领域，先后研究出了Xray和二代Zray翼身融合的滑翔机，其中二代Zray滑翔机，水动力性能优越，升阻比可以达到35。国内对翼身融合水下滑翔机的研究起步较晚，孙春亚^[1]提出类椭圆形结构的翼身融合构型。王振宇^[2]采用仿生蝠鲼外形，布置了内部的结构和元器件。李哗等^[3]完成了“科星”-3飞翼式水下滑翔机样机的设计与水池实验，为未来的理论研究提供了有利的数据支撑。

为提高升阻比，提升水下滑翔机的滑翔性能，本文设计一款高升阻比的翼身融合型的水下滑翔机。针对设计目标，设计了一款带有翼梢小翼的类椭圆型结构形式的水动力外壳，为进一步增加升阻比和机动性能，增加了襟翼结构和升降翼装置。基于模块化设计思路，分舱设计滑翔机的功能实现模块，并对耐压舱室进行了结构强度和稳定性分析，为后续滑翔机实物的研制提供理论指导。

1 水下滑翔机设计目标及方法 1.1 设计目标

翼身融合型水下滑翔机的设计目标如下：

1） 工作水深≥500 m；

2） 滑翔速度≥1 kn，可以实现滑翔运动和空间螺旋运动；

3） 具有高升阻比特性及良好的机动性能；

4） 可搭载多种传感器，装载能力≥3 kg。

1.2 设计思路

根据设计目标，设计水下滑翔机的水动力外形，包括滑翔机本体、翼梢小翼、襟翼结构、升降翼结构、尾翼结构，并且基于模块化设计思路，分舱设计水下滑翔机的功能实现模块，并对各耐压舱室进行强度和稳定性校核分析。最终在Solidworks三维软件里进行虚拟装配，结合数值模拟的结果，对设计的翼身融合水下滑翔机进行静力学分析，得到水下滑翔机重心的调节范围。设计流程如图1所示。

2 翼身融合水下滑翔机总体设计

翼身融合水下滑翔机外壳，需要有优越的水动力特性，且保证内部结构充足的装载空间，是设计的重点。滑翔机内部装载有浮力调节系统模块、姿态调节系统模块、控制系统模块，3个功能模块的实现需多种功能元器件紧密配合，也是设计的核心内容。翼身融合水下滑翔机的虚拟装配如图2所示。

3 水动力外形设计 3.1 主体外形设计

水下滑翔机的外壳需提供一个低阻力、高升力的外形，设计时需兼顾水动力性能和内部舱容两方面主要因素。为了使滑翔效率达到最优，引入翼身融合的布局，机身和机翼的剖面均选择NACA0012高升力对称翼型^[4]，淡化机身和机翼的连接，有效地减少连接处的诱导阻力。平面轮廓采用已经得到论证的较为优越的类椭圆结构和直线组合的外形^[5]。水下滑翔机外形如图3所示，外形参数见表1。翼身融合的外壳，提供了较大的容积空间，具有强大的搭载能力。

3.2 翼梢小翼

翼梢小翼用于减弱翼身融合滑翔机水平滑翔翼尾缘的翼梢效应，降低滑翔机诱导阻力，增加升阻比^[6]。机身翼梢和翼梢小翼光滑过渡，避免了翼根部产生较大的弯矩。采用融合式的翼稍小翼，保证主体翼型尾端与翼梢小翼自然过渡。融合式的翼梢小翼的表征参数，主要有外倾角ϕ、前缘后掠角Λ、高度H、根梢比λ。融合式的翼梢小翼示意图如图4所示,翼梢小翼特征参数定义见表2。

3.3 襟翼机构设计

为了提升滑翔机的升阻比特性和横滚力矩，在翼身融合滑翔机的尾缘，装载有由舵机控制的可定轴摆动的襟翼结构。襟翼结构参数主要有襟翼中心距离中纵剖面的距离D，投影面积S、后掠角α、翼襟高度h、宽度b以及两侧可以差动控制襟翼的可转动角度θ，图5给定了襟翼结构特征，其参数信息如表3所示。

3.4 升降翼结构设计

升降翼装置如图6所示，通过舵机的转动带动升降翼的定轴摆动，改变舵角，为滑翔机提供升力。该升降翼结构的存在，提升了滑翔机的动力学特性。使滑翔机更加灵活机动。本文设计的升降翼表面积较大，保证在变舵角时，升降翼有足够的迎流面积，产生更大的浮力。同时两侧升降翼应对称分布在中纵剖面两侧，且为了减小力臂，尽量靠近中心布置。

3.5 水翼型天线杆

水下滑翔机定期上浮至水面，与岸上基站进行数据传输。当滑翔机上浮至水面，机身呈水平状。为了更好地实现数据通信，本文将天线与垂直稳定翼的功能相结合，做成水翼型天线杆^[7]。其结构尺寸，仍然按照尾翼的设计标准进行设计。

尾翼对于滑翔稳定性起着至关重要的作用。综合考虑结构强度、水动力性能和操纵力矩的大小，最终尾翼选择NACA0012对称翼型，这种翼型失速攻角较大、升阻比性能优越，即使在小阻力情况下也可以产生较大的操纵力矩。尾翼的表征参数^[8]包括翼根弦长Cr、翼端弦长Ct、半展长b/2、翼型和后掠角γ，如图7所示。尾翼面积采用经验公式（1）估算，为保证经验公式得到的数据值和实验数据吻合，面积取1.5倍的估算值^[11]。

$ S = \frac{{DL}}{{100}}\left[ {1 + 25{{\left( {\frac{B}{L}} \right)}^2}} \right] 。$

(1)

式中：S，D，L，B分别代表滑翔机的侧面积、直径、总长、宽度值；尾翼结构参数见表4。

4 内部结构设计、分析与校核

为使滑翔机危险情形（比如舱室内漏水）下，存活率最大化，滑翔机各舱室采用模块化分舱设计，舱室之间具有相对独立性。

4.1 浮力调节系统设计

浮力调节系统，通过对上浮下潜指令的识别，定量调整内部油箱和外部油囊液压油量，改变净浮力量值，驱动上浮下潜动作。通过位移传感器，精准把握内保油箱内的液压油变化量，实现对抽送油量的精准控制。该系统舱容利用率较高，为液压油提供了大容量的存储空间，增大了净浮力的调节范围，可以实现对滑翔机的大浮力驱动，进一步提升翼身融合水下滑翔机的滑翔速度，提升翼身融合滑翔机的抗流能力。浮力调节系统如图8所示。

4.2 姿态调节系统

姿态调节系统包括俯仰姿态和横滚姿态2个调节单元，可以实时的调节滑翔机的姿态。2个功能的实现使用同一电池包作为移动和旋转的重物。电池包移动的距离，可以通过位移传感器实时反馈，保持滑翔机在最优攻角下进行上浮和下潜任务，大大提高滑翔效率。陀螺仪实时监控反馈重物的横滚姿态，实现滑翔机横向保持。该系统结构紧凑的空间布局，增加了重物移动的距离，提升了纵倾角的调节范围，且有效的解决了电池包沿着光杆平动，受平行度制约，出现移动卡顿的现象。姿态调节系统如图9所示。

通过虚拟装配后，基于静力学分析数据，计算得到姿态调节系统中纵倾角和横滚角的调节量，如表5所示。

4.3 控制系统舱设计

为合理利用滑翔机内部舱容，根据NACA0012翼型厚度分布特点，尾缘部分，厚度逐渐减小，所以将控制舱设计为圆台状，通过螺丝固连在姿态调节舱尾部。控制舱内部装载电控板及驱动器，实现对各功能模块的控制。同时控制舱内装载漏水检测模块

4.4 静力学计算与分析

静力学计算时，需保证滑翔机的浮心和坐标原点重合，依据右手坐标系准则，建立如图10所示坐标系统。

通过对滑翔机各零件重量的汇总，以及对浮力原件浮力大小的统计，合理的配置质量块，使水下滑翔机满足静力学平衡。经汇总计算，得滑翔机重心和浮心的x和y坐标重合，滑翔机的重心在浮心下，且稳心高度为4 mm。满足了静力学平衡要求。通过抽送液压油和移动电池块，计算得到滑翔机的上浮和下潜状态时重心调节范围，如表6所示。

4.5 内部耐压壳体设计

滑翔机的功能元器件布置在耐压壳体中。综合考虑结构质量、加工难度、承压性能、内部装载空间的因素，经反复迭代，确定耐压壳体的尺寸。姿态调节舱选用长760 mm，直径200 mm的圆柱状壳体，与滑翔机的中纵剖面重合布置，控制系统舱选择长度为410，包角18°的圆台状结构，通过螺丝连接于姿态舱的尾部。浮力系统舱选用长650，直径165的圆柱形的耐压壳体，且采用双舱进行浮力调节。根据翼身融合的布局方式，提高内部空间利用率，浮力舱横向对称布置在姿态舱的两侧。

水下滑翔机耐压壳体常用铝合金、不锈钢、工程塑料等，综合考虑承压性能、耐腐蚀性能、价格等多方面因素^[9]，最终耐压壳体材料选择铝合金6061-T6，表7给定了其材料属性。在零件加工后，壳体表面需钝化处理，以降低海水腐蚀。

4.6 耐压壳体的强度和稳定性校核

利用Solidworks软件的Simulation模块，对各个舱室进行强度校核。在导入Simulation模块之前，需要简化舱体模型，忽略对强度影响较低的小构件（如螺丝等），避免对于小构件划分网格，导致网格数量的激增。

因为2个浮力舱的结构形式完全相同，所以只需对一个进行分析。3个舱室对于抱箍固定的地方和通过螺丝连接的地方设定为固定约束。水下滑翔机需要下潜至500 m深度，且壳体承受均匀载荷，所以在强度校核时候，按总数规范施加5 MPa的均布压强。采用实体标准网格，考虑热力温度载荷影响，有限元的网格尺寸给定为5 mm，6 mm和7 mm，并进行局部加密且不断的微调网格单元，保证扭曲的网格单元控制在8%以内，最终3个舱室网格数分别为9万、11万和7万。各舱室约束、载荷和网格划分如图11所示。

采用直接离散法（Direct Sparse）求解器求解，生成结果报表。图12为应力、应变和位移分布云图。

1）浮力系统舱尾部端盖的中心处应力最大，为94.4 MPa；尾端的端盖中心处有最大位移0.2019 mm.浮力舱的安全系数为2.91。

2）姿态调节舱在端盖中心处有最大应力，为151 MPa，端盖与圆柱筒的接触部分的压力次之。在端盖的中心处产生最大位移0.499 mm。姿态舱的安全系数为1.82。

3）控制舱在前端盖的中心位置处应力最大，为128 MPa，圆筒壁和端盖接触的地方次之。控制舱的最大位移发生在端盖中心处，为0.308 mm。该舱的安全系数为2.15。

由《潜水系统和潜水器入级规范》可知，耐压舱的安全系数需大于1.5。依据上述仿真计算结果可知，滑翔机的3个舱室均符合要求。

4.7 稳定性分析

耐压舱需同时满足强度和稳定性量大要求。本文采用屈曲分析法，计算结构的临界载荷和屈曲模态形状结构发生屈曲响应的特征形状^[10]。

利用Solidworks屈曲分析模块，对3个功能模块耐压舱体进行屈曲分析，施加了均布载荷5 MPa。图13为各舱室的屈曲图。由仿真计算结果可得，3个舱室载荷因子分别为λ=8.5368，λ=4.8665和λ=13.613。

$ \left[ P \right]{\text{ = }}\frac{{p \times \lambda }}{m}，$

(2)

$ \left[ P \right] = \frac{{{p_{cr}}}}{m}。$

(3)

式中：m为稳定安全系数；λ为载荷因子。

按GB150-2012要求m=3；当达到临界载荷时，发生屈曲变形，产生皱褶，且在褶皱处有最大位移。该结构在设计工作水深时受到的载荷值远小于极限载荷，故耐压舱室均符合稳定性要求。

5 结　语

为提升水下滑翔机的滑翔性能，本文引入翼身融合布局，设计了一款带有融合式翼梢小翼的翼身融合水下滑翔机。为进一步增加升阻比和提升机动性能，对襟翼和升降翼装置进行了结构设计。该设计增加了升阻比，提升了滑翔效率，满足了长航程的需求。基于模块化的设计思想，分舱设计了各功能实现模块，浮力调节系统具有较大的净浮力调节范围，可以实现大浮力驱动，进一步提升了水下滑翔机的抗流能力。