本發(fā)明涉及一種新型無人潛水器系統(tǒng)，特別是涉及一種利用海洋溫差能發(fā)電和浮潛滑翔控制的無人潛水器系統(tǒng)，可作為長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程深海探索和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段。同時(shí)，該系統(tǒng)也可用于深空探測(cè)領(lǐng)域，在未來類行星表面深海環(huán)境探測(cè)方面發(fā)揮重要作用。

背景技術(shù)：

海洋戰(zhàn)略對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。作為深海探索的必備工具之一，無人潛水器越來越受到各國(guó)的關(guān)注。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)無人潛水器相比，作為一類新型的無人潛水器，水下滑翔機(jī)非常安靜，并通過自身浮力改變和姿態(tài)調(diào)節(jié)沿鋸齒型路徑航行。常規(guī)無人潛水器(包括水下滑翔機(jī))能源能量密度低，續(xù)航能力差，要求潛水器在海下工作階段定時(shí)浮上水面進(jìn)行人工補(bǔ)充動(dòng)力能源，極大地限制了潛水器的航行廣度和深度。

海洋表層和深層水溫存在明顯差異性，導(dǎo)致其蘊(yùn)藏著巨大的熱力位能，稱為海洋溫差能，或稱海洋熱能。海洋水溫大體上隨深度的增加呈不均勻遞減，暖水只限于較薄的近表層之內(nèi)，其下便是溫度鉛直梯度較大的水層，在不太厚的深度內(nèi)，水溫迅速遞減，此層即為主溫躍層。海洋表層暖水區(qū)和深入冷水區(qū)的溫差大約在20度左右。

利用海洋溫差能解決長(zhǎng)航時(shí)無人潛水器面臨的動(dòng)力和能源問題一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前，主要應(yīng)用海洋溫差能為無人潛水器提供浮力或電力供應(yīng)，其主要原理是利用海洋溫差能實(shí)現(xiàn)相變工質(zhì)的狀態(tài)變化，產(chǎn)生體積變化，從而進(jìn)行壓縮或膨脹做功，產(chǎn)生浮力或發(fā)電。在提供浮力方面，最早由Webb研究公司提出，主要利用石蠟固液相變推進(jìn)活塞(U.S.Patent 5,291,847)或儲(chǔ)液膽體積變化產(chǎn)生浮力或利用氨水或氟利昂21汽液相變(U.S.Patent 5,303,552)促使液壓油內(nèi)外流動(dòng)產(chǎn)生浮力。在利用海洋溫差能無人潛水器發(fā)電方面，主要有美國(guó)JPL公司提出的利用海洋溫差能實(shí)現(xiàn)CO₂汽液相變透平發(fā)電和石蠟固液相變推動(dòng)活塞刨齒機(jī)發(fā)電概念。

然而，上述思路和概念僅考慮海洋溫差能的單一用途，或單純提供浮力，實(shí)現(xiàn)無人潛水器的浮潛滑翔控制；或單純實(shí)現(xiàn)發(fā)電，解決無人潛水器的能源供應(yīng)。對(duì)于單純利用海洋溫差能提供浮力，僅能解決無人潛水器動(dòng)力推進(jìn)問題，而還需40％左右的額外電能供應(yīng)有效載荷；對(duì)于單純利用海洋溫差能發(fā)電，其所產(chǎn)生的電能還需滿足無人潛水器浮潛動(dòng)力推進(jìn)消耗，是否能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無能源推進(jìn)無人潛水器目標(biāo)尚需深入研究。因此，只有將基于海洋溫差能的浮力、發(fā)電功能有機(jī)結(jié)合，才能從根本上解決無人潛水器浮潛滑翔的動(dòng)力問題、長(zhǎng)航時(shí)的能源供應(yīng)難題，無需攜帶額外能源和定期補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)真正意義的長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程、浮潛滑翔控制能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于海洋溫差能發(fā)電和浮潛滑翔控制無人潛水器系統(tǒng)，使無人潛水器真正擺脫外部動(dòng)力和能源限制，具備長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程、浮/潛滑翔控制能力。

本發(fā)明進(jìn)一步的解決問題是：能夠提供機(jī)動(dòng)巡航功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急快速機(jī)動(dòng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種利用海洋溫差能發(fā)電和浮潛滑翔控制的無人潛水器系統(tǒng)，包括潛水器殼體、多功能翼面、蓄能腔、外膽、內(nèi)膽、三通閥、單向閥、安全閥、止回閥、蓄電池；

多功能翼面對(duì)稱安裝在潛水器殼體兩側(cè)，多功能翼面內(nèi)部存儲(chǔ)相變工質(zhì)和傳輸液體，相變工質(zhì)采用在海洋溫度梯度和深海壓差變化范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)固液相變的工質(zhì)，通過相變過程體積的變化控制多功能翼面內(nèi)傳輸液體的傳輸；多功能翼面根部安裝外膽，外膽內(nèi)存儲(chǔ)傳輸液體；蓄能腔內(nèi)存儲(chǔ)工作氣體及傳輸液體；三通閥控制進(jìn)出外膽的傳輸液體的流入和流出方向；單向閥控制經(jīng)內(nèi)膽與多功能翼面及蓄能腔內(nèi)傳輸液體的流入或流出；安全閥控制控制多功能翼面內(nèi)的傳輸液體的達(dá)到預(yù)設(shè)的出口壓力時(shí)流入發(fā)電機(jī)，止回閥控制發(fā)電機(jī)的進(jìn)口壓力；蓄電池上連發(fā)電機(jī)，下連測(cè)控設(shè)備和探測(cè)設(shè)備。

還包括尾部推進(jìn)器；當(dāng)無人潛水器需要快速機(jī)動(dòng)時(shí)，蓄電池向尾部推進(jìn)器供電，無人潛水器進(jìn)入水平快速機(jī)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

所述安全閥起蓄積壓強(qiáng)作用，將多功能翼面內(nèi)的傳輸液體蓄積至設(shè)定壓強(qiáng)后流入發(fā)電機(jī)，安全閥的打開壓差設(shè)定為MPa級(jí)。

所述的多功能翼面包括翼面外框體、移動(dòng)活塞和導(dǎo)流孔；

移動(dòng)活塞之間內(nèi)腔存儲(chǔ)傳輸液體，相變工質(zhì)對(duì)稱存儲(chǔ)于移動(dòng)活塞與翼面外框體之間的空間內(nèi)；翼面外框體底部設(shè)置導(dǎo)流孔，多功能翼面內(nèi)的傳輸液體經(jīng)導(dǎo)流孔與傳輸管路連接。

內(nèi)膽和外膽由柔性織物材料制成。

通過三個(gè)三通閥即第一三通閥、第二三通閥、第三三通閥實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)出外膽的傳輸液體的流入和流出方向的功能、通過三個(gè)單向閥，即第一單行閥、第二單向閥、第三單向閥實(shí)現(xiàn)控制經(jīng)內(nèi)膽與多功能翼面及蓄能腔內(nèi)傳輸液體的流入或流出的功能。

蓄能腔通過傳輸管路連接第三單向閥的進(jìn)油端，該單向閥的出口端連接安全閥，安全閥的另一端連接第二單向閥的出口端，第二單向閥-的進(jìn)油端接入傳輸管路，止回閥的一端接入第三單向閥與安裝法之間，另一端連接發(fā)電機(jī)，三個(gè)三通閥星形連接后，第一三通閥和第二三通閥的另一個(gè)口串聯(lián)后連接內(nèi)膽，內(nèi)膽連接第一單向閥的進(jìn)油端，第一單向閥的出口端接入傳輸管路；第一三通閥和第二三通閥的第三個(gè)口分別與兩個(gè)外端連通；第三單向閥-的另一口接入蓄能腔，第三個(gè)口連接發(fā)電機(jī)；多功能翼面內(nèi)的傳輸液體通過管路接入傳輸管路中。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：

(1)本發(fā)明提出的無人潛水器具有海洋溫差能發(fā)電、產(chǎn)生浮力和機(jī)動(dòng)巡航三重功能，真正實(shí)現(xiàn)無人潛水器外部能源零攜帶和零補(bǔ)給，系統(tǒng)原理和工作過程清晰；本發(fā)明提出的無人潛水器系統(tǒng)引入多功能翼面結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)更加緊湊、結(jié)構(gòu)利用效率更高；本發(fā)明通過海洋溫差能發(fā)電并利用蓄電池有效存儲(chǔ)，可以通過蓄電池存儲(chǔ)電能帶動(dòng)尾部推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)無人潛水器應(yīng)急快速機(jī)動(dòng)，提高了系統(tǒng)的可控性、機(jī)動(dòng)性和生存力。

(2)本發(fā)明提出的發(fā)電裝置布位于傳輸液體8壓差較大的蓄能腔4回流至外膽5和多功能翼面3回流至蓄能腔4的傳輸管路上，可獲取的傳輸液體8流動(dòng)速度更大，發(fā)電效率更高。

(3)本發(fā)明提出在多功能翼面3回流蓄能腔4的傳輸管路上布置一定壓差的安全閥12，以提高此傳輸管路上傳輸液體8的蓄積壓差，從而提高其流動(dòng)速率，最終提高發(fā)電裝置的發(fā)電效率。

(4)本發(fā)明提出在蓄能腔4內(nèi)利用壓縮工作氣體7儲(chǔ)存壓縮勢(shì)能，當(dāng)潛水器系統(tǒng)需要上浮時(shí)，可作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)傳輸液體8快速回流至外膽；此外，高壓高速傳輸液體8也可經(jīng)發(fā)電裝置高效率產(chǎn)生電能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明多功能翼面內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖3a-3d為本發(fā)明潛水器工作過程示意圖，其中分別為淺層暖水區(qū)平衡狀態(tài)、下潛過程、上浮過程、回歸淺層暖水區(qū)平衡狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明，具體如下：

如圖1所示，利用海洋溫差能發(fā)電和浮潛滑翔控制無人潛水器系統(tǒng)主要包括1為潛水器殼體，2為尾部推進(jìn)器，3為多功能翼面，4為蓄能腔，5為外膽，6為內(nèi)膽，7為工作氣體，8為傳輸液體，9為相變工質(zhì)，10為三通閥，11為單向閥，12為安全閥，13為止回閥，14為發(fā)電機(jī)，15為蓄電池，16為測(cè)控設(shè)備，17為探測(cè)設(shè)備，18為傳輸管路，19為傳導(dǎo)線路。其中，多功能翼面3主要包括20為移動(dòng)活塞，21為上蓋板，22為下蓋板，23為導(dǎo)流孔，如圖2所示。

潛水器殼體1采用低阻力外形和高承壓材質(zhì)(例如硬鋁合金)；尾部推進(jìn)器2布置在殼體尾部，主要起矢量推進(jìn)作用；多功能翼面3外形采用固定垂直翼型，不但具備常規(guī)翼面平衡、提供浮力等功能，同時(shí)，其還作為相變工質(zhì)9和傳輸液體8的儲(chǔ)存艙，由上蓋板21和下蓋板22組成封閉體系，相變工質(zhì)9的體積變化通過移動(dòng)活塞20傳遞到傳輸液體8，傳輸液體8經(jīng)導(dǎo)流孔23與傳輸管路18連接；內(nèi)膽6和外膽5由柔性織物材料(尼龍織物)制成，具備一定壓差承載能力，主要起到儲(chǔ)存?zhèn)鬏斠后w8和改變潛水器有效浮升體積的作用；

閥門包括三個(gè)三通閥10(10-1、10-2和10-3)、三個(gè)單向閥11(11-1、11-2和11-3)、止回閥13和安全閥12。蓄能腔4通過傳輸管路連接第三單向閥11-3的進(jìn)油端，該單向閥11-3的出口端連接安全閥12，安全閥12的另一端連接第二單向閥11-2的出口端，第二單向閥11-2的進(jìn)油端接入傳輸管路18，止回閥13的一端接入第三單向閥11-3與安裝法12之間，另一端連接發(fā)電機(jī)14，三個(gè)三通閥星形連接后，第一三通閥10-1和第二三通閥10-2的另一個(gè)口串聯(lián)后連接內(nèi)膽6，內(nèi)膽6連接第一單向閥11-1的進(jìn)油端，第一單向閥11-1的出口端接入傳輸管路18；第一三通閥10-1和第二三通閥10-2的第三個(gè)口分別與兩個(gè)外端連通；第三三通閥10-3的另一口接入蓄能腔4，第三個(gè)口連接發(fā)電機(jī)；多功能翼面3內(nèi)的傳輸液體通過管路接入傳輸管路18中。

其中，三通閥10-1、10-2控制進(jìn)出外膽5傳輸液體8的流入和流出方向；三通閥10-3控制蓄能腔4與外膽5之間傳輸液體8的流入和流出方向；單向閥11-1控制經(jīng)內(nèi)膽6與多功能翼面3內(nèi)傳輸液體8的流入；單向閥11-2控制經(jīng)多功能翼面3傳輸至發(fā)電機(jī)14和蓄能腔4內(nèi)的傳輸液體8的流入；單向閥11-3控制蓄能腔4內(nèi)傳輸液體8流入發(fā)電機(jī)14，并最終回流至外膽5；止回閥13控制發(fā)電機(jī)14的進(jìn)口壓力，提高發(fā)電效率。安全閥12控制多功能翼面3內(nèi)的傳輸液體8的達(dá)到一定出口壓力時(shí)流入發(fā)電機(jī)14；相變工質(zhì)9采用在海洋溫度梯度和深海壓差變化范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)固-液相變的工質(zhì)，如石蠟等，主要是在相變過程中提供體積變化來源；傳輸液體8可考慮采用適應(yīng)不同環(huán)境、流動(dòng)性優(yōu)良的液壓油，主要起到傳遞能量并推動(dòng)發(fā)電機(jī)14發(fā)電功能；工作氣體7一般選用惰性氣體，如氮?dú)獾?，主要?chǔ)存體積變化導(dǎo)致的壓縮內(nèi)能；發(fā)電機(jī)14布置的傳輸液體8主回路上，通過止回閥13控制進(jìn)口壓力，提高發(fā)電效率；蓄電池15上連發(fā)電機(jī)14，下連測(cè)控設(shè)備16和探測(cè)設(shè)備17，為其提供電能輸出。測(cè)控設(shè)備16主要包括外部測(cè)控指令收發(fā)、內(nèi)部各種溫度、壓強(qiáng)、儲(chǔ)放電能力監(jiān)測(cè)以及潛水器工作姿態(tài)監(jiān)測(cè)等；探測(cè)設(shè)備17主要包括各種有效載荷，如海底形貌測(cè)試載荷、海洋鹽度測(cè)試載荷等。系統(tǒng)傳輸液體8運(yùn)行回路由傳輸管路18連接，電源通路由傳導(dǎo)線路19連接。

利用海洋溫差能發(fā)電和浮潛滑翔控制的無人潛水器系統(tǒng)浮力產(chǎn)生和發(fā)電可通過以下過程進(jìn)行描述：

如圖3a所示，無人潛水器處于淺層溫水區(qū)熱平衡狀態(tài)，此時(shí)，外膽5內(nèi)傳輸液體8壓力稍高于無人潛水器內(nèi)腔壓力，相變工質(zhì)9處于液體狀態(tài)，工作氣體7處于被壓縮狀態(tài)，傳輸液體8處于受壓膨脹狀態(tài)；

下達(dá)三通閥10-1、10-2控制外膽5通過內(nèi)膽6方向的開啟指令，外膽5具有一定壓差的傳輸液體10經(jīng)過傳輸管路18進(jìn)入內(nèi)膽6，外膽5體積縮小，潛水器開始下潛；且隨著下潛深度的不斷增加，進(jìn)入深層冷水區(qū)，多功能翼面3內(nèi)的相變工質(zhì)9開始由液體變?yōu)楣虘B(tài)，其內(nèi)部傳輸液體8壓強(qiáng)減小，內(nèi)膽6內(nèi)傳輸液體8逐漸流入多功能翼面3，造成多功能翼面3和蓄能腔4內(nèi)的傳輸液體8壓力增大，下潛深度不斷增加直至相變工質(zhì)9完全固化，達(dá)到設(shè)計(jì)潛深，如圖3b所示；

下達(dá)三通閥10-1、10-2由外膽通過內(nèi)膽6方向關(guān)閉指令，下達(dá)三通閥10-3、10-1控制蓄能器4至外膽5方向開啟指令，蓄能腔4內(nèi)高壓工作氣體7壓縮傳輸液體8至止回閥13和發(fā)電機(jī)14，發(fā)電機(jī)14開始工作；同時(shí)傳輸液體8進(jìn)入外膽5，造成潛水器浮力增加，潛水器開始上浮，隨著上浮高度的不斷增加，蓄能腔4內(nèi)高壓工作氣體7的壓強(qiáng)逐漸降低，傳輸液體8速率不斷降低，發(fā)電機(jī)逐漸停止工作，如圖3c所示；

如圖3d所示，當(dāng)潛水器上浮至淺層暖水區(qū)時(shí)，相變工質(zhì)9由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，所占體積開始膨脹，壓縮多功能翼面3內(nèi)的傳輸液體8利用安全閥12進(jìn)行壓差蓄積，當(dāng)多功能翼面3內(nèi)的傳輸液體8達(dá)到一定壓差時(shí)，安全閥12打開，高壓傳輸液體8傳輸至止回閥13和發(fā)電機(jī)14，發(fā)電機(jī)14重新開始工作；下達(dá)開啟10-3控制發(fā)電機(jī)至蓄能腔方向的指令，經(jīng)發(fā)電機(jī)14的傳輸液體8回流至蓄能腔4，工作氣體7被壓縮，形成高壓；潛水器回到淺層暖水區(qū)，多功能翼面3內(nèi)傳輸液體8處于微超壓狀態(tài)，發(fā)電機(jī)停止工作，完成一次浮/潛運(yùn)行和兩次發(fā)電過程。

借助海洋溫差能，無人潛水器不僅可以實(shí)現(xiàn)上、下浮潛運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)水平快速機(jī)動(dòng)，其過程可描述為：

無人潛水器自主開展上、下浮潛鋸齒形運(yùn)動(dòng)過程中，發(fā)電系統(tǒng)將利用海洋溫差能所發(fā)電量?jī)?chǔ)存于蓄電池15內(nèi)；當(dāng)無人潛水器需要快速機(jī)動(dòng)時(shí)，開啟蓄電池15向尾部推進(jìn)器2供電指令，無人潛水器進(jìn)入水平快速機(jī)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

綜上所述，本發(fā)明提供一種利用海洋溫差能發(fā)電和浮潛滑翔控制的無人潛水器系統(tǒng)，利用海洋溫差能實(shí)現(xiàn)深海無人潛水器發(fā)電、浮力產(chǎn)生和機(jī)動(dòng)巡航，解決了長(zhǎng)期制約深海無人潛水器的能源動(dòng)力問題，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用高效，成本造價(jià)低廉、無瓶頸性技術(shù)，可操作性強(qiáng)，在深海資源勘探、開發(fā)和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)等領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景，具備很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。