[发明专利]一种长续航水下航行器及其控制方法

说明书

本发明属于水下航行器技术领域，公开了一种长续航水下航行器及其控制方法，包括球鼻艏舱、前压载舱、前气囊仓、主控制舱、后气囊仓、后压载舱和艉舱。水下航行器由燃料电池‑电机驱动，燃料电池储能效率高能量密度大，可提升工作行程，将燃料电池工作时产生的高温反应水作为热源，配合前、后气囊装置低耗能调节艇体浮力状态，两侧具有可调攻角的滑翔翼，在滑行上浮及滑行下潜状态时，以特定攻角、特定航速形式可减少艇体阻力，实现无驱动姿态调节，利用透平与燃料电池高温反应水结合，在潜航状态下实现自适应发电功能，可充分提高燃料电池工作效率，实现水下航行器长距离航行的功能。

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的长续航水下航行器及其控制方法。

背景技术

目前，随着社会经济技术发展，海洋活动日益增加。海洋贮存在着丰富的矿产及油气资源，海洋开发逐步受到研究人员的关注，但我们对海洋的研究仍不充分。近年来，我国成功研制“蛟龙号“载人潜水器、“海燕”水下滑翔机，已具备一定对海洋勘探及研究的能力，此类水下航行器仍由常规方式驱动，工作效率较低，不能满足我国目前对海洋勘探日益增长的需求。因此，研究具有模块化设计、新能源驱动长续航功能的水下航行器成为行业内关注的热点。

国外已将燃料电池配备在大型UUV上，但是艇内相关设备匹配仍存在巨大优化空间。在新型能源形式驱动下，如何解决燃料电池在水下航行器上高效利用，达到真正意义上的长续航功能是必须面对的问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的水下航行器仍由常规方式驱动，工作效率较低，不能满足我国目前对海洋勘探日益增长的需求。

(2)现有的水下航行器由常规方式驱动，每个工作周期航程较短，且艇体采用一体化设计，

(3)日常维护周期较长，不能满足我国目前对海洋勘探日益增长的需求。现有的水下航行器工作效率较低，未采用高效能量管理系统，且对海洋特性开发应用不充分，多级能源利用及分配系统优化较为困难，如：潮汐能、温差能、波浪能的匹配应用。

(4)现有的水下航行器多采用固定滑翔翼形式，提供一定的升力形式。通过攻角变化，可优化艇体水动力性能，实现艇体姿态与水动力性能动态匹配调节。

解决以上问题及缺陷的难度为：

长续航水下航行器采用燃料电池作为驱动形式，因燃料电池能量密度高，其航程有所提升。但燃料电池作为新形式驱动能源，其可靠性及安全性存在较多考虑因素。

艇体结构采用模块化设计，且各舱室均为复合材料，在优化艇体质量单元的同时，各舱室连接状态及力学性能是否满足水下复杂的海况成为亟需关注的问题。

多级能源利用形式理论研究较为充分，实际应用过程中，仍需设备辅助工作，且复杂海况条件下，其循环驱动力较差。

长续航水下航行器攻角可调对水动力性能的影响研究中，其仿真较好实现，但缩尺比模型制作及水动力性能试验要求较高。可调攻角传动机构与主推进装置动力匹配参数调节工作较为繁琐。

解决以上问题及缺陷的意义为：

1、长续航水下航行器采用燃料电池新能源驱动形式，配合相关辅助装置。能够在本质上提升水下航行器续航能力，同一航次可显著提升航程。

2、长续航水下航行器艇体结构采用模块化设计可优化质量单元。结构上彼此独立，功能上相互匹配，可独立更换各舱室结构，减少维修及保养时间。

3、长续航水下航行器采用能量管理系统。利用海水随深度温差变化特性，结合燃料电池自身存在热化学反应，匹配相变材料及透平发电机构，实现水下航行器姿态调节及自适应发电功能，从多级能源利用角度优化热效率。