大家好，我是一名水下機(jī)器人(10.170, 0.00, 0.00%)“萌新”，我來自中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，我有很多有名的哥哥姐姐，像是“海斗一號(hào)”、“潛龍一號(hào)”、“小黃魚”等，他們的身影在各大媒體頻繁出鏡，讓我心生Respect！

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

作為萌新，我在大佬們面前就是空氣，但我志（ying）不（gang）在（bu）此（guo）。他們體態(tài)龐大，功能復(fù)雜，但在水下不夠靈活。我的志向在于能像芭蕾舞演員一樣，有著窈窕的身姿，可以在水下翩翩起舞。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

于是乎，在中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所海洋信息技術(shù)裝備中心的研究團(tuán)隊(duì)幫助下，我的“芭蕾夢(mèng)”有了希望。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，制約水下機(jī)器人機(jī)動(dòng)性有兩個(gè)方面。第一個(gè)是水下機(jī)器人為了潛入水下，都要帶個(gè)“大肚腩”，也就是浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而且工作深度越大，“肚腩”就越大。第二個(gè)是水下機(jī)器人的“小短腿”，也就是螺旋槳等水下推進(jìn)器?，F(xiàn)有水下機(jī)器人為了搭載更多載荷，多采用效率較高的螺旋槳推進(jìn)器、泵噴推進(jìn)器、輪緣推進(jìn)器等，但是這些推進(jìn)器在提高水下機(jī)器人機(jī)動(dòng)性，尤其是高速下的機(jī)動(dòng)性方面表現(xiàn)一般。

傳統(tǒng)水下機(jī)器人的“大肚腩”和“小短腿”

為了解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)借鑒空用扇翼推進(jìn)器，在學(xué)界首次提出了“水下扇翼推進(jìn)器”的概念，并成功將其用于水下機(jī)器人，為水下機(jī)器人裝上“大長(zhǎng)腿”，部分替代了浮力調(diào)節(jié)裝置，提高了水下機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。

水下扇翼推進(jìn)器可以定義為：“工作在水介質(zhì)環(huán)境中，在固定機(jī)翼中嵌入可主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的橫流風(fēng)扇的推進(jìn)器。”通過橫流風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，該推進(jìn)器可以產(chǎn)生顯著的前向力和垂向力。利用前向力推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，利用向下的垂向力推動(dòng)機(jī)器人潛入水下，進(jìn)而替代浮力調(diào)節(jié)裝置。

水下扇翼推進(jìn)器構(gòu)型

基于水下扇翼推進(jìn)器，研究人員研制了水下扇翼航行器（也就是我），小短腿改成了兩個(gè)“大長(zhǎng)腿”，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、下潛、變向、俯仰、橫搖等5自由度的運(yùn)動(dòng)，還成功減掉了“浮力調(diào)節(jié)”這個(gè)大肚腩。

水下扇翼航行器（忘記開美顏了/害羞/）

直線航行

下沉航行

轉(zhuǎn)彎航行

研究人員還對(duì)水下扇翼推進(jìn)器的動(dòng)力學(xué)特性等展開了深入研究，相關(guān)研究成果多次發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Ocean Engineering。

首先，研究人員選取了典型的水下扇翼推進(jìn)器截面，對(duì)不同橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、航速下的水下扇翼推進(jìn)器展開仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

計(jì)算流體力學(xué)仿真（類似于“手繪X光照片”）

研究結(jié)果表明，水下扇翼推進(jìn)器具有如下一般性特性：

隨著轉(zhuǎn)速的增大，推進(jìn)器前向力、垂向力、轉(zhuǎn)矩和功率不斷增大。

隨著航速的增大，前向力先增大后減小，垂向力增大，轉(zhuǎn)矩和功率不斷增大。

除了一般性規(guī)律，水下扇翼推進(jìn)器具有如下典型特征：

在低航速、高轉(zhuǎn)速的工況下，前向力和垂向力的波動(dòng)增大，轉(zhuǎn)矩增大，所消耗的功率提高。

航速越高，功率和轉(zhuǎn)矩越大。

存在最大效率點(diǎn)，且在最大效率點(diǎn)航速附近前向力取得最大值。

接著，研究人員選取了前開角、后開角、機(jī)翼上平面長(zhǎng)度和迎流角等四個(gè)典型參數(shù)對(duì)水下扇翼推進(jìn)器的固定機(jī)翼對(duì)于其水動(dòng)力學(xué)特性的影響展開了研究。

固定機(jī)翼的四個(gè)典型參數(shù)

研究結(jié)果表明：固定機(jī)翼可以控制流入和流出橫流風(fēng)扇流量和方向，也會(huì)影響到一些特殊流體現(xiàn)象的形成，如偏心渦的位置和大小，駐留渦、尾渦以及機(jī)翼上表面的邊界層分離等。

近期，研究人員還研究了橫流風(fēng)扇內(nèi)外徑比、葉片數(shù)量、葉片內(nèi)角和葉片外角等參數(shù)對(duì)于水下扇翼推進(jìn)器的水動(dòng)力學(xué)和水聲學(xué)特性的影響。

橫流風(fēng)扇幾何參數(shù)的選取

研究結(jié)果表明：橫流風(fēng)扇葉片內(nèi)角和葉片外角對(duì)流體的流入和流出橫流風(fēng)扇起到主要作用，其做功充分與否主要受橫流風(fēng)扇內(nèi)外徑比的影響，葉片數(shù)量是對(duì)水下扇翼推進(jìn)器水聲學(xué)特性影響最大的因素。

水下扇翼推進(jìn)器的研究，得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略高技術(shù)創(chuàng)新基金、國家留學(xué)基金委、新加坡學(xué)術(shù)研究基金、機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。