8、水下喷气推进机器人的设计与性能分析

水下喷气推进机器人的设计与性能分析

1. 喷气推进器的设计与性能

1.1 喷气推进器的结构设计

喷气推进器的设计涉及多个关键参数。为了在阀门行程内实现所需的平均力，同时使弹簧杆长度小于 47 毫米以适配水箱，钢丝直径设定为 0.8 毫米，这产生了约 40 N 的近恒定力。钢件进行了轻微预屈曲处理，确保阀门打开时钢丝朝正确方向偏转。

为向加压容器提供电气导管，容器壁用作负极接地，通过水箱端部固定一个绝缘螺栓。形状记忆合金（SMA）钢丝两端连接黄铜触点，当阀门组件插入时，触点与容器壁和螺栓接触，形成完整电路且不影响密封。SMA 钢丝由 100 Hz、9.1 A、占空比 50%、持续 1 秒的电流脉冲序列驱动，这需要 7.4 V 电池提供 1.3 mAh 的电量，电流脉冲由 Arduino 微控制器控制和计时。排除控制电子设备后，推进器质量为 41.9 g。

1.2 水箱注水与静态性能测试

为使喷气水箱跃出水面，需从周围吸入水。测试时，水箱初始手动注水，后续原型在水箱喷嘴另一端安装止回阀，使水箱在气体释放加压前能被动注水，并在喷气时保持压力。

静态推力测试将装置垂直安装在负载传感器上，以 2500 Hz 记录力数据。传感器在水箱注满水时归零，因此水排出时的重量减轻也被力传感器测量。记录了六次驱动的推力曲线，最后一次测试在水下进行。

推力曲线呈现水加速时压力迅速上升、水在持续压力下排出以及剩余气体排出时推力逐渐减小的特征。重复测试的推力曲线一致性良好，微小差异可能源于充电用 CO₂ 罐温度变化，因为 CO₂ 蒸汽压力随温度变化（20°C 时为 57 bar，约 1.25 bar/°C）。

水排出末