水下無人航行器外掛吊艙水動力試驗(yàn)及操縱性分析

曹建，蘇玉民，趙金鑫，秦再白

（哈爾濱工程大學(xué)水下無人航行器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001）

水下無人航行器外掛吊艙水動力試驗(yàn)及操縱性分析

曹建，蘇玉民，趙金鑫，秦再白

（哈爾濱工程大學(xué)水下無人航行器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001）

在循環(huán)水槽開展了某帶吊艙水下無人航行器的水動力試驗(yàn)，繪制出了航行器阻力曲線，得到了與操縱性相關(guān)的主要水動力系數(shù)，在此基礎(chǔ)上對水下無人航行器的運(yùn)動穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并與不帶吊艙情況下的水下無人航行器操縱性進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果可為水下無人航行器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)動控制與仿真提供依據(jù)。

水下無人航行器；水動力系數(shù)；運(yùn)動穩(wěn)定性；操縱性；水動力試驗(yàn)

0 引言

隨著人們對海洋開發(fā)的不斷深入，以及對水下作戰(zhàn)要求的提高，水下無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）所承載的使命越來越多，這就要求他搭載更多的設(shè)備以完成復(fù)雜而多樣的任務(wù)。如果只是為了增加幾個(gè)設(shè)備而重新設(shè)計(jì)制造一款水下無人航行器，這顯然是對資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)還會增加開支。因此人們提出了在已有水下無人航行器基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。加掛吊艙就是其中一種簡單而有效的方法。然而，加掛吊艙不僅對航行器艇體阻力有很大影響，也會改變航行器的操縱性能。

相關(guān)學(xué)者在水下無人航行器水動力性能研究方面已開展了一些研究工作[1-4]，周杰[1]研究了水下無人航行器外掛魚雷的穩(wěn)定性判斷條件；李剛[2]基于水動力試驗(yàn)研究了復(fù)雜構(gòu)型水下無人航行器的水動力特性；江新[3]提出了一種采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)水下無人航行器水動力性能方法；張榮敏[4]基于CFD技術(shù)研究了無鰭舵適量推進(jìn)水下無人航行器的縱向穩(wěn)定性。為了研究掛吊艙后水下無人航行器的水動力性能，本文先采用水動力試驗(yàn)方法獲得水下無人航行器的水動力系數(shù)，在此基礎(chǔ)上開展水下無人航行器的操縱性分析。

本文在某魚雷形水下無人航行器[5]模型基礎(chǔ)上，加掛一流線型吊艙，并在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)室利用垂直平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)（VPMM）[6-7]對其進(jìn)行了水動力試驗(yàn)。在獲得了相應(yīng)水動力系數(shù)基礎(chǔ)上，比較了帶吊艙與不帶吊艙時(shí)航行器的操縱性。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

帶吊艙水下無人航行器模型外形如圖1所示，主艇體為魚雷外形的舵槳聯(lián)合操縱水下無人航行器模型，主尺度為：總長：1.46 m；直徑：0.214 m。吊艙為一回轉(zhuǎn)體，首部是半球形，尾部是與主艇體尾部形狀相似的拋物線形。吊艙主尺度為：長：0.92 m，直徑：0.11 m。

航行器整體重心距艇首：0.641 m；充水后質(zhì)量：46.8 kg。模型與實(shí)艇的比例為1:1，試驗(yàn)采用的坐標(biāo)系如圖2所示。

圖1 帶吊艙機(jī)器人模型Fig.1 Test model with an outside cabin

圖2 坐標(biāo)系示意圖Fig.2 Coordinate system

2 循環(huán)水槽試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽利用垂直平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)VPMM進(jìn)行，循環(huán)水槽工作段為7×1.7×1.5 m，常用流速0.3-1.7 m/s，實(shí)驗(yàn)流速可以通過流速調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)模型距水面約0.8 m，六分力天平安放在模型內(nèi)部，模型正浮狀態(tài)安裝時(shí)可進(jìn)行阻力試驗(yàn)、水平面斜航試驗(yàn)、純升沉和純俯仰試驗(yàn)，模型橫傾-90°安裝時(shí)可以進(jìn)行垂直面斜航試驗(yàn)、純橫蕩和純搖艏試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集，無因次化時(shí)以艇體總長為特征長度。

2.1 阻力試驗(yàn)

將水下無人航行器通過平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)前后兩個(gè)支桿正浮固定在水中，使其漂角和攻角都為0，測量不同流速下艇體的縱向受力R，并與不帶吊艙時(shí)UUV所受阻力比較，如圖3所示。

圖3 水下無人航行器阻力曲線Fig.3 Resistance curve of UUV

將測量阻力數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合得到帶吊艙UUV的無因次縱向阻力系數(shù)為0.006 57，阻力試驗(yàn)的測量結(jié)果可以為水下無人航行器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.2 純升沉和純橫蕩試驗(yàn)

（1）純升沉試驗(yàn)

純升沉振蕩運(yùn)動試驗(yàn)的目的是測量UUV模型的垂直面水動力系數(shù)Zw′、Zw˙′、Mw′、Mw˙′。調(diào)節(jié)兩支桿同相位、同振幅和同頻率作正弦震蕩，此時(shí)UUV模型在大地坐標(biāo)系下的運(yùn)動規(guī)律為

式中：ω為支桿的振蕩頻率；a為振幅。

模型的運(yùn)動參數(shù)為：

表1 純升沉運(yùn)動試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of pure heave motion

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持兩支桿的振幅始終為a=4 cm，其他參數(shù)見表1。

平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的測力和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測出的拘束力和力矩分解出與振蕩同相的分量和正交的分量，分別作出同相分量隨aω2，正交分量隨aω變化的曲線，最后線性擬合得到垂直面的無因次水動力系數(shù)，如表2所示。

（2）純橫蕩試驗(yàn)

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)處理方法與純升沉運(yùn)動相同，最后得到模型水平面的無因次水動力系數(shù)Yv′、Yv˙′、Nv′和Nv˙′，如表3所示。

表2 升沉水動力系數(shù)Tab.2 Hydrodynamic coefficients of pure heave motion

表3 橫蕩水動力系數(shù)Tab.2 Hydrodynamic coefficients of pure sway motion

2.3 純俯仰和純搖艏試驗(yàn)

（1）純俯仰試驗(yàn)

UUV模型進(jìn)行純俯仰振蕩運(yùn)動試驗(yàn)是為了測量其垂直面角速度與角加速度系數(shù)Zq′、Zq˙′、Mq′、Mq˙′。

純俯仰運(yùn)動的時(shí)候，船模運(yùn)動速度與重心軌跡曲線相切，船模攻角、船模動坐標(biāo)系的Z向速度與加速度均為0，即。當(dāng)保持前后支桿的振幅相等，調(diào)節(jié)其相位差，使后桿對前桿有一定的滯后角ε：

此時(shí)模型作純俯仰運(yùn)動，兩支桿的位移為：

根據(jù)模型安裝情況其運(yùn)動參數(shù)為：

式中：l0為兩桿間距離的二分之一；ω為振蕩圓頻率；U為模型速度（即流速），船模即作純俯仰運(yùn)動。

試驗(yàn)時(shí)，使VPMM兩支桿中點(diǎn)（即測力中心）的振幅始終為4 cm，并根據(jù)流速和振蕩頻率調(diào)節(jié)兩支桿的振幅實(shí)現(xiàn)純俯仰運(yùn)動。純俯仰試驗(yàn)參數(shù)見表4。

同樣將所測拘束力和力矩分解出與縱傾角振蕩同相部分和正交部分，分別作出同相分量隨θ0ω2，正交分量隨θ0ω變化的曲線，最后處理得到俯仰水動力系數(shù)如表5所示。

（2）純搖艏試驗(yàn)

試驗(yàn)方法與參數(shù)設(shè)定和純俯仰試驗(yàn)相同，最后得到水平面角速度與角加速度系數(shù)Yr˙′、Yr′、Nr˙′和Nr′如表6所示。

表4 純俯仰試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Parameters of pure pitch motion

表5 俯仰水動力系數(shù)Tab.5 Hydrodynamic coefficients of pure pitch motion

表6 搖艏水動力系數(shù)Tab.6 Hydrodynamic coefficients of pure yaw motion

3 操縱性分析

水下無人航行器的操縱性分為穩(wěn)定性與機(jī)動性。在這里我們首先分析帶吊艙水下無人航行器的穩(wěn)定性。

3.1 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性對水下無人航行器來說非常重要，是水下無人航行器水平面航向控制系統(tǒng)和垂直面深度控制系統(tǒng)的重要特性。由于動穩(wěn)定性對水下無人航行器操縱比較重要，一般要求航行器具有直線自動穩(wěn)定性，并不要求它有靜穩(wěn)定性，而一般情況下水下無人航行器不論在水平面還是垂直面都是靜不穩(wěn)定的，所以本節(jié)在前面試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上著重分析所設(shè)計(jì)的水下無人航行器的動穩(wěn)定性能。

（1）水平面動穩(wěn)定性分析

[5]，水下無人航行器水平面穩(wěn)定性條件可歸結(jié)為如下等價(jià)的判別式

若CH＞0，則水下無人航行器具有水平面的直線自動穩(wěn)定性；若CH＜0，則不具有直線自動穩(wěn)定性；系數(shù)CH稱為穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)。

對于本文研究的水下無人航行器，由前面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知C1H=1.024＞0，該UUV具有水平面的直線自動穩(wěn)定性。由參考文獻(xiàn)[5]可計(jì)算得不帶吊艙時(shí)航行器的水平面穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)為C2H=0.971。比較可知C1H＞C2H，即帶吊艙UUV比不帶吊艙時(shí)水平面自動穩(wěn)定性更高。這是因?yàn)?，在主艇體正下掛載一個(gè)尺寸相對較小的吊艙與在艇體底部縱剖面上加穩(wěn)定鰭的效果相同，都可以減小UUV航行時(shí)的橫搖運(yùn)動，改善艇的橫向穩(wěn)定性[2]。

（2）垂直面動穩(wěn)定性分析

垂直面動穩(wěn)定性可以用Cv+Cvh來判定，其中：

如果Cv+Cvh＞0，則具有垂直面的直線自動穩(wěn)定性。由前面水動力試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：Cv=5.348×10-4＞0。Cvh體現(xiàn)了靜扶正力矩的影響，實(shí)際上，靜扶正力矩的作用和航速密切相關(guān)。從公式Mθ′=-m′gh/U2可以看出，扶正力矩的作用隨航速的增大而迅速降低。但是，由計(jì)算知

而無論航速U多大，Mθ′都是負(fù)值，所以Cvh＞0。因此，衡準(zhǔn)Cv+Cvh＞0，UUV具有垂直面直線自動穩(wěn)定性。由于UUV在任何航速下都能動穩(wěn)定，稱此時(shí)UUV是絕對穩(wěn)定的。

3.2 機(jī)動性分析

本文中，我們應(yīng)用前面水動力試驗(yàn)獲得的水動力系數(shù)對水下無人航行器的水平面運(yùn)動進(jìn)行仿真，分析水下無人航行器帶與不帶吊艙時(shí)的機(jī)動性。仿真選取了兩種典型的水平面運(yùn)動形式：水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動和水平面Z形操舵機(jī)動。轉(zhuǎn)舵速率δ˙定為6°/s。

（1）水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真

回轉(zhuǎn)運(yùn)動的主要特征可用下列參數(shù)描述：

定?；剞D(zhuǎn)直徑Ds：定常回轉(zhuǎn)圈的直徑。

縱距Ad：自轉(zhuǎn)舵開始的操舵點(diǎn)至首向改變90°時(shí)，UUV重心沿初始直航線前進(jìn)的距離。它表示UUV在航行中，發(fā)現(xiàn)前方有障礙物而轉(zhuǎn)舵避碰的最短距離。

回轉(zhuǎn)周期T：從轉(zhuǎn)舵起至回轉(zhuǎn)360°所經(jīng)歷的時(shí)間。

仿真時(shí)，航速U分別設(shè)為1 m/s和1.5 m/s，操舵角δ分別選取5°、10°、15°和20°，回轉(zhuǎn)曲線仿真結(jié)果如圖4和圖5。

將回轉(zhuǎn)運(yùn)動的特征參數(shù)列表如表7和表8所示。

圖4 U=1 m/s時(shí)UUV不同操舵角下水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡Fig.4 Turning trace of the UUV at different rudder angle when U=1 m/s

圖5 U=1.5 m/s時(shí)UUV不同操舵角下水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡Fig.5 Turning trace of the UUV at different rudder angle when U=1.5 m/s

表7 帶吊艙UUV回轉(zhuǎn)運(yùn)動特征參數(shù)Tab.7 Turning characteristic parameters of the UUV with cabin

表8 不帶吊艙UUV回轉(zhuǎn)運(yùn)動特征參數(shù)Tab.8 Turning characteristic parameters of the UUV without cabin

從表中可以看出，在相同航速下，舵角越大，回轉(zhuǎn)直徑、回轉(zhuǎn)周期和縱距都減??；而在相同舵角時(shí)，兩個(gè)航速下的回轉(zhuǎn)直徑基本一致，航速大的回轉(zhuǎn)周期較短。

在相同航速相同舵角下，帶吊艙的UUV的回轉(zhuǎn)直徑、回轉(zhuǎn)周期和縱距要大于不帶吊艙UUV的值。

（2）水平面Z形機(jī)動仿真

UUV在實(shí)際的航行中，進(jìn)行完整回轉(zhuǎn)的情況很少，經(jīng)常是從一個(gè)航向改變到另一個(gè)航向、或保持航向的操舵機(jī)動，其特點(diǎn)是機(jī)動幅度不大，可用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動中的Z形操舵機(jī)動來測定UUV的應(yīng)舵性。

Z形運(yùn)動與應(yīng)舵性能有關(guān)的特征值有：

初轉(zhuǎn)期ta：從首次操舵起至第一次操反舵止所經(jīng)過的時(shí)間。若是10°/10°Z形操舵機(jī)動，則ta表示從直航中操10°舵角，艇艏向角改變10°所需之時(shí)間,也就是艏向改變的快慢。

超越時(shí)間tov：從操反舵開始到UUV停止朝原方向回轉(zhuǎn)的時(shí)間。

超越艏向角ψo(hù)v：操反舵后UUV繼續(xù)朝原方向回轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的最大角度。

周期T：從操舵瞬時(shí)到UUV完成向右舷和左舷擺動各一次,回復(fù)到初始艏向角的時(shí)間。

顯然，上述特征量小，UUV對舵的響應(yīng)快，轉(zhuǎn)首性好，應(yīng)舵快。

仿真時(shí)，直航速度U分別穩(wěn)定在1 m/s和1.5 m/s，Z形運(yùn)動的操舵角及艏向角選取δ/ψ=10°/10°。

Z行機(jī)動仿真時(shí)舵角、艏向角及重心的橫向距離隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6～9所示。

Z形機(jī)動的特征參數(shù)如表9所示。

圖6 U=1.0 m/s時(shí)Z形機(jī)動舵角及艏向隨時(shí)間變化Fig.6 Ruder angle and heading curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.0 m/s

圖7 U=1.0 m/s時(shí)Z形機(jī)動重心橫向位移隨時(shí)間變化Fig.7 Gravity center lateral displacement curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.0 m/s

圖8 U=1.5 m/s時(shí)Z形機(jī)動舵角及艏向隨時(shí)間變化Fig.8 Ruder angle and heading curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.5 m/s

圖9 U=1.5 m/s時(shí)Z形機(jī)動重心橫向位移隨時(shí)間變化Fig.9 Gravity center lateral displacement curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.5 m/s

表9 Z形機(jī)動特征參數(shù)Tab.9 Characteristic parameters of UUV zigzag maneuvering

由表9可以看出，在相同航速下，不帶吊艙UUV的Z形運(yùn)動周期和重心橫向位移都比帶吊艙時(shí)的小，而超越艏向角較大，說明UUV帶吊艙時(shí)應(yīng)舵性能差于不帶吊艙時(shí)。

從水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動和Z形機(jī)動的仿真結(jié)果可知，帶吊艙水下無人航行器的機(jī)動性不如無吊艙情況下的。

4 結(jié)論

在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽，利用平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)對某魚雷外形的水下無人航行器模型進(jìn)行了加掛外吊艙的水動力試驗(yàn)，得到了模型主要水動力系數(shù)，給出了阻力曲線，并對所設(shè)計(jì)的水下無人航行器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證了航行器具有良好的直線自動穩(wěn)定性。同時(shí)將航行器帶與不帶吊艙兩種情況下的水平面機(jī)動性能進(jìn)行了比較，了解了二者之間的差異，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

阻力試驗(yàn)可以為螺旋槳設(shè)計(jì)及電機(jī)選擇提供參考，得到的水動力系數(shù)可以為水下無人航行器運(yùn)動建模與仿真、操縱性能研究和運(yùn)動控制提供重要依據(jù)。

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Hydrodynamic experiment and maneuverability analysis of an unmanned underwater vehicle with an outside equipment cabin

CAO Jian,SU Yu-min,ZHAO Jin-xin,QIN Zai-bai
(State Key Laboratory of Autonomous Underwater Vehicle,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The hydrodynamic experiment to the model of an unmanned underwater vehicle with an outside equipment cabin was done in circulating water channel.According to the results of the experiment,the resistance curve of the vehicle,and the main hydrodynamic coefficients were obtained.Utilizing the coefficients,the stability of motion of the vehicle was analyzed and the maneuverability of this vehicle was compared with the vehicle without the cabin.To the underwater vehicle,results from the experiment could provide the base of the propeller design and motion simulation and control.

unmanned underwater vehicle;hydrodynamic coefficients;stability of motion; maneuverability;hydrodynamic experiment

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.08.005

1007-7294（2017）08-0968-08

2017-03-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51609047）

曹建（1984-），男，博士，講師，E-mail:caojian_heu@163.com；蘇玉民（1960-），男，博士，教授。