水下航行器非正常超淺停車問題研究

李厚全 ,馮瀟濤 ,張孝芳* ,趙志博

(1.海軍潛艇學(xué)院,山東 青島,266199;2.中國人民解放軍92767 部隊(duì),山東 青島,266102;3.中國人民解放軍91049 部隊(duì),山東 青島,266102)

0 引言

無人水下航行器是近年來各國海軍研究的熱點(diǎn)裝備,并已形成具有小、中、大各類型號(hào),可執(zhí)行多種水下任務(wù)的水下無人平臺(tái)[1-2]。為滿足航行控制、航行安全以及給航行器內(nèi)其他各系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的需要,水下航行器需要配置深度傳感器裝置[3-4]為主控制系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)及非正常停車控制系統(tǒng)等提供可靠、準(zhǔn)確的深度信息。對于中大型且外形為等截面細(xì)長體的航行器,其前后端系統(tǒng)均需要深度信息,為便于航行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置,同時(shí)也為航行器提供冗余信息備份,常為航行器配置前后2 個(gè)深度傳感器。前端深度傳感器為航行器水下數(shù)據(jù)記錄和超深超淺保護(hù)等提供深度信息;后端深度傳感器為航行器提供導(dǎo)航和控制深度信息。

航行器在設(shè)定深度下航行時(shí)具有自身航行安全控制功能,為了防止航行深度過淺或過深導(dǎo)致航行器出現(xiàn)航行安全問題,設(shè)置了超淺深度和超深深度極限設(shè)定。當(dāng)水下航行器航行控制穩(wěn)定,實(shí)際未達(dá)超淺深度,但內(nèi)部測控微機(jī)誤判水下航行器發(fā)生超淺時(shí),會(huì)導(dǎo)致非正常超淺停車。顯然,在2 個(gè)深度傳感器未發(fā)生故障的情況下出現(xiàn)非正常超淺停車,與傳感器提供的深度信息有關(guān)。

由于無人水下航行器種類繁多,形式各異,發(fā)生非正常停車問題也屬低概率事件,鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。文中采用數(shù)值仿真和海上試驗(yàn)聯(lián)合分析方法對水下航行器非正常超淺停車問題進(jìn)行研究。

1 問題描述

水下航行器在航行時(shí),通常在超淺航行時(shí)間達(dá)最大持續(xù)時(shí)間時(shí)才會(huì)發(fā)生停車。針對航行器出現(xiàn)的未達(dá)到航行上限深度發(fā)生的非正常超淺停車問題,文中采集了發(fā)生超淺停車前3 s 航行器不同部位的深度傳感器數(shù)據(jù)如下:位于航行器前端的深度傳感器前3 s 測量的深度值分別為4.4,3.7 和3.4 m;位于航行器后端的深度傳感器測量的相應(yīng)時(shí)間深度值分別為6.3,5.9 和5.7 m,兩者測量差值的平均數(shù)為2.23 m,顯然2 個(gè)深度傳感器提供的深度信息有較大差異。按照航行器設(shè)定數(shù)據(jù),后端的深度傳感器判斷航行器航行正常,而前端深度傳感器判斷為超淺,從而發(fā)生停車故障。究其原因可能有:1) 深度傳感器故障,造成其中1 個(gè)組件數(shù)值有誤差;2) 非硬件結(jié)構(gòu)故障,2 組傳感器因壓力不同導(dǎo)致測量值不一致,其影響因素、誤差規(guī)律不明。

針對上述問題,文中采用航行器3 種典型航速(速度1～3)進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,對發(fā)生的非正常停車故障開展研究。

2 非正常超淺停車因素分析

水下航行器前端的深度傳感器和中后端的深度傳感器所使用的壓力變送器型號(hào)相同,在相同環(huán)境下同一深度所測得的壓強(qiáng)值理論上是一致的,經(jīng)硬件校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2 組傳感器無故障[5-6]。但航行器數(shù)據(jù)回放發(fā)現(xiàn),2 組傳感器測量壓力有差異,有時(shí)差距還較大。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是由于航行器流場引起的壓強(qiáng)變化,導(dǎo)致2 個(gè)壓力變送器測得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)差值。

當(dāng)理想流體流經(jīng)等截面細(xì)長型旋成體時(shí),旋成體的頭部頂點(diǎn)為駐點(diǎn),流體的速度為零,壓力系數(shù)值最大。自駐點(diǎn)起形成邊界層,當(dāng)流體由駐點(diǎn)沿物面繼續(xù)向后流動(dòng)時(shí),流體的速度不斷增大,壓力不斷減小,在到達(dá)距頂點(diǎn)不遠(yuǎn)處的臨界雷諾數(shù)位置點(diǎn)處,流速達(dá)到最大值,壓力達(dá)到最小值,該壓力極值點(diǎn)即為流體動(dòng)壓轉(zhuǎn)捩點(diǎn),是邊界層內(nèi)流場由層流向湍流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)[7-8]。轉(zhuǎn)捩點(diǎn)之后,流速不斷減小,壓力不斷增大,直至航行器平行舯體中段壓力分布趨于平坦穩(wěn)定[9]。

文中仿真了航行器水下航速為速度2、水深10 m、直線航行狀態(tài)下,流場對航行器不同部位所受壓力的影響[10-11]。仿真結(jié)果如圖1 所示,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.798 5 m/s2,取海水密度ρ=1.023 5 g/cm3。仿真結(jié)果表明,在航行器頭部頂點(diǎn)不遠(yuǎn)處,流速急劇升高(圖1 上圖的紅色區(qū)域)、壓強(qiáng)急劇減小(圖1下圖的藍(lán)色區(qū)域)。為了降低轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近流噪聲對航行器頭部前視聲吶的影響,一般會(huì)將轉(zhuǎn)捩點(diǎn)往航行器尾部方向移動(dòng),因此位于緊靠航行器頭部后方的艙段就成了轉(zhuǎn)捩點(diǎn)影響最大的區(qū)域。文中該類航行器在該區(qū)域配置有深度傳感器,導(dǎo)致對壓強(qiáng)敏感的壓力變送器輸出值受轉(zhuǎn)戾點(diǎn)影響較大,進(jìn)一步影響水下航行器的正常工作。

圖1 水下航行器周邊流速圖和壓強(qiáng)圖Fig.1 Speed of flow and pressure around an undersea vehicle

影響水下航行器周邊動(dòng)壓變化的因素主要有水下航行器攻角、航深和航速[7,10]。文中分別采用數(shù)值仿真或試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析航行器在不同航速、深度及姿態(tài)下,流場對航行器不同部位壓力的影響。

2.1 攻角

航行器設(shè)計(jì)為正浮力,航行狀態(tài)下,其姿態(tài)為負(fù)攻角(攻角大小根據(jù)航速和海水鹽度不同而略有變化)[12]。考慮到前后2 組深度傳感器的位置均位于航行器中軸線正上方,兩者迎水角度始終一致,由攻角帶來的動(dòng)壓變化一致,因此可忽略攻角對深度傳感器測量的影響。仿真航行器在不同攻角下的測量差值見表1,試驗(yàn)中航行器航深10 m、選取速度1)。

從表中可以看出,在相同航深及航速、不同攻角下,前后2 組深度傳感器的測量差值波動(dòng)較小,且無規(guī)律性。因此,攻角不是造成前后深度傳感器測量差值過大的原因。

2.2 航深

仿真航行器在不同航深下的深度測量差見表2,試驗(yàn)中選取速度1,攻角設(shè)為0°。

表2 不同航深下深度測量差值Table 2 Measurement errors of depth at various depth

從表中可看出,在相同攻角及航速、不同航深下,前后深度傳感器測量的深度差值波動(dòng)較小。因此,航深不是造成前后深度傳感器深度測量差值過大導(dǎo)致水下航行器非正常超淺停車的原因。

2.3 航速

由于轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的存在,當(dāng)水流從航行器的頭段殼體周圍流過時(shí),流速急劇上升并形成湍流,湍流會(huì)在水下航行器頭段周圍形成低壓區(qū)如圖2 所示。仿真條件為航行器速度3,水下20 m,勻速直航。由圖2 結(jié)果可見,前端深度傳感器的測量點(diǎn)剛好就在低壓區(qū)的影響范圍內(nèi),所以深度傳感器的測量值明顯小于設(shè)定值;后端深度傳感器的測量點(diǎn)則基本不受低壓區(qū)的影響。分析結(jié)果與圖1 仿真結(jié)果一致。

圖2 航行狀態(tài)下水下航行器壓強(qiáng)圖Fig.2 Pressure distribution around an undersea vehicle in navigation

表3 是某次水下航行器海試中的前、后深度傳感器測量的深度數(shù)據(jù)(注:航行過程中,水下航行器進(jìn)行過變深,所以在不同航速下,深度的設(shè)定值有所不同,文中重點(diǎn)考查深度測量差值及差值的平均值)。

表3 不同航速下深度測量差值Table 3 Measurement errors of depth at various speeds

由表3 可見,同一航行器在不同航速下,前后深度傳感器的深度差值不同,隨著航行器由航速1 增大到航速3,湍流更加明顯,低壓區(qū)的影響進(jìn)一步增大,導(dǎo)致前深度傳感器的測量值與設(shè)定值的差值進(jìn)一步增大。因此,航速影響航行器殼體壓力分布,且航速越大,航行器前端與后端的壓力差越大,這是造成前后深度傳感器深度測量存在差值的主要原因。

3 試驗(yàn)分析與改進(jìn)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

文中針對航速對深度測量差值的影響進(jìn)行了理論分析,并給出一組水下航行器海試數(shù)據(jù),以便進(jìn)一步研究不同航速下,航行器深度測量誤差的規(guī)律。文中進(jìn)行了10 航次測量和1 航次數(shù)據(jù)冗余備用,共計(jì)11 航次的非正常停車上浮數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析后的差值平均值結(jié)果如表4 所示。

表4 水下航行器深度測量差值試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Table 4 Analysis of measurement errors of test data for undersea vehicle depth

假定上述各航速下的深度測量差值符合正態(tài)分布,分別計(jì)算各航速下深度測量差值的平均值和深度測量差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,取顯著水平為0.05、置信水平為95%的置信區(qū)間,具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同航速下深度測量差值統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算Table 5 Statistical computation of measurement errors of depth at various speeds

圖3 為速度1、速度2、速度3 下深度測量差值的散點(diǎn)圖,可直觀地顯示11 航次水下航行器在各航速下深度測量差值的分布范圍。

圖3 各航速下深度測量差值散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of depth measurement errors at various traveling speeds

從表5 及圖3 可以看出,水下航行器在各航速下的深度測量差值數(shù)據(jù)集中、穩(wěn)定,航速與深度測量差值具有明顯的相關(guān)性。

3.2 改進(jìn)方法

由以上分析可知,為避免水下航行器在航行中發(fā)生非正常超淺停車,需要減小前后端深度傳感器的深度測量差值,具體改進(jìn)方法如下。

1) 在不改變航行器結(jié)構(gòu)的情況下,將“上限深度”與“超淺深度”差值拉大,以防止深度傳感器測量差值引起水下航行器非正常超淺停車。

2) 改進(jìn)航行器硬件結(jié)構(gòu),取消前端深度傳感器,將后端傳感器測量的深度信息直接傳送到水下航行器前端系統(tǒng)中,使前后傳感器得到統(tǒng)一的深度數(shù)據(jù),防止航行器航行深度控制和安全深度控制不一致。但在航行器發(fā)生上爬、下潛等深度變化時(shí),前后端的深度信息差別較大,需要留有更大的深度安全余量,也會(huì)降低航行器航行的安全冗余度。

3) 通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)或計(jì)算機(jī)仿真,得出不同航速下的深度傳感器測量誤差,對前端深度傳感器測量的深度值進(jìn)行修正,使得

式中:H實(shí)際值為采用的前端深度傳感器深度數(shù)值;H測量值為前端深度傳感器實(shí)際測量深度值;H補(bǔ)償為不同航速下前端深度傳感器測量誤差值。

4 結(jié)束語

針對水下航行器出現(xiàn)的航行深度未達(dá)超淺深度而出現(xiàn)的非正常超淺停車問題,采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了水下航行器攻角、航深及航速對發(fā)生非正常超淺停車的影響,并給出了3 種典型速度工況下的深度傳感器誤差值。從仿真計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,航速是非正常超淺停車的主要影響因素,問題根源是水下航行器前后端深度傳感器所受流體壓力存在偏差導(dǎo)致。文中的研究可為配置有前后深度傳感器的細(xì)長型水下航行器改善和解決非正常停車問題提供參考。