無(wú)人水下航行器水下駐留技術(shù)研究.pdf

1、水下駐留 UUV是一種新型的水下航行器，其能夠自主低速遠(yuǎn)程航行，在到達(dá)需要探測(cè)的港口、海峽之后能夠長(zhǎng)期駐留在海底并對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，任務(wù)完成后，可二次啟動(dòng)自主返航。本文主要對(duì)無(wú)人水下航行器水下駐留所涉及的駐留方案、流體動(dòng)力特性、著陸策略、著陸及駐留安全性、二次啟動(dòng)策略等若干方面進(jìn)行了較為深入的研究。主要的研究工作及創(chuàng)新性成果歸納如下：
　　1.無(wú)人水下航行器海底駐留方案設(shè)計(jì)
　?。?）總體布局研究：應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

2、，設(shè)計(jì)了低阻和低噪聲的水下航行器流體動(dòng)力外形；結(jié)合設(shè)計(jì)的流體動(dòng)力外形，對(duì)其動(dòng)靜力布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)；利用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了海底駐留UUV的流體動(dòng)力參數(shù)；初步分析了其機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。
　?。?）提出了兩種海底駐留方案——支撐桿駐留機(jī)構(gòu)、錨泊駐留機(jī)構(gòu)，研究了這兩種駐留方案的工作原理并建立了三維虛擬樣機(jī)；比較了這兩種駐留機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。
　?。?）研究了變浮力系統(tǒng)的工作原理并建立了其三維虛擬樣機(jī)。
　　2.航行器大攻角及海底駐留流體

3、動(dòng)力特性分析
　　利用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)航行器外圍流域劃分結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，模擬不同工況下航行器外圍流場(chǎng)，研究航行器大攻角及海底駐留時(shí)的流體動(dòng)力特性：
　　（1）對(duì)無(wú)支撐機(jī)構(gòu)、只有支撐機(jī)構(gòu)以及有垂推有支撐機(jī)構(gòu)3種模型不同攻角時(shí)93種工況下航行器的外圍流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得到了UUV大攻角時(shí)阻力系數(shù)、升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)隨著攻角的變化特性。
　?。?）分析了垂推、支撐機(jī)構(gòu)對(duì)航行器大攻角時(shí)流體動(dòng)力特性的影響。
　

4、?。?）基于計(jì)算流體力學(xué)理論，模擬了支撐機(jī)構(gòu)駐留UUV海底駐留時(shí)不同工況下的流場(chǎng)，得到了其海底受力隨海底傾角、距海底距離、水流速度的變化特性。
　?。?）研究了垂推對(duì)UUV海底受力特性的影響。
　?。?）研究了錨泊式駐留UUV海底受力隨距海底距離、水流速度的變化特性。
　　3.無(wú)人水下航行器著陸策略及影響因素研究
　?。?）建立了水下駐留UUV空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)其操縱性進(jìn)行了分析。
　?。?）建立了變浮力

5、系統(tǒng)對(duì)航行器受力影響的數(shù)學(xué)模型以及垂推作用力及控制的數(shù)學(xué)模型。
　　（3）提出了四種著陸策略——注水自由下潛著陸策略、支撐機(jī)構(gòu)伸出注水自由下潛著陸策略、垂推控制著陸策略、支撐機(jī)構(gòu)伸出垂推控制著陸策略；建立了水下駐留UUV著陸仿真系統(tǒng)，研究了變浮力系統(tǒng)的注水質(zhì)量、注水位置對(duì)四種著陸策略的影響。
　　（4）分析了支撐機(jī)構(gòu)、垂推對(duì)著陸過(guò)程的影響。
　?。?）對(duì)無(wú)垂推錨泊式、無(wú)垂推支撐機(jī)構(gòu)式、有垂推錨泊式、有垂推支撐機(jī)構(gòu)式水下

6、駐留UUV的著陸策略進(jìn)行了分析與選擇。
　　4.無(wú)人水下航行器著陸及駐留安全性研究
　?。?）基于有限元分析的方法，利用軟件LS-DYNA，對(duì)UUV海底著陸時(shí)與海底碰撞的過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了航行器應(yīng)力、沖擊力及能量隨時(shí)間的變化曲線，評(píng)估了航行器著陸時(shí)的安全性。
　?。?）建立了支撐式航行器海底駐留穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型，得到了臨界穩(wěn)定狀態(tài)下各參數(shù)之間的關(guān)系；研究了能夠保持航行器海底穩(wěn)定駐留的參數(shù)。
　　（3）建立了

7、錨鏈沖擊力分析數(shù)學(xué)模型；分析了錨塊質(zhì)量、錨鏈直徑、錨鏈長(zhǎng)度對(duì)錨塊下落時(shí)錨鏈沖擊力的影響；分析了UUV正浮力、錨鏈直徑、錨鏈長(zhǎng)度對(duì)UUV上浮時(shí)錨鏈沖擊力的影響；分析了正浮力、初始速度對(duì)UUV下落距離的影響。
　?。?）建立了錨泊式UUV在定常海流下海底駐留穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型，得到了UUV距海底距離與正浮力及錨鏈長(zhǎng)度的關(guān)系，對(duì)錨泊式UUV海底駐留穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
　?。?）根據(jù)航行器六自由度運(yùn)動(dòng)模型，分析了錨泊式UUV海底駐留

8、時(shí)在小擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并得到了錨鏈的作用力情況。
　　5.二次啟動(dòng)策略及影響因素研究
　?。?）建立了二次啟動(dòng)過(guò)程中變浮力系統(tǒng)給排水量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型；建立了二次啟動(dòng)過(guò)程中UUV頭部、尾部距海底距離的數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)了垂推的控制律。
　?。?）提出了兩種二次啟動(dòng)策略——自由起浮二次啟動(dòng)策略和垂推控制二次啟動(dòng)策略；根據(jù)航行器的空間運(yùn)動(dòng)模型，研究了自由起浮及垂推控制兩種二次啟動(dòng)策略及其影響因素，得到了UUV二次啟動(dòng)時(shí)各參