UUV操縱性設(shè)計(jì)及流體動(dòng)力布局

李雨田，雷 敏，雷 陽(yáng)，錢進(jìn)軍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

始于20世紀(jì)50年代，UUV研究至今熱潮不減，面世的UUV產(chǎn)品型號(hào)數(shù)以千計(jì)。美軍自2000年起，每隔2年發(fā)布一版無(wú)人系統(tǒng)規(guī)劃，到2018年共發(fā)布了8個(gè)版本的UUV系統(tǒng)路線圖，不斷調(diào)整美軍UUV系統(tǒng)的近期、中期、長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。2018年底，美國(guó)國(guó)防部公布了最新版美國(guó)無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖（Unmanned Systems Integrated Roadmap2018-2042），旨在指導(dǎo)軍用無(wú)人機(jī)、無(wú)人潛航器、無(wú)人水面艇、無(wú)人地面車輛等無(wú)人系統(tǒng)的全面發(fā)展，確定了無(wú)人系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)主題和驅(qū)動(dòng)力[1-7]。國(guó)內(nèi)，近幾年海軍機(jī)關(guān)聯(lián)合船舶集團(tuán)、中科院、中電集團(tuán)的院所和國(guó)內(nèi)高校，系統(tǒng)化地開(kāi)展了UUV使命任務(wù)和發(fā)展路線的規(guī)劃論證，已取得一定研究成果。未來(lái)，隨著水下導(dǎo)航、通信、能源和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，以及海洋工程和軍事應(yīng)用需求的牽引，UUV在民用和軍事領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)出更廣闊的發(fā)展前景。

UUV使命任務(wù)不同，搭載的載荷不同，總體配置不同，總體設(shè)計(jì)和操縱布局不同。長(zhǎng)航程任務(wù)單一型及偵察探測(cè)精度高的任務(wù)，要求UUV平臺(tái)穩(wěn)定性高，以滿足高精度傳感器使用要求；占位攻擊型及目標(biāo)抵近確認(rèn)型任務(wù)，要求UUV平臺(tái)機(jī)動(dòng)性高，以滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用要求；作業(yè)操作等任務(wù)，要求UUV具備抵浪抗流能力，具備區(qū)域或定點(diǎn)動(dòng)力控位能力。

UUV總體性能與平臺(tái)的衡重設(shè)計(jì)、鰭舵布局和推進(jìn)器布置密切相關(guān)。UUV鰭舵布局和推進(jìn)器布置，又稱UUV操縱性設(shè)計(jì)和流體動(dòng)力布局[8]。主要是確定鰭舵在航行器軸向、徑向及周向的相對(duì)位置。鰭舵產(chǎn)生一部分升力以彌補(bǔ)殼體升力的不足，用以平衡UUV的負(fù)浮力；鰭舵產(chǎn)生恢復(fù)力矩以平衡殼體的顛覆力矩；舵產(chǎn)生不平衡力矩，以操縱UUV改變速度矢量方向。推進(jìn)器布置，指用于保證UUV按照指令完成航向、深度和速度的改變和保持的推進(jìn)器布置形式。鰭舵布局和推進(jìn)器布置與UUV航行的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、快速性密切相關(guān)。同時(shí)，鰭舵布局和推進(jìn)器布置宏觀地表現(xiàn)了UUV外部特征，是UUV外形最顯著的標(biāo)記[9]。

目前，少數(shù)UUV采用扁平或不規(guī)則外形，大多UUV采用回轉(zhuǎn)體外形。其原因在于回轉(zhuǎn)體外形在容積一定的情況下表面積最小，可減小航行阻力與殼體用材，整體結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，耐壓性能好。同時(shí)，也可借鑒魚(yú)雷成熟的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。魚(yú)雷等水下高速航行器一般為大負(fù)浮力配重，航行速度范圍為25～70 kn，依靠水動(dòng)力平衡負(fù)浮力，直航穩(wěn)定狀態(tài)一般為平衡攻角小于0.5°，平衡舵角小于2°。UUV等低速航行器航行速度一般低于12 kn，中性浮力或微正浮力，其操縱性設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證低速下的操控和應(yīng)對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下的航行控制和環(huán)境適應(yīng)性要求[10]。

UUV尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的布放回收裝置，且不受類似魚(yú)雷發(fā)射管或?qū)棸l(fā)射筒等標(biāo)準(zhǔn)單元的約束；搭載的設(shè)備及傳感器種類多形狀各異；因航速低，阻力和噪聲不是影響總體性能的核心指標(biāo)；諸多因素造就UUV外形、鰭舵布局和推進(jìn)器布置形式多樣。

本文旨在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外UUV操縱性設(shè)計(jì)和流體動(dòng)力布局的特點(diǎn)，劃分鰭舵布局和推進(jìn)器布置類型，為研究UUV總體設(shè)計(jì)及操縱性設(shè)計(jì)提供參考。

1 鰭舵布局及推進(jìn)器布置劃分

UUV鰭舵布局及推進(jìn)器布置與航行器操縱性能密切相關(guān)，操縱性主要指航行器保持給定運(yùn)動(dòng)方向和改變運(yùn)動(dòng)方向的能力。對(duì)UUV來(lái)講，保持運(yùn)動(dòng)方向還應(yīng)包括在水流中保持零速度以及在水中懸停、原地定位、原地回轉(zhuǎn)等特殊操縱功能的要求。

UUV常規(guī)鰭舵布局有尾部十字型鰭舵布局、尾部X型鰭舵布局、首水平舵布局、全動(dòng)舵及幾種布局的組合。推進(jìn)器布置指單一主推進(jìn)器、多個(gè)主推進(jìn)器、主推進(jìn)器+輔助推進(jìn)器（指垂向推進(jìn)器和側(cè)向推進(jìn)器）的推進(jìn)類型及推進(jìn)器的安裝位置。參考戰(zhàn)斗機(jī)氣動(dòng)布局劃分方法[11]，將UUV鰭舵布局和推進(jìn)器布置劃分為“XX鰭舵布局+XX主推進(jìn)器+XX輔助推進(jìn)器”，特殊布局和布置將直接給出類型。

1）尾部十字型鰭舵布局。

尾部十字型鰭舵布局具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、可靠性高的特點(diǎn)，是UUV典型的布局形式。圖1所示為典型尾部十字型鰭舵布局。

圖1 尾部十字型鰭舵布局Fig. 1 Cross fin rudder layout of tail

為提高控制力、增加過(guò)載、提高操縱性，在尾部十字型鰭舵布局基礎(chǔ)上增加首水平舵，或增加多個(gè)主推，或增加輔推等布置方式，組合成不同的操縱控制方案，用于提高UUV的操縱能力。

① 增加“首水平舵”。

首水平舵指在航行器首部布置一對(duì)水平舵，首水平舵能獨(dú)立控制UUV縱傾和下潛。對(duì)于無(wú)縱傾下潛和上浮的潛浮運(yùn)動(dòng)，單靠尾水平舵無(wú)法保證操作的完成。在低于逆速的較低航速上，縱平面內(nèi)只靠尾舵操縱是很困難的。另外，首舵面積幾倍于尾舵面積，故舵效較高，只需較小的舵角就可產(chǎn)生較大的垂向操縱能力。圖2所示為增加首水平舵的布局方案。

圖2 增加首水平舵Fig. 2 Increase of bow horizontal rudder

② 增加“多個(gè)主推”。

布置多個(gè)主推，推進(jìn)器數(shù)量為偶數(shù)，一般為2個(gè)或4個(gè)。

扁平或類扁平外形的UUV，多采用布置2個(gè)主推的方案，推進(jìn)器水平布置在航行器尾部，如圖3（a）所示。扁平型UUV側(cè)向靜穩(wěn)定度較縱向大，單靠操方向舵，提供轉(zhuǎn)向力矩往往不能滿足水平面機(jī)動(dòng)要求。通過(guò)控制布置在尾部的2個(gè)主推不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，能有效增大轉(zhuǎn)向力矩。

針對(duì)小型或輕便型UUV，不布置操縱舵，采用在UUV中部水平布置2個(gè)主推的方案。作為推進(jìn)力能平衡航行阻力需要，同時(shí)，為水平轉(zhuǎn)向提供轉(zhuǎn)向力矩。該種布局通常在UUV中部布置1個(gè)垂推，用于縱向升沉操縱控制，圖3（b）所示即為該種布局。

圖3 布置2個(gè)主推Fig. 3 Two main thruster layout

針對(duì)攜載較多或者外形較復(fù)雜的UUV，通常采用在尾部布置4個(gè)主推的方案，推進(jìn)器呈方形布置，如圖4所示。該方案多個(gè)主推組合產(chǎn)生多種推力，用以平衡復(fù)雜外形或突出載荷產(chǎn)生的非定常流體動(dòng)力。該布局可通過(guò)操縱上下或左右2對(duì)推進(jìn)器，控制不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，能同時(shí)提高水平面和縱平面的機(jī)動(dòng)性能。

③ 增加“輔推”。

在巡航時(shí)由舵所產(chǎn)生的力矩或由主推進(jìn)器產(chǎn)生的力矩都能滿足操縱性的需要，而在懸停時(shí)舵無(wú)法產(chǎn)生力矩也就滿足不了UUV操縱的需要，考慮到UUV懸停、側(cè)移、垂移等運(yùn)動(dòng)模式，因此需借助輔助推進(jìn)器進(jìn)行操縱控制。

輔助推進(jìn)器有垂向推進(jìn)器和側(cè)向推進(jìn)器2種形式，分別用于縱向和側(cè)向動(dòng)力定位與推進(jìn)。圖5為增加垂推的布置方案。圖5（a）在UUV中部布置1個(gè)垂推，主要用于縱向上浮、下潛推進(jìn)，同時(shí)能輔助縱向位置定位；圖5（b）在UUV尾部布置2個(gè)垂推，在首部布置1個(gè)垂推，該布局除了滿足縱向動(dòng)力定位、上浮下潛外，還能輔助調(diào)節(jié)UUV航行姿態(tài)。

圖5 增加垂推Fig. 5 Increase of vertical thruster

UUV機(jī)動(dòng)性能常以水平機(jī)動(dòng)能力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，縱平面僅需滿足常規(guī)的下潛、上浮、懸停和定深等運(yùn)動(dòng)操控。圖6所示為增加側(cè)推的布置方案。側(cè)向推進(jìn)器主要布置在UUV首尾，遠(yuǎn)離UUV力矩重心，能提供最大的轉(zhuǎn)首力矩，有效增大水平回轉(zhuǎn)或機(jī)動(dòng)能力，同時(shí)2個(gè)側(cè)推也能滿足水平面?zhèn)认蚱揭仆七M(jìn)的需求。

圖6 增加側(cè)推Fig. 6 Increase of huorzontal thruster

針對(duì)小、長(zhǎng)、細(xì)此類型的UUV，為滿足該類型UUV高機(jī)動(dòng)性的要求，往往采用同時(shí)增加垂推和側(cè)推的布局方案，圖7所示為同時(shí)增加垂推和側(cè)推的方案。在垂推和側(cè)推的輔助推進(jìn)下能夠輕松實(shí)現(xiàn)空間六自由度高機(jī)動(dòng)航行的目標(biāo)。

圖7 增加垂推和側(cè)推Fig. 7 Increase of vertical and huorzontal thruster

④ 增加“首水平舵”、“主推”和“輔推”的組合。

“首尾舵布局+主推+輔推”的組合，是為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)需求和多工況環(huán)境要求，為提高該類型UUV操縱性，往往需組合配置多種操縱方式。

圖8（a）所示UUV是一種長(zhǎng)6 m，直徑1 m，重4 t的大型水下平臺(tái)。該UUV的推進(jìn)系統(tǒng)由8個(gè)推進(jìn)器組成，包括4個(gè)主推進(jìn)器，3個(gè)垂直推進(jìn)器和1個(gè)橫向推進(jìn)器；尾部布置十字鰭舵，首部布置水平舵。具備良好的多工況操縱能力，可以滿足UUV在0～8 kn航速的操縱要求。

圖8（b）所示UUV長(zhǎng)度為9.7 m，寬度1.3 m，高度1.5 m，重8 t，采用鋰電池或燃料電池作為推進(jìn)能源。尾部布置1個(gè)主推進(jìn)器，首尾布置2個(gè)垂推，首部還布置1個(gè)側(cè)推；尾部布置三角型鰭舵，首部布置水平舵。

圖8 增加水平首舵、主推和輔推的組合Fig. 8 Increase of bow horizontal rudder/main thruster/auxiliary thruster

2）尾部X型鰭舵布局。

X型鰭舵，是指4個(gè)鰭舵呈X型正交布置、舵軸中心線與UUV中對(duì)稱面呈±45°夾角的尾操縱面。X型尾操縱面的可動(dòng)部分稱為X舵，固定部分為穩(wěn)定鰭，沒(méi)有固定鰭的舵即為全動(dòng)舵。相比同面積的十字舵，X型舵的舵效高，低速下操舵頻率低。但X型舵的操控復(fù)雜，需較高操舵控制算法。

X型鰭舵布置類似十字型鰭舵，往往也同首水平舵、多主推、輔推一起組成不同的操控方案。

圖9是UUV典型的尾X型舵布局，圖10是X型尾舵和首水平舵的組合布置，圖11是X型尾鰭、首水平舵、2個(gè)主推的組合布置，圖12是X型尾鰭、4個(gè)主推、2個(gè)垂推和2個(gè)側(cè)推的組合布置。

圖9 尾X型舵Fig. 9 X rudder of tail

圖10 X型尾舵和水平首舵組合圖Fig. 10 X rudder of tail and bow horizontal rudder

圖11 X型尾舵、水平首舵和多主推組合Fig. 11 X rudder of tail/bow horizontal rudder/main thruster

圖12 X型尾鰭與側(cè)推、多主推和輔推組合Fig. 12 X fin of tail/main thruster/auxiliary thruster

3）矢量推進(jìn)。

矢量推進(jìn)除了在航向產(chǎn)生推力以平衡航行阻力外，還在俯仰和偏航通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)器或者導(dǎo)流片用以改變螺旋槳尾流方向，產(chǎn)生法向/側(cè)向過(guò)載，提供操縱力和力矩。矢量推進(jìn)不強(qiáng)依賴航速，使得矢量推進(jìn)在低航速下也具有極好的操控性。

圖13是舵布置在導(dǎo)管內(nèi)的矢量推進(jìn)方案，類似于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)矢量推進(jìn)中的燃?xì)舛?。通過(guò)控制舵偏轉(zhuǎn)角度，產(chǎn)生相對(duì)來(lái)流攻角，使導(dǎo)管尾流方向偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生在側(cè)向或垂向的控制力。此方案需增加導(dǎo)管長(zhǎng)度用于安裝舵，同時(shí)，要合理布置舵轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)。

圖13 舵布置在導(dǎo)管內(nèi)Fig. 13 Rudder layout in thruster

圖14是舵布置在導(dǎo)管后的矢量推進(jìn)方案。

圖14 舵布置在導(dǎo)管后Fig. 14 Rudder layout behind thruster

圖15是推進(jìn)器整體偏轉(zhuǎn)的矢量推進(jìn)方案。該方案導(dǎo)管、螺旋槳和主推電機(jī)集成在一起，通過(guò)水平和垂直2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制推進(jìn)器整體偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力與預(yù)置偏轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)，通過(guò)控制偏轉(zhuǎn)角控制螺旋槳推力矢量，產(chǎn)生所需過(guò)載，滿足操縱控制要求。

圖15 推進(jìn)器矢量偏轉(zhuǎn)Fig. 15 Vectored thruster

4）噴水推進(jìn)。

噴水推進(jìn)廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)，一般推力較大，與常見(jiàn)的螺旋槳推進(jìn)方式不同，噴水推進(jìn)的推力是通過(guò)噴水的水流反作用力來(lái)獲得的，并通過(guò)操縱舵及倒舵設(shè)備分配和改變噴流的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)操縱控制。

圖16所示UUV采用噴水推進(jìn)器，設(shè)有3個(gè)動(dòng)葉片，尾部布置X型尾舵，航行器首尾部設(shè)置可調(diào)壓載水倉(cāng)。

圖16 噴水推進(jìn)Fig. 16 Water jet propulsion

5）多推進(jìn)器組合。

不規(guī)則外形的UUV，常規(guī)操舵控制難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期操縱目標(biāo)，需針對(duì)自身運(yùn)動(dòng)方案布置推進(jìn)器，用以控制UUV實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)方式，比如垂向升沉運(yùn)動(dòng)、側(cè)向平移運(yùn)動(dòng)等。針對(duì)該類型UUV，常采用多推進(jìn)器組合操控方案。圖17所示為多推進(jìn)器組合操控方案。

圖17 多推進(jìn)器組合Fig. 17 Multiple thrusters

6）仿生推進(jìn)。

隨著需求的提高和技術(shù)的進(jìn)步，許多應(yīng)用場(chǎng)合都要求水下推進(jìn)器具有流體擾動(dòng)小、尾跡特征小、推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性好等特征，如水下偵察潛水器、淺海潛水器、魚(yú)類活動(dòng)觀測(cè)潛水器等。傳統(tǒng)的“推進(jìn)器+舵”操控模式已難以滿足上述需求。

仿生推進(jìn)技術(shù)以其推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)形式多樣、可采用多種驅(qū)動(dòng)方式、低噪聲、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，將成為UUV未來(lái)最具前景的操縱布局方案。圖18為水下仿生推進(jìn)模式的應(yīng)用。

圖18 仿生推進(jìn)Fig. 18 Bionic thruster

2 結(jié)束語(yǔ)

UUV鰭舵布局和推進(jìn)器布置與UUV的總體性能及操縱性強(qiáng)相關(guān)，本文旨在總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有UUV產(chǎn)品的操縱設(shè)計(jì)方案，按照“鰭舵布局+主推進(jìn)器布置+輔助推進(jìn)器布置”的標(biāo)準(zhǔn)劃分類別，給UUV總體及操縱性設(shè)計(jì)人員提供參考。