大深度水下滑翔機(jī)總體設(shè)計(jì)

葉鵬程，黃橋高

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2. 無(wú)人水下運(yùn)載技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

0 引言

海洋開發(fā)和利用勢(shì)必需要先進(jìn)的海洋設(shè)備，水下航行器作為一種延伸人類對(duì)水下操作和感知能力的海洋開發(fā)和探測(cè)工具，獲得了廣泛關(guān)注[1]。水下航行器按是否搭載人員可分為載人水下航行器Manned Underwater Vehicle，MUV）和無(wú)人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）[2]。按照操作方式的不同，UUV又可分為遙控水下航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）、自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）和水下滑翔機(jī)（Autonomous Underwater Glider，AUG）[3]。其中，MUV需要人工操作，不適合長(zhǎng)時(shí)間、大深度航行。而ROV在使用過(guò)程中需要母船支援，雖然便于控制，但受纜繩限制，活動(dòng)范圍有限。由于擺脫了線纜束縛，AUV和AUG活動(dòng)范圍增大，并且可以在水下靈活使用[4]。AUV在使用過(guò)程中具有良好的機(jī)動(dòng)性能，可以按照既定線路航行或定點(diǎn)作業(yè)，但是需要消耗大量能源，要求定時(shí)補(bǔ)充能源，因此無(wú)法保證大深度、遠(yuǎn)航程和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作[5]。AUG則依靠自身浮力驅(qū)動(dòng)，耗能極低，能夠更好地進(jìn)行海洋開發(fā)和利用。AUG不僅具有很好的機(jī)動(dòng)性、可控性和隱蔽性，而且擁有制造成本低、功耗低、噪聲低、航程遠(yuǎn)以及工作深度大等優(yōu)勢(shì)，符合長(zhǎng)時(shí)間、大范圍海洋探索需求[6-7]。

為了滿足海洋軍事需要和民用需求，本文介紹了一種水下滑翔機(jī)總體設(shè)計(jì)方法。在水下滑翔機(jī)外形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)主要組成系統(tǒng)進(jìn)行布局，對(duì)殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成滑翔機(jī)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算，對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)特性分析及航行彈道仿真研究。

圖1 AUG外形圖Fig. 1 Shape of AUG

1 總體設(shè)計(jì)與布局

采用三維制圖軟件 Unigraphics NX（UG）對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行外形設(shè)計(jì)，如圖1所示。外形由主體、滑翔翼和穩(wěn)定尾翼構(gòu)成，總長(zhǎng)1 800 mm，其中頭尾部采用相同線型，均為半橢球體，中部為平行圓柱體，主體外形設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1?；枰聿捎肗ACA0012翼型，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。穩(wěn)定尾翼采用平面薄板。

表1 主體外形設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of AUG body

表2 滑翔翼設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of AUG wings

水下滑翔機(jī)主要由6大系統(tǒng)組成：外部耐壓殼體、滑翔翼和尾翼、姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、變浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)和拋載系統(tǒng)。其中，變浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用外部油囊式浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選用滾珠絲桿電池塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。各個(gè)系統(tǒng)的布局如圖2所示。

圖2 AUG總體布局圖Fig. 2 Overall layout of AUG

2 受力分析與運(yùn)動(dòng)建模

2.1 坐標(biāo)系的定義

為了描述水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)，本文定義3個(gè)坐標(biāo)系[5]，即地面坐標(biāo)系O0x0y0z0、載體坐標(biāo)系Oxyz（以載體浮心為原點(diǎn)），速度坐標(biāo)系Ox1y1z1，如圖3所示。水下滑翔機(jī)相對(duì)地面坐標(biāo)系的姿態(tài)可用載體坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間 3個(gè)歐拉角θ、ψ、φ來(lái)確定。在體坐標(biāo)系中的重心速度矢量方向則由攻角α、側(cè)滑角β確定，如圖4所示。

圖3 3種坐標(biāo)系示意圖Fig. 3 Three kinds of coordinate systems

圖4 重心速度矢量示意圖Fig. 4 Velocity vector of the center of gravity

2.2 水下滑翔機(jī)數(shù)學(xué)模型

基于動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理建立空間運(yùn)動(dòng)方程較為復(fù)雜，本文對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化并考慮航行器附加質(zhì)量λ11、λ22、λ26、λ66，得到縱平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程[8]

式中：m、m0分別為航行器質(zhì)量和凈浮質(zhì)量；xG、yG分別為航行器的重心水平位移和垂直位移；vx、vy、wz分別表示航行器在地面坐標(biāo)系沿x0、y0軸的水平速度、垂直速度和繞O0z0軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；D、L、M分別為水下滑翔機(jī)阻力、升力和俯仰力矩。

3 定常運(yùn)動(dòng)特性分析

定?；枋撬禄铏C(jī)的主要運(yùn)動(dòng)形式[9]，研究其運(yùn)動(dòng)特性具有重要意義。當(dāng)水下滑翔機(jī)作定常滑翔運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)滿足如下條件：

式中，C為參數(shù)。

定常運(yùn)動(dòng)受力平衡方程如下：

水下滑翔機(jī)流體動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。其在定?；柽\(yùn)動(dòng)時(shí)基本處于小攻角狀態(tài)，即cosα≈ 1 ,sinα≈α。采用數(shù)值軟件MATLAB分析定?；柽\(yùn)動(dòng)特性，具體關(guān)系如圖5-10所示。

分析圖7可知，隨著彈道傾角ξ的變化，攻角α的變化是在一定范圍內(nèi)，不同水下滑翔機(jī)由于設(shè)計(jì)參數(shù)不同，有效攻角范圍也不同。為了防止彈道傾角出現(xiàn)急劇變化，有效攻角需設(shè)定在安全范圍之內(nèi)，即±7°之間。水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特性研究應(yīng)該有針對(duì)性地在有效攻角范圍內(nèi)進(jìn)行，從而避免大量仿真計(jì)算和試驗(yàn)，提高工作效率。

表3 流體動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of the hydrodynamic parameters

圖5 Vx0和 ξ、m0關(guān)系Fig. 5 The relation amongand ξ、m0

圖6 Vx0和m0關(guān)系圖Fig. 6 The relation between and m0

圖7 α與ξ關(guān)系圖Fig. 7 The relation between α and ξ

分析圖8可以發(fā)現(xiàn)：水下滑翔機(jī)攻角α受重心水平位移xG影響較大，隨xG增大而減小，而凈浮質(zhì)量m0對(duì)攻角α影響較小。

圖8 α與xG、m0關(guān)系圖Fig. 8 The relation among α and xG、m0

分析圖 9可以發(fā)現(xiàn)，重心水平位移xG對(duì)滑翔機(jī)俯仰角θ影響較大，θ絕對(duì)值隨xG增大而增大，而凈浮質(zhì)量m0對(duì)俯仰角θ的影響較小。

圖10 V與xG、m0關(guān)系圖Fig. 10 The relation among V and xG、m0

由圖 10可以看出，xG和m0對(duì)滑翔機(jī)速度V均有一定影響，速度V隨xG和m0單調(diào)增加。

4 Simulink彈道仿真

本文研究的大深度水下滑翔機(jī)中，變浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用改變外部油囊體積來(lái)改變凈浮力。姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)則由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速，再傳動(dòng)給滾珠絲桿，由滾珠絲桿帶動(dòng)質(zhì)量塊滑動(dòng)。假設(shè)變浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)勻速調(diào)整滑翔機(jī)外部油囊體積，即凈浮質(zhì)量m0是線性變化的，滿足如下條件：

式中：dm為每秒鐘變化質(zhì)量；t0表示變浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有效工作時(shí)間。

另外，姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)每秒鐘移動(dòng)的滑動(dòng)質(zhì)量塊的位移是一定的，即重心水平位移同樣是線性變化的，滿足如下公式：

式中：dx為每秒鐘重心沿Ox軸的位移變化量；tG表示姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作時(shí)間。

利用 Simulink建立水下滑翔機(jī)彈道仿真模塊程序，圖11給出了仿真模型流程圖。初始條件設(shè)置如下：速度V、俯仰角θ、角速度Wz、重心水平位移xG、凈浮質(zhì)量m0均為 0?？刂茥l件和仿真結(jié)果分別見(jiàn)表4和表5。

圖11 仿真模型流程圖Fig. 11 Flowchart of simulation model

表4 控制條件Table 4 Control conditions

表5 仿真結(jié)果TABLE 5 Simulation results

使用 MATLAB對(duì)仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12-17所示。分析上述結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，在凈浮質(zhì)量為±2 kg，重心水平位移為±0.01 m條件下，水下滑翔機(jī)水平速度可以達(dá)到1 m/s以上，滿足任務(wù)要求。另外，本文設(shè)計(jì)的水下滑翔機(jī)從下潛到上浮的過(guò)程轉(zhuǎn)換大約需要40 s左右，一個(gè)完整的下潛上浮周期大約需要3 180 s，調(diào)整時(shí)間時(shí)間占總時(shí)間 1.25%。穩(wěn)定狀態(tài)下彈道傾角為±29.6°。

圖12 水下滑翔機(jī)彈道圖Fig. 12 Trajectory of AUG

圖13 水下滑翔機(jī)攻角變化圖Fig. 13 AOA variation of AUG

圖14 水下滑翔機(jī)俯仰角變化圖Fig. 14 AOP variation of AUG

圖15 水下滑翔機(jī)彈道傾角變化圖Fig. 15 Variation of AUG’s trajectory inclination angle

圖16 彈道傾角突變處放大圖Fig. 16 Amplification and mutation of AUG’s trajectory inclination angle

圖17 水下滑翔機(jī)水平速度變化圖Fig. 17 Variation of AUG’s horizontal velocity

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)水下滑翔機(jī)外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了滑翔機(jī)主要組成系統(tǒng)的布局，對(duì)殼體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，利用經(jīng)驗(yàn)公式完成水下滑翔機(jī)流體動(dòng)力參數(shù)計(jì)算，同時(shí)采用動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。在此基礎(chǔ)上，完成對(duì)水下滑翔機(jī)定常運(yùn)動(dòng)特性分析，并將分析結(jié)果應(yīng)用到垂直面內(nèi)的彈道仿真研究中，仿真結(jié)果驗(yàn)證了水下滑翔機(jī)總體設(shè)計(jì)方法的有效性和可行性。