小型水下無人航行器的下潛過程研究

楊振鑫

（1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

無人水下航行器是一項(xiàng)具有重要戰(zhàn)略意義的武器系統(tǒng)，其可在邊境地區(qū)或受到敵方潛艇威脅的區(qū)域執(zhí)行監(jiān)視和偵察任務(wù)。隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的不斷發(fā)展和人們對(duì)水下世界的持續(xù)探索，學(xué)者們對(duì)水下無人航行器的研究興趣日益增長(zhǎng)[1-6]。通常情況下，水下無人航行器的任務(wù)執(zhí)行階段可以劃分為上浮階段、下潛階段和定深航行階段。其中，下潛階段在水下無人航行器的航行中具有重要意義，因?yàn)樗苯佑绊懭蝿?wù)執(zhí)行的效率。然而，目前關(guān)于水下無人航行器下潛階段的研究成果卻非常有限。

無人水下航行器的下潛平穩(wěn)性和下潛姿態(tài)對(duì)其后續(xù)操作過程具有重要影響[7]。大型無人水下航行器通常配備有浮力調(diào)節(jié)艙或浮力調(diào)節(jié)裝置，而小型無人水下航行器由于其體積和結(jié)構(gòu)的限制，很難裝備浮力調(diào)節(jié)裝置來調(diào)整自身的浮力以實(shí)現(xiàn)下潛。因此，小型水下無人航行器主要通過水平舵和螺旋槳的配合來實(shí)現(xiàn)下潛階段的任務(wù)。

為了填補(bǔ)對(duì)小型水下無人航行器下潛階段研究的空白，本文首先介紹了小型無人水下航行器的基本參數(shù)和試驗(yàn)條件。然后，通過試驗(yàn)研究了小型水下無人航行器在不同舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速下的下潛姿態(tài)，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 航行器基本參數(shù)介紹

本文試驗(yàn)所用到的水下無人航行器主要由艏部探測(cè)段、通信浮標(biāo)段、導(dǎo)航控制段、能源段、推進(jìn)段構(gòu)成，具體實(shí)物外觀如圖1 所示。

圖1 水下無人航行器外形圖Fig. 1 Outline drawing of an UUV

水下無人航行器的主要參數(shù)包括幾何參數(shù)、最大舵角和航行時(shí)的最大速度。本試驗(yàn)所用水下無人航行器的航行參數(shù)列于表1 中。

表1 航行器主要航行參數(shù)Table 1 Main navigation parameters of an UUV

水下無人航行器螺旋槳轉(zhuǎn)速與航速的關(guān)系如表2。

表2 航行器螺旋槳轉(zhuǎn)速與航速關(guān)系Table 2 Relationship between UUV's propeller speed and navigation speed

影響航行器下潛階段的水平舵板的尺寸如表3。

表3 水平舵板基本尺寸Table 3 Basic dimensions of horizontal rudder plate

表4 不同舵角下螺旋槳轉(zhuǎn)速0～600 r/min 時(shí)的下潛結(jié)果Table 4 Diving results at different rudder angles when propeller speed is from 0 to 600 r/min

表6 不同舵角下的下潛結(jié)果Table 6 Diving results at different rudder angles

表7 不同舵角下0～700 r/min 時(shí)的下潛結(jié)果Table 7 Diving results at different rudder angles when propeller speed is from 0 to 700 r/min

表8 不同舵角下0～680 r/min 時(shí)的下潛結(jié)果Table 8 Diving results at different rudder angles when propeller speed is from 0 to 680 r/min

2 下潛過程機(jī)理介紹

通常情況下，航行器的剩余浮力與其質(zhì)量存在關(guān)聯(lián)。當(dāng)剩余浮力過小時(shí)，航行器容易下潛，導(dǎo)致水面航行變得困難；而當(dāng)剩余浮力過大時(shí)，航行器則難以下潛，無法進(jìn)行水下作業(yè)。本研究中所使用的航行器的剩余浮力一般在0～3 kg 之間。根據(jù)以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)中將航行器的剩余浮力調(diào)整為1.5 kg。在這種試驗(yàn)條件下，航行器在靜水中的俯仰角約為0.3°。此時(shí)，航行器的頭部?jī)H有極小的面積和尾部舵板露出水面。當(dāng)航行器在水面上漂浮時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速為0，航行器的重心與浮心在一條垂直線上，略高于浮心。具體的受力示意圖如圖2 所示。

圖2 水下無人航行器舵板受力示意圖Fig. 2 Diagram of force on UUV's rudder plate

本試驗(yàn)中定義舵板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)舵角為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)舵角為負(fù)，假設(shè)此時(shí)舵角為α。對(duì)舵板進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)切向分力對(duì)航行器產(chǎn)生使其上浮的力矩，該力矩的法向分力對(duì)航行器產(chǎn)生使其下潛的力矩。當(dāng)舵角大于0 時(shí)，切向分力大于法相分力，舵板對(duì)航行器產(chǎn)生上浮的力矩；舵角小于0時(shí)，法向分力大于切向分力，舵板對(duì)航行器產(chǎn)生下潛的力矩。

當(dāng)航行器的航行速度較低時(shí)，航行所受阻力與航行速度基本呈線性關(guān)系。然而，隨著航行速度的增加，航行所受阻力的增加速率也增加，導(dǎo)致航行所受阻力與航行速度之間呈現(xiàn)高次方的正比關(guān)系。航行器在行進(jìn)過程中，水流對(duì)舵翼產(chǎn)生升力，從而對(duì)航行器施加扭矩，促使其下潛[8]。由于下潛過程中存在復(fù)雜的力學(xué)因素，影響因素眾多，因此很難進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析[9-11]。

本次試驗(yàn)中使用的航行器具有2 種操作模式，即人為手動(dòng)遙控模式和預(yù)先編程模式。在人為手動(dòng)遙控模式下，操作人員通過手動(dòng)輸入下潛參數(shù)、調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速和舵板舵角來控制航行器。需要說明的是，本文中的舵角指的是影響俯仰的水平方向上的升降舵角，并不包括豎直方向上的方向舵角。此外，航行器還配備了應(yīng)急措施，即當(dāng)連續(xù)5 s 內(nèi)無法接收到信號(hào)時(shí)，航行器會(huì)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。應(yīng)急措施包括停止螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)并自動(dòng)調(diào)整舵角為20°。因此，若舵角為20°，則表示航行器進(jìn)入了應(yīng)急狀態(tài)。通過觀察深度和俯仰角的變化，可以判斷航行器是否成功進(jìn)行了下潛。

在本次試驗(yàn)中，航行器的下潛模式包含2 種。第1 種下潛模式是先設(shè)定舵角，然后再設(shè)定轉(zhuǎn)速。具體而言，首先調(diào)整舵板以使其達(dá)到所需的舵角數(shù)值，然后給螺旋槳設(shè)定特定的轉(zhuǎn)速。第2 種下潛模式是先設(shè)定轉(zhuǎn)速，然后再設(shè)定舵角。具體來說，首先使螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到指定值且保持穩(wěn)定，然后再調(diào)整舵板的角度。在本節(jié)中，本文將對(duì)這2 種下潛模式進(jìn)行研究和討論，分別探究它們?cè)诤叫衅飨聺撨^程中的效果和影響。

3 下潛過程試驗(yàn)研究

3.1 下潛參數(shù)選擇

在本次試驗(yàn)中，本文選取經(jīng)驗(yàn)值600 r/min 作為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，并通過調(diào)整舵角來改變UUV 的下潛姿態(tài)。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值且航速穩(wěn)定時(shí)，本文開始計(jì)時(shí)下潛時(shí)間。

圖3 展示了在不同舵角條件下（0°、–2°、–5°），螺旋槳轉(zhuǎn)速從0 逐漸加速至600 r/min 的加速下潛過程。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，左縱坐標(biāo)表示螺旋槳轉(zhuǎn)速，右縱坐標(biāo)表示升降舵角。圖中藍(lán)色線上端水平段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為600 r/min 螺旋槳轉(zhuǎn)速持續(xù)的時(shí)間，也即下潛時(shí)間。

圖3 螺旋槳從0 加速到600 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 3 Influence of rudder angle on submergence process of an UUV when propeller accelerates from 0 to 600 r/min

需要注意的是，當(dāng)UUV 靜止在水中時(shí)，對(duì)應(yīng)的深度為–0.65 m。此外，螺旋槳從0 加速到600 r/min 所需的時(shí)間約為1 s，在下潛過程中可以忽略不計(jì)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本文得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)舵角為0°時(shí)，UUV 的下潛時(shí)間約為35 s，下潛深度為2.4 m，最大俯沖角為–20°。從水面觀察，UUV 下潛時(shí)間較短，一次下潛成功且下潛姿態(tài)良好。

2）通過改變舵板角度以增大下潛阻力，本文測(cè)試了螺旋槳在從0 加速到600 r/min 時(shí)對(duì)UUV產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并通過轉(zhuǎn)矩計(jì)算得出所需的正舵角。這個(gè)測(cè)試可以為后續(xù)航行起步加速過程中所需的最小舵角提供參考。當(dāng)舵角為2°時(shí)，下潛時(shí)間約為42 s，下潛深度為1.8 m，最大俯沖角為–16°。UUV 下潛所需時(shí)間變長(zhǎng)，下潛深度和最大俯沖角減小，但仍然能夠順利下潛。

3）當(dāng)舵角為5°時(shí)，下潛時(shí)間約為60 s。從水面觀察到，UUV 下潛較為困難，在多次嘗試后才緩慢下潛。此時(shí)的下潛深度已降到1.2 m，最大俯沖角為–12°。然而，UUV 剛進(jìn)入水中就開始上浮，推測(cè)此時(shí)處于剛好能夠下潛的臨界值。

通過以上分析，本文對(duì)UUV 在不同舵角條件下的下潛表現(xiàn)有了更詳細(xì)的了解，這些數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果對(duì)后續(xù)的研究和操作提供了重要的參考。

在第2 種試驗(yàn)方案中，本文采用了以下步驟：首先設(shè)置螺旋槳轉(zhuǎn)速為600 r/min，并等待螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值且航速穩(wěn)定；然后通過調(diào)整舵角來實(shí)現(xiàn)下潛，并在舵角改變到指定值后開始計(jì)時(shí)。根據(jù)圖4 的分析結(jié)果，本文得出以下觀察和實(shí)驗(yàn)過程。

圖4 主推轉(zhuǎn)速600 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛的影響Fig. 4 Influence of rudder angle on submergence when main thrust speed is 600 r/min

1）起始舵角設(shè)定為5°。一旦速度穩(wěn)定，將舵角設(shè)置為–5°。經(jīng)過一段時(shí)間觀察后，本文注意到UUV 沒有下潛的跡象，因此本文停止了螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

2）本文將舵角設(shè)置為–8°，但UUV 仍然沒有下潛的跡象。本文繼續(xù)嘗試不同的舵角設(shè)置，直到將舵角設(shè)置為–15°時(shí)，UUV 才成功下潛。

通過以上觀察和實(shí)驗(yàn)過程，本文得出結(jié)論：在第2 種試驗(yàn)方案中，為了實(shí)現(xiàn)下潛，需要將舵角逐漸增大。僅在將舵角設(shè)置為–15°時(shí)，UUV 才能成功下潛。這表明在給定的螺旋槳轉(zhuǎn)速下，較大的舵角對(duì)于UUV 的下潛是必需的。這一結(jié)果為后續(xù)操作和研究提供了重要的參考。

在本節(jié)試驗(yàn)中，本文采用了2 種不同的試驗(yàn)方案：第1 種是先設(shè)定轉(zhuǎn)速再設(shè)定舵角，第2 種是先設(shè)定舵角再設(shè)定轉(zhuǎn)速。這2 種方案在UUV 的下潛參數(shù)上存在明顯差異。

當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速從0 加速至600 r/min 時(shí)，螺旋槳會(huì)對(duì)UUV 產(chǎn)生一個(gè)扭矩，使其下潛。此時(shí)，下潛所需的舵角較小。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min時(shí)，UUV 處于水面平穩(wěn)行駛的狀態(tài)，保持勻速前進(jìn)。在這種情況下，舵角的改變主要影響舵力的變化。因此，在此時(shí)下潛所需的舵角較大。

需要注意的是，UUV 的舵角范圍為–25°～25°，在該范圍內(nèi)的舵角都是有效的，即舵力仍然有效。因此，不會(huì)出現(xiàn)舵力失效的情況。

綜上所述，2 種試驗(yàn)方案下潛所需的舵角存在差異。螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化對(duì)下潛參數(shù)產(chǎn)生影響，而舵角的改變主要調(diào)整舵力。這些結(jié)果對(duì)后續(xù)操作和研究提供了重要的參考。

3.2 下潛最低轉(zhuǎn)速

當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速由0 升至600 r/min 時(shí)，UUV 下潛時(shí)舵角最小為5°，該現(xiàn)象說明螺旋槳提供的推力足夠大，因此推斷螺旋槳的轉(zhuǎn)速仍有降低空間，于是本小節(jié)將開展測(cè)試螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～500 r/min時(shí)UUV 的下潛參數(shù)。

在測(cè)試螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～500 r/min 時(shí)，對(duì)UUV的下潛參數(shù)進(jìn)行了分析。根據(jù)圖5 的結(jié)果，采用第一種方案，即先設(shè)定轉(zhuǎn)速再設(shè)定舵角，在螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～500 r/min 的范圍內(nèi)，無論舵角設(shè)置為–10°、–15°、–20°、–25°，UUV 都無法成功下潛。這表明螺旋槳提供的推力和舵板產(chǎn)生的壓力不足以克服UUV 的剩余浮力，導(dǎo)致UUV 一直在水面漂浮。

圖5 螺旋槳從0 加速到500 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 5 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 500 r/min

圖6 螺旋槳從0 加速到550 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 6 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 550 r/min

圖7 螺旋槳從0 加速到580 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 7 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 580 r/min

圖5 中，深度和俯仰角的變化在30 s 處發(fā)生了變化，這是由于被浪拍擊造成的。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第1 種試驗(yàn)方案下潛所需的舵角較小，即舵角設(shè)置為最大值時(shí)仍無法使UUV 成功下潛。因此，推斷第2 種試驗(yàn)方案也無法使UUV成功下潛。

綜上所述，通過對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～500 r/min時(shí)的試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)目前所采用的方案無法使水下無人航行器成功下潛。可能需要進(jìn)一步調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速或采用其他的控制策略來實(shí)現(xiàn)下潛。

進(jìn)一步測(cè)試螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～550 r/min 時(shí)，即使舵角設(shè)置為–25°，UUV 仍無法成功下潛。這表明螺旋槳提供的推力和舵板產(chǎn)生的壓力不足以克服UUV 的剩余浮力，導(dǎo)致UUV 一直在水面漂浮。

繼續(xù)增大螺旋槳轉(zhuǎn)速到580 r/min，當(dāng)舵角達(dá)到最大值–25°時(shí)UUV 成功下潛，此時(shí)下潛深度為1.4 m，最大俯沖角為–25°。當(dāng)減小舵角為–20°時(shí)，UUV 無法下潛，增大到–22°時(shí)UUV 仍無法下潛。

可以認(rèn)為，該UUV 下潛所需的最低轉(zhuǎn)速為580 r/min，但此時(shí)下潛所需舵角過大，且UUV 下潛姿態(tài)不理想。

3.3 下潛最小舵角

本小節(jié)研究的目的是增大螺旋槳轉(zhuǎn)速來測(cè)試UUV 下潛所需的最小舵角。由上文可知，螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～600 r/min 時(shí)，UUV 下潛舵角最小為5°，該現(xiàn)象說明螺旋槳提供的推力足夠大，因此當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，UUV 下潛所需的舵角會(huì)繼續(xù)減小。

測(cè)試螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～700 r/min 時(shí)UUV 的下潛參數(shù)并將結(jié)果繪制于圖8 中。通過圖8 分析得，當(dāng)舵角從0°增加到10°時(shí)，UUV 始終可以下潛，當(dāng)舵角增大到12°時(shí)UUV 無法下潛。

圖8 螺旋槳從0 加速到700 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 8 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 700 r/min

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著舵角的增加，UUV下潛深度和最大俯沖角都在減小，下潛姿態(tài)變得越來越平穩(wěn)。綜上，螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～700 r/min 時(shí)航行器所需的下潛舵角為10°。第1 種試驗(yàn)方案UUV下潛所需的舵角較小，因此可知此時(shí)第2 種方案下潛舵角小于10°。

3.4 最佳下潛參數(shù)

在UUV 下潛過程中，保持平穩(wěn)的姿態(tài)是一項(xiàng)重要考慮因素。俯仰角和下潛深度應(yīng)控制在適度范圍內(nèi)，因此在下潛過程中，需要盡量減小舵板舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)平緩的下潛。然而，為了適應(yīng)逆流和復(fù)雜環(huán)境條件下的下潛要求，還需要保留一定的余量。

針對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速為700 r/min 的UUV 下潛情況，使用的下潛舵角為10°，這還有一定的余量可供調(diào)整。因此，進(jìn)行了螺旋槳轉(zhuǎn)速為0～650 r/min的下潛參數(shù)測(cè)試。在650 r/min 時(shí)，螺旋槳的推力大于600 r/min，而理論下潛所需的舵角為5°。然而，根據(jù)圖9 的觀察，即使將舵角從8°減小至–2°，仍無法實(shí)現(xiàn)下潛。經(jīng)過分析，這是由于UUV 受到風(fēng)浪因素的影響，湖面上的風(fēng)浪明顯增大。即使改變航向并再次嘗試，仍然無法成功下潛。

圖9 螺旋槳從0 加速到650 r /min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 9 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 650 r/min

因此，對(duì)于UUV 的下潛過程，需要綜合考慮舵角、螺旋槳轉(zhuǎn)速和外部環(huán)境因素，以確保安全下潛的實(shí)現(xiàn)。

鑒于UUV 在實(shí)際工作中常面臨惡劣天氣條件，為確保其在惡劣海況下成功下潛并具備一定的冗余能力，本文進(jìn)一步增大螺旋槳轉(zhuǎn)速來測(cè)試UUV 的下潛參數(shù)。

本文進(jìn)行了螺旋槳轉(zhuǎn)速從0 到680 r/min 的測(cè)試，并將結(jié)果列于圖10 中。通過對(duì)圖10 數(shù)據(jù)的分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到680 r/min 時(shí)，UUV的航速為2.6 kn。當(dāng)舵角為5°時(shí)，UUV 能夠成功下潛；而當(dāng)舵角為–2°時(shí)，UUV 的下潛姿態(tài)較為理想，并具備一定的冗余能力，螺旋槳推力和舵角均大于所需的最小下潛參數(shù)。從水面觀察，UUV 的下潛過程平穩(wěn)且下潛時(shí)間較短。

圖10 螺旋槳從0 加速到680 r/min 時(shí)舵角對(duì)航行器下潛過程的影響Fig. 10 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 680 r/min

綜合考慮，本文選擇了螺旋槳轉(zhuǎn)速為680 r/min和舵角為–2°作為UUV 的下潛參數(shù)，并在多種環(huán)境條件下進(jìn)行了UUV 的下潛試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果較為理想，UUV 的下潛成功率高達(dá)95%。

4 結(jié)束語

本研究通過在湖上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)小型水下無人航行器在不同螺旋槳轉(zhuǎn)速和舵角下的下潛過程進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：在保持其他條件不變的情況下，UUV 的最小下潛轉(zhuǎn)速為580 r/min，低于該轉(zhuǎn)速時(shí)無法實(shí)現(xiàn)下潛。隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加，UUV 下潛所需的舵角減小。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速高于680 r/min 時(shí)，即使是正舵角也能夠?qū)崿F(xiàn)下潛，這為UUV 在水面航行時(shí)提供了不下潛所需最小舵角的參考。

隨著轉(zhuǎn)速的增加，UUV 的下潛姿態(tài)先變好后變差。因此，在選擇UUV 的下潛參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量選擇較低的螺旋槳轉(zhuǎn)速和接近水平的舵角，以實(shí)現(xiàn)最佳的下潛姿態(tài)和較短的下潛時(shí)間。本研究選擇了螺旋槳轉(zhuǎn)速為680 r/min 和舵角為–2°作為該UUV的最佳下潛參數(shù)。

螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加對(duì)于UUV 的下潛過程起正向作用，舵板角度的增加對(duì)于UUV 的下潛過程起反向作用，通過二者的配合才能使得航行器實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下潛。對(duì)于不同的UUV 來說，由于使用場(chǎng)合的不同，螺旋槳的直徑和轉(zhuǎn)速以及舵板的結(jié)構(gòu)都存在差異，因此文中提到的螺旋槳轉(zhuǎn)速和舵板角度不具有可直接復(fù)制的條件。本文中UUV 螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的航速和下潛時(shí)的姿態(tài)可作為參考，對(duì)于小型水下無人水下航行器來說，下潛時(shí)航速控制在2～3 kn，俯仰角控制在–15°～–25°之間，舵板角度控制在–5°～5°之間，可以使得航行器平穩(wěn)下潛，所用時(shí)間較短，且下潛姿態(tài)較為理想，并具備一定的冗余能力。