水下無人航行器外掛吊艙水動力試驗及操縱性分析

曹建，蘇玉民，趙金鑫，秦再白

（哈爾濱工程大學水下無人航行器技術重點實驗室，哈爾濱150001）

水下無人航行器外掛吊艙水動力試驗及操縱性分析

曹建，蘇玉民，趙金鑫，秦再白

（哈爾濱工程大學水下無人航行器技術重點實驗室，哈爾濱150001）

在循環水槽開展了某帶吊艙水下無人航行器的水動力試驗，繪制出了航行器阻力曲線，得到了與操縱性相關的主要水動力系數，在此基礎上對水下無人航行器的運動穩定性進行了分析，并與不帶吊艙情況下的水下無人航行器操縱性進行了比較。試驗結果可為水下無人航行器推進系統設計及運動控制與仿真提供依據。

水下無人航行器；水動力系數；運動穩定性；操縱性；水動力試驗

0 引言

隨著人們對海洋開發的不斷深入，以及對水下作戰要求的提高，水下無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）所承載的使命越來越多，這就要求他搭載更多的設備以完成復雜而多樣的任務。如果只是為了增加幾個設備而重新設計制造一款水下無人航行器，這顯然是對資源的巨大浪費，同時還會增加開支。因此人們提出了在已有水下無人航行器基礎上進行改造。加掛吊艙就是其中一種簡單而有效的方法。然而，加掛吊艙不僅對航行器艇體阻力有很大影響，也會改變航行器的操縱性能。

相關學者在水下無人航行器水動力性能研究方面已開展了一些研究工作[1-4]，周杰[1]研究了水下無人航行器外掛魚雷的穩定性判斷條件；李剛[2]基于水動力試驗研究了復雜構型水下無人航行器的水動力特性；江新[3]提出了一種采用小波神經網絡預報水下無人航行器水動力性能方法；張榮敏[4]基于CFD技術研究了無鰭舵適量推進水下無人航行器的縱向穩定性。為了研究掛吊艙后水下無人航行器的水動力性能，本文先采用水動力試驗方法獲得水下無人航行器的水動力系數，在此基礎上開展水下無人航行器的操縱性分析。

本文在某魚雷形水下無人航行器[5]模型基礎上，加掛一流線型吊艙，并在哈爾濱工程大學循環水槽實驗室利用垂直平面運動機構（VPMM）[6-7]對其進行了水動力試驗。在獲得了相應水動力系數基礎上，比較了帶吊艙與不帶吊艙時航行器的操縱性。

1 試驗模型

帶吊艙水下無人航行器模型外形如圖1所示，主艇體為魚雷外形的舵槳聯合操縱水下無人航行器模型，主尺度為：總長：1.46 m；直徑：0.214 m。吊艙為一回轉體，首部是半球形，尾部是與主艇體尾部形狀相似的拋物線形。吊艙主尺度為：長：0.92 m，直徑：0.11 m。

航行器整體重心距艇首：0.641 m；充水后質量：46.8 kg。模型與實艇的比例為1:1，試驗采用的坐標系如圖2所示。

圖1 帶吊艙機器人模型Fig.1 Test model with an outside cabin

圖2 坐標系示意圖Fig.2 Coordinate system

2 循環水槽試驗及結果

試驗在哈爾濱工程大學循環水槽利用垂直平面運動機構VPMM進行，循環水槽工作段為7×1.7×1.5 m，常用流速0.3-1.7 m/s，實驗流速可以通過流速調整系統設定。實驗時模型距水面約0.8 m，六分力天平安放在模型內部，模型正浮狀態安裝時可進行阻力試驗、水平面斜航試驗、純升沉和純俯仰試驗，模型橫傾-90°安裝時可以進行垂直面斜航試驗、純橫蕩和純搖艏試驗。試驗數據由計算機采集，無因次化時以艇體總長為特征長度。

2.1 阻力試驗

將水下無人航行器通過平面運動機構前后兩個支桿正浮固定在水中，使其漂角和攻角都為0，測量不同流速下艇體的縱向受力R，并與不帶吊艙時UUV所受阻力比較，如圖3所示。

圖3 水下無人航行器阻力曲線Fig.3 Resistance curve of UUV

將測量阻力數據用最小二乘法擬合得到帶吊艙UUV的無因次縱向阻力系數為0.006 57，阻力試驗的測量結果可以為水下無人航行器推進系統設計提供依據。

2.2 純升沉和純橫蕩試驗

（1）純升沉試驗

純升沉振蕩運動試驗的目的是測量UUV模型的垂直面水動力系數Zw′、Zw˙′、Mw′、Mw˙′。調節兩支桿同相位、同振幅和同頻率作正弦震蕩，此時UUV模型在大地坐標系下的運動規律為

式中：ω為支桿的振蕩頻率；a為振幅。

模型的運動參數為：

表1 純升沉運動試驗參數Tab.1 Parameters of pure heave motion

實驗時保持兩支桿的振幅始終為a=4 cm，其他參數見表1。

平面運動機構的測力和數據采集系統將測出的拘束力和力矩分解出與振蕩同相的分量和正交的分量，分別作出同相分量隨aω2，正交分量隨aω變化的曲線，最后線性擬合得到垂直面的無因次水動力系數，如表2所示。

（2）純橫蕩試驗

試驗參數設定和數據處理方法與純升沉運動相同，最后得到模型水平面的無因次水動力系數Yv′、Yv˙′、Nv′和Nv˙′，如表3所示。

表2 升沉水動力系數Tab.2 Hydrodynamic coefficients of pure heave motion

表3 橫蕩水動力系數Tab.2 Hydrodynamic coefficients of pure sway motion

2.3 純俯仰和純搖艏試驗

（1）純俯仰試驗

UUV模型進行純俯仰振蕩運動試驗是為了測量其垂直面角速度與角加速度系數Zq′、Zq˙′、Mq′、Mq˙′。

純俯仰運動的時候，船模運動速度與重心軌跡曲線相切，船模攻角、船模動坐標系的Z向速度與加速度均為0，即。當保持前后支桿的振幅相等，調節其相位差，使后桿對前桿有一定的滯后角ε：

此時模型作純俯仰運動，兩支桿的位移為：

根據模型安裝情況其運動參數為：

式中：l0為兩桿間距離的二分之一；ω為振蕩圓頻率；U為模型速度（即流速），船模即作純俯仰運動。

試驗時，使VPMM兩支桿中點（即測力中心）的振幅始終為4 cm，并根據流速和振蕩頻率調節兩支桿的振幅實現純俯仰運動。純俯仰試驗參數見表4。

同樣將所測拘束力和力矩分解出與縱傾角振蕩同相部分和正交部分，分別作出同相分量隨θ0ω2，正交分量隨θ0ω變化的曲線，最后處理得到俯仰水動力系數如表5所示。

（2）純搖艏試驗

試驗方法與參數設定和純俯仰試驗相同，最后得到水平面角速度與角加速度系數Yr˙′、Yr′、Nr˙′和Nr′如表6所示。

表4 純俯仰試驗參數Tab.4 Parameters of pure pitch motion

表5 俯仰水動力系數Tab.5 Hydrodynamic coefficients of pure pitch motion

表6 搖艏水動力系數Tab.6 Hydrodynamic coefficients of pure yaw motion

3 操縱性分析

水下無人航行器的操縱性分為穩定性與機動性。在這里我們首先分析帶吊艙水下無人航行器的穩定性。

3.1 穩定性分析

穩定性對水下無人航行器來說非常重要，是水下無人航行器水平面航向控制系統和垂直面深度控制系統的重要特性。由于動穩定性對水下無人航行器操縱比較重要，一般要求航行器具有直線自動穩定性，并不要求它有靜穩定性，而一般情況下水下無人航行器不論在水平面還是垂直面都是靜不穩定的，所以本節在前面試驗測定數據基礎上著重分析所設計的水下無人航行器的動穩定性能。

（1）水平面動穩定性分析

[5]，水下無人航行器水平面穩定性條件可歸結為如下等價的判別式

若CH＞0，則水下無人航行器具有水平面的直線自動穩定性；若CH＜0，則不具有直線自動穩定性；系數CH稱為穩定性衡準數。

對于本文研究的水下無人航行器，由前面的試驗數據可知C1H=1.024＞0，該UUV具有水平面的直線自動穩定性。由參考文獻[5]可計算得不帶吊艙時航行器的水平面穩定性衡準數為C2H=0.971。比較可知C1H＞C2H，即帶吊艙UUV比不帶吊艙時水平面自動穩定性更高。這是因為，在主艇體正下掛載一個尺寸相對較小的吊艙與在艇體底部縱剖面上加穩定鰭的效果相同，都可以減小UUV航行時的橫搖運動，改善艇的橫向穩定性[2]。

（2）垂直面動穩定性分析

垂直面動穩定性可以用Cv+Cvh來判定，其中：

如果Cv+Cvh＞0，則具有垂直面的直線自動穩定性。由前面水動力試驗數據可得：Cv=5.348×10-4＞0。Cvh體現了靜扶正力矩的影響，實際上，靜扶正力矩的作用和航速密切相關。從公式Mθ′=-m′gh/U2可以看出，扶正力矩的作用隨航速的增大而迅速降低。但是，由計算知

而無論航速U多大，Mθ′都是負值，所以Cvh＞0。因此，衡準Cv+Cvh＞0，UUV具有垂直面直線自動穩定性。由于UUV在任何航速下都能動穩定，稱此時UUV是絕對穩定的。

3.2 機動性分析

本文中，我們應用前面水動力試驗獲得的水動力系數對水下無人航行器的水平面運動進行仿真，分析水下無人航行器帶與不帶吊艙時的機動性。仿真選取了兩種典型的水平面運動形式：水平面回轉運動和水平面Z形操舵機動。轉舵速率δ˙定為6°/s。

（1）水平面回轉運動仿真

回轉運動的主要特征可用下列參數描述：

定?；剞D直徑Ds：定常回轉圈的直徑。

縱距Ad：自轉舵開始的操舵點至首向改變90°時，UUV重心沿初始直航線前進的距離。它表示UUV在航行中，發現前方有障礙物而轉舵避碰的最短距離。

回轉周期T：從轉舵起至回轉360°所經歷的時間。

仿真時，航速U分別設為1 m/s和1.5 m/s，操舵角δ分別選取5°、10°、15°和20°，回轉曲線仿真結果如圖4和圖5。

將回轉運動的特征參數列表如表7和表8所示。

圖4 U=1 m/s時UUV不同操舵角下水平面回轉運動軌跡Fig.4 Turning trace of the UUV at different rudder angle when U=1 m/s

圖5 U=1.5 m/s時UUV不同操舵角下水平面回轉運動軌跡Fig.5 Turning trace of the UUV at different rudder angle when U=1.5 m/s

表7 帶吊艙UUV回轉運動特征參數Tab.7 Turning characteristic parameters of the UUV with cabin

表8 不帶吊艙UUV回轉運動特征參數Tab.8 Turning characteristic parameters of the UUV without cabin

從表中可以看出，在相同航速下，舵角越大，回轉直徑、回轉周期和縱距都減??；而在相同舵角時，兩個航速下的回轉直徑基本一致，航速大的回轉周期較短。

在相同航速相同舵角下，帶吊艙的UUV的回轉直徑、回轉周期和縱距要大于不帶吊艙UUV的值。

（2）水平面Z形機動仿真

UUV在實際的航行中，進行完整回轉的情況很少，經常是從一個航向改變到另一個航向、或保持航向的操舵機動，其特點是機動幅度不大，可用標準機動中的Z形操舵機動來測定UUV的應舵性。

Z形運動與應舵性能有關的特征值有：

初轉期ta：從首次操舵起至第一次操反舵止所經過的時間。若是10°/10°Z形操舵機動，則ta表示從直航中操10°舵角，艇艏向角改變10°所需之時間,也就是艏向改變的快慢。

超越時間tov：從操反舵開始到UUV停止朝原方向回轉的時間。

超越艏向角ψov：操反舵后UUV繼續朝原方向回轉所轉過的最大角度。

周期T：從操舵瞬時到UUV完成向右舷和左舷擺動各一次,回復到初始艏向角的時間。

顯然，上述特征量小，UUV對舵的響應快，轉首性好，應舵快。

仿真時，直航速度U分別穩定在1 m/s和1.5 m/s，Z形運動的操舵角及艏向角選取δ/ψ=10°/10°。

Z行機動仿真時舵角、艏向角及重心的橫向距離隨時間的變化關系如圖6～9所示。

Z形機動的特征參數如表9所示。

圖6 U=1.0 m/s時Z形機動舵角及艏向隨時間變化Fig.6 Ruder angle and heading curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.0 m/s

圖7 U=1.0 m/s時Z形機動重心橫向位移隨時間變化Fig.7 Gravity center lateral displacement curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.0 m/s

圖8 U=1.5 m/s時Z形機動舵角及艏向隨時間變化Fig.8 Ruder angle and heading curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.5 m/s

圖9 U=1.5 m/s時Z形機動重心橫向位移隨時間變化Fig.9 Gravity center lateral displacement curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.5 m/s

表9 Z形機動特征參數Tab.9 Characteristic parameters of UUV zigzag maneuvering

由表9可以看出，在相同航速下，不帶吊艙UUV的Z形運動周期和重心橫向位移都比帶吊艙時的小，而超越艏向角較大，說明UUV帶吊艙時應舵性能差于不帶吊艙時。

從水平面回轉運動和Z形機動的仿真結果可知，帶吊艙水下無人航行器的機動性不如無吊艙情況下的。

4 結論

在哈爾濱工程大學循環水槽，利用平面運動機構對某魚雷外形的水下無人航行器模型進行了加掛外吊艙的水動力試驗，得到了模型主要水動力系數，給出了阻力曲線，并對所設計的水下無人航行器進行了穩定性分析，驗證了航行器具有良好的直線自動穩定性。同時將航行器帶與不帶吊艙兩種情況下的水平面機動性能進行了比較，了解了二者之間的差異，為實際應用提供了參考。

阻力試驗可以為螺旋槳設計及電機選擇提供參考，得到的水動力系數可以為水下無人航行器運動建模與仿真、操縱性能研究和運動控制提供重要依據。

參考文獻：

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Hydrodynamic experiment and maneuverability analysis of an unmanned underwater vehicle with an outside equipment cabin

CAO Jian,SU Yu-min,ZHAO Jin-xin,QIN Zai-bai
(State Key Laboratory of Autonomous Underwater Vehicle,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The hydrodynamic experiment to the model of an unmanned underwater vehicle with an outside equipment cabin was done in circulating water channel.According to the results of the experiment,the resistance curve of the vehicle,and the main hydrodynamic coefficients were obtained.Utilizing the coefficients,the stability of motion of the vehicle was analyzed and the maneuverability of this vehicle was compared with the vehicle without the cabin.To the underwater vehicle,results from the experiment could provide the base of the propeller design and motion simulation and control.

unmanned underwater vehicle;hydrodynamic coefficients;stability of motion; maneuverability;hydrodynamic experiment

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.08.005

1007-7294（2017）08-0968-08

2017-03-23

國家自然科學基金資助項目（51609047）

曹建（1984-），男，博士，講師，E-mail:caojian_heu@163.com；蘇玉民（1960-），男，博士，教授。