無人潛航器無動力下潛軌跡仿真分析?

雷 陽 王占勇

（中船重工第七一○研究所 宜昌 443000）

1 引言

隨著近年對深遠海領域的可靠研究加大，各類型的深海水下無人潛航器發展迅速。但深海潛航器的總體技術難度巨大，不同于淺水的潛器的研究開發成熟。其需要的保障及試驗花費巨大，同時面臨的海洋環境更加惡劣。在深海潛航器總體設計之處，運用軟件對即將加工的潛航器進行各參數的仿真具有非常重要的意義。仿真結果不僅能夠驗證設計方案的合理性，同時也能指導總體方案的優化設計，是潛航體總體設計之中不可或缺的一環。

本文針對一款深海潛航器進行了下潛軌跡的仿真，并結合半實物模型在湖上摸底試驗采集的數據進行對比，對于深海潛航器的設計具有非常重要的指導意義［1～2］。

2 仿真分析

針對給定潛航體進行了自由下沉軌跡仿真，潛航體運動采用基于fortran語言的六自由度運動方程程序模擬，水動力通過基于SIMPLE算法的CFD工具獲取六分量插值樣本，針對不同壓載的下潛軌跡進行了仿真，結果表明，在20kg和30kg壓載下均能得到較好的下潛軌跡［3～8］。

1）計算模型及坐標系定義

潛航體幾何坐標系OXYZ:坐標原點O為潛航體底部圓心，OX軸位于縱向對稱平面內，與體軸線重合，指向前方為正；OZ軸位于縱向對稱平面內，垂直于OX軸指向下方為正；OY軸由右手法則確定。

表1中的Xcg、Ycg、Zcg為潛航體質心在幾何坐標系中的坐標，Xcf、Ycf、Zcf為浮心在幾何坐標系中的坐標。

2）六自由度運動方程［6～7］

慣性系內質心平動的運動學方程:

慣性系內質心平動的動力學方程:

彈體系內繞質心轉動的運動學方程:

彈體系內繞質心轉動的動力學方程:

表2 弧板幾何參數

采用四步Runge-Kutta或者Adams方法求解以上12個方程，得到潛航體各時刻的質心位置和姿態角。

3）壓載為20kg的軌跡仿真［9～13］

（1）潛航體X向等效質心坐標計算

Xcg=（3350kg×3.634m+20kg×5.59m）/（3350kg+20kg）=3.64561m

（2）轉動慣量計算

假設潛航體為均勻質量分布的長L為7m、半徑r為0.4m的圓柱體，根據Ixx=mr2/2，Iyy=Izz=mL2/12計算得到:

Ixx=Mr2/2=3370×0.42/2=269.6kgm2Iyy=Izz=ML2/12=3370×72/12=13760.8kgm2

這里需要說明的是，流體旋轉導數的取值規則根據仿真工況的不同有所差別，具體如下。仿真采用如下旋轉導數:

（3）軌跡仿真

壓載20kg，下潛6000m，歷時16311s，約4.53h，螺旋直徑17m，平衡狀態下的彈道傾角46.4°，攻角40.6°，側滑角-9°。如圖1～2所示為壓載20kg的下潛仿真示意圖［8～10］。

4）壓載為30kg的軌跡仿真

（1）潛航體X向等效質心坐標計算

Xcg=（3350kg×3.634m+30kg×5.59m）/（3350kg+30kg）=3.65136m

（2）轉動慣量計算

假設潛航體為均勻質量分布的長L為7m、半徑r為0.4m的圓柱體，根據Ixx=mr2/2，Iyy=Izz=mL2/12計算得到:

Ixx=Mr2/2=3380×0.42/2=270.4kgm2Iyy=Izz=ML2/12=3380×72/12=13801.6kgm2（3）軌跡仿真

壓載30kg，下潛6000m，歷時12671s，約3.52h，螺旋直徑17m，平衡狀態下的彈道傾角49.5°，攻角42.3°，側滑角-11°。如圖3～4為30kg下潛壓載下潛軌跡仿真圖。

圖1 軌跡圖

圖2 傾角、攻角、側滑角時間歷程

圖3 傾角、攻角、側滑角時間歷程

圖4 傾角、攻角、側滑角時間歷程

3 結語

采用六自由度運動方程對不同壓載的下潛軌跡進行了仿真，水動力通過基于Simple算法的CFD數值計算得到，潛航體旋轉帶來的阻尼力矩假設為某一常數，仿真結果表明:

壓載20kg，下潛6000m，歷時4.53h，螺旋直徑17m，平衡狀態下的彈道傾角46.4°，攻角40.6°；

壓載30kg，下潛6000m，歷時3.52h，螺旋直徑17m，平衡狀態下的彈道傾角49.5°，攻角42.3°。

該結果與用理論值計算出的水動力參數相差不大。從運動規律、運動參數等方面驗證了實際總體設計方案的合理性。