UUV操縱性設計及流體動力布局

李雨田，雷 敏，雷 陽，錢進軍

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

始于20世紀50年代，UUV研究至今熱潮不減，面世的UUV產品型號數以千計。美軍自2000年起，每隔2年發布一版無人系統規劃，到2018年共發布了8個版本的UUV系統路線圖，不斷調整美軍UUV系統的近期、中期、長期發展目標。2018年底，美國國防部公布了最新版美國無人系統綜合路線圖（Unmanned Systems Integrated Roadmap2018-2042），旨在指導軍用無人機、無人潛航器、無人水面艇、無人地面車輛等無人系統的全面發展，確定了無人系統未來發展的4個關鍵技術主題和驅動力[1-7]。國內，近幾年海軍機關聯合船舶集團、中科院、中電集團的院所和國內高校，系統化地開展了UUV使命任務和發展路線的規劃論證，已取得一定研究成果。未來，隨著水下導航、通信、能源和人工智能等技術的發展，以及海洋工程和軍事應用需求的牽引，UUV在民用和軍事領域將展現出更廣闊的發展前景。

UUV使命任務不同，搭載的載荷不同，總體配置不同，總體設計和操縱布局不同。長航程任務單一型及偵察探測精度高的任務，要求UUV平臺穩定性高，以滿足高精度傳感器使用要求；占位攻擊型及目標抵近確認型任務，要求UUV平臺機動性高，以滿足戰術應用要求；作業操作等任務，要求UUV具備抵浪抗流能力，具備區域或定點動力控位能力。

UUV總體性能與平臺的衡重設計、鰭舵布局和推進器布置密切相關。UUV鰭舵布局和推進器布置，又稱UUV操縱性設計和流體動力布局[8]。主要是確定鰭舵在航行器軸向、徑向及周向的相對位置。鰭舵產生一部分升力以彌補殼體升力的不足，用以平衡UUV的負浮力；鰭舵產生恢復力矩以平衡殼體的顛覆力矩；舵產生不平衡力矩，以操縱UUV改變速度矢量方向。推進器布置，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器布置形式。鰭舵布局和推進器布置與UUV航行的穩定性、機動性、快速性密切相關。同時，鰭舵布局和推進器布置宏觀地表現了UUV外部特征，是UUV外形最顯著的標記[9]。

目前，少數UUV采用扁平或不規則外形，大多UUV采用回轉體外形。其原因在于回轉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，整體結構具有較高的強度與穩定性，耐壓性能好。同時，也可借鑒魚雷成熟的運動控制技術。魚雷等水下高速航行器一般為大負浮力配重，航行速度范圍為25～70 kn，依靠水動力平衡負浮力，直航穩定狀態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，其操縱性設計目標是保證低速下的操控和應對復雜海洋環境下的航行控制和環境適應性要求[10]。

UUV尚無統一標準的布放回收裝置，且不受類似魚雷發射管或導彈發射筒等標準單元的約束；搭載的設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；諸多因素造就UUV外形、鰭舵布局和推進器布置形式多樣。

本文旨在總結分析國內外UUV操縱性設計和流體動力布局的特點，劃分鰭舵布局和推進器布置類型，為研究UUV總體設計及操縱性設計提供參考。

1 鰭舵布局及推進器布置劃分

UUV鰭舵布局及推進器布置與航行器操縱性能密切相關，操縱性主要指航行器保持給定運動方向和改變運動方向的能力。對UUV來講，保持運動方向還應包括在水流中保持零速度以及在水中懸停、原地定位、原地回轉等特殊操縱功能的要求。

UUV常規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、全動舵及幾種布局的組合。推進器布置指單一主推進器、多個主推進器、主推進器+輔助推進器（指垂向推進器和側向推進器）的推進類型及推進器的安裝位置。參考戰斗機氣動布局劃分方法[11]，將UUV鰭舵布局和推進器布置劃分為“XX鰭舵布局+XX主推進器+XX輔助推進器”，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構簡單、控制簡便、可靠性高的特點，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、增加過載、提高操縱性，在尾部十字型鰭舵布局基礎上增加首水平舵，或增加多個主推，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水平舵，首水平舵能獨立控制UUV縱傾和下潛。對于無縱傾下潛和上浮的潛浮運動，單靠尾水平舵無法保證操作的完成。在低于逆速的較低航速上，縱平面內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“多個主推”。

布置多個主推，推進器數量為偶數，一般為2個或4個。

扁平或類扁平外形的UUV，多采用布置2個主推的方案，推進器水平布置在航行器尾部，如圖3（a）所示。扁平型UUV側向靜穩定度較縱向大，單靠操方向舵，提供轉向力矩往往不能滿足水平面機動要求。通過控制布置在尾部的2個主推不同的轉速和轉向，能有效增大轉向力矩。

針對小型或輕便型UUV，不布置操縱舵，采用在UUV中部水平布置2個主推的方案。作為推進力能平衡航行阻力需要，同時，為水平轉向提供轉向力矩。該種布局通常在UUV中部布置1個垂推，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個主推Fig. 3 Two main thruster layout

針對攜載較多或者外形較復雜的UUV，通常采用在尾部布置4個主推的方案，推進器呈方形布置，如圖4所示。該方案多個主推組合產生多種推力，用以平衡復雜外形或突出載荷產生的非定常流體動力。該布局可通過操縱上下或左右2對推進器，控制不同的轉速和轉向，能同時提高水平面和縱平面的機動性能。

③ 增加“輔推”。

在巡航時由舵所產生的力矩或由主推進器產生的力矩都能滿足操縱性的需要，而在懸停時舵無法產生力矩也就滿足不了UUV操縱的需要，考慮到UUV懸停、側移、垂移等運動模式，因此需借助輔助推進器進行操縱控制。

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

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

UUV機動性能常以水平機動能力作為衡量標準，縱平面僅需滿足常規的下潛、上浮、懸停和定深等運動操控。圖6所示為增加側推的布置方案。側向推進器主要布置在UUV首尾，遠離UUV力矩重心，能提供最大的轉首力矩，有效增大水平回轉或機動能力，同時2個側推也能滿足水平面側向平移推進的需求。

圖6 增加側推Fig. 6 Increase of huorzontal thruster

針對小、長、細此類型的UUV，為滿足該類型UUV高機動性的要求，往往采用同時增加垂推和側推的布局方案，圖7所示為同時增加垂推和側推的方案。在垂推和側推的輔助推進下能夠輕松實現空間六自由度高機動航行的目標。

圖7 增加垂推和側推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，是為了應對復雜任務需求和多工況環境要求，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6 m，直徑1 m，重4 t的大型水下平臺。該UUV的推進系統由8個推進器組成，包括4個主推進器，3個垂直推進器和1個橫向推進器；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能源。尾部布置1個主推進器，首尾布置2個垂推，首部還布置1個側推；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個鰭舵呈X型正交布置、舵軸中心線與UUV中對稱面呈±45°夾角的尾操縱面。X型尾操縱面的可動部分稱為X舵，固定部分為穩定鰭，沒有固定鰭的舵即為全動舵。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個主推的組合布置，圖12是X型尾鰭、4個主推、2個垂推和2個側推的組合布置。

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型尾鰭與側推、多主推和輔推組合Fig. 12 X fin of tail/main thruster/auxiliary thruster

3）矢量推進。

矢量推進除了在航向產生推力以平衡航行阻力外，還在俯仰和偏航通過轉動推進器或者導流片用以改變螺旋槳尾流方向，產生法向/側向過載，提供操縱力和力矩。矢量推進不強依賴航速，使得矢量推進在低航速下也具有極好的操控性。

圖13是舵布置在導管內的矢量推進方案，類似于火箭發動機矢量推進中的燃氣舵。通過控制舵偏轉角度，產生相對來流攻角，使導管尾流方向偏轉，進而產生在側向或垂向的控制力。此方案需增加導管長度用于安裝舵，同時，要合理布置舵轉向控制機構。

圖13 舵布置在導管內Fig. 13 Rudder layout in thruster

圖14是舵布置在導管后的矢量推進方案。

圖14 舵布置在導管后Fig. 14 Rudder layout behind thruster

圖15是推進器整體偏轉的矢量推進方案。該方案導管、螺旋槳和主推電機集成在一起，通過水平和垂直2個驅動電機控制推進器整體偏轉，產生的推力與預置偏轉角關聯，通過控制偏轉角控制螺旋槳推力矢量，產生所需過載，滿足操縱控制要求。

圖15 推進器矢量偏轉Fig. 15 Vectored thruster

4）噴水推進。

噴水推進廣泛應用于船舶推進，一般推力較大，與常見的螺旋槳推進方式不同，噴水推進的推力是通過噴水的水流反作用力來獲得的，并通過操縱舵及倒舵設備分配和改變噴流的方向來實現操縱控制。

圖16所示UUV采用噴水推進器，設有3個動葉片，尾部布置X型尾舵，航行器首尾部設置可調壓載水倉。

圖16 噴水推進Fig. 16 Water jet propulsion

5）多推進器組合。

不規則外形的UUV，常規操舵控制難以實現預期操縱目標，需針對自身運動方案布置推進器，用以控制UUV實現特定運動方式，比如垂向升沉運動、側向平移運動等。針對該類型UUV，常采用多推進器組合操控方案。圖17所示為多推進器組合操控方案。

圖17 多推進器組合Fig. 17 Multiple thrusters

6）仿生推進。

隨著需求的提高和技術的進步，許多應用場合都要求水下推進器具有流體擾動小、尾跡特征小、推進效率高、機動性好等特征，如水下偵察潛水器、淺海潛水器、魚類活動觀測潛水器等。傳統的“推進器+舵”操控模式已難以滿足上述需求。

仿生推進技術以其推進效率高、機動性好、結構簡單、運動形式多樣、可采用多種驅動方式、低噪聲、對環境擾動小等優點，將成為UUV未來最具前景的操縱布局方案。圖18為水下仿生推進模式的應用。

圖18 仿生推進Fig. 18 Bionic thruster

2 結束語

UUV鰭舵布局和推進器布置與UUV的總體性能及操縱性強相關，本文旨在總結國內外現有UUV產品的操縱設計方案，按照“鰭舵布局+主推進器布置+輔助推進器布置”的標準劃分類別，給UUV總體及操縱性設計人員提供參考。