大翼展混合驅動無人水下航行器總體設計及性能分析

凌宏杰，張學豐，孫玉山，王志東，張貝

(1. 哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

水下無人航行器是海洋資源開發與探測的主要工具之一。HUG（Hybrid Underwater Glider）是一種融合了傳統AUV（Autonomous Underwater Vehicle）和AUG（Autonomous Underwater Glider）驅動方式的新型水下無人航行器[1-2]。該類型航行器擁有AUV 和AUG的優點。滑翔模式使其具有大尺度、長航程作業的特點。動力推進模式使其具有高度靈活性和抵抗外界復雜環境載荷的能力。

型線優化、多學科設計優化與模塊化設計是水下航行器構型所采用的主流設計方法[3-5]。國內外滑翔機外形設計以3 種典型線型（Spray，Slocum，Sea glider）為主，在母型基礎上優化與改進，以滿足設計要求，并取得優良的水動力性能[6]。諸敏等[7]多參數優化了水下滑翔機的外形；張奇峰等[8]采用數值方法分析了水下滑翔機的運動性能。陳剛[9]設計水下滑翔機的浮力調節機構，并采用數值方法分析了滑翔機的運動性能。

國內，2007 年，劉錕等首次設計出了新型混合驅動型水下航行器HUG。之后沈陽自動化研究所和西北工業大學等單位開展了HUG 理論研究。近些年，國內出現了飛翼式等新型水下航行器，該類航行器具有飛翼式結構，可實現較大升阻比，具有優良的滑翔性能[10]。

為實現長航程、復雜海洋環境中航向高保持能力，本文提出一種高升阻比、分布式推進的混合驅動水下無人航行器。基于模塊化設計思想，采用仿生構型完成了大翼展推進與滑翔混合驅動航行器的總體設計，該航行器具有大翼展高升阻比特性，減小滑翔角，滿足長航程要求。在翼梢下方分布2 個主推進器，主要實現航行器的航向高度保持能力，在外界海流環境較為惡劣時，啟動推進模式，沖破紊流區域。

1 水下航行器設計目標及方法

1.1 設計目標

大翼展混合驅動水下無人航行器（簡稱HUG）設計目標：

1）具備3 種運動模式：滑翔模式，推進模式，滑翔與推進混合模式；

2）最大工作水深：≥1 000 m；

3）設計滑翔速度：≥0.7 kn；

4）最大推進速度：≥4 kn。

該HUG 的優勢特色：

1）大翼展、高升阻比、減小航向角，實現大滑翔比；

2）翼梢處對稱的主推進器布局，實現低功耗航向高保持能力；

3）混合驅動可實現多模態切換，實現多種功能需求。

該HUG 可實現以下功能：

1）可以根據實際的需求，在滑翔機上搭載具體的傳感器，使得滑翔機在航行過程中，監測并反饋已獲取海洋環境參數（如溫躍層參數、鹽層參數等）；

2）可精準定位到指定的目標區域，誤差小，并對該區域進行實時監測及反饋；

3）可實現GPS 精準定位，在滑翔機上裝配有衛星通信終端和無線網絡，能夠在全球范圍內與岸基監控中心實現數據通信；

4）可以在預定的區域范圍內，完成空間螺旋運動，且螺旋的半徑可根據具體的情況設定。

1.2 設計思路

以設計目標為約束條件，水下無人航行器采用模塊化設計法開展外形、推進單元、浮力調節單元、俯仰調節單元，控制單元、拋載單元的總體設計，對其靜力學、結構力學、水動力和運動性能進行數值計算與分析，經過反復迭代后，確定水下無人航行器定型設計。HUG 總體設計流程見圖1。

圖 1 總體設計流程圖Fig. 1Overall design flow chart

2 HUG 系統總體設計

HUG 本體內部系統較為復雜，且功能多樣，由各種功能和構型各異的功能部件組合而成，以滿足功能需求，主要有浮力調節單元、俯仰姿態調節單元、控制系統單元3 個基礎的單元，在翼展上裝有推進單元、尾艙尾端裝有拋載模塊等核心單元。各單元在HUG 中的分布見圖2。

圖 2 HUG 單元模塊分布圖Fig. 2HUG unit module distribution map

2.1 主體設計

HUG 的水動力外形主要由主體、水翼和尾翼等組成。HUG 主體采用Spray 線型，其中平行中體長度為600 mm，以此獲得較高的水動力特性。滑翔機設計時，內部艙容是水下滑翔機性能優異的先決條件，綜合考慮內部結構的尺寸和整體結構重量等方面因素，最終選取回轉體直徑為182 mm。采用半橢圓形首部，其中長半軸180 mm，短半軸90 mm。尾部長度為400 mm，包角為15°，如表1 所示。設計總長1855 mm，HUG 外形見圖3。

表 1 HUG 主體主尺度表Tab. 1 HUG main body scale table

圖 3 HUG 主體外形圖Fig. 3HUG main body outline drawing

2.2 水翼設計

為獲得高升阻比翼型結構，基于仿生學原理，仿生海洋生物三角形鰩魚大翼展構型，如圖4 所示。測量活體鰩魚胸鰭外形輪廓尺寸，建立該HUG 的水翼物理模型，按照相似原則，對翼型尺度的縮放，確定水翼外形輪廓曲線如圖5 所示。綜合考慮翼的主尺度和重量等因素，翼型剖面選用NACA0006，完成仿生大翼展構型設計。

2.3 尾翼設計

通過增設尾翼提高HUG 運動穩定性，翼型選用NACA0012 可提供較大操縱力矩。其結構參數包括翼根弦長Cr、翼端弦長Ct、半展長b/2、翼型和后掠角γ，尾翼面積采用經驗公式（1）估算，計算所得面積需額外增加50%[11]。

式中：S 為尾翼面積；D 為航行器直徑；L 為航行器總長；B 為航行器寬度。設計出的尾翼面積為0.07 m2，尾翼各結構參數如表2 所示。尾翼結構如圖6 所示，尾翼外形如圖7 所示。

圖 4 三角形鰩魚圖Fig. 4Triangle squid illustration

圖 5 水翼外形輪廓曲線圖Fig. 5Hydrofoil profile curve

表 2 尾翼參數表Tab. 2 Tail parameter table

圖 6 尾翼結構圖Fig. 6Tail structure diagram

圖 7 尾翼外形圖Fig. 7Tail outline drawing

2.4 浮力調節單元設計

浮力調節單元是HUG 滑翔模式上浮和下潛的動力來源。浮力調節單元采用“恒力閉環控制方式”。該單元采用力傳感器作為恒力控制的輸入參數，實現內油箱處于恒壓力狀態，保證油箱內無隙漏。位移傳感器精確測量油箱內油量變化，實現內外油箱內油量的精確控制。該系統易于搭建，精度高、可靠性好。浮力調節單元如圖8 所示。

圖 8 浮力調節單元圖Fig. 8Buoyancy regulation unit diagram

2.5HUG 姿態調節單元設計

姿態調節單元是HUG 的滑翔上浮和下潛姿態調節的核心單元，由于航行器采用了分布式推進，可以實現航向的實時控制，無需采用重心橫向偏移實現航行器橫滾姿態調節，因此該系統實現俯仰調節，以位移傳感器精確控制質量塊沿航行器長度方向運動的位置。以陀螺反饋航行器姿態角實現調節重塊位置，HUG保持在最優姿態角航行，并實現快速上浮、下潛運動。

本文姿態調節單元采用電池包作為調節質量塊，如圖9 所示。該設計形式使航行器內部結構緊湊，占用空間少。

2.6 推進系統設計

為實現HUG 航向高保持性和實時響應，提高HUG 對外界環境的適應能力，提高自主靈活性以及抗干擾性，在翼梢處對稱布置推進器，增加轉首力臂，實現推進器在低功耗下獲得較大轉首力矩，實現航行的高保持性，為突破海洋環境中尺度渦（相對于航行器而言為斜向流）奠定基礎。根據航行器的水動力阻力計算結果為依據，推進模式最大航速可達4 kn，可有效應對海洋中的紊流環境，提高生存能力。推進器基本參數如表3 所示。采用推進模式。可實現近海岸淺水區的布防回收和水平運動目標追蹤，配合浮力驅動系統可完成強流區的剖面滑翔運動。推進器側視圖和分布圖見圖10 和圖11。

圖 9 姿態調節系統圖Fig. 9Attitude adjustment system diagram

表 3 T200 參數表Tab. 3 T200 parameter table

圖 10 推進器側視圖Fig. 10Propeller side view

圖 11 推進器分布圖Fig. 11Propeller distribution map

2.7 拋載單元設計

為了提高HUG 遇到緊急狀況的存活率，設計拋載單元。當傳感器自檢到滑翔機內部進水、電量低、姿態調節功能失效等危險狀態時，滑翔機自動拋棄懸掛的拋載單元，使滑翔機快速得到浮力，在重浮力差的驅動下，使航行器實現快速自動上浮。

在尾部端蓋外部懸掛半圓環狀的拋載鐵塊，端蓋內部開有凹槽，凹槽內鑲嵌電磁鐵，電磁鐵與控制系統相連，這樣實現了電磁鐵對外部的拋載模塊的吸附。正常工作狀態下，吸附鐵塊，當遇到緊急狀態時，鐵塊自動脫落，航行器自主上浮。該拋載模塊設計簡單，安裝方便。相比傳統的拋載，避免了在端蓋處開口帶來的密封性能變弱的問題，并且拋載鐵塊藏身于端蓋面后部，對水動力性能影響很小。拋載單元側視圖見圖12。

圖 12 拋載單元圖Fig. 12Discharge unit diagram

3 靜力學計算與分析

在進行靜力學分析計算時，采用右手慣性坐標系，將滑翔機的浮力中心作為坐標系原點，規定沿HUG 向首部方向為X 正軸，沿HUG 橫向向左為Y 正軸，垂直本體向上Z 正軸。圖13 為所建立的坐標系圖。航行器主體為圓柱形，首部為半橢圓形，尾部為圓臺形，艙與艙之間采用平板端蓋密封。針對航行器開展靜力學計算并配平，使航行器重心與浮心相重合達到水平狀態。通過液壓油與電池塊的移動可以計算出該航行器的重心調節范圍，如表4 所示。

表 4 重心調節范圍表Tab. 4 Center of gravity adjustment range

4 HUG 系統中承壓殼體強度及穩定性計算分析

水下航行器殼體制造通常選擇金屬材料（如不銹鋼、鋁合金、鈦合金等）和工程塑料（如亞克力，pvc塑料）等，因耐壓殼體長時間海水中工作，對其耐腐蝕性要求高。綜合考慮材料強度、抗腐蝕性能、工作下潛水深及加工工藝等因素，耐壓殼體最終選用高強度鋁合金6 061-T6 材料，并且在表面采用鈍化處理防腐。高強度鋁合金6 061-T6 材料屬性見表5。

表 5 鋁合金6 061-T6 材料屬性Tab. 5 Aluminum alloy 6 061-T6 material properties

航行器設計最大下潛深度為1 000 m，耐壓殼體需承載壓力為10 MPa。為提高航行器故障下生存幾率和降低加工難度，耐壓殼體采用單層耐壓殼體，并對各個單元進行模塊化分艙設計，各艙相互獨立，從而提高水下滑翔機的存活率，為了便于艙與艙之間的連接，各艙首尾部均有臺階結構。艙與艙的通信采用水密接插件。該HUG 殼體結構水動力性能較好，表面過渡平滑，無較大尺寸突變。主要包括首部橢圓狀導流透水罩，中部2 個艙室的圓柱狀殼體，尾部15°半包角的圓臺狀結構、尾部天線殼體組成。各艙尺寸見表6。HUG 外殼裝配結果如圖14 所示。

表 6 各艙尺寸表Tab. 6 Cabin size table

浮力調節艙、姿態調節艙與控制艙為承壓艙，工作水深1 000 m，在靜應力分析時，對耐壓艙外表面需施加10 MPa 的壓強，各艙室的有限元網格尺寸分別設定為5 mm、8 mm 和6 mm，并且對首部和尾部一些結構緊湊的地方進行局部加密。最終，3 個艙室的網格數量分別是10 萬、9 萬和6 萬，如圖15 所示。

圖 14 HUG 外殼裝配圖Fig. 14HUG shell assembly drawing

圖 15 承壓構件數值計算的約束、載荷施加及網格劃分圖Fig. 15Constraints，load application and meshing diagrams for numerical calculation of pressure members

在計算時，采用直接離散法（Direct Sparse）求解器進行求解，得到應力、應變和位移分布云圖，并給出最大應力的分布區域。

圖16 給出了數值計算結果，可以看出：

1）浮力調節艙最大應力約為159.4 MPa，位于端蓋中心處最大位移量為0.3 mm，安全系數1.72；

2）姿態調節艙最大應力約為83.34 MPa，。在圓筒壁靠近端蓋處最大位移0.08 mm，艙安全系數3.30；

3）控制艙最大應力為59.5 MPa，圓筒壁靠近端蓋最大位移為0.17 mm。安全系數4.62。

根據《潛水系統和潛水器入級規范》要求的安全系數不小于1.5，本HUG 系統中所有承壓部件均滿足規范要求。

4.1 穩定性分析

耐壓艙體不僅需要滿足結構強度要求，也需要滿足穩定性要求。采用屈曲分析法，計算結構的臨界載荷和屈曲模態形狀結構發生屈曲響應的特征形狀。

耐壓艙體特征值屈曲分析，對3 段耐壓結構艙的所有外表面均施加了10 MPa 的均勻分布載荷，并進行網格劃分。圖17 分別為浮力調節艙、俯仰姿態調節艙和控制系統艙的屈曲圖。對圖示內容進行計算分析，得到3 個艙室的載荷因子，分別為 λ=15.64， λ=19.33和 λ=13.24。有公式：

式中：m 為穩定安全系數； λ為載荷因子。

圖 16 應力、應變和位移分布云圖Fig. 16Stress，strain and displacement distribution

根據GB150-2012 對穩定性安全系數的規定，穩定安全系數m=3。從3 個艙室的屈曲圖可以看出，當達到臨界載荷時，艙體發生了屈曲變形，局部存在皺褶，艙體也即在皺褶處存在最大位移。因結構在 1 000 m最大水深時預期受到的載荷值遠小于通過穩定性分析得出的極限載荷值，故設計的艙體結構均滿足要求。

5 結 語

為實現水下無人航行器在復雜海洋環境中長航程和航行高保持能力，提出一種分布式推進與滑翔混合驅動的大翼展水下無人航行器的新構型設計。突破常規混合動力航行器的設計理念，創新性地通過翼梢分布推進器，實現低功耗航向的實時控制，為突破海洋環境中尺度渦提供新的思路。采用仿鰩魚大翼展設計，提高升阻比，增加滑翔比，實現長航程。