水下无人航行器外挂吊舱水动力试验及操纵性分析

曹建，苏玉民，赵金鑫，秦再白

（哈尔滨工程大学水下无人航行器技术重点实验室，哈尔滨150001）

水下无人航行器外挂吊舱水动力试验及操纵性分析

曹建，苏玉民，赵金鑫，秦再白

（哈尔滨工程大学水下无人航行器技术重点实验室，哈尔滨150001）

在循环水槽开展了某带吊舱水下无人航行器的水动力试验，绘制出了航行器阻力曲线，得到了与操纵性相关的主要水动力系数，在此基础上对水下无人航行器的运动稳定性进行了分析，并与不带吊舱情况下的水下无人航行器操纵性进行了比较。试验结果可为水下无人航行器推进系统设计及运动控制与仿真提供依据。

水下无人航行器；水动力系数；运动稳定性；操纵性；水动力试验

0 引言

随着人们对海洋开发的不断深入，以及对水下作战要求的提高，水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）所承载的使命越来越多，这就要求他搭载更多的设备以完成复杂而多样的任务。如果只是为了增加几个设备而重新设计制造一款水下无人航行器，这显然是对资源的巨大浪费，同时还会增加开支。因此人们提出了在已有水下无人航行器基础上进行改造。加挂吊舱就是其中一种简单而有效的方法。然而，加挂吊舱不仅对航行器艇体阻力有很大影响，也会改变航行器的操纵性能。

相关学者在水下无人航行器水动力性能研究方面已开展了一些研究工作[1-4]，周杰[1]研究了水下无人航行器外挂鱼雷的稳定性判断条件；李刚[2]基于水动力试验研究了复杂构型水下无人航行器的水动力特性；江新[3]提出了一种采用小波神经网络预报水下无人航行器水动力性能方法；张荣敏[4]基于CFD技术研究了无鳍舵适量推进水下无人航行器的纵向稳定性。为了研究挂吊舱后水下无人航行器的水动力性能，本文先采用水动力试验方法获得水下无人航行器的水动力系数，在此基础上开展水下无人航行器的操纵性分析。

本文在某鱼雷形水下无人航行器[5]模型基础上，加挂一流线型吊舱，并在哈尔滨工程大学循环水槽实验室利用垂直平面运动机构（VPMM）[6-7]对其进行了水动力试验。在获得了相应水动力系数基础上，比较了带吊舱与不带吊舱时航行器的操纵性。

1 试验模型

带吊舱水下无人航行器模型外形如图1所示，主艇体为鱼雷外形的舵桨联合操纵水下无人航行器模型，主尺度为：总长：1.46 m；直径：0.214 m。吊舱为一回转体，首部是半球形，尾部是与主艇体尾部形状相似的抛物线形。吊舱主尺度为：长：0.92 m，直径：0.11 m。

航行器整体重心距艇首：0.641 m；充水后质量：46.8 kg。模型与实艇的比例为1:1，试验采用的坐标系如图2所示。

图1 带吊舱机器人模型Fig.1 Test model with an outside cabin

图2 坐标系示意图Fig.2 Coordinate system

2 循环水槽试验及结果

试验在哈尔滨工程大学循环水槽利用垂直平面运动机构VPMM进行，循环水槽工作段为7×1.7×1.5 m，常用流速0.3-1.7 m/s，实验流速可以通过流速调整系统设定。实验时模型距水面约0.8 m，六分力天平安放在模型内部，模型正浮状态安装时可进行阻力试验、水平面斜航试验、纯升沉和纯俯仰试验，模型横倾-90°安装时可以进行垂直面斜航试验、纯横荡和纯摇艏试验。试验数据由计算机采集，无因次化时以艇体总长为特征长度。

2.1 阻力试验

将水下无人航行器通过平面运动机构前后两个支杆正浮固定在水中，使其漂角和攻角都为0，测量不同流速下艇体的纵向受力R，并与不带吊舱时UUV所受阻力比较，如图3所示。

图3 水下无人航行器阻力曲线Fig.3 Resistance curve of UUV

将测量阻力数据用最小二乘法拟合得到带吊舱UUV的无因次纵向阻力系数为0.006 57，阻力试验的测量结果可以为水下无人航行器推进系统设计提供依据。

2.2 纯升沉和纯横荡试验

（1）纯升沉试验

纯升沉振荡运动试验的目的是测量UUV模型的垂直面水动力系数Zw′、Zw˙′、Mw′、Mw˙′。调节两支杆同相位、同振幅和同频率作正弦震荡，此时UUV模型在大地坐标系下的运动规律为

式中：ω为支杆的振荡频率；a为振幅。

模型的运动参数为：

表1 纯升沉运动试验参数Tab.1 Parameters of pure heave motion

实验时保持两支杆的振幅始终为a=4 cm，其他参数见表1。

平面运动机构的测力和数据采集系统将测出的拘束力和力矩分解出与振荡同相的分量和正交的分量，分别作出同相分量随aω2，正交分量随aω变化的曲线，最后线性拟合得到垂直面的无因次水动力系数，如表2所示。

（2）纯横荡试验

试验参数设定和数据处理方法与纯升沉运动相同，最后得到模型水平面的无因次水动力系数Yv′、Yv˙′、Nv′和Nv˙′，如表3所示。

表2 升沉水动力系数Tab.2 Hydrodynamic coefficients of pure heave motion

表3 横荡水动力系数Tab.2 Hydrodynamic coefficients of pure sway motion

2.3 纯俯仰和纯摇艏试验

（1）纯俯仰试验

UUV模型进行纯俯仰振荡运动试验是为了测量其垂直面角速度与角加速度系数Zq′、Zq˙′、Mq′、Mq˙′。

纯俯仰运动的时候，船模运动速度与重心轨迹曲线相切，船模攻角、船模动坐标系的Z向速度与加速度均为0，即。当保持前后支杆的振幅相等，调节其相位差，使后杆对前杆有一定的滞后角ε：

此时模型作纯俯仰运动，两支杆的位移为：

根据模型安装情况其运动参数为：

式中：l0为两杆间距离的二分之一；ω为振荡圆频率；U为模型速度（即流速），船模即作纯俯仰运动。

试验时，使VPMM两支杆中点（即测力中心）的振幅始终为4 cm，并根据流速和振荡频率调节两支杆的振幅实现纯俯仰运动。纯俯仰试验参数见表4。

同样将所测拘束力和力矩分解出与纵倾角振荡同相部分和正交部分，分别作出同相分量随θ0ω2，正交分量随θ0ω变化的曲线，最后处理得到俯仰水动力系数如表5所示。

（2）纯摇艏试验

试验方法与参数设定和纯俯仰试验相同，最后得到水平面角速度与角加速度系数Yr˙′、Yr′、Nr˙′和Nr′如表6所示。

表4 纯俯仰试验参数Tab.4 Parameters of pure pitch motion

表5 俯仰水动力系数Tab.5 Hydrodynamic coefficients of pure pitch motion

表6 摇艏水动力系数Tab.6 Hydrodynamic coefficients of pure yaw motion

3 操纵性分析

水下无人航行器的操纵性分为稳定性与机动性。在这里我们首先分析带吊舱水下无人航行器的稳定性。

3.1 稳定性分析

稳定性对水下无人航行器来说非常重要，是水下无人航行器水平面航向控制系统和垂直面深度控制系统的重要特性。由于动稳定性对水下无人航行器操纵比较重要，一般要求航行器具有直线自动稳定性，并不要求它有静稳定性，而一般情况下水下无人航行器不论在水平面还是垂直面都是静不稳定的，所以本节在前面试验测定数据基础上着重分析所设计的水下无人航行器的动稳定性能。

（1）水平面动稳定性分析

[5]，水下无人航行器水平面稳定性条件可归结为如下等价的判别式

若CH＞0，则水下无人航行器具有水平面的直线自动稳定性；若CH＜0，则不具有直线自动稳定性；系数CH称为稳定性衡准数。

对于本文研究的水下无人航行器，由前面的试验数据可知C1H=1.024＞0，该UUV具有水平面的直线自动稳定性。由参考文献[5]可计算得不带吊舱时航行器的水平面稳定性衡准数为C2H=0.971。比较可知C1H＞C2H，即带吊舱UUV比不带吊舱时水平面自动稳定性更高。这是因为，在主艇体正下挂载一个尺寸相对较小的吊舱与在艇体底部纵剖面上加稳定鳍的效果相同，都可以减小UUV航行时的横摇运动，改善艇的横向稳定性[2]。

（2）垂直面动稳定性分析

垂直面动稳定性可以用Cv+Cvh来判定，其中：

如果Cv+Cvh＞0，则具有垂直面的直线自动稳定性。由前面水动力试验数据可得：Cv=5.348×10-4＞0。Cvh体现了静扶正力矩的影响，实际上，静扶正力矩的作用和航速密切相关。从公式Mθ′=-m′gh/U2可以看出，扶正力矩的作用随航速的增大而迅速降低。但是，由计算知

而无论航速U多大，Mθ′都是负值，所以Cvh＞0。因此，衡准Cv+Cvh＞0，UUV具有垂直面直线自动稳定性。由于UUV在任何航速下都能动稳定，称此时UUV是绝对稳定的。

3.2 机动性分析

本文中，我们应用前面水动力试验获得的水动力系数对水下无人航行器的水平面运动进行仿真，分析水下无人航行器带与不带吊舱时的机动性。仿真选取了两种典型的水平面运动形式：水平面回转运动和水平面Z形操舵机动。转舵速率δ˙定为6°/s。

（1）水平面回转运动仿真

回转运动的主要特征可用下列参数描述：

定常回转直径Ds：定常回转圈的直径。

纵距Ad：自转舵开始的操舵点至首向改变90°时，UUV重心沿初始直航线前进的距离。它表示UUV在航行中，发现前方有障碍物而转舵避碰的最短距离。

回转周期T：从转舵起至回转360°所经历的时间。

仿真时，航速U分别设为1 m/s和1.5 m/s，操舵角δ分别选取5°、10°、15°和20°，回转曲线仿真结果如图4和图5。

将回转运动的特征参数列表如表7和表8所示。

图4 U=1 m/s时UUV不同操舵角下水平面回转运动轨迹Fig.4 Turning trace of the UUV at different rudder angle when U=1 m/s

图5 U=1.5 m/s时UUV不同操舵角下水平面回转运动轨迹Fig.5 Turning trace of the UUV at different rudder angle when U=1.5 m/s

表7 带吊舱UUV回转运动特征参数Tab.7 Turning characteristic parameters of the UUV with cabin

表8 不带吊舱UUV回转运动特征参数Tab.8 Turning characteristic parameters of the UUV without cabin

从表中可以看出，在相同航速下，舵角越大，回转直径、回转周期和纵距都减小；而在相同舵角时，两个航速下的回转直径基本一致，航速大的回转周期较短。

在相同航速相同舵角下，带吊舱的UUV的回转直径、回转周期和纵距要大于不带吊舱UUV的值。

（2）水平面Z形机动仿真

UUV在实际的航行中，进行完整回转的情况很少，经常是从一个航向改变到另一个航向、或保持航向的操舵机动，其特点是机动幅度不大，可用标准机动中的Z形操舵机动来测定UUV的应舵性。

Z形运动与应舵性能有关的特征值有：

初转期ta：从首次操舵起至第一次操反舵止所经过的时间。若是10°/10°Z形操舵机动，则ta表示从直航中操10°舵角，艇艏向角改变10°所需之时间,也就是艏向改变的快慢。

超越时间tov：从操反舵开始到UUV停止朝原方向回转的时间。

超越艏向角ψov：操反舵后UUV继续朝原方向回转所转过的最大角度。

周期T：从操舵瞬时到UUV完成向右舷和左舷摆动各一次,回复到初始艏向角的时间。

显然，上述特征量小，UUV对舵的响应快，转首性好，应舵快。

仿真时，直航速度U分别稳定在1 m/s和1.5 m/s，Z形运动的操舵角及艏向角选取δ/ψ=10°/10°。

Z行机动仿真时舵角、艏向角及重心的横向距离随时间的变化关系如图6～9所示。

Z形机动的特征参数如表9所示。

图6 U=1.0 m/s时Z形机动舵角及艏向随时间变化Fig.6 Ruder angle and heading curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.0 m/s

图7 U=1.0 m/s时Z形机动重心横向位移随时间变化Fig.7 Gravity center lateral displacement curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.0 m/s

图8 U=1.5 m/s时Z形机动舵角及艏向随时间变化Fig.8 Ruder angle and heading curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.5 m/s

图9 U=1.5 m/s时Z形机动重心横向位移随时间变化Fig.9 Gravity center lateral displacement curve of UUV zigzag maneuvering at U=1.5 m/s

表9 Z形机动特征参数Tab.9 Characteristic parameters of UUV zigzag maneuvering

由表9可以看出，在相同航速下，不带吊舱UUV的Z形运动周期和重心横向位移都比带吊舱时的小，而超越艏向角较大，说明UUV带吊舱时应舵性能差于不带吊舱时。

从水平面回转运动和Z形机动的仿真结果可知，带吊舱水下无人航行器的机动性不如无吊舱情况下的。

4 结论

在哈尔滨工程大学循环水槽，利用平面运动机构对某鱼雷外形的水下无人航行器模型进行了加挂外吊舱的水动力试验，得到了模型主要水动力系数，给出了阻力曲线，并对所设计的水下无人航行器进行了稳定性分析，验证了航行器具有良好的直线自动稳定性。同时将航行器带与不带吊舱两种情况下的水平面机动性能进行了比较，了解了二者之间的差异，为实际应用提供了参考。

阻力试验可以为螺旋桨设计及电机选择提供参考，得到的水动力系数可以为水下无人航行器运动建模与仿真、操纵性能研究和运动控制提供重要依据。

参考文献：

[1]周杰,王树宗,张志迅.无人水下航行器外挂鱼雷稳定性判断[J].鱼雷技术,2009,17(2):15-19. Zhou Jie,Wang Shuzong,Zhang Zhixun.Stability estimation for UUV with external torpedoes[J].Torpedo Technology, 2009,17(2):15-19.

[2]李刚,段文洋.复杂构型UUV水动力特性的试验研究[J].船舶力学,2011,15(1-2):58-65. Li Gang,Duan Wenyang.Experimental study on the hydrodynamic property of a complex submersible[J].Journal of Ship Mechanics,2011,15(1-2):58-65.

[3]江新,刘汉明,钟后阳.水下自主机器人水动力预报方法研究[J].海洋技术学报,2015,34(1):50-54. Jiang Xin,Liu Hanming,Zhong Houyang.Study on the hydrodynamic prediction method for autonomous underwater vehicles[J].Journal of Ocean Technology,2015,34(1):50-54.

[4]张荣敏,陈原,高军.无鳍舵矢量推进水下机器人纵向稳定性研究[J].哈尔滨工程大学学报,2017,38(1):133-139. Zhang Rongmin,Chen Yuan,Gao Jun.Longitudinal handling stability of vectored thrust underwater vehicle without fin and rudder[J].Journal of Harbin Engineering University,2017,38(1):133-139.

[5]王波,苏玉民,等.鱼雷形水下无人航行器水动力试验研究[J].船舶工程,2008,30(z1):40-43. Wang Bo,Su Yümin,et al.Testing study on hydrodynamic force of underwater vehicle imitating the shape of torpedo[J]. Ship Engineering,2008,30(z1):40-43.

[6]施生达.潜艇操纵性[M].北京:国防工业出版社,1995.

[7]常文田.垂直平面运动机构的分析与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005. Chang Wentian.The analyze and research of vertical planar motion mechanism[D].Harbin:Harbin Engineering University,2005.

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

国家自然科学基金资助项目（51609047）

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