无人潜航器无动力下潜轨迹仿真分析∗

雷 阳 王占勇

（中船重工第七一○研究所 宜昌 443000）

1 引言

随着近年对深远海领域的可靠研究加大，各类型的深海水下无人潜航器发展迅速。但深海潜航器的总体技术难度巨大，不同于浅水的潜器的研究开发成熟。其需要的保障及试验花费巨大，同时面临的海洋环境更加恶劣。在深海潜航器总体设计之处，运用软件对即将加工的潜航器进行各参数的仿真具有非常重要的意义。仿真结果不仅能够验证设计方案的合理性，同时也能指导总体方案的优化设计，是潜航体总体设计之中不可或缺的一环。

本文针对一款深海潜航器进行了下潜轨迹的仿真，并结合半实物模型在湖上摸底试验采集的数据进行对比，对于深海潜航器的设计具有非常重要的指导意义［1～2］。

2 仿真分析

针对给定潜航体进行了自由下沉轨迹仿真，潜航体运动采用基于fortran语言的六自由度运动方程程序模拟，水动力通过基于SIMPLE算法的CFD工具获取六分量插值样本，针对不同压载的下潜轨迹进行了仿真，结果表明，在20kg和30kg压载下均能得到较好的下潜轨迹［3～8］。

1）计算模型及坐标系定义

潜航体几何坐标系OXYZ:坐标原点O为潜航体底部圆心，OX轴位于纵向对称平面内，与体轴线重合，指向前方为正；OZ轴位于纵向对称平面内，垂直于OX轴指向下方为正；OY轴由右手法则确定。

表1中的Xcg、Ycg、Zcg为潜航体质心在几何坐标系中的坐标，Xcf、Ycf、Zcf为浮心在几何坐标系中的坐标。

2）六自由度运动方程［6～7］

惯性系内质心平动的运动学方程:

惯性系内质心平动的动力学方程:

弹体系内绕质心转动的运动学方程:

弹体系内绕质心转动的动力学方程:

表2 弧板几何参数

采用四步Runge-Kutta或者Adams方法求解以上12个方程，得到潜航体各时刻的质心位置和姿态角。

3）压载为20kg的轨迹仿真［9～13］

（1）潜航体X向等效质心坐标计算

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

（2）转动惯量计算

假设潜航体为均匀质量分布的长L为7m、半径r为0.4m的圆柱体，根据Ixx=mr2/2，Iyy=Izz=mL2/12计算得到:

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

这里需要说明的是，流体旋转导数的取值规则根据仿真工况的不同有所差别，具体如下。仿真采用如下旋转导数:

（3）轨迹仿真

压载20kg，下潜6000m，历时16311s，约4.53h，螺旋直径17m，平衡状态下的弹道倾角46.4°，攻角40.6°，侧滑角-9°。如图1～2所示为压载20kg的下潜仿真示意图［8～10］。

4）压载为30kg的轨迹仿真

（1）潜航体X向等效质心坐标计算

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

（2）转动惯量计算

假设潜航体为均匀质量分布的长L为7m、半径r为0.4m的圆柱体，根据Ixx=mr2/2，Iyy=Izz=mL2/12计算得到:

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

压载30kg，下潜6000m，历时12671s，约3.52h，螺旋直径17m，平衡状态下的弹道倾角49.5°，攻角42.3°，侧滑角-11°。如图3～4为30kg下潜压载下潜轨迹仿真图。

图1 轨迹图

图2 倾角、攻角、侧滑角时间历程

图3 倾角、攻角、侧滑角时间历程

图4 倾角、攻角、侧滑角时间历程

3 结语

采用六自由度运动方程对不同压载的下潜轨迹进行了仿真，水动力通过基于Simple算法的CFD数值计算得到，潜航体旋转带来的阻尼力矩假设为某一常数，仿真结果表明:

压载20kg，下潜6000m，历时4.53h，螺旋直径17m，平衡状态下的弹道倾角46.4°，攻角40.6°；

压载30kg，下潜6000m，历时3.52h，螺旋直径17m，平衡状态下的弹道倾角49.5°，攻角42.3°。

该结果与用理论值计算出的水动力参数相差不大。从运动规律、运动参数等方面验证了实际总体设计方案的合理性。