水下无人潜航器无动力下潜弹道分析*

2019-07-08

舰船电子工程 2019年6期

（中船重工第七一〇研究所宜昌 443000）

1 引言

随着海洋环境的变化，以及对海洋各项科考事业的开展。水下潜航器，尤其是无人潜航器的发展越来越迅猛。其中在深海考察作业中，由于大水深对于潜航器的总体要求高，在下潜过程中多采用无动力下潜的方式来使得潜航器到达预定的海深，当深度传感器检测到预定水深深度的时候，潜航器动力电上电，螺旋桨及舵板开始运动，潜航器开始可考作业。本文从理论分析的方式入手，深入分析了6000m水深潜航器无动力下潜过程中的运动参数［1-2］。

2 无动力下潜过程分析

深海潜航器的最大工作水深为6000m，为了节省能源，从水面到深海作业区数千米海深的路程中不使用动力下潜方式，而采用无动力下潜运动的方式完成下潜过程。无动力下潜运动是指在水面平衡（即重力与浮力基本平衡）的状态下，在其艏部加载一个下潜压载（重物）使潜航器带有一个大纵倾角下潜。在下潜的过程中，潜航器的舵板打至下潜舵位置，并在试验过程中摸出合适的下潜舵角。如图1为潜航器下潜过程中的受力分析图。

潜航器无动力下潜过程中，艏部有一个额外的下潜压载，提供主要的下潜负浮力，此时舵板提供一个下潜的补充角度，由于水压的推进，以及对下潜过程中航行器姿态的要求，可以通过姿态传感器的监测，调动潜航器中控程序来调整舵板的角度，来调节航行器的姿态。直至航行器姿态参数达到预设值。

航行器在无动力下潜过程中会有纵向的运动。潜航体艏部装有一个弧板弧板的角度可调。由于在下潜的过程中，弧板的角度与潜航器的中线偏移一个夹角，在潜航器下潜的过程中会弧板受到一个侧推力的作用，会有纵向的速度。下潜速度和纵向速度的合速度会使得潜航器在水下呈现螺旋下潜的姿态，如图1所示，并最终达到预定水深。在预定水深附近，潜航器上动力电，螺旋桨及舵板开始运行，调整潜航体姿态为正常姿态［3-5］。

图1 螺旋下潜姿态

由潜航体螺旋下潜的弹道仿真分析图可以看出（图1），由于初速度小等原因，潜航体在螺旋下潜之处会处于一个不稳定的状态；随着下潜到一定深度，速度稳定，潜航体沿着一定的螺旋下潜半径下潜。姿态也处于稳定状态。本文以6000m水深为假设条件，对潜航体螺旋下潜的过程进行理论分析。

3 无动力下潜理论分析

深海潜航器无动力下潜的受力情况如图2所示，潜航器艏部有一个重力压载P，它是下潜的主动因素，初始平衡条件下的潜航器正浮力，无动力下潜时会有纵向速度u和垂向速度w，它们的合速度为U，经过短时间的过渡过程，潜航器进入稳态，其无动力下潜的稳态运动方程如下［6～9］。

图2 无动力下潜受力图

潜航器x方向：

其中θ为潜航器无动力下潜纵倾角，而潜航器x方向的阻力的计算因子为

kX=0.5ρ·AX·CX=0.5×1025×0.608×0.18 =56.09kg/m

同理，潜航器z方向的力平衡方程为

(P-ΔB)·cosθ+Zww-ΔBcosθ-Rz=0

其中RZ=kZ·w2为潜航器垂向阻力，而z方向的阻力的计算因子为

kZ=0.5ρ·AZ·CZ=0.5×1025×5.57×0.76=2170kg/m

力矩方程为

-P·cosθ·LP+ΔB·hsinθ+Mww-mg·hsinθ=0

其中LP=2.475m为下潜压载距离重心的纵向距离，m为潜航器水中总质量，h为稳性高，为浮心与重心之间的垂向距离。通过这三个方程就可以计算潜航器无动力下潜的姿态，如速度u、w、U，潜航器纵倾角θ、冲角α以及潜航器在大地坐标系中的垂向下潜速度：

UZ=-usinθ+wcosθ

三个方程变量的解耦比较困难，计算中采用试算法，先预先假定潜航器的纵倾角θ，然后迭代计算各变量，编程计算很快可收敛得到结果，计算程序列表如表1、2。速度导数Z′w=-0.026，速度力矩导数M′w=0.008。

潜航器正浮力 ΔB=5kg、10kg和15kg，潜航器水中总质量1200kg，无动力下潜压载的重量分别取为P=20kg、25kg和30kg，潜航器的稳性高取h=0.025m，计算结果如表2所示。

从计算中可以看出，稳性高不变下，下潜压载重量越大，潜航器纵倾角和下潜速度越大。在下潜压载重量不变情况下，潜航器正浮力越大，其垂向下潜速度变小，但差别不明显，即正浮力对无动力下潜速度的影响不明显，在下潜压载重量较大时更是如此。根据潜航器的设计情况，取下潜压载重量为P=30kg，根据计算，潜航器的垂向下潜速度为0.72m/s，纵向速度为1.3m/s左右，纵倾角为28°左右（随正浮力有轻微差别），潜航器无动力下潜的速度和姿态较平稳。

潜航器到达6000m所需时间为6000/0.72=8333s=2.3h，即2h 18min左右。

4 无动力下潜水平回转运动特性的分析

为了节省大深度条件下非工作过程（下潜和上浮）所需的能源和时间，深海潜航器采用无动力大倾角下潜和上浮方式。为了在大深度下潜过程中，潜航器无动力下潜到指定水域地点的海底，节省重新回到预定工作位置的时间和能源，潜航器采用与无动力下潜压载合一的回旋弧板（如图3）的方法，来使潜航器在无动力下潜过程中做等效垂直的螺旋线运动，使潜航器在海底的工作地点就是水面的指定布放位置［10～13］。