基于空泡壓力的水下航行體深度測量系統設計

解春雷，祝樹生，詹景坤，王小輝，仇公望（中國運載火箭技術研究院研發中心，北京，100076）

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基于空泡壓力的水下航行體深度測量系統設計

解春雷，祝樹生，詹景坤，王小輝，仇公望
（中國運載火箭技術研究院研發中心，北京，100076）

摘要：實時獲取準確的深度信息對水下航行體的機動控制至關重要，傳統的捷聯式導航解算得到的深度信息受慣性器件的累計誤差影響較大。本文開展了基于空泡壓力的水下航行體深度測量方法技術研究，建立了一套基于“空泡內靜壓+動壓+空化數”的深度測量方法，并完成了一套樣機測量系統的設計，最后通過水池模擬試驗來進行驗證，為帶空泡高速航行體走向應用提供了新的思路。

關鍵詞：水下航行體；空泡；深度測量；測量系統

0　引言

空泡是一種物理現象，是液體中空化現象的一種表現形式。根據流體動力學的伯努利定律中“流速越快，流體產生的壓力越小”這個概念，即當航行體在水下以超過100節的高速運動時，液體壓力等于水蒸氣壓力時，其周圍因水壓力的變化而使水相變為氣相，從而產生覆蓋了部分航行體或全部表面的超空泡。在空泡包裹下行駛的航行器因為沒有直接接觸水，降低了產生的勃性阻力的可能性，使得其在水中的阻力減少一個數量級，是水下航行體減阻的革命性方法。

從現階段對空泡技術的認識分析，影響空泡技術走向未來應用的關鍵在于突破帶空泡航行體機動控制等關鍵技術。深度的控制對水下航行體的機動控制至關重要，是保證空泡流型穩定和水沖壓發動機正常工作的關鍵因素。而實現深度控制的前提是獲取準確的深度信息，水下航行體的深度信息可以通過捷聯慣組對線加速度的測量后經導航解算來獲得。但是由于空間的局限，水下航行體多采用體積小、精度低的MEMS器件，在長航時或遠距離投送狀態下，經計算機計算出的深度信息受慣性器件的累計誤差影響較大。

因此帶空泡水下航行體需要采用一種準確的深度測量方法，基于壓力的深度測量方法就成為了實現深度控制的另一種可嘗試的技術途徑。本文采用工程計算方法，建立了一套基于“空泡內靜壓+動壓+空化數”的深度測量方法，完成了一套樣機測量系統的設計，最后通過水池模擬試驗來進行驗證。

1　基于空泡壓力的深度測量原理

水下航行體高速運動時產生軸對稱的空泡，空泡尾部以回射流的形式閉合在航行體上，空泡示意圖見圖1。空泡尾部封閉區域的流體保持層流狀態，因此稱之為層流封閉空泡模型，當繞空泡面運動的流體繞過空泡尾部沖擊物體表面時，在物體表面上就會產生超壓。由于物體以變速形式向水面高速運動，空泡位置在物體表面上是變化的。

圖1　水下航行體空泡示意圖

對于低速水下航行體而言，深度控制依賴以水壓測定原理的深度傳感器直接提供的深度數據。而帶空泡水下航行體的特別之處在于航行體被空泡包裹，深度信息不能直接由傳感器來獲得，只能采用間接測量的方法。

則可以得到環境壓力與水下航行體的動壓之間的關系如下：

結合上述二式，可以得到：

此外，由于水下航行體的巡航速度有設計的額定值，因此，在水下航行體推阻平衡的狀態下，可以通過空化器前端進水孔內總壓的波動估計環境壓力的變化，進而對航行深度的變化有所掌握，這也是在水下航行體研究性試驗中，對慣組解算出的深度信息進行有效性評估的一種非常有效而實用的方法。

2　系統方案設計

2.1方案概述

由于水下航行環境的特殊性，電磁波信號在水介質中會快速的衰減，傳輸距離較短，無法有效的將測試數據傳輸到地面設備。而帶空泡航行體在水下航行過程中，其表面包裹著空泡，從而在航行體與水介質間形成了空氣截面，聲納信號也無法較好的傳輸出去，同樣無法有效的將測試數據傳輸到地面設備。因此無線電遙測體制、聲納測量體制均無法適用帶空泡航行體的遙測信息傳輸。

本文采用“回收式測量系統”作為帶空泡航行體的測量方案。回收式測量系統采用固態存儲器作為測量數據的記錄方式。通過在航行體各個艙段布置傳感器及變換器進行壓力、速度等參數的測量，通過固態存儲器存儲大量的測量數據，在試驗結束后，通過打撈回收航行體及固態存儲設備，讀取回收試驗測量數據。

測量系統基本組成框圖如圖2所示。

圖2　測量系統組成框圖

從圖中可以看出，測量系統主要包含壓力傳感器、慣性測量器件、數據采集存儲器（包含數據采集模塊、存儲模塊、供電模塊）、地面測試計算機、地面控制系統、地面電源等。

2.2壓力傳感器

水下航行體的內部空間較小，且在高速航行中航行體表面覆蓋空泡，空泡內的壓力隨著航行中空泡的產生和潰滅進行高速的變化，航行體表面測量介質也在水、氣及水氣混合物間不斷變換。

因此對壓力傳感器的要求主要如下：

1）結構尺寸要微小；

2）能適應水、氣及水氣混合物等多相流界面；

3）壓力傳感器的動態范圍要求不小于1kHz。

本方案采用硅壓阻式壓力傳感器完成空泡內壓力的測量。壓力傳感器采用敏感元件背面承壓的工作模式，由硅片作為測量元件直接接觸被測介質，當硅片受壓力形變時集成在硅片內部的惠斯頓電橋產生相應的不平衡輸出，輸出的信號經信號處理電路轉換成要求的電壓信號。

圖3所示為背底承壓結構示意圖。

圖4為由惠斯頓電橋組成的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零。

圖3　背底承壓結構示意圖

圖4　惠斯頓電橋電路原理

圖5　數據采集存儲器原理示意圖

壓力傳感器的主要技術指標要求如表1所示。

表1　壓力傳感器性能指標

2.3數據采集存儲器

數據采集存儲器為測量系統信息采集和處理的核心，主要包含數據采集模塊、存儲模塊、供電模塊等部分，原理示意圖如圖5所示。

數據采集系統的輸入端對表面壓力信號進行放大調理到05V，對時序電路進行隔離跟隨處理。把輸入信號送往的模擬開關，運放分壓跟隨送到ADC，在FPGA的控制下進行采集。將輸入信號按采樣要求有序的輸入給同一個AD進行采集，并設置一定的幀格式存儲在同一片2G字節容量的Flash中，各路數據以幀格式為參考由應用軟件分別提取、繪圖。記錄器采用充電電池供電，模擬開關切換時間最快為30ns，AD采集最大為40M-MSPS。

1）數據采集模塊

數據采集模塊的功能是對航行體各壓力傳感器輸出進行信號調理及放大，對放大后的信號進行采集和編碼，并完成與地面測試計算機的通信。

壓力傳感器輸出0~100mV的弱電壓信號，經壓力變換器調理成0~5V的電壓信號，送至數據采集模塊進行數據采集。

2）存儲模塊

回收式測量系統將所有測量數據存儲于裝在航行器上的固態存儲器上，試驗結束后通過打撈回收進行數據獲取。固態存儲器采用掉電不丟失的FLASH存儲芯片，存儲容量為2G，存儲器設置為16個分區。存儲器每次啟動后，只對空的存儲區間進行數據存儲操作，以避免有效數據被覆蓋。

3）供電模塊

電池采用鋰離子電池對測量系統的設備進行供電，鋰離子電池具有可重復性充放電、操作簡單等優點。供電模塊提供MEMS慣性測量器件的+5V電壓供電，提供壓力傳感器的1.5mA恒流源供電。

3　模擬試驗及結果分析

圖6　慣性器件測試的航行體深度數據

為了驗證基于空泡壓力的水下航行體深度測量方法的有效性，本文開展了模擬測試試驗，獲取試驗模型的相關運動參數、壓力參數等數據。

通過對慣性器件數據的零位漂移誤差、耦合誤差進行補償，對高頻振動噪聲進行濾波，得到的深度方向的慣性器件測量結果，通過工程計算得到基于慣性測量器件測試的航行體深度數據，如圖6所示。

通過對壓力數據的噪聲進行濾波，得到航行中空泡內壓力測量結果，如圖7所示。

圖7　空泡內壓力測量結果

試驗數據取0.6s~0.7s內開展計算，此時航行體軸向速度約為40m/s、航行體空泡內壓力均值為=110kPa。試驗模型的空化數設計值為0.024，可以得到帶空泡航行體的環境總壓為：

此次模擬測試試驗中測試時間約1s，因此MEMS慣性測量器件的零位漂移誤差較小，慣性測量精度可以保障。由圖6中MEMS慣性測量器件解算出的航行體深度信息可以看出，在0.6s~0.7s內，航行體深度方向下降了約1.3m，而航行體起始位置深度為1.7m，因此其解算的航行體深度約為3m。

可以看出，通過基于空泡內壓力的工程計算所得航行體深度與MEMS慣組所測的航行體深度基本相同。

4　結束語

實時獲取準確的深度信息對水下航行體的機動控制至關重要，傳統的捷聯式導航解算得到的深度信息受慣性器件的累計誤差影響較大。本文從水下航行體的空泡內靜壓與動壓關系出發，通過壓力建立了一套基于“空泡內靜壓+動壓+空化數”的深度測量方法，對航行體慣性器件解算出的深度信息進行有效的補

充，研制了測量樣機系統，通過水池模擬測試試驗測量方法進行了驗證，為帶空泡高速航行體走向應用提供了新的思路。

參考文獻

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Design of underwater vehicle depth measure system based on pressure of vacuole

Xie Chunlei，Zhu Shusheng，Zhan Jingkun，Wang Xiaohui，Qiu Gongwang
（R&D Center， China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing，100076）

Abstract：Real-time measuring accurate depth data is very important to mobile control of underwater vehicle，traditional strap-down navigation solution measuring depth data is influence by accumulated error of inertial equipment.This paper take research on underwater vehicle depth measure method based on pressure of vacuole，found an depth measure method based on“static pressure in vacuole + dynamic pressure + cavitation number”，and completed a set of prototype measure system， and pass the verification by cistern simulated test，provide new ideas for apllication of vehicle with vacuole.

Keywords：Underwater vehicle；Vacuole；Depth measure；Measure system

作者簡介

解春雷（1984-），男，漢族，安徽人，碩士，哈爾濱工業大學畢業，工程師，主要研究方向為：飛行器電氣系統總體設計。