水下無人潛航器無動(dòng)力下潛彈道分析*

（中船重工第七一〇研究所 宜昌 443000）

1 引言

隨著海洋環(huán)境的變化，以及對海洋各項(xiàng)科考事業(yè)的開展。水下潛航器，尤其是無人潛航器的發(fā)展越來越迅猛。其中在深海考察作業(yè)中，由于大水深對于潛航器的總體要求高，在下潛過程中多采用無動(dòng)力下潛的方式來使得潛航器到達(dá)預(yù)定的海深，當(dāng)深度傳感器檢測到預(yù)定水深深度的時(shí)候，潛航器動(dòng)力電上電，螺旋槳及舵板開始運(yùn)動(dòng)，潛航器開始可考作業(yè)。本文從理論分析的方式入手，深入分析了6000m水深潛航器無動(dòng)力下潛過程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)［1-2］。

2 無動(dòng)力下潛過程分析

深海潛航器的最大工作水深為6000m，為了節(jié)省能源，從水面到深海作業(yè)區(qū)數(shù)千米海深的路程中不使用動(dòng)力下潛方式，而采用無動(dòng)力下潛運(yùn)動(dòng)的方式完成下潛過程。無動(dòng)力下潛運(yùn)動(dòng)是指在水面平衡（即重力與浮力基本平衡）的狀態(tài)下，在其艏部加載一個(gè)下潛壓載（重物）使?jié)摵狡鲙в幸粋€(gè)大縱傾角下潛。在下潛的過程中，潛航器的舵板打至下潛舵位置，并在試驗(yàn)過程中摸出合適的下潛舵角。如圖1為潛航器下潛過程中的受力分析圖。

潛航器無動(dòng)力下潛過程中，艏部有一個(gè)額外的下潛壓載，提供主要的下潛負(fù)浮力，此時(shí)舵板提供一個(gè)下潛的補(bǔ)充角度，由于水壓的推進(jìn)，以及對下潛過程中航行器姿態(tài)的要求，可以通過姿態(tài)傳感器的監(jiān)測，調(diào)動(dòng)潛航器中控程序來調(diào)整舵板的角度，來調(diào)節(jié)航行器的姿態(tài)。直至航行器姿態(tài)參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值。

航行器在無動(dòng)力下潛過程中會(huì)有縱向的運(yùn)動(dòng)。潛航體艏部裝有一個(gè)弧板弧板的角度可調(diào)。由于在下潛的過程中，弧板的角度與潛航器的中線偏移一個(gè)夾角，在潛航器下潛的過程中會(huì)弧板受到一個(gè)側(cè)推力的作用，會(huì)有縱向的速度。下潛速度和縱向速度的合速度會(huì)使得潛航器在水下呈現(xiàn)螺旋下潛的姿態(tài)，如圖1所示，并最終達(dá)到預(yù)定水深。在預(yù)定水深附近，潛航器上動(dòng)力電，螺旋槳及舵板開始運(yùn)行，調(diào)整潛航體姿態(tài)為正常姿態(tài)［3-5］。

圖1 螺旋下潛姿態(tài)

由潛航體螺旋下潛的彈道仿真分析圖可以看出（圖1），由于初速度小等原因，潛航體在螺旋下潛之處會(huì)處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著下潛到一定深度，速度穩(wěn)定，潛航體沿著一定的螺旋下潛半徑下潛。姿態(tài)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。本文以6000m水深為假設(shè)條件，對潛航體螺旋下潛的過程進(jìn)行理論分析。

3 無動(dòng)力下潛理論分析

深海潛航器無動(dòng)力下潛的受力情況如圖2所示，潛航器艏部有一個(gè)重力壓載P，它是下潛的主動(dòng)因素，初始平衡條件下的潛航器正浮力，無動(dòng)力下潛時(shí)會(huì)有縱向速度u和垂向速度w，它們的合速度為U，經(jīng)過短時(shí)間的過渡過程，潛航器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其無動(dòng)力下潛的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程如下［6～9］。

圖2 無動(dòng)力下潛受力圖

潛航器x方向：

其中θ為潛航器無動(dòng)力下潛縱傾角，而潛航器x方向的阻力的計(jì)算因子為

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

同理，潛航器z方向的力平衡方程為

(P-ΔB)·cosθ+Zww-ΔBcosθ-Rz=0

其中RZ=kZ·w2為潛航器垂向阻力，而z方向的阻力的計(jì)算因子為

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

力矩方程為

-P·cosθ·LP+ΔB·hsinθ+Mww-mg·hsinθ=0

其中LP=2.475m為下潛壓載距離重心的縱向距離，m為潛航器水中總質(zhì)量，h為穩(wěn)性高，為浮心與重心之間的垂向距離。通過這三個(gè)方程就可以計(jì)算潛航器無動(dòng)力下潛的姿態(tài)，如速度u、w、U，潛航器縱傾角θ、沖角α以及潛航器在大地坐標(biāo)系中的垂向下潛速度：

UZ=-usinθ+wcosθ

三個(gè)方程變量的解耦比較困難，計(jì)算中采用試算法，先預(yù)先假定潛航器的縱傾角θ，然后迭代計(jì)算各變量，編程計(jì)算很快可收斂得到結(jié)果，計(jì)算程序列表如表1、2。速度導(dǎo)數(shù)Z′w=-0.026，速度力矩導(dǎo)數(shù)M′w=0.008。

潛航器正浮力 ΔB=5kg、10kg和15kg，潛航器水中總質(zhì)量1200kg，無動(dòng)力下潛壓載的重量分別取為P=20kg、25kg和30kg，潛航器的穩(wěn)性高取h=0.025m，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算中可以看出，穩(wěn)性高不變下，下潛壓載重量越大，潛航器縱傾角和下潛速度越大。在下潛壓載重量不變情況下，潛航器正浮力越大，其垂向下潛速度變小，但差別不明顯，即正浮力對無動(dòng)力下潛速度的影響不明顯，在下潛壓載重量較大時(shí)更是如此。根據(jù)潛航器的設(shè)計(jì)情況，取下潛壓載重量為P=30kg，根據(jù)計(jì)算，潛航器的垂向下潛速度為0.72m/s，縱向速度為1.3m/s左右，縱傾角為28°左右（隨正浮力有輕微差別），潛航器無動(dòng)力下潛的速度和姿態(tài)較平穩(wěn)。

潛航器到達(dá)6000m所需時(shí)間為6000/0.72=8333s=2.3h，即2h 18min左右。

4 無動(dòng)力下潛水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性的分析

為了節(jié)省大深度條件下非工作過程（下潛和上浮）所需的能源和時(shí)間，深海潛航器采用無動(dòng)力大傾角下潛和上浮方式。為了在大深度下潛過程中，潛航器無動(dòng)力下潛到指定水域地點(diǎn)的海底，節(jié)省重新回到預(yù)定工作位置的時(shí)間和能源，潛航器采用與無動(dòng)力下潛壓載合一的回旋弧板（如圖3）的方法，來使?jié)摵狡髟跓o動(dòng)力下潛過程中做等效垂直的螺旋線運(yùn)動(dòng)，使?jié)摵狡髟诤５椎墓ぷ鞯攸c(diǎn)就是水面的指定布放位置［10～13］。

表1 潛航器無動(dòng)力下潛計(jì)算表

表2 潛航器無動(dòng)力下潛計(jì)算結(jié)果

圖3 弧板尺寸

如圖4所示，在下潛壓載上連接一個(gè)弧板，該弧板伸出到潛航器外，當(dāng)潛航器無動(dòng)力下潛時(shí)，潛航器縱向速度與弧板之間的攻角為15°，該攻角將會(huì)在弧板上產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向升力，該側(cè)向力將會(huì)使?jié)摵狡髯鰺o動(dòng)力回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合無動(dòng)力下潛運(yùn)動(dòng)，潛航器就會(huì)產(chǎn)生垂向的螺旋線運(yùn)動(dòng)。

潛航器無動(dòng)力定常回轉(zhuǎn)（左回旋）的線性運(yùn)動(dòng)方程如下：

Yv·v+Yr·r+YP=mUrNv·v+Nr·r+LP·YP=0

整理可得：

Yv·v+(Yr-mU)·r=-YPNv·v+Nr·r=-LP·YP

表3 水平面運(yùn)動(dòng)方程相關(guān)參數(shù)

將表3中相關(guān)參數(shù)帶入計(jì)算，線性條件下潛航器的無因次回轉(zhuǎn)角速度為

D=62×L=17.7×7=124m

5 結(jié)語

1）潛航體在螺旋下潛過程之處，處于一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。由于初速度低，側(cè)推力小的緣故，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)呈現(xiàn)雜亂現(xiàn)象；當(dāng)下潛到一定深度時(shí)候，下潛速度穩(wěn)定，側(cè)推力所引起的螺旋運(yùn)動(dòng)規(guī)律也會(huì)穩(wěn)定，使得潛航體下潛軌跡穩(wěn)定。

2）潛航體穩(wěn)性高不變情況下，下潛壓載重量越大，潛航器縱傾角和下潛速度越大。在下潛壓載重量不變情況下，潛航器正浮力越大，其垂向下潛速度變小，但差別也不明顯，即正浮力對無動(dòng)力下潛速度影響不明顯，在下潛壓載重量較大時(shí)候更是如此。

3）側(cè)推力決定了螺旋下潛的速度以及回轉(zhuǎn)半徑，側(cè)推力與弧板的表面積近似為正比例關(guān)系，但同時(shí)也由弧板與潛航體中軸線的偏轉(zhuǎn)夾腳有關(guān)系。同時(shí)側(cè)推力大小也影響了下潛速度，并導(dǎo)致下潛至預(yù)定深度的時(shí)間。通過上面的理論公式分析，可以對不同總體配置進(jìn)行計(jì)算，并選出最優(yōu)化的方案。