水下航行器的懸停與回旋特性研究*

劉 曜 ，沈建鋒

(1 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第713研究所， 鄭州 450015； 2 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450015；3 中國(guó)人民解放軍海軍裝備部， 北京 100000)

0 引言

水下航行器可應(yīng)用于海洋探測(cè)、海底管路維修、海洋打撈等工作，有效地解決了人們深海作業(yè)的難題。海洋探測(cè)、打撈等作業(yè)活動(dòng)，需要水下航行器具備穩(wěn)定的懸停能力和回旋特性，因而文中針對(duì)水下航行器的懸停和回旋特性進(jìn)行了仿真研究。

1 水下航行器六自由度操縱性方程

1.1 坐標(biāo)系定義

航行器坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)位于航行器浮心，ox軸與縱軸重合指向航行器頭部，oy軸居于縱對(duì)稱面，指向上方。地面系：坐標(biāo)原點(diǎn)在航行器初始運(yùn)動(dòng)時(shí)浮心對(duì)應(yīng)水面位置，ox0軸指向初始運(yùn)動(dòng)方向，oy0軸鉛垂向上。速度系：坐標(biāo)原點(diǎn)位于浮心，oxv軸始終與速度矢量方向重合，oyv軸在航行器縱對(duì)稱面，指向上方。

以上3種坐標(biāo)系均為右手直角坐標(biāo)系，z軸由右手法則確定。

1.2 動(dòng)力學(xué)方程

動(dòng)力學(xué)方程組在航行器系中建立，航行器系的原點(diǎn)位于水下航行器浮心。設(shè)航行器運(yùn)動(dòng)的角速度ω及浮心處的速度ν在彈體系中的3個(gè)分量分別為ωx、ωy、ωz、νx、νy、νz；航行器的質(zhì)量為m；質(zhì)心在彈體系中的坐標(biāo)為(xc、yc、zc)，根據(jù)動(dòng)量和動(dòng)量矩定理[1-2]：

(1)

式中:Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz分別為作用在航行器上的外力F和力矩M在航行器系中的3個(gè)分量，包括理想流體慣性力、流體粘性位置力、流體粘性阻尼力、浮力、重力、軸推螺旋槳推力、垂推旋槳推力、側(cè)推旋槳推力和舵力(矩)。圖1給出了水下航行器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 水下航行器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式

水下航行器轉(zhuǎn)動(dòng)是由3個(gè)姿態(tài)角(俯仰角θ、偏航角ψ、橫滾角φ)描述，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(在航行器系分量為ωx、ωy、ωz)與3個(gè)姿態(tài)角變化率的關(guān)系式即為航行器轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式:

(2)

水下航行器浮心運(yùn)動(dòng)關(guān)系式、攻角和側(cè)滑角關(guān)系式與方程(1)和(2)組成封閉可解方程。具體內(nèi)容參見文獻(xiàn)[3]。

2 水下航行器懸停

2.1 懸停狀態(tài)仿真

針對(duì)水下航行器零浮力(浮力重力差為零)、零航速、零重心側(cè)移量情況下的懸停狀態(tài)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間100 s[4]，懸停狀態(tài)仿真結(jié)果見圖2、圖3。

2.2 重心側(cè)移量對(duì)懸停狀態(tài)的影響

針對(duì)水下航行器零浮力、零航速、0.1 cm重心側(cè)移量情況下的懸停狀態(tài)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間100 s，重心側(cè)移量對(duì)懸停狀態(tài)的影響仿真結(jié)果見圖4、圖5。

圖2 懸停狀態(tài)的空間運(yùn)動(dòng)曲線

圖3 懸停狀態(tài)的姿態(tài)角曲線

2.3 懸停狀態(tài)仿真結(jié)果分析

根據(jù)水下航行器懸停狀態(tài)仿真結(jié)果可得：

a)在零浮力、零航速、零重心側(cè)移量的狀態(tài)下，航行器在水中具有保持固定水深和穩(wěn)定的姿態(tài)的能力。在100 s的仿真時(shí)間內(nèi)，航行器在軸向位移小于1 m，深度方向位移也小于1 m，側(cè)向基本不存在位移；航行器的俯仰角θ、偏航角ψ基本在0°不變，橫滾角φ在±0.3°間擺動(dòng)。因而，只需要控制軸推螺旋槳、垂推螺旋槳間歇工作，就可實(shí)現(xiàn)水下航行器的定點(diǎn)懸停。

圖4 懸停狀態(tài)的空間運(yùn)動(dòng)曲線(0.1 cm重心側(cè)移量 )

圖5 懸停狀態(tài)的姿態(tài)角曲線(0.1 cm重心側(cè)移量)

b) 在零浮力、零航速、0.1 cm重心側(cè)移量的狀態(tài)下,航行器在水中同樣具有保持固定水深的能力。在100 s的仿真時(shí)間內(nèi)，在軸向位移、深度方向位移也小于0.25 m，但由于重心側(cè)移量的影響，側(cè)向位移增大到4 m；同樣由于側(cè)偏影響，航行器的俯仰角θ在-2°～6°間變化，偏航角ψ的變化范圍增大到-18°～32°，橫滾角在±12°間擺動(dòng)且逐漸衰減。由此可見重心側(cè)移量對(duì)航行器懸停的偏距和偏航角有一定的影響，但航行器狀態(tài)是穩(wěn)定、可控的。只要控制螺旋槳、舵聯(lián)合間歇操控即可完成水下航行器的定點(diǎn)懸停。

3 水下航行器回旋特性

3.1 水平回旋狀態(tài)仿真

水平回旋狀態(tài)是水下航行器重要的一種運(yùn)動(dòng)模式，回旋半徑、時(shí)間和回旋一周深度變化是航行器重要的特性參數(shù)[5-6]。針對(duì)5 N負(fù)浮力、航速3 kn、水平舵-1°、垂直舵25°的水平回旋狀態(tài)進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)間200 s，水下航行器保持水平回旋狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 水平回旋狀態(tài)的空間運(yùn)動(dòng)曲線(5 N負(fù)浮力)

針對(duì)3 N正浮力、航速3 km、水平舵-1°、垂直舵25°的回旋狀態(tài)進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)間200 s，水下航行器保持回旋下沉狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖7。

圖7 回旋狀態(tài)的空間運(yùn)動(dòng)曲線(3 N正浮力)

針對(duì)5 N負(fù)浮力、航速3 kn、水平舵-6°、垂直舵25°的回旋狀態(tài)進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)間200 s，水下航行器保持回旋上浮狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 回旋狀態(tài)的空間運(yùn)動(dòng)曲線(水平舵-6°)

3.2 回旋狀態(tài)仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析得：

a)航行器在200 s的時(shí)間內(nèi)完成了6圈水平回旋，回轉(zhuǎn)半徑不大于7 m。回旋過程中航行器姿態(tài)穩(wěn)定，俯仰角θ在±1°間變化、橫滾角φ在-3°～3°間變化、偏航角持續(xù)線性增加。

b)浮力大小影響到航行器每回旋一周的深度變化。對(duì)于5 N的負(fù)浮力，每回旋一周航行器下降0.1 m的深度；對(duì)于3 N的正浮力，每回旋一周航行器下降8 m的深度，俯仰角保持-10°左右，橫滾角在10°之內(nèi)。可以通過垂推螺旋槳的控制來(lái)調(diào)節(jié)航行器每回旋一周的下降深度。

c)通過水平舵與垂直舵的聯(lián)合操控可使水下航行器完成回旋上浮運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水平舵角為-6°時(shí)，水下航行器每回旋一周上浮4 m，俯仰角保持5°左右，橫滾角在10°之內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中運(yùn)用Matlab/Simulink模塊對(duì)水下航行器的懸停與空間回旋狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)影響懸停和回旋特性的主要因素進(jìn)行了分析，得到了水下航行器懸停和回旋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可以直接在水下航行器的設(shè)計(jì)和操控中應(yīng)用。