關于水下航行器矢量泵噴推進器的研究進展

摘要：對矢量泵噴推進器的國內外研究進展進行綜述，展望矢量泵噴推進器的水動力學研究方向，建議以矢量泵噴推進器的操縱性和聲隱性的水動力學研究、航行器整體運動響應作為未來研究方向，對我國艦船動力系統技術和裝備發展具有重要意義。

關鍵詞：矢量泵噴推進器;水下航行器;水動力特性

中圖分類號：TV139.2+6

文獻標識碼：A

1 前言

隨著海洋資源開發和空間利用的需求不斷增加，各國對海洋資源和空間的爭端加劇。水下航行器相關技術研究和裝備的自主研發，已成為海洋丁程領域的重要課題，其推進效能、操縱性能和聲隱性能的提高，也成為海洋丁程水動力學研究的重要課題。傳統的螺旋槳和鰭舵的推進方式，存在推進和轉向效率低、噪聲大等缺點，為了提高水下航行器的操縱性和安全性，人們提出了具有更好推進性能和聲隱性能的推進技術。

近些年來，國內外學者提出了矢量泵噴推進器。泵噴推進是一種組合推進器，配重和設計難度較大，目前僅被國外少數幾種軍事水下航行器所采用;而水下航行的矢量泵噴推進器，則僅處于初步研究階段，一些關鍵性問題仍未解決，如其推進性能、轉向性能以及噪聲性能等相關研究，尚有待于深入系統地開展和優化。

本文系統地闡述了國內外水下航行器矢量泵噴推進器水動力學研究取得的成果，分析了仍未解決的關鍵問題。從矢量泵噴推進器的操縱性和聲隱性、航行器高效整體運動響應角度尋求研究方向，對矢量泵噴推進器的水動力學研究提出合理化建議，旨在為矢量泵噴推進器的發展提供研究思路，對艦船動力系統技術和裝備發展將具有重要意義。

2 矢量泵噴推進器現狀

矢量泵噴技術包括多種矢量形式，如：多個泵噴裝置的聯合，通過開啟關閉或調整不等轉速產生轉向力矩;導管和葉片整體偏轉，提供轉向力矩;導管后部加裝可變角度的矢量尾噴管，通過調節片角度使尾噴口方向變換，進而提供轉向力矩（如圖1）等。由于矢量泵噴推進器在水下航行器推進系統的操縱性上，相比泵噴推進器有明顯提高，尤其體現在轉向性能和推進性能，并有望取代傳統的方向控制構件—舵。

眾多學者們對通過多泵噴聯合作業提供矢量操縱的結構形式，開展了設計和計算研究：鄭坤山[1]設計了一種帶有尾部和翼部泵噴推進器的水下航行器，并簡述了其控制策略;高仕航[2]等基于WPF平臺建立了矢量控制模型，對帶有雙泵噴推進裝置的船舶推進開展仿真計算，為水下航行器的矢量泵噴控制提供借鑒;Ba等[3]基于六自由度運動方程，對液壓桿定向控制下導管轉向矢量角度與動力關系開展了非線性解析研究，證實此設計形式下當矢量角在指定范圍內變化時，橫搖和縱搖控制的推力分量可以達到較高水平。

但是，關于導管整體偏轉的水動力學研究文獻較少，在航空航天領域，學者們在導管尾緣加裝可調整方向的尾噴管，并進行了空氣動力學研究;于芳芳等[4]基于有限體積法，利用數值計算手段對軸對稱噴管性能開展了研究，發現矢量角隨著噴管轉角增大而增大，各性能系數于噴管轉角多呈現線性關系;王向陽等[5]采用物理模型試驗方法.對大角度偏轉的三軸承推力矢量噴管（ 3BSD）開展了動力學和協調控制研究，發現噴管偏轉角、偏轉方向與轉動幅角之間存在耦合與非線性關系，但該關系尚有待于定量地明確。

在船舶和水下航行器矢量泵噴技術研究方面，針對帶有尾噴管的矢量泵噴推進，學者們也做了初步水動力學研究：王楠[6]在導管后增加與導管不同管徑的尾噴管，并對泵噴裝置水動力特性開展了數值模擬研究，發現副導管管徑、軸向位置、攻角對泵噴裝置性能均有影響，并總結了參數化影響規律;張凱等[7]設計了簡化的矢量泵噴推進器，采用STAR-CCM模型對尾噴管水動力性能進行計算，發現調整尾噴管方向能產生一定的橫向操縱力，尾噴管收縮也能產生較大軸向推力，但較大的葉輪扭矩可能會影響推進器總體性能。

目前，對于水下航行器的矢量泵噴推進器的水動力特性研究仍然較少，上述相關研究仍處于初步階段，因此有必要對于水下航行器的矢量泵噴推進器的推進性能、轉向性能以及噪聲性能開展全面深入的研究。本文結合前人研究的成果以及局限性，闡述矢量泵噴推進技術研究的關鍵問題，并展望矢量泵噴推進器水動力學的研究方向。

3 矢量泵噴推進器的幾個關鍵問題

3.1 提高推進效率

矢量泵噴推進器通過調整尾噴管的噴射方向產生橫向操縱力，具備舵的等效操縱效果，消除尾舵對推進器進流的不利影響，從而提高水下航行器效能和動力源利用效率。然而，目前對矢量泵噴推進器推進效率的研究仍處于初步階段，影響因素的參數化特征仍有待于系統地完善。

3.2 降低輻射噪音

與矢量泵噴推進器相比較，傳統螺旋槳推進器易在槳葉背面低壓區形成大量空泡，影響推進效率并產生噪聲;而且由于舵面的存在，會加大葉輪周向流場的紊流程度，引起水下航行體結構產生振動和噪聲。目前對矢量泵噴推進器聲隱性的研究尚未深入的開展。

3.3 航行器整體運動效應

泵噴推進器具有特殊的結構形式，可滿足苛刻的工作環境，適用復雜工況運行，如急速轉彎、淺水區運行。航速和來流的變化對航行器運動狀態的影響，需要通過泵噴推進器工作狀態變化來調整，需保持相對平穩，對推進器本身的形態控制提出了更高的要求。

4 矢量泵噴推進器展望

4.1 操縱性水動力學研究

針對矢量泵噴推進器的操縱性，研究葉片、導管、尾緣、尾噴管的結構形式和參數對推進器推進效率的影響，以及尾噴管調節片角度對推進器轉向效率的影響，具體研究內容包括：

（1）將前置導葉以及后置導葉這兩種類型的泵噴推進器，分別考量葉輪、導葉和導管之間的干涉作用，針對其水動力性能開展研究，分析葉片和導管結構參數（導管的內外拱形式）對水動力特性的影響因素，總結對推進器推進效率的影響規律，從而對泵噴葉片結構進行優化;

（2）對平直尾緣和鋸齒尾緣（如圖2所示）條件下的尾噴管結構水動力性能開展研究，對比分析尾緣形式對推進效率的影響，并進一步探究不同齒長和齒寬條件下鋸齒尾緣的水動力特性，探究鋸齒尾緣重要參數對推進效率的影響，從而優化矢量泵噴推進器尾噴管尾緣形式;

（3）在不同尾噴管長度、不同尾噴口大小（如圖3所示）和多種葉輪轉速下，獲取葉輪軸向力與扭矩關系特征，計算和分析矢量泵噴推進器的水動力性能，探明尾噴口大小和葉輪轉速對推進器推進效率的影響，從而優化參數配置;

（4）通過改變調節片角度（如圖4所示），調整尾噴口方向，控制出流方向，并計算矢量泵噴推進器的水動力特性，掌握尾噴口方向變化與推進器的橫向操縱力和側向扭矩的關系規律，從而探明矢量泵噴推進器的轉向效率;

（5）計算不同來流方向和流速情況下矢量泵噴推進器的水動力特性，研究不同水下環境條件對矢量泵噴推進器推進效率和轉向效率的影響。

結合上述研究內容，開展對矢量泵噴推進器水動力學性的理論研究、物理模型試驗研究和數值計算研究，獲得矢量泵噴推進器的操縱性特征，進而提出提升操縱性的結構優化方案和控制方法。

4.2 聲隱性水動力學研究

針對矢量泵噴推進器的聲隱性，研究葉片、尾緣、尾噴管的結構形式和參數對渦流噪聲和推進器振動噪聲的影響特征，并提出提升聲隱性的結構優化方案，具體研究內容包括：

（1）將前置導葉、后置葉輪，以及前置葉輪、后置導葉這兩種類型的泵噴推進器分別考量，研究葉輪葉片、導葉葉片和導管之間的渦流特性，探究葉片和導管結構參數對渦流噪聲和推進器振動噪聲的影響規律，從而優化泵噴葉片結構;

（2）采用根據仿生學原理所提出的鋸齒尾緣尾噴管，研究鋸齒齒長和齒寬對降噪效果的影響，揭示鋸齒尾緣減小渦流噪聲和推進器振動噪聲的物理學機理，從而優化尾緣結構;

（3）考慮不同尾噴管長度、不同尾噴口大小，在多種葉輪葉輪轉速條件下，計算矢量泵噴推進器的渦流噪聲和結構振動噪聲，探明上述因素對噪聲性能的影響規律，從而優化參數配置;

（4）針對葉片、導管、尾噴管結構，研究不同剛度條件下的渦流強度和結構振動強度，分析結構剛度對矢量泵噴推進器噪聲的影響規律。

結合上述研究內容，開展對矢量泵噴推進器水動力學性的理論研究、物理模型試驗研究和數值計算研究，獲得矢量泵噴推進器的聲隱性特征，進而提出提升聲隱性的結構優化方案和控制方法。

另外，考慮結構特征參數對推進效率、操縱性能和聲隱性能的綜合影響，提出矢量泵噴推進器的結構優化方案，為矢量泵噴推進器的裝備設計和技術發展提供參考依據。

5 結論

水下航行器是海洋資源開發、環境監控以及海洋國防的重要裝備，其動力系統和裝備發展對我國艦船發展有著重要意義。本文對水下航行器的重要動力裝置——矢量泵噴推進器的水動力學研究現狀進行了介紹;提出了矢量泵噴推進器所需研究的水動力學問題，即提高操縱性能、降低輻射噪音、航行器整體運動響應問題;最后針對推進器結構形式和參數、尾噴口調節模式、水下環境條件對推進器水動力特性的影響規律，從操縱性、聲隱性和整體高效運動響應角度，分別展望了矢量泵噴推進器的水動力學研究方向。

海洋資源開發和空間利用，已成為我國現階段發展的重要工作，對矢量泵噴推進器的水動力學研究則是對該工作起支撐作用的重要課題，本文可為艦船動力系統的研究和發展提供參考。

參考文獻

[1]鄭坤山.基于噴水矢量推進的水下機器人設汁與研究[D].長沙國防科技大學，2013.

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