【论文推荐】大深度水下滑翔机总体设计

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摘 要 水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider，AUG）是一种浮力驱动的自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），通过调整滑动质量块来改变重心与浮心的相对位置，从而控制自身的运动姿态。完成了水下滑翔机的外形设计，同时，对其各系统组成部分进行了初步设计与布局。利用MATLAB软件基于计算得到的流体动力参数对滑翔机进行运动特性分析，得出定常运动状态下攻角、俯仰角和水平速度等参量随重心水平位移和净浮质量之间的关系。最后使用Simulink软件对垂直面内滑翔机的运动模型进行弹道仿真，验证了水下滑翔机总体设计方法的有效性和可行性。

关键词  水下滑翔机；总体设计；弹道仿真；MATLAB/Simulink

引 言

海洋开发和利用势必需要先进的海洋设备，水下航行器作为一种延伸人类对水下操作和感知能力的海洋开发和探测工具，获得了广泛关注^[1]。水下航行器按是否搭载人员可分为载人水下航行器_（Manned Underwater Vehicle，MUV）和无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）^[2]。按照操作方式的不同，UUV又可分为遥控水下航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）、自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）和水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider，AUG）^[3]。其中，MUV需要人工操作，不适合长时间、大深度航行。而ROV在使用过程中需要母船支援，虽然便于控制，但受缆绳限制，活动范围有限。由于摆脱了线缆束缚，AUV和AUG活动范围增大，并且可以在水下灵活使用^[4]。AUV在使用过程中具有良好的机动性能，可以按照既定线路航行或定点作业，但是需要消耗大量能源，要求定时补充能源，因此无法保证大深度、远航程和长时间连续工作^[5]。AUG则依靠自身浮力驱动，耗能极低，能够更好地进行海洋开发和利用。AUG不仅具有很好的机动性、可控性和隐蔽性，而且拥有制造成本低、功耗低、噪声低、航程远以及工作深度大等优势，符合长时间、大范围海洋探索需求^[6-7]。

为了满足海洋军事需要和民用需求，本文介绍了一种水下滑翔机总体设计方法。在水下滑翔机外形设计的基础上，对主要组成系统进行布局，对壳体进行结构设计。完成滑翔机动力参数计算，对水下滑翔机进行动力学建模、运动特性分析及航行弹道仿真研究。

图1  AUG外形图

1  总体设计与布局

采用三维制图软件Unigraphics NX（UG）对水下滑翔机进行外形设计，如图1所示。外形由主体、滑翔翼和稳定尾翼构成，总长1 800 mm，其中头尾部采用相同线型，均为半椭球体，中部为平行圆柱体，主体外形设计参数见表1。滑翔翼采用NACA0012翼型，设计参数见表2。稳定尾翼采用平面薄板。

表1  主体外形设计参数

表2  滑翔翼设计参数

水下滑翔机主要由6大系统组成：外部耐压壳体、滑翔翼和尾翼、姿态调节系统、变浮力驱动系统、通信控制系统和抛载系统。其中，变浮力调节机构采用外部油囊式浮力调节机构，姿态调节机构选用滚珠丝杆电池块传动机构。各个系统的布局如图2所示。

图2  AUG总体布局图

2  受力分析与运动建模

2.1  坐标系的定义

图3  3种坐标系示意图

图4  重心速度矢量示意图

2.2  水下滑翔机数学模型

式中：m、m₀分别为航行器质量和净浮质量；x_G、y_G分别为航行器的重心水平位移和垂直位移；v_x、v_y、w_z分别表示航行器在地面坐标系沿x₀、y₀轴的水平速度、垂直速度和绕O₀z₀轴转动的角速度；D、L、M分别为水下滑翔机阻力、升力和俯仰力矩。

3  定常运动特性分析

定常滑翔是水下滑翔机的主要运动形式^[9]，研究其运动特性具有重要意义。当水下滑翔机作定常滑翔运动时，其运动参数满足如下条件：

分析图7可知，随着弹道倾角ξ的变化，攻角α的变化是在一定范围内，不同水下滑翔机由于设计参数不同，有效攻角范围也不同。为了防止弹道倾角出现急剧变化，有效攻角需设定在安全范围之内，即± 7°之间。水下滑翔机运动特性研究应该有针对性地在有效攻角范围内进行，从而避免大量仿真计算和试验，提高工作效率。

表3  流体动力参数计算结果

图5  V_x0和ξ、m₀关系

图6  V_x0和m₀关系图

图7  α与ξ关系图

图8  α与x_G、m₀关系图

图9  θ与x_G、m₀关系图

图10  V与x_G、m₀关系图

4  Simulink弹道仿真

图11  仿真模型流程图

表4  控制条件

表5  仿真结果

使用MATLAB对仿真所得数据进行分析，结果如图12–17所示。分析上述结果能够发现，在净浮质量为± 2 kg，重心水平位移为± 0.01 m条件下，水下滑翔机水平速度可以达到1 m/s以上，满足任务要求。另外，本文设计的水下滑翔机从下潜到上浮的过程转换大约需要40 s左右，一个完整的下潜上浮周期大约需要3 180 s，调整时间时间占总时间1.25%。稳定状态下弹道倾角为 ± 29.6°。

图12  水下滑翔机弹道图

图13  水下滑翔机攻角变化图

图14  水下滑翔机俯仰角变化图

图15  水下滑翔机弹道倾角变化图

图16  弹道倾角突变处放大图

图17  水下滑翔机水平速度变化图

结束语

本文对水下滑翔机外形进行了设计，完成了滑翔机主要组成系统的布局，对壳体进行了结构设计。另外，利用经验公式完成水下滑翔机流体动力参数计算，同时采用动量定理和动量矩定理对水下滑翔机进行动力学建模。在此基础上，完成对水下滑翔机定常运动特性分析，并将分析结果应用到垂直面内的弹道仿真研究中，仿真结果验证了水下滑翔机总体设计方法的有效性和可行性。

参考文献（略）

原文刊登于《数字海洋与水下攻防》2020年第3期

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