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《数字海洋与水下攻防》刊载范围主要包括：智慧海洋、海洋环境、海洋信息、海洋大数据、水下攻防体系、水下警戒探测、水下信息网络与指挥控制、水下智能对抗、水中兵器及无人装备等。系《中国学术期刊综合评价数据库》统计来源期刊、《万方数据——数字化期刊群》收录期刊、《中国核心期刊（遴选）数据库》收录期刊，被《中国期刊全文数据库（CJFD）》、超星期刊域出版平台全文收录。   摘 要 泵喷推进水下滑翔机是在传统浮力驱动型水下滑翔机基础上配置泵喷推进器发展而来的一种混合驱动型水下滑翔机。为了提高其机动性，泵喷推进水下滑翔机采用尾舵式结构设计方案。采用数值仿真方法，针对尾舵翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等相关参数开展研究，完成了尾舵水动力结构设计。利用动力学仿真方法，对比分析了泵喷推进水下滑翔机与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能，仿真结果表明：尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。 关键词 水下滑翔机；尾舵；转向性能
引 言 浮力驱动型水下滑翔机是通过主动调节自身浮力和姿态，来实现锯齿形轨迹的上浮下潜运动[1]。由于没有配置额外推进装置如螺旋桨等，其典型航速仅为0.5 kn左右。浮力驱动型水下滑翔机优势和劣势均比较明显，优势在于续航能力强，使用成本低，自主可控，高隐蔽性；劣势在于机动性差，航迹定位精度差，在强洋流海域观测效能低[2]。 水下滑翔机转向调节形式主要包括横滚式和尾舵式[3]。横滚式转向调节原理：通过调节水下滑翔机耐压舱体内部偏心质量块的旋转，使机身产生横滚角Φ，此时作用在附体机翼上的升力会产生水平分量，通过改变横滚姿态间接获取偏航力矩，最终实现水下滑翔机的偏航运动。在该调节过程中，水下滑翔机质心位置会发生变化，横滚和俯仰姿态具有一定的耦合作用，增加了姿态控制的难度；在具备一定横滚姿态时，平台还需要深度方向上的运动才会累积出偏航运动效果，因此不能在水平面实现转向[4]。典型横滚式水下滑翔机如Seaglider，其机动半径通常为20~30 m[5]。尾舵式转向调节原理：驱动尾舵偏转，来流作用在尾舵上的水动力合力会相对机身浮心产生一个偏航力矩M，使得滑翔机产生偏航运动[6]。在该调节过程中，机身质心位置保持固定，依靠尾舵产生的偏航力矩直接实现转向；当泵喷推进器开启时，平台依靠尾舵可实现水平面的转向。典型尾舵式水下滑翔机如Slocum，其机动半径通常为7~10 m[5]。 面向长航程观测及定深推进观测任务需求，华中科技大学自主研制了泵喷推进水下滑翔机。与浮力驱动型水下滑翔机相比，其在艉部配置泵喷推进器，以提高平台的环境适应性。泵喷推进器工作时，平台最高速度可达2.5 kn。如图1所示，泵喷推进水下滑翔机传感器系统主要由CTD、深度计、磁罗盘、高度计等组成，功能模块主要由电池包、俯仰调节模块、浮力调节模块、通信天线、垂直尾舵、泵喷推进器等组成。泵喷推进水下滑翔机海试现场如图2所示。
图1 泵喷推进水下滑翔机三维模型图
本文以泵喷推进水下滑翔机作为研究对象，采用Fluent数值仿真方法针对尾舵翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等相关参数开展研究，完成了尾舵水动力结构设计。利用动力学仿真方法，对比分析了泵喷推进水下滑翔机与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能，仿真结果表明，尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。  1 尾舵仿真模型说明及数值仿真方法验证 1.1 尾舵水动力参数说明 1.2 尾舵验证模型及仿真参数设置 1.3 收敛性分析 2 尾舵参数设计及水动力性能分析 2.1 尾舵翼型分析 2.2 尾舵展弦比参数分析 2.3 尾舵后掠角参数分析 2.4 尾舵舵轴位置分析 3 泵喷推进水下滑翔机转向性能仿真 结束语 本文采用数值仿真方法，针对水下滑翔机尾舵的主要结构参数包括翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等开展了水动力性能分析，完成了尾舵的水动力结构设计，总结如下： 1）NACA0012翼型与平板翼型和WZF鱼尾舵翼型相比，其可以在较小的阻力下提供较大的操纵力矩，航行经济性较高；
利用动力学仿真方法，对比分析了泵喷推进水下滑翔机在安装尾舵结构后与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能，采用尾舵式转向结构的泵喷推进水下滑翔机最小转弯半径仿真结果为9 m；同尺度下横滚式水下滑翔机的最小转弯半径仿真结果为21.2 m，尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。 本文的研究成果可为水下滑翔机尾舵的结构设计及参数优选提供参考，对提高泵喷推进水下滑翔机机动性，进一步拓展其应用场景具有重要意义，下一步工作将针对尾舵转向性能及结构可靠性等方面开展外场试验研究。  |
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