王一旭，胡欲立，鐘如意

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安710072）

0 引言

作為一種新興的水下航行器，水下滑翔機(jī)除了能源利用率高甚至不需要任何能源作為動(dòng)力就可長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻力低、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種長(zhǎng)時(shí)間機(jī)動(dòng)部署的水下運(yùn)載平臺(tái)或監(jiān)測(cè)平臺(tái)，但水下滑翔機(jī)由于機(jī)動(dòng)性太差的問題，無法滿足特定的控位運(yùn)動(dòng)要求［1］。

近幾年，在水下滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展出了控位滑行航行器，通過將無動(dòng)力滑翔和有動(dòng)力推進(jìn)兩種航行器特點(diǎn)的結(jié)合，使得這種新型水下航行器同時(shí)具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)，它結(jié)合了兩種航行器的優(yōu)點(diǎn)，有效規(guī)避了不足。

1 控位滑行航行器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 控位滑行航行器的結(jié)構(gòu)

控位航行器外部由機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、尾舵、螺旋槳和導(dǎo)流罩等部分組成。航行器內(nèi)部由凈浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、能源與供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)等8個(gè)部分組成。

1.2 控位滑行航行器的工作原理

控位滑行航行器主要有2種工作模式，滑行運(yùn)動(dòng)和控位運(yùn)動(dòng)。在滑翔模式下，航行器通過改變自身凈浮力作為其在水下下潛或上浮的驅(qū)動(dòng)力，并輔以調(diào)節(jié)重心與浮心的相對(duì)位置來改變航行姿態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)其在水下沿鋸齒狀軌跡進(jìn)行滑翔。

在海況較差、航行器有特定的位置控制要求時(shí)采用動(dòng)力推進(jìn)方式。控位運(yùn)動(dòng)是指航行器在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)特定垂直深度、水平位置和水平航向的控制，通過動(dòng)力推進(jìn)和調(diào)整航行器姿態(tài)來保證航行器在符合要求的小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

特定垂直深度的控位運(yùn)動(dòng)是通過在一定的推力作用下，調(diào)整凈浮力和水平舵角，使航行器以一定的攻角向前航行，由此產(chǎn)生的力和力矩逐漸達(dá)到平衡，最終實(shí)現(xiàn)航行器維持在一定深度的穩(wěn)定航行，如圖1所示。

圖1 垂直深度控位運(yùn)動(dòng)

水平航向控制則是在動(dòng)力推進(jìn)作用下保持給定的水平航行方向不變的穩(wěn)定航行運(yùn)動(dòng)。水平位置控制的控位運(yùn)動(dòng)是通過在一定的推力作用下，航行器的位置控制或航向控制的運(yùn)動(dòng)。位置的保持是航行器通過在動(dòng)力推進(jìn)時(shí)保持一定的垂直舵角，使航行器在水平方向以一定的半徑R做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在相應(yīng)的力和力矩達(dá)到平衡后，最終實(shí)現(xiàn)航行器在水平方向的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 水平位置控位運(yùn)動(dòng)

當(dāng)航行器在運(yùn)動(dòng)過程中因受各種外力因素影響，出現(xiàn)垂直深度或水平方向的偏差時(shí)，可分別通過調(diào)節(jié)航行過程中的水平舵角和垂直舵角來實(shí)現(xiàn)變深航行小機(jī)動(dòng)如圖3所示，深度從h1到h2；水平偏轉(zhuǎn)小機(jī)動(dòng)如圖4所示，航向從A向到B向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深度或航向糾正，從而最終回歸原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 變深航行小機(jī)動(dòng)

圖4 變水平航向小機(jī)動(dòng)

2 波浪力計(jì)算的理論模型［2－4］

AQWA水動(dòng)力軟件的LINE模塊采用在頻率域內(nèi)，采用線性波浪理論獲得的海洋結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力參數(shù)。下面對(duì)規(guī)則波作用下的，求解一階邊界問題以及一階波浪力。對(duì)規(guī)則波作用下的，一階線性入射波勢(shì)為：

求解一階繞射勢(shì)和輻射勢(shì)需要用到以下邊界條件：

ΦD為由于固定物體存在所產(chǎn)生的繞射勢(shì)；ΦR為物體進(jìn)行一階運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的輻射勢(shì)；r為物體表面的位置向量；n為物體表面的單位法向量，方向朝外。

總速度勢(shì)可以表示為：

κ為波浪斜率，定義為：

L為波長(zhǎng)。

在求解得到一階繞射勢(shì)和輻射勢(shì)后，就可以得到一階的波浪力、力矩以及自由波面高程，水動(dòng)壓強(qiáng)和自由表面高程為：

沿著物體沾濕表面積分即可得到總的波浪力（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3）和力矩（F4，F(xiàn)5，F(xiàn)6）：

Sb為物體沾濕表面。

3 波浪力計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 波浪力計(jì)算條件

考慮航行器在近水面（0～50m）、在2級(jí)海況下做控位運(yùn)動(dòng)受波浪力影響。因此，需要計(jì)算此條件下航行器受到的波浪載荷。同時(shí)，不同波浪入射角對(duì)航行器所受波浪力也會(huì)有所影響。由于航行器本體關(guān)于體坐標(biāo)系Bxy平面對(duì)稱，波浪入射角僅考慮0°～180°即可。因此，將在表1和表2所示工況條件下計(jì)算控位滑翔航行器受到的波浪載荷情況。

表1 2級(jí)海況參數(shù)［5］

表2 深度和波浪入射角參數(shù)［5］

3.2 航行器近水面受波浪力結(jié)果分析

2級(jí)海況時(shí)航行器在不同深度和入射角受到的力和力矩（頻域）情況分別如圖5和圖6所示。

圖5 2級(jí)海況下波浪力

圖6 2級(jí)海況下波浪力矩

分析2級(jí)海況下航行器波浪力計(jì)算結(jié)果可知：

a.波浪力各分量近似相對(duì)于90°所在軸線對(duì)稱。

b.航行器受波浪力隨深度迅速減小，且當(dāng)深度約為半波長(zhǎng)時(shí)，波浪力的作用效果基本可以忽略。

c.對(duì)于航行器水平面內(nèi)的軸向力和側(cè)向力，波浪入射角對(duì)航行器受力的方向性較明顯。表現(xiàn)在90°入射時(shí)航行器軸向力最小，而此時(shí)側(cè)向力達(dá)到最大；0°和180°入射時(shí)航行器軸向力最大或近似最大，而此時(shí)側(cè)向力達(dá)到最小值。

d.波浪入射角對(duì)于航行器垂向力（深度方向）的影響相比其他2個(gè)力分量的相對(duì)影響要小得多。

e.波浪對(duì)航行器的作用效果主要體現(xiàn)在側(cè)向力和垂向力上，波浪的軸向力作用相對(duì)較弱，這與航行器軸向受力面積較小有關(guān)。

由2級(jí)海況下航行器波浪力矩計(jì)算結(jié)果可知：

a.與波浪力相同，波浪力矩各分量近似相對(duì)于90°所在軸線對(duì)稱。

b.同樣，航行器受波浪力矩隨深度迅速減小，當(dāng)深度約為半波長(zhǎng)時(shí)基本可以忽略波浪力的作用。

c.航行器橫滾力矩和偏航力矩受波浪力入射角影響較大，波浪入射角對(duì)航行器影響的方向性較明顯。航行器橫滾力矩和偏航力矩均在0°和180°時(shí)最小，橫滾力矩在90°時(shí)達(dá)到最大，而偏航力矩則是在［45°，60°］和［120°，135°］內(nèi)達(dá)到最大。

d.波浪入射角對(duì)于航行器俯仰力矩的影響相比其他兩個(gè)力分量的相對(duì)影響要小得多。

e.波浪對(duì)航行器的作用效果主要體現(xiàn)在俯仰力矩和偏航力矩上，波浪對(duì)橫滾力矩作用相對(duì)較弱。

4 波浪力對(duì)定深控位運(yùn)動(dòng)的影響分析［6］

4.1 波浪力的作用效果

在2級(jí)海況下，從－15m深度開始，對(duì)定深目標(biāo)－4m進(jìn)行仿真，對(duì)比無波浪力作用時(shí)的仿真結(jié)果，其結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)航行器深度較大時(shí)，波浪力的作用效果較弱，航行器各運(yùn)動(dòng)參數(shù)與無波浪力時(shí)基本相同；當(dāng)航行器逐漸靠近水面時(shí)，波浪力的作用效果越來越明顯；波浪力的作用，使得航行器無法實(shí)現(xiàn)無波浪力時(shí)的定深控位目標(biāo)，航行器深度方向處于振蕩狀態(tài)，振蕩區(qū)間為［－4.314 6，－4.212 3］，振蕩幅值為0.051 15m，其中心位置與無波浪力作用時(shí)的差值為－0.263 5m；航行器其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)中心值變化趨勢(shì)與無波浪力相同。

4.2 波浪力對(duì)水平控位運(yùn)動(dòng)的影響分析

4.2.1 波浪力對(duì)水平直線運(yùn)動(dòng)的影響分析

在2級(jí)海況下，波浪入射角為45°，對(duì)－4m深水平面內(nèi)的初速度為0的航行器直線控位運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，對(duì)比無波浪力作用時(shí)的仿真結(jié)果，其結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，相比無波浪力作用，波浪力對(duì)水平直線運(yùn)動(dòng)的作用效果是使得航行器彈道軌跡有了一個(gè)水平偏移，但航行器通過后期舵偏調(diào)節(jié)，使得運(yùn)動(dòng)方向差別不大；使運(yùn)動(dòng)速度有了一定幅度的振蕩，且中心值（或等效值）更小，進(jìn)而導(dǎo)致相同時(shí)間內(nèi)的航程更短；其他各參數(shù)也存在不同程度的振蕩。

圖8 有無波浪力直航控位運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

圖7 有無波浪力定深控位運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

4.2.2 波浪力對(duì)水平回轉(zhuǎn)控位運(yùn)動(dòng)的影響分析

在2級(jí)海況下，對(duì)－4m深水平面內(nèi)的航行器回轉(zhuǎn)控位運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，對(duì)比無波浪力作用時(shí)的仿真結(jié)果，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 有無波浪力水平回轉(zhuǎn)控位運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

由圖9可知，相比無波浪工況，波浪力作用的顯著效果是，彈道軌跡不再是規(guī)則圓形，波浪的作用使得航行器存在不穩(wěn)定的側(cè)滑角，導(dǎo)致航行器回轉(zhuǎn)中心和半徑隨時(shí)間存在一定程度的變化，彈道軌跡變得不再規(guī)則；回轉(zhuǎn)控位運(yùn)動(dòng)中心產(chǎn)生偏移，2級(jí)海況波浪作用下的航行器回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（8.81，29.38），相比無波浪作用時(shí)的坐標(biāo)（16.92，25.86），中心偏距達(dá)到了8.841m；各運(yùn)動(dòng)參數(shù)出現(xiàn)不同程度振蕩，且振蕩幅值周期性變化，振蕩幅值的周期性變化與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中航行器軸線與波浪前進(jìn)方向的夾角周期性變化有關(guān)，可等效于波浪入射角的周期性變化。值得注意的是，2級(jí)海況下，航行器的回轉(zhuǎn)半徑為17.285m，較無波浪作用時(shí)的17.3m差別不大，也即航行器在2級(jí)海況下還能基本滿足回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的功能要求。

5 結(jié)束語

利用AQWA軟件計(jì)算得到了控位滑行航行器在不同深度和波浪入射角時(shí)的波浪力和力矩，仿真分析了航行器在波浪載荷作用下的定深和水平控位運(yùn)動(dòng)彈道。

針對(duì)航行器在2級(jí)海況波浪作用下的幾個(gè)典型工況進(jìn)行的仿真分析表明，相比無波浪作用，波浪的存在，使得航行器各運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生一定的偏差和振蕩，航行器的控位運(yùn)動(dòng)參數(shù)不再穩(wěn)定不變。

［1］ 馬冬梅，馬崢，張華，等.水下滑翔機(jī)水動(dòng)力性能分析及滑翔姿態(tài)優(yōu)化研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2007，22（6）：703-708.

［2］ 鄧文彬.船舶與海洋工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的領(lǐng)航員AQWA＆ASAS［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2006（8）：58-59.

［3］ 劉鯤.深海半潛式平臺(tái)浪激響應(yīng)分析及垂蕩響應(yīng)控制［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010.

［4］ 唐東洋.風(fēng)浪聯(lián)合作用下深水半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010.

［5］ 李天森.魚雷操縱性［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

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