辛萬青，黃 彪，魏海鵬，郝 亮，尤天慶

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京理工大學(xué)，北京，100081；3. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

航行體跨介質(zhì)飛行是先后經(jīng)歷水中高速航行、穿越水空界面和空中飛行的復(fù)雜過程，其中由水到氣的跨介質(zhì)過程是銜接水下和空中飛行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？张荻嘞嗔鲃?dòng)是航行體水中運(yùn)動(dòng)和跨介質(zhì)出水過程最重要的物理現(xiàn)象，受外界時(shí)變環(huán)境的影響，其演化規(guī)律和力學(xué)效應(yīng)十分復(fù)雜。首先，在航行體水下高速運(yùn)動(dòng)過程中，來流條件和環(huán)境壓力不斷變化，可能產(chǎn)生空泡斷裂和脫落等流動(dòng)現(xiàn)象，空泡多相流演化呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非定常特征；再者，在跨介質(zhì)出水過程中，環(huán)境介質(zhì)條件突變，空泡在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生潰滅，對(duì)航行體產(chǎn)生劇烈變化的沖擊壓力作用[1]。航行體跨介質(zhì)飛行的出水載荷響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)呈現(xiàn)高量值、強(qiáng)離散特征，通過流動(dòng)調(diào)控技術(shù)，提高航行體的水中環(huán)境適應(yīng)性，保持以較低的載荷和較小的姿態(tài)安全出水，從而實(shí)現(xiàn)降載增穩(wěn)，是先進(jìn)跨介質(zhì)航行體流體動(dòng)力設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。

流動(dòng)控制是流體力學(xué)領(lǐng)域最重要的研究方向之一。在一定環(huán)境條件下，認(rèn)清流動(dòng)演化機(jī)理，掌握流動(dòng)調(diào)控機(jī)制，建立相應(yīng)的控制方法，是實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制的核心關(guān)鍵。在航行體空泡流控制中，降載增穩(wěn)是研究的主要關(guān)注點(diǎn)，通氣和水動(dòng)舵翼是主要調(diào)控手段。通氣控制的關(guān)鍵在于掌握通氣空泡形態(tài)和穩(wěn)定性變化機(jī)制，舵翼控制研究集中于舵翼效能及控制方法，目前已有定流量通氣開環(huán)調(diào)節(jié)[1]以及小攻角、低航速的舵翼控 制[2]，在受限環(huán)境條件下取得了較好的降載增穩(wěn)效果。但針對(duì)大水深發(fā)射、水下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)的跨介質(zhì)航行體，環(huán)境壓力變化范圍和水下運(yùn)動(dòng)時(shí)間的成倍增加，空泡流動(dòng)的非定常特性進(jìn)一步增強(qiáng)，勢(shì)必導(dǎo)致載荷不確定性和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的離散性陡增。針對(duì)跨介質(zhì)航行體在超常規(guī)惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性難題，需要探索更為先進(jìn)的流動(dòng)控制方法，閉環(huán)控制是一個(gè)具有發(fā)展?jié)摿Φ闹匾芯糠较颉?/p>

本文系統(tǒng)總結(jié)了跨介質(zhì)航行體空泡流動(dòng)的流體動(dòng)力特性，綜述了水下航行體流體動(dòng)力調(diào)節(jié)技術(shù)及其控制策略，提出了一種以空泡多相流控制為主、水動(dòng)舵翼控制為輔、與航行體響應(yīng)耦合的閉環(huán)控制新構(gòu)想，并剖析了該閉環(huán)控制方法的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)。

1 跨介質(zhì)航行體空泡流體動(dòng)力特征

跨介質(zhì)航行體一般在水下一定深度，由氣體彈射加速至較高的運(yùn)動(dòng)初始速度，航行體物面大曲率變化部位的靜壓顯著降低，導(dǎo)致水汽化形成自然空泡，同時(shí)，管內(nèi)氣體也會(huì)被卷吸而附著于航行體，從而形成閉合在航行體物面的含氣空泡?？张莸乃路嵌ǔＱ莼约俺鏊蔷€性潰滅，是跨介質(zhì)航行體空泡流動(dòng)的主要物理現(xiàn)象。

1.1 航行體水下空泡多相流非穩(wěn)定特征

航行體在水下運(yùn)動(dòng)過程中，隨著運(yùn)動(dòng)速度和深度變化，低壓區(qū)域不斷增大，附著在航行體表面的空泡向尾部不斷發(fā)展?？张菽┒碎]合至物面，形成局部高壓，稱之為回射壓力，如圖1所示。隨著空泡發(fā)展，高壓區(qū)域的位置逐漸后移。受攻角的影響，航行體迎、背流面空泡不對(duì)稱，對(duì)航行體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)產(chǎn)生顯著影響。在空泡整體流態(tài)表現(xiàn)上，航行體附著空泡呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非穩(wěn)定性，存在空泡斷裂和脫落現(xiàn)象，從而使航行體受力的不確定性大為增加。

圖1 回射流和壓力分布示意Fig.1 Schematicsof Re-Entrant Jet and Pressure Distribution

空泡非穩(wěn)定性根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)制可分為內(nèi)在非穩(wěn)定性和系統(tǒng)非穩(wěn)定性[3,4]。內(nèi)在非穩(wěn)定性源于空泡自身，指回射流引起空泡長(zhǎng)度振蕩的不穩(wěn)定性。系統(tǒng)非穩(wěn)定性源于空泡與周圍環(huán)境（來流條件等）的相互作用，外界環(huán)境的擾動(dòng)將加劇空泡的非穩(wěn)定性。關(guān)于空泡多相流非定常特性的研究，最有代表性的成果是對(duì)回射流的認(rèn)識(shí)：空泡的末端與壁面之間存在與主流流動(dòng)方向相反的回射流，當(dāng)回射流運(yùn)動(dòng)到空泡前緣時(shí)造成空泡的斷裂和脫落[5~8]。近年來，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了另一種非穩(wěn)定性機(jī)制，即水汽激波機(jī)制[8]。在空化流場(chǎng)中，水汽摻混區(qū)的聲速大幅降低，可能產(chǎn)生的水汽激波導(dǎo)致空泡快速潰滅，從而引起空泡斷裂及脫落[9]，該過程伴隨著短時(shí)性、高幅值的壓力脈沖[10,11]。

環(huán)境壓力和水深是影響航行體空泡“系統(tǒng)非穩(wěn)定性”的主要因素。當(dāng)環(huán)境壓力大范圍變化時(shí)，空化數(shù)的變化范圍相應(yīng)增加，引起空泡多相流態(tài)的改變。水下運(yùn)動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，使回射流發(fā)展更為充分，導(dǎo)致空泡非穩(wěn)定性進(jìn)一步加大。除此之外，波浪等外界擾動(dòng)導(dǎo)致空泡的非穩(wěn)定性和非對(duì)稱性增加，航行體響應(yīng)的離散性顯著提升。

圖2 穩(wěn)定與非穩(wěn)定空泡Fig.2 Stable and Unstable Cavity

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)航行體空泡流的非穩(wěn)定特征進(jìn)行了研究，取得了一定的成果，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究主要以傳統(tǒng)高速攝像為基本手段，缺乏對(duì)空泡內(nèi)部介質(zhì)特性和流場(chǎng)特征的詳細(xì)認(rèn)知。同時(shí)，跨介質(zhì)航行體空泡的非定常演化過程，受外形、運(yùn)動(dòng)初始條件、泡內(nèi)氣體含量等因素的綜合影響，流動(dòng)更為復(fù)雜，準(zhǔn)確認(rèn)知尚有很大難度。

1.2 航行體出水空泡潰滅特征

跨介質(zhì)航行體出水過程中，附著空泡失去維持自身形態(tài)的環(huán)境條件，發(fā)生潰滅。由于空泡內(nèi)部壓力小于水面大氣壓力，附著水體在壓差的驅(qū)動(dòng)下撞擊航行體表面，產(chǎn)生潰滅壓力。隨著航行體的出水，潰滅壓力不斷向下游傳播，空泡潰滅形成的高量值壓力會(huì)造成大的出水載荷，并引起航行體姿態(tài)離散性加劇。

針對(duì)空泡潰滅，研究對(duì)象多為靜水中孤立氣泡以及云狀空泡。研究表明云狀空泡潰滅會(huì)產(chǎn)生壓力脈 沖[12]，脈沖時(shí)間跨度在微秒量級(jí)，幅值可以達(dá)到30個(gè)大氣壓[9]。航行體跨介質(zhì)出水過程的大尺度空泡潰滅，受泡內(nèi)壓力、空泡形態(tài)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及水面波浪狀態(tài)等因素影響，潰滅過程呈現(xiàn)強(qiáng)離散特性。相關(guān)工程研究團(tuán)隊(duì)開展了大量試驗(yàn)研究，建立了空泡潰滅過程計(jì)算模型，獲得了對(duì)空泡潰滅宏觀流動(dòng)機(jī)理和特性的基本認(rèn)識(shí)。隨著水深變化幅度增加、自由面擾動(dòng)加劇，出水前空泡呈現(xiàn)出更多樣的流態(tài)，空泡的潰滅過程和壓力特征表現(xiàn)出更強(qiáng)的離散性，研究難度更大。

2 航行體流體動(dòng)力調(diào)節(jié)方法

無論是全沾濕流動(dòng)還是多相流動(dòng)，航行體流體動(dòng)力多為靜不穩(wěn)定狀態(tài)，航行體所受載荷和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)呈現(xiàn)出強(qiáng)不確定特征，從而可能危及航行體安全。解決該問題的主要手段是對(duì)流態(tài)實(shí)施主動(dòng)調(diào)節(jié)，目前主要流動(dòng)調(diào)節(jié)手段包括通氣控制和水動(dòng)舵翼控制，控制策略包括開環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制。

2.1 通氣流動(dòng)控制技術(shù)

早期通氣流動(dòng)控制主要應(yīng)用于水下高速航行體減阻[13~15]，即向航行體附著的自然空泡內(nèi)通氣，產(chǎn)生穩(wěn)定的通氣空泡包裹航行體，減小水下摩阻。國(guó)內(nèi)外研究人員就通氣空泡形成過程中涉及的物理現(xiàn)象展開了研究。實(shí)驗(yàn)研究主要聚焦于以圓盤和圓錐空化器為對(duì)象的水洞機(jī)理實(shí)驗(yàn)[16,17]，重點(diǎn)關(guān)注超空泡阻力特性的變化規(guī)律：隨著通氣量的增加，通氣空泡的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，空泡流動(dòng)的非定常特征減弱，直至發(fā)展為超空泡。數(shù)值研究主要聚焦于通氣空泡的流動(dòng)特性[18,19]，重點(diǎn)關(guān)注回射流的發(fā)展過程和變化規(guī)律：回射流從空泡末端向空泡前端推進(jìn)，造成空泡脫落；隨著通氣量的增加，回射流逐漸減弱，通氣空泡非定常特性減弱。在理論研究方面，通過對(duì)通氣超空泡流動(dòng)的研究，建立了與空化數(shù)相關(guān)的空泡宏觀形態(tài)計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)公式，闡明了通氣空泡尾部存在回射流和雙渦管等不同泄氣方式[20~24]。

針對(duì)跨介質(zhì)航行體流動(dòng)控制，本文提出了基于通氣的空泡流態(tài)調(diào)控技術(shù)。在水下向空泡內(nèi)通氣，通過調(diào)節(jié)空泡流態(tài)，增強(qiáng)了空泡的內(nèi)在穩(wěn)定性；利用調(diào)節(jié)后的空泡末端回射壓力，提高了航行體姿態(tài)穩(wěn)定性；同時(shí)，通氣提高了出水空泡內(nèi)部壓力，降低了空泡潰滅壓力量值，減小了對(duì)航行體的沖擊載荷作用。

2.2 水動(dòng)舵翼控制技術(shù)

在水下航行體控制領(lǐng)域，水動(dòng)舵翼控制技術(shù)率先在魚雷和水下無人航行器中應(yīng)用。在全濕流動(dòng)狀態(tài)下，舵翼控制技術(shù)的應(yīng)用使得水下航行器的穩(wěn)定性顯著提升[25]。當(dāng)水下航行體運(yùn)動(dòng)速度提高到一定程度時(shí)，舵翼低壓區(qū)發(fā)生空化，沾濕區(qū)域減小，使得舵翼的控制力減弱[26]。在水下空泡覆蓋航行體狀態(tài)下，水翼僅能部分沾濕，控制效果也會(huì)受到一定影響。即使如此，得益于水動(dòng)舵翼控制的快速響應(yīng)特性，水動(dòng)舵翼在一定程度上仍能對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡進(jìn)行控制[2,27~29]，從而提高航行體在空泡流條件下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

2.3 水下航行體流體動(dòng)力控制策略

基于以上流體動(dòng)力調(diào)節(jié)手段，目前工程上有兩種典型的水下航行體流體動(dòng)力控制策略，分別為基于通氣的流態(tài)開環(huán)控制和基于翼舵的姿態(tài)閉環(huán)控制，如圖3所示。在開環(huán)控制策略中，被控對(duì)象狀態(tài)不影響控制器與執(zhí)行器的運(yùn)行。以開環(huán)通氣控制為例，雖然環(huán)境壓力等因素的變化，使得航行體附著空泡形態(tài)和流體動(dòng)力發(fā)生變化，但是通氣參數(shù)不會(huì)隨之改變。閉環(huán)控制策略將被控對(duì)象的狀態(tài)作為反饋信息，輸入至控制器中，控制器生成控制律，通過執(zhí)行器的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象狀態(tài)的改變。以水動(dòng)舵翼閉環(huán)控制為例，航行體的姿態(tài)作為主要被控對(duì)象，航行體尾舵作為主要執(zhí)行器，而環(huán)境信息和航行體的運(yùn)行姿態(tài)作為主要反饋?zhàn)兞?，航行體的預(yù)期狀態(tài)作為主要輸入變量。在這個(gè)過程中，航行體時(shí)刻根據(jù)自身的姿態(tài)，按照特定的控制律實(shí)時(shí)調(diào)整尾舵舵角，實(shí)現(xiàn)航行體受力狀態(tài)的改變，進(jìn)而改變航行體自身的姿態(tài)。

圖3 經(jīng)典控制策略示意Fig.3 Schematicsof the Typical Control Methods

對(duì)比兩種控制策略，對(duì)同一種被控對(duì)象，一般而言，閉環(huán)控制效果遠(yuǎn)好于開環(huán)控制，但實(shí)現(xiàn)難度更大。開環(huán)控制措施相對(duì)固定，其控制效果容易受流動(dòng)狀態(tài)變化的影響，當(dāng)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化后，控制能力會(huì)顯著下降，例如，在湍流流動(dòng)控制中，湍流的隨機(jī)性會(huì)減弱開環(huán)控制的效果[30,31]。閉環(huán)控制策略是一種具有更強(qiáng)適應(yīng)性、更好穩(wěn)定性以及更高效率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制策略[31,32]，其優(yōu)勢(shì)在于能夠在航行體運(yùn)動(dòng)過程中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境信息實(shí)時(shí)對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，因而可以獲得更為理想的控制效果。因此，研究跨介質(zhì)航行體閉環(huán)控制策略具有重要意義。

2.4 水下超空泡航行體流體動(dòng)力控制方法

針對(duì)直航狀態(tài)下的超空泡航行體流體動(dòng)力控制方法，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。Dzielski等[27,28]以無尾翼的超空泡航行體為基準(zhǔn)模型，基于閉環(huán)控制策略的構(gòu)想，提出了以超空泡航行體空化器和尾部沾濕區(qū)作為耦合控制面的狀態(tài)反饋控制律，能夠獲得超空泡航行體經(jīng)典的直航運(yùn)動(dòng)模式。在此基礎(chǔ)上，Lin等[33,34]提出采用函數(shù)法對(duì)不連續(xù)、非線性的滑行力進(jìn)行光滑處理，并調(diào)節(jié)了航行體碰撞空泡上下壁自振蕩的問題。在空泡行為響應(yīng)方面，Sanabria等[35]引入了空泡形態(tài)的不確定性，并針對(duì)其不確定性建立了線性變參數(shù)模型，并用反饋線性化的方式進(jìn)行控制。Vanek等[2,29]建立了如圖4所示的水下超空泡航行體動(dòng)力學(xué)模型，考慮了通氣空泡的記憶效應(yīng)，將時(shí)滯效應(yīng)的影響引入閉環(huán)控制策略，仿真分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)時(shí)滯效應(yīng)的依賴性。此外，部分學(xué)者[36~38]基于Vanek時(shí)滯模型對(duì)水下超空泡航行體的實(shí)時(shí)控制展開了研究。在國(guó)內(nèi)研究方面，魏英杰等[39]通過研究超空泡航行體垂直面內(nèi)的穩(wěn)定控制，提出了超空泡航行體尾舵效率的計(jì)算方法，并設(shè)計(jì)了非線性的閉環(huán)控制策略。范輝等[40]運(yùn)用圓判據(jù)定理結(jié)合Nyquist曲線給出了超空泡航行體絕對(duì)穩(wěn)定的充分條件，提出了能夠削弱系統(tǒng)固有非線性特性的切換控制策略。然而，大多數(shù)研究成果都以理論分析和數(shù)值仿真作為主要研究手段，需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 水下超空泡航行體動(dòng)力學(xué)模型[2,28]Fig.4 Dynamic Model for a Underwater Vehicle with Supercavity

3 跨介質(zhì)航行體空泡流體動(dòng)力閉環(huán)控制方法

上述水下超空泡航行體閉環(huán)控制的研究，大多都聚焦于水下航行體水平運(yùn)動(dòng)。對(duì)于跨介質(zhì)航行體流態(tài)控制，主要的研究成果均為開環(huán)控制，閉環(huán)控制研究尚屬空白。與水平運(yùn)動(dòng)相比，航行體跨介質(zhì)垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通氣空泡形態(tài)和流體動(dòng)力特性控制要求存在明顯的差異。首先，運(yùn)動(dòng)和受力模式的不同使得超空泡航行體水平運(yùn)動(dòng)的控制策略無法直接應(yīng)用于航行體垂向運(yùn)動(dòng)。其次，航行體垂向運(yùn)動(dòng)存在特有的出水段，復(fù)雜空泡多相流產(chǎn)生高量值瞬態(tài)載荷和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，必須以航行體響應(yīng)作為控制目標(biāo)，考慮空泡流態(tài)的時(shí)滯效應(yīng)，實(shí)施閉環(huán)控制，系統(tǒng)更為復(fù)雜，對(duì)流態(tài)閉環(huán)控制特性的要求更高。再次，跨介質(zhì)航行體歷經(jīng)深度的大范圍變化，空泡的形態(tài)演化更為復(fù)雜，對(duì)控制策略適應(yīng)性和可靠性提出了更高的挑戰(zhàn)。

3.1 水下航行體多相流動(dòng)閉環(huán)控制新構(gòu)想

考慮到目前針對(duì)通氣空泡形態(tài)的閉環(huán)控制研究處于空白，本文從建立一種通氣空泡閉環(huán)控制研究方案入手，結(jié)合水動(dòng)舵翼控制，發(fā)展一種水下航行體多相流動(dòng)閉環(huán)控制的新構(gòu)想。

在主動(dòng)通氣空泡閉環(huán)控制方面，提出了一種基于實(shí)驗(yàn)研究的控制方案（見圖5），設(shè)置控制目標(biāo)為空泡流態(tài)（如長(zhǎng)度、泡內(nèi)壓力等），通過實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)獲得當(dāng)前空泡形態(tài)信息，建立保證空泡穩(wěn)定性、規(guī)避非預(yù)期流動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制律，實(shí)時(shí)改變通氣系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)）的狀態(tài)，對(duì)跨介質(zhì)航行體水下空泡流態(tài)實(shí)施閉環(huán)控制。

圖5 基于實(shí)驗(yàn)研究的主動(dòng)通氣閉環(huán)控制方案示意Fig.5 Schematics of the Active Ventilation Closed-loop Control Method

基于上述研究，結(jié)合通氣和舵翼流動(dòng)控制手段，給出的一種以空泡多相流控制為主、水動(dòng)舵翼控制為輔、與航行體響應(yīng)耦合的閉環(huán)控制新構(gòu)想，如圖6所示。通過敏感器對(duì)空泡參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知及測(cè)量，作為控制器流體動(dòng)力在線表征的輸入，并由控制器解算獲得空泡流態(tài)、載荷的當(dāng)前值及其預(yù)示結(jié)果；同時(shí)以預(yù)示結(jié)果和預(yù)期狀態(tài)的差異作為系統(tǒng)偏差，由控制器計(jì)及空泡流態(tài)時(shí)滯效應(yīng)，生成控制律及其分配，即通氣參數(shù)和舵偏指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)通氣參數(shù)和舵偏的協(xié)同控制；由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（通氣裝置+尾舵）產(chǎn)生空泡調(diào)節(jié)動(dòng)力和航行體剛體運(yùn)動(dòng)控制力。運(yùn)用上述閉環(huán)控制方案，以期可在超常規(guī)惡劣環(huán)境條件下，獲得預(yù)期空泡演化歷程，從而實(shí)現(xiàn)以較低的載荷水平、較小的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)安全跨介質(zhì)出水。

圖6 閉環(huán)控制方法系統(tǒng)Fig.6 System of the Closed-loop Control Method

3.2 航行體多相流動(dòng)閉環(huán)控制的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)跨介質(zhì)航行體流動(dòng)閉環(huán)控制，存在的難點(diǎn)有：a）空泡流態(tài)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知問題。航行體水下運(yùn)動(dòng)過程中，空泡形態(tài)以及內(nèi)部流動(dòng)劇烈變化，氣水摻混強(qiáng)烈，難以實(shí)時(shí)提取和準(zhǔn)確辨識(shí)空泡特征參數(shù)；b）航行體流體動(dòng)力建模和控制律設(shè)計(jì)問題。在超常規(guī)惡劣環(huán)境條件下，空泡演化的不確定性、流體動(dòng)力的非定常非線性、載荷和姿態(tài)的強(qiáng)離散性，需要研究利用有限的測(cè)量信息，實(shí)現(xiàn)空泡流態(tài)準(zhǔn)確表征和預(yù)示建模。同時(shí)，控制律的設(shè)計(jì)不僅依賴于當(dāng)前測(cè)量信息，更依賴于流體動(dòng)力、載荷和姿態(tài)的預(yù)示結(jié)果，這些都需要建立在對(duì)多要素作用下空泡流體動(dòng)力規(guī)律的掌握。c）跨介質(zhì)航行體動(dòng)力學(xué)特性問題。采用主動(dòng)通氣、舵翼控制后，其控制力學(xué)機(jī)制和流體動(dòng)力相互耦合，動(dòng)力學(xué)模型更為復(fù)雜。

為了實(shí)現(xiàn)上述閉環(huán)控制構(gòu)想，存在的關(guān)鍵技術(shù)有：a）空泡特征參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量和辨識(shí)。融合航行體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、介質(zhì)參數(shù)及物面壓力等多種傳感器信息，結(jié)合空泡流體動(dòng)力表征集合，建立傳感器信息與空泡特征參數(shù)及空泡流態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。b）通氣空泡流體動(dòng)力建模與調(diào)控。需要掌握不同通氣參數(shù)、外界環(huán)境、舵翼調(diào)控作用等多要素下空泡演化規(guī)律，揭示時(shí)變通氣參數(shù)和舵翼耦合控制下空泡多相流體動(dòng)力調(diào)控機(jī)制，建立通氣空泡流體動(dòng)力量化實(shí)時(shí)表征和預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)空泡流態(tài)時(shí)滯特性的前饋控制。c）航行體非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制?？张萘鲬B(tài)閉環(huán)控制模型復(fù)雜，缺乏系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型，需要研究智能控制和自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制理論和方法，以獲得預(yù)期的空泡流態(tài)和航行體運(yùn)動(dòng)特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在綜合分析已有水下航行體流體動(dòng)力調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了以空泡多相流控制為主、水動(dòng)舵翼控制為輔、與航行體響應(yīng)耦合的閉環(huán)控制新構(gòu)想，以期在超常規(guī)惡劣環(huán)境條件下，通過空泡流態(tài)和水動(dòng)舵翼控制，實(shí)現(xiàn)航行體以較低的載荷水平、較小的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)跨介質(zhì)安全出水。分析闡述了該流動(dòng)閉環(huán)控制構(gòu)想面臨的空泡特征參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量和辨識(shí)、通氣空泡流體動(dòng)力建模和調(diào)控以及航行體非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)開展進(jìn)一步研究提供了基本研究思路和技術(shù)路線。