超高速水下航行器定深控制

超高速水下航行器巡航阶段的核心问题是定深控制问题,超高速水下航行器运行于巡航阶段时具有独特的运动特性。针对超高速水下航行器巡航阶段的运动特性及其具体运动条件下的特点,提出了使用极限操舵方式对超高速水下航行器实施直接深度控制以及通过姿态控制从而间接控制深度的2种深度控制方法,同时还对深度反馈信号的获取进行了讨论。本文提出的控制方法简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明了其有效性。     

超高速水下航行器纵向运动稳定性分析

为了进一步研究超高速航行器空化减阻问题,建立了空化状态下超高速水下航行器纵向运动数学模型,对该航行器在巡航段平衡状态下受扰动时的攻角和俯仰角速度的阶跃响应进行了分析,并通过根轨迹法分析了运动的稳定性。分析结果表明,通过给定平衡攻角和平衡舵角,航行器能够呈现一定的静稳定性,该特性有利于以直航弹道为主的超高速水下航行器保持超空泡稳定。     

水下航行器舱门开启过程仿真

针对水下航行器的舱门在开启过程中航行器外形会发生变化的情况,对航行器舱门开启过程的流体特性进行仿真分析。根据舱门开启过程的流体特性,将得到的流体系数作为航行器动力学方程参数的变化曲线,对舱门开启过程的运动进行了仿真,并给出详细的计算过程。仿真结果表明:该舱门开启过程设计合理,随着舱门的开启,虽然航行器的速度和攻角有所下降,但各物理量的变化幅度仍然在常规范围内,该方法为水下航行器存在外形变化时的运动仿真提供了思路。     

超高速水下航行器航向控制方法

针对超高速水下航行器巡航阶段的超空泡运动特性及其具体运动条件下的特点,考虑发动机推力偏心会造成航向误差,建立了航行器水平面运动方程,分析了其欠阻尼运动特性,提出了基于比例积分算法的极限操舵方式对超高速水下航行器实施航向控制的方法,此类控制方法在确保航向准确性的同时保证了超空泡的稳定性,且简单易实现,鲁棒性好,数字仿真证明该方法的有效性.     

自主水下航行器回旋运动总体参数敏感性分析

为研究总体参数变化对自主水下航行器回旋运动稳定性的影响,针对水下航行器回旋运动总体参数的敏感性进行分析。在建立水下航行器六自由度空间运动方程的基础上,运用MATLAB/Simulink模块对水下航行器的空间回旋状态进行了数值仿真,得到了水下航行器空间回旋运动的规律。对各总体参数,如浮力、重心浮心距、重心下移量、重心侧移量变化对水下航行器的回旋速度、回旋角速度、回旋深度、回旋空间运动等回旋特性的影响进行了数值计算及分析,结果表明:浮力变化对水下航行器运动特性影响不大,重心浮心距变化会使俯仰角发生变化,重心下移量增大会提高水下航行器运行的稳定性,而重心侧移量增大则会降低其稳定性。     

无人水下航行器能改变未来水下战争

简要介绍了美英两国的无人水下航行器的发展计划及其进展；为扩大水下航行器用途，突破鱼雷发射管的制约，美国在开发可保形配置在潜艇艇体外的水下航行器。     

水下航行器减振结构研究

通过对比两种水下航行器主要振动部件的结构,研究改进结构降低振动的方法。为水下航行器减振结构设计提供一定的参考。     

水下航行器流噪声特性分析

运用大涡模拟(LES)湍流模型及Lighthill声类比理论求解了水下航行器湍流边界层的声场.通过分析发现,水下航行器转捩区比发展区具有更大的声功率密度,且转捩区峰值处在高频区,发展区峰值处在低频区.同时探讨了速度对水下航行器频谱的影响,在速度增加的情况下,水下航行器具有更高的声压值,且在频谱上引起了其迁移频率的后移.     

基于自抗扰方法的UUV近水面垂直面运动控制

无人水下航行器(UUV)在近水面航行时,受到海浪、噪声等干扰的影响较大,尤其是垂直面方向,为满足UUV在近水面潜伏作战的需求,研究了基于自抗扰控制方法(ADRC)的运动控制技术。该技术抗干扰能力强,能将来自系统内部和外部的扰动都归结为系统的总扰动,并对其进行实时估计同时给予相应的扰动补偿,运用此方法设计了UUV垂直面控制器并分析了其抗扰性能,以解决海洋环境下UUV近水面垂直面运动的控制扰动问题。仿真结果表明,所设计的UUV垂直面自抗扰控制器能有效抑制海浪的干扰,降低艉升降舵的抖振现象,具有较好的控制效果和抗扰性能。     

拖缆对水下航行器的操纵性能影响

为探究拖缆对水下航行器的操纵性能影响,基于集中质量法建立了拖缆的动力学方程,利用边界耦合条件,将拖缆首端产生的张力影响计入水下航行器的六自由度运动方程组,建立了拖缆-水下航行器耦合运动模型。通过数值仿真计算,对比分析了拖缆对航行器直航、回转和下潜运动时的操纵性能影响。数值分析结果表明：航行器加装拖缆后,航行器在直航、回转和下潜运动时的速度有所降低;航行器回转运动时,拖缆会减小回转半径;航行器下潜运动时,拖缆降低了航行器的下潜稳定性,且减小了航行器弹道倾角的绝对值,增大了航行器达到预定深度的距离,同时由于航速降低,导致航行器达到预定深度的时间会增加,从而也降低了航行器下潜性能。     

水下航行器轴向运动的自适应积分反演跟踪控制

研究水下航行器轴向运动的非线性跟踪控制问题。针对广泛存在的未知海流、动态模型中的未知参数、以及外部常值扰动等不确定性因素,采用先进的自适应积分反演控制方法,用自适应机制克服未知海流和模型参数的不确定性,并在反馈中加入积分项提高系统对未建模动态特性的鲁棒性,使水下航行器能够全局渐近跟踪参考位置指令。通过不同条件下的仿真研究,分析了自适应机制和积分项在运动控制中的作用,并验证了闭环跟踪系统的全局渐近稳定性。     

水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中微气泡流形态及减阻特性的变化规律,利用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。试验过程中,基于自主设计的驱动装置,实现航行体绕其头部按正弦规律作俯仰运动。研究结果表明：当体积流量系数较小时,水下航行体运动过程中离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;水下航行体俯仰运动过程中,轴向力系数、法向力系数、阻力系数和升力系数的变化规律类似,均呈正弦变化规律,且其变化周期与攻角变化周期基本同步;对于不同体积流量系数下俯仰运动的航行体,随着攻角的增加,其阻力系数均呈近似线性增加规律,减阻率呈逐渐线性减小规律。     

水下航行体俯仰运动微气泡流形态及减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中,微气泡流形态及减阻特性的变化规律,采用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,在水洞中开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。基于该驱动装置,实现了航行体模型以正弦变化规律的角速度绕其头部转动;基于高速摄像系统,分析了微气泡流形态变化特性;基于测力系统,分析了俯仰运动过程中水下航行体流体动力特性及不同通气量下微气泡减阻特性变化规律。试验结果表明：较低通气量下,在水下航行体俯仰运动过程中,离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;随着通气量的增加,微气泡流密度逐渐增加,透明度逐渐降低,并最终融合成透明空泡;航行体俯仰运动过程中,其航行体轴向力系数和法向力系数基本呈正弦变化规律,且其周期与攻角变化周期基本同步;不同通气量下航行体轴向力系数的变化规律基本相同,均呈正弦变化规律,且随着通气量的增加,相同姿态下的航行体轴向力系数逐渐减低,并最终趋于恒定。     

自主水下航行器的分离运动安全性研究

为给自主水下航行器(AUV)的分离方式选择提供理论依据,对重力解脱方式和推冲分离方式下AUV的分离运动安全性进行了定量分析。考虑到载荷与运载体之间相互影响的差异,利用多刚体力学原理,建立了两种方式下的AUV分离运动方程。根据彻底分离后载荷与运载体之间的相对距离检测,提出了一种分离安全度模型。结果表明,当载荷的重力大于浮力时,前种方式下的分离安全度随着分离前速度或辅助推力的增加而提高,预定分离角过大或过小会使其降低;对于后种方式,在低速、大推冲力条件下其分离安全性较前种方式高,在高速时则可能导致碰撞。     

水下航行体通气空泡溃灭特性研究

通过水洞实验对水下通气航行体通气空泡进行实验研究,分析航行体通气空泡通气停止后空泡行为。为了研究通气空泡溃灭过程的脉动特性,通过高速摄像和动态测力系统测量航行体表面空泡演变过程和压力变化情况。实验结果表明：脱落空泡运动过程中,其形状变化可分为空泡凹陷、空泡断裂、空泡脱落和溃灭4个阶段。脱落空泡在近模型壁面发生溃灭时,通过表面压力传感器捕捉到空泡的溃灭压力。对空泡溃灭压力实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比,理论结果与实验结果具有较好的一致性。     

潜伏式武器水下减速着陆运动仿真

为了研究潜伏式武器采用减速伞结合舱段分离的方法实现水下安全着陆的可行性,建立了该武器使用减速伞减速及舱段分离着陆时的相关运动过程的数学模型,采用数值计算方法对该运动过程进行了仿真分析,得到了武器减速直至着陆过程中武器及其舱段运动的仿真结果,并对减速伞不同的开启角度对整个着陆运动过程的影响进行了分析。仿真结果表明:通过选择合适的减速伞开启角度、开启深度、舱段分离深度以及钢缆长度参数组合,基本可以实现武器的安全着陆。