一种新型的超空泡航行器流体动力布局

超高速水下航行器运行于巡航阶段,为减小其阻力,减小航行器的沾湿部分,会使得横滚运动的阻尼变小,加大横滚通道的控制难度.针对航行器的静稳定特性,采用艏部空化器作为俯仰和偏航运动的操纵面.由于横滚干扰力矩主要来源于航行器机动时产生的离心力,采用不对称方向舵的方式来消除横滚干扰力矩.复合抗横滚控制舵片形成方向舵的上下不平衡,同时还作为横滚控制的操纵面.采用流体动力布局形式完全摒弃了尾部安定面和操纵面,明显减小航行器航行阻力,降低横滚控制舵机的功率要求,有利于机构的小型化.同时放宽了对超空泡外形和人工通气量的准确度要求,方便了超高速水下航行器的工程实现.     

超高速水下航行体结构静动力特性分析

建立超高速水下航行体的有限元模型,针对超高速水下航行体受力特点,对航行体结构进行静力分析、屈曲分析和谐响应分析.数值计算结果表明,结构在轴向压力作用下最大应力值约为114Mpa,明显高于静水压力情况;空化器结构更容易发生屈曲失稳而导致结构破坏,其屈曲临界压力为54KN,临界航行速度为280m/s;当航行体尾部与空泡壁碰撞冲击频率为352HZ、400HZ、672HZ和704HZ时,超高速水下航行体壳体的变形和应力较大,容易发生结构破坏.     

二维水翼超空化状态下流体动力特性数值仿真

基于均匀多相流假设,建立了二维水翼自然超空化流动的多相流CFD模型。运用Navier—Stokes方程加k-ε两方程湍流模型对NACA0012水翼的超空化流动进行了数值仿真。分别研究了固定空化数和固定攻角时,超空化状态下水翼的流体动力参数的特性和空泡形态的变化。仿真结果表明：水翼表面流体动力系数随来流攻角和空化数的增大而增大,压力中心沿弦向和展向的位置随着攻角变化,空泡尺寸随空化数的增大而减小,整个流场的流动可分为两个区域,前部对应附着空泡区,后部对应汽液两相流动区,并改进了性能,对速度梯度有较大的改善。     

超空泡航行体的增益自适应全程滑模控制器设计

超空泡航行体在实际巡航时具有其独特的运动特性,同时还存在着流体动力系数的摄动及尾部流体未知干扰等不确定因素,这些都给航行体的稳定控制带来了困难。改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,设计了全程滑动模态面,采用自适应算法对系统不确定性及外界干扰上界进行了估计,设计了基于滑模理论的控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明：该系统响应快速,具有很好的鲁棒稳定性能。     

超高速水下航行器纵平面姿态控制研究

超高速水下航行器在水下航行时,由于大部分表面被超空泡所包覆,其纵平面的运动特性发生显著变化,使得控制难度加大.提出把空化器用作控制面,通过操纵其舵角改变量来控制航行器在纵平面的运动,从而达到间接控制航深的目的.最后运用PID算法进行仿真分析,结果表明采用此控制方法所产生的深度负偏差较小,简单易实现、且鲁捧性好.还对航行器直接深度控制进行探讨,考虑到超空泡工况下深度测量的难度较大,姿态控制具有更强的适用性.     

超空泡水下航行器壳体结构形式优化设计分析

针对超空泡水下航行器壳体尾部受到空泡壁面冲击作用的特点,建立超空泡水下航行器壳体有限元模型,对航行器壳体结构进行谐响应分析,并比较普通圆柱壳体与渐缩壳体、环向加肋壳体以及双层壳体的性能.对四种壳体形式的优化计算表明,环向加肋壳体在满足位移和应力约束条件下的最小质量仅为4.152 kg,为较优的壳体形式;双层壳体优化得到的最小质量为7.228 kg,在超空泡水下航行器结构设计中具有潜在的发展优势.     

超空泡航行器极点配置变结构控制方法研究

超空泡航行器在航行过程中，尾部会周期性拍打空泡壁而表现出强烈的“尾拍”现象，尾部空泡是由空化器经历的历史位置形成，呈现强烈的时滞特性，动力学建模和稳定控制是制约其发展的核心难题。针对泡体耦合问题，建立了空泡/刚体相对几何关系一体化实时解算的动力学模型。针对后体非线性特性，采用分段线性化方法，在保留后体尾拍非线性特性的基础上，建立了面向控制的简化模型。为了解决超空泡航行器非线性时滞控制问题，针对弹体运动极其敏感、操纵效率高等特点，采用极点配置的方式将控制模型配置到理想状态。针对尾拍过程非线性和不确定极大的特点，建立了面向扰动的变结构控制器，实现超空泡航行器扰动运动控制。采用极点配置变结构控制方法，分别设计了滚转通道和俯仰通道控制律。利用泡体耦合动力学模型进行6DOF控制闭环轨迹仿真，稳定巡航过程中深度控制误差小于0.1m，滚转角控制误差小于4°，表明该控制方法能够对航行器滚转角和深度实现稳定控制，控制效果较好，能够满足超空泡航行器航行要求。