（电力电子与电力传动专业论文）无人自主水下航行器矢量推进器研究.pdf

醣托： j 堑人学顿士学谴论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o na d v a n c e san e v fk i 艇o fw a t e rp u m pt h r u s t e rw h i c h1 t s e s t h r u s tv e c t o rt e c b m i c a it oi m p r o v et h ea u vm a n e u v e r a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y b a s e d o nt h em a t hm o d e lo fa u vi nt h es h a p eo ft o r p e d om a t hm o d e l ，a u vm a t hm o d e l w i mv e c t o rt h r u s t e ri sm o d i f i e d t h em a t hm o d e li s s i m p l i f i e d t h e n t h e t h a n s f u n c t i o ni se d u c e do nt h eb a s i so ft h es i m p l i f i e dm o d e l s i m u l a t i o nt ot h es a m e a u vi sc o m p l e t e db e t w e e nt h ev e c t o rt h r u s ta u vt r a n s f u n c t i o na n dt h eo r d i n a r y t h r u s to n e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ea u vm a n e u v e r a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y i si m p r o v e db e c a u s eo f t h ew a t e rp u m pt h r u s t e rw i t h t h r u s tv e c t o rt e c h n i c a lu s i n g t h ec o n t r o le f f e c t i o no ft h ep i dc o n t r o la n df u z z ya d a p t i v ec o n t r o li ss i m u l a t e d t ot h et r a n s f m a c t i o no fa u v w i t hv e c t o rt h r u s t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tf u z z y a d a p t i v ec o n t r o li sc o m p e t e n tf o rt h ea u v c o n t r o lt a s k b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e a u vv e c t o rt h r u s t e rc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t s t r a t e g yi sg i v e ni nd e t a i l d s pi su s e da sm i c r o - c o n t r o l l e r ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e o f g o o dr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i c ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，h o l i s t i cc a p a b i l i t y i m p r o v i n g ， d u a l d o s e dl o o ps t r u c t u r ei sa d o p t e di nm a i nt h n j s tm o t o ra n dr u d d e rm o t o r s ，a n dp i c o n t r o l l e ri si m p l e m e n t e db yd s ps o f t w a r e 。s h a r eb u si sc a nb u sw h i c hi sn i c e f u n c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n g r e l i a b i l i t yi si m p r o v e db yh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep r o t e c t i o na n da n t i - j a n a m i n gm e a s u r eo nt h eb a s eo fs y s t e mb a s i cf u n c t i o n k e y w o r d s ：u n d e r w a t e rv e h i c l e f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l d s pc a nb u s t h r a s t e rv e c t o rm a t hm o d e l b r u s h l e s sd i r e c tm o t o r 疆j ei ：韭大学硕：l j 学位论文主要蒋号淡 e x 。t 乏 b x y z x e ，匕，乏 仍，0 s 珥u 计 p ，g ，r p ，躬一 x g ，g ，z g t 。 下， f x ，f 。，f | m 。mv ，m z n m g b g p i 。，i y ，i ； x f ，y ”z t c ；，c ；，c ；，c 尹 c 。，c ；，c ：，e 篓 睇，c i ，c ，c i ， c 嚣，c ，c 嚣， c ；，q ，c 寄 五。，如：，五，如， 焉，五；，五s ，磊s 主要符号表 逡錾璧嚣系 体坐标系 浮心在地面坐标系的坐标分量( m ) a u v 相对于地磷系的三个欧拉角( r a d ) a u v 长度( m ) a l v 铲最大菝截嚣攒鼬2 ) 浮心速度矢量在体坐标系中的坐标分羹( m s ) 旋转角速度在体坐标系中的坐标分爨( r a d s ) 角速度p ，q ，r 的无量纲量，p = p l v , i ，q = q l v ， r = r l v ! 耋心在嚣垒标系豹箜稼分量( m ) 作用在a u v 上的合力( n ) 作用在a u v 上的台力矩( n m ) 屯在体坐标系中的坐标分量( n ) t ：在体坐标系中的坐标分量( n t m ) a u v 浮心速菠矢藿( m s ) a u v 质量( k g ) 重力加速度( m s 2 ) a u v 浮力( n ) a u v 负浮力，a g = g b c n ) 奔痿密潼蕊g 熊3 ) 喷水推进器产生推力( n ) 转动一l 贯m ( k g m 2 ) 推力作用点在怵坐标系的坐标分量( m ) 流体动力系数 隧麴质量因数 西j i 二l ：= 嫂大学颈士学位论文主受符号表 仪，器 6 。，6 r ，屯， 民，暖 q 毪 d 只 嘎 血口 v 口 d a d p 九 攻角、侧滑角( r a d ) 水平舵角，直舵角，麓动舵角( t a d ) 矢量黎逑方式下静承乎麓角，壹舷建( t a d ) 喷水推逊器喷口流速( 耐s ) 喷泵流擞( m 3 s ) 囔承搀逡器逶墨渡速( r i g s ) 喷泵效率 水的重度( k g m 3 ) 喷水推谶系统东头损失系数 喽泵辑鬻翁鞫功率( w ) 主推进电机输出功率( w ) 轴系效率 囔霸甏狻( 蕊2 j 泵叶处水流通过面积( m 2 ) 喷泵泵叶处流速( m s ) 喷泵密承疆壹径0 n ) 泵时奁衽( n 1 ) 喷泵总水头( m ) 第一章戆论 第一章绪论 。 无人水下曩意行器麓贫 无人水下航行器( u n m a n n e du n d e r s e av e h i c l e ，简称u u v ) 在海洋探 索中的重要性，不皿于火箭和航天飞机在宇宙探索中的作用。无人水下 航行器被称作海军的“力量倍增器”，有若广泛而重嚣的军事用途。无人 承下蹙茏行器可以作为潜艇囊里秘遴攻麴手段，铡翔幽灌艇鱼雷管发燕寸鹣 无入东下靛褥器可送行承下鼗裰、搽铡敌东雷场、鞭踪著消灭敌潜艇； 无入水下航行器还可作为潜艇远躐离航行时的通信中继站，提高潜艇的 生存能力，还可咀作为诱饵将敌潜艇诱至埋伏区，然后咖同围歼。作为 反水雷工具，无人水下航行器可深入敌水雷区绘制黉区图，以引导己方 麓艇安全通过，强时它逸可对邑方承誊区逶行巡逻辍季户，菸壹敌方破坏 l 】。在开震j 战斗性海军活动，翔羧集气象稻海洋数据等，以及氏鲻方 面，如海洋研究和开发、海洋科学考察和海底资源勘查等，也需要使厢 无人驾驶系统，以提高质量和降低赞用。 由于无人水下行器在军事和民用方面的重要作用，目前世界上至少 有1 0 多个莺客在从事拳下簸行捺蕊磅究工 睾。 盍谤全毽赛已有1 0 0 0 余 艘各季l l 用途兹u u v 投入使滔。铡翅法国已为1 4 鬻海军提供了遮3 5 0 兵 用于灭雷的r o y ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ，遥控水下航行器，简称 r o v ) ，此外还有意大利的m i n 和“冥王星”，德国的“企鹅b 3 ”，瑞挑的 “海鹰”和“双鹰”，美国的m n v 等f 2 1 。 无太承下囊趸行器静发展经历了= 卡整纪六十每代戆遥控隶下靛雩亍潞 帮最近2 0 年的磷究重点蠢主式水下靛彳亍器( a u t o n o m o u su n d e r w a t e r v e h i c l e ，简称a u v ) 两个阶段。r o v 执行任务时需要人的操纵，而 a u v 在执行任努时无需人的操纵，由控制系统对其航向、航速、航深及 悬停进行控制。a u v 的活动范围不受电缆长度限制，自治性高，应用前 装更为广泛。 1 2a u v 动力推进系统 动力推进系统是水下航行器的主要组成部分，它由动力装鹭与推进 器两部分组成，动力装置分为热动力与电动力两大炎，推进器主要有三 耱：霹转螺旋蘩、导管螺旋桨与袋喷射雄送器。 嚣l l ：、韭大学颈+ 论文 第一肇绪论 对转螺旋桨是指一对同轴安装、旋转运动方向千日反且旋阳相反的螺 旋桨，这是目前水下航行器应用最广泛的一种推进形式。对转螺旋桨具 有绪季冬麓零、失簿力矩套、效率较裹等魏点，毽嚣时存在空滤瞧髭差， 震动噪音高，适应交工况能力差等缺点，特别是随餐a u v 航速的提高， 对转螺旋桨推进器的流体动力噪声也在增大，当速艘大于4 5 节时，已很 难瀵足a u v 量导要求。此外对转螺旋紫严重旋尾淡效应，对于零趣a u v 来说，也大大降低了其隐蔽性和生存能力。 导管螺旋桨是在对转螺旋桨的外围加上一切谢为机翼型的环状导 管，露管的作用是造成一个有利于螺旋桨工作的滤场，同时俘为难进器 豹一个部势产生维力。它的主要耄| 己点燕效率高、维力大、在风浪中性能 较好和不容易被外物碰坏，在现代水下航行器或大功率船舶中使用很r 泛，目前在鱼雷推进器中使用这种装置的有英国的鳃鱼、美国黝m k 5 0 及浚鞫妁海鳕鱼嚣t 3 。整装导管漂夔桨鹣船舶回转经麓帮餐车戆髭都较 差，并存在着与对转螺旋浆同样的高速噪声大，尾流严重等问题。 喷水推进是一种特殊的推进方式，摊力通过推进水泵喷出水流的反 终耀力获褥，遴过操缓舵等装置改变暖滚方蠢米实现靛嚣体弱掭缎。唼 水推进发展初期，由于当时怒论水平和工业发展水平较低，丽所要求的 推进效率在不断提高，因此螺旋桨推进方式很快先于喷水推进得到发展。 然而喷水推进毕觉在一些领域中具有常嬲螺旋桨鼹不及的优点，如抗空 泡煞力强、辩体隧力小、保护往麓好、嗓音低、逶癍交工况酌范豳大等 特点，所以上世纪中叶以来，世界各国对喷水推进技术的研究有增无减。 随着设计水平的提商，人们越来越发现喷水推进具有很多优点1 4 j 【5 l ： l 、箍送效率离。传统豹敝式螺旋黎在旋籍时不仅产生摇力，囊显产 生无用的扭矩，加上在高速时容易产生空泡，导致了效率的损失。喷水 推进装置的导管不仅起到了分割流场，产生推力增值的作用，丽屋使推 进装麴时轮在均匀懿滚场孛王 睾，在寒逮莛鋈内有舞好夔挠空滚毪麓， 因而能达到更高的效率。掘统计在航速大于2 0 2 5 节对喷永推进具有较 明显的优势。 2 、噪声移震动小。由于喷水推进装鼹的砖动结襁篱单，可降低晦部 嗓誊约7 1 0 d b ，航行俸振韵鬣级氇有掰降低；另外幽于喽水疆遴良好静 抗空泡性能，可饿水声噪音比传统螺旋浆降低约1 0 d b 。据有关资料介绍， 鱼雷的辐射噪声装降低5 d b ，则命中概帮将提高2 5 。 3 、捺缀注鞫动力定位窭耋能往买。喷承箍遗装嚣在整个簸速藏强内都 具有良好的稳定性，而且可以通过改交喷嘴朐方向涞改变推进方向，以 强北：i ：业大学硕士论文第一章绪论 及通过搡靛装置瀚配合，弓| 导水流反囱喷射实现翻辜。对于一些用予扫 雷和猎潜等特殊用途的军用a u v ，在投放扫雷器具和拖拽声呐时，要求 媳有很低的稳定航速，一般推进器很难满足要求。通常采用调距桨来达 到对低航速的要求，但调距桨同时带来了造价高、浆鼹复杂、维护保养 互俸困难等阉鼷。i 嚣采爱嚷承撵邀装置裁可以满足这类a u v 数徽遴掇 级往难题。 4 、推进泵f ! f 勺叶轮在导管中受到较好的保护，不易损坏。 5 、在工况变化的条件下，能充分吸收主机功率，适应变工况的能力 强。 喷拳摆遗糕京煮不是之楚，翻在霆蔗速较低嚣，攘遂效率瑟传绞螺旋 浆低：雄遂泵时轮豹辑换毪螺旋桨复杂等。 泵喷射推进器就是喷水推进的一种方式，目前已成功地使用此类推 进装置的有美国的m k 4 8 鱼雷，英剿的s p e a r f i s h 鱼黼等f 6 】。 1 3 推力矢量技术 雄力矢量技术懿研究及其庭溺在导弹、火嚣、飞枫上已经套较繁豹 历史。第二次世界大战中，德国v - 2 火箭上使用石爨燃气舵以控制火箭 瓷态，这就属于早期的矢量推力形式。上世纪7 0 年代，为j , q - 推力矢鬣技 术应用于飞机上，美国开始研究舆有俯仰推力矢量和反向推力矢量的二 元矢量喷管。鏊藤诲多薪型导露、火蘩和飞援上都袋爆了雄力矢量技术， 妊f 一2 2 、x 一3 等 7 】_ 。 1 3 1推力矢量控制技术简介 推力矢量技术叉称推力转向技术，是指空间运动物体的推进系统除 了提供翦迸接力夕争，还熊同时或擎狐在运魂物体魄德蟓、德靛、横滚翻 反接力等方自主提供撰进力帮力簸，簿懿部分或全都敬代靛蘑产生酾动 力来进行控制，即推进器推力矢量化。推力矢量技术目前主要用于控制 飞行体的飞行方向和姿态角以提简回转能力，从而改善其机动性，敏捷 憔，以及在高空和低速动压低的飞行条件下仍有较高的回转能力。报力 矢量技术戆够缀好孵决一毽极大遽角飞行时产生的失滚润题，在提藩敞斗 飘梳动径、稳势径鞠生存栽力等方露具有 常重要戆 每焉帮意义。 目前航空航天领域所采用的摊力矢量技术是邋过改变飞行体燃气流 喷射方向实现的，按其使推力偏向的手段不同大体可分为3 大类 8 1 ： l 、可动喷管型 蹦e ：e 业大学硕士论文 第一章绪论 程蘑使唉蓉总体转向来改变臻力豹方囱。萁特征怒无推力损失，必 须密封，因驱动喷锗摩擦力增大使驱动部分质量大、安装空问大。 2 、二次喷射型 在喷管壁面上设喷射口，利用在喷管内部二次喷射流体( 液体或气体) 矮内邦产生击波采敬变接力方蠢。该方式虽无雄力损必，僵必须骞，贮存 喷射流体豹贮箱，臻大了安装空阁。 3 、机械导流板( 偏向板) 通过驱动设鼹在喷管后部使气流偏向的导流板产生冲击波来改变推 力方向。导流板相对气流形成阻力，存1 0 左右的推力损失，驱动装置 鼷鬈较轻，传动装滗爵鞋小型位，安装空凌较小。在狡缓导滚援式接力 矢嚣控意l 装置中，偾麓最多| 毒有燃气舵、偏流环帮导流持三释。 a 燃气舵 在喷管内部或后方设置3 4 片舵翼，通过改变该燃气舵的角度来 改变雄力方向，其主要特征是利用一个喷管可以进行俯仰、偏航和滚转 三辘控裁。 b 穰流环 在发动机喷管届方设置圆筒形导向器( 偏流环) ，利用改变该偏流 环的方向来改变推力的方向。该方式县有较大的推力偏向角和推力损失 较少的特征，在特性方蕊也最优。但在进行三轴控制时，必须使用多喷 警。 导流片 在喷管后方，利用从喷管外侧向蕻内部进出导流片的方式来改变搬 力方向。其特征魁推力偏向角较小，在进行控制时推力损失较大，在不 进行控制时没有推力损失。利用导流片进行三轴控制时也必须使用多喷 餐。 1 3 2 推力矢爨技术在a u v 上的应用 目前水下航行器应用比较多的述悬螺旋桨推进器和以鳍舵构成的操 纵弼，推力矢量技术应用所见报导不是很多。然而如前所述，螺旋桨推 进器其寿空泡牲熊麓、露流影响严鬟、低速稳定性不馕秘趣毒速噪声严 夔等簸点，侵人粕越来越颓离子磷巍缝能更为饶舅鹣喷承式疆逮装置。 翁一方面，当水下航行器低速航行时，以鳍舵构成的操纵面控制效率会 严熏降低，甚至失效。综合这两个方硅i i ，研究一种噪声低、稳定性好、 在任何航速下都戥有良好操纵性的推进装置摆在人们蕊前。 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 推力矢量技术应用于a u v 可以有两种方案： 1 、螺旋桨推进系统矢量化 即通过改变整个推进系统的方向来改变推力的方向。这种方法又可 分为两种，即全部偏转( 推进电机和螺旋桨) 法和部分偏转( 螺旋桨) 法。这两种方法，前者由于要求整个推进部分可动，因而驱动部分装置 较大且复杂、需密封、尾部可动部分可能存在舵效应；后者需要复杂的 传动装置，也需密封，m i c h e l i n i 9 】和c a v a l l o 1 0 】 1 1 1 就提出了这样的推力 矢量化结构。然而由于螺旋桨推进装置固有的缺陷，以及矢量化带来的 驱动装置大、结构复杂、稳定性不高等使得这种方案可行性不高。 2 、结合推力矢量技术的喷水式推进系统 通过改变喷水推进器的高速射流来改变推力的方向。这种方法集中 了喷水式推进器和推力矢量技术的优点，能够满足未来新型a u v 对低 噪声、高效率、高操纵性、高机动性等方面的要求。根据飞行体推力偏 向的手段和经验，对于喷水推进器喷流的改变可采用机械导流板式，这 种方法虽有推力损失，但结构简单、易于实现，结合目前的研究现状和 技术发展水平综合考虑，可行性较高。 此外，多应用于水面船舶的喷水式推进系统在推力矢量技术的应用 上也比较成熟，例如新西兰的h a m i l t o n 公司和瑞典的k a m e w a 公司的各 型喷水推进装置【1 2 】。这些喷水推进装置的射流偏转也主要是机械导流板 式。船舶的运动可以看成是二维平面上的运动，因而其所采用的矢量喷 水推进装置可控自由度少。然而对于空间运动具有6 自由度的a u v 来 说，研究能够同时控制其航向和姿态的矢量喷水推进装置，可以说是一 个新的扩展和开拓。 1 4 本论文研究内容 全文共分七章，具体安排如下： 第一章：绪论。结合目前a u v 动力推进系统和操纵性的研究现状， 提出了一种采用推力矢量技术的喷水式推进器，用来提高a u v 操纵性 和机动性，喷水式推进器的采用同时也能大大降低推进器噪声对a u v 隐蔽性和自导的影响。 第二章：推力矢量a u v 数学模型。详细描述了结合推力矢量技术 的喷水式推进器的结构，给出了喷水推进器和矢量舵的数学模型。根据 本文采用的矢量推力方法，对具有鱼雷或潜艇外形a u v 的原有数学模 型进行了修正。对修正模型进行了合理的简化，并由简化模型得到了 疆北t 业大学硕士论文 第一章绪论 a u v 挠动方程鞠传递函数。 第三章：推力矢量a u v 仿真及操纵性研究。在第二章的基础上， 采用鱼雷数据，对矢量推进方式下和普通推进方式下的数学模型进行了 仿真。根据得到的仿真结果对两种推进方式的操纵，隧指数进行了对比， 礴融遥过仿真对魄了两穗雄逑方式瓣回转性能。仿嶷绫暴表明矢量攘遴 方式毙普逶接邋方式其有更努静搽缎经翻规动往。该仿真结栗对子矢爨 推进a u v 数学横裂的进一步完善和验证具有很大的参考性价值。 第四章：推力矢量a u v 控制技术研究。根据圈前应用在水下航行 器一k 的多种控制方法，综合考虑备神控制方法的优缺点，选用模糊自遁 感控制来实现a u v 兹运动控铡。醴矢量推进方式下艴传递丞数为被控 对象，对p i d 控涮翻摸颧骞适或控铡豹控裁效栗送行仿真。文中绘澎了 详细的模糊控制规则表，控制器参数以及m a t l a b + f 的仿真框图，并对 两种控制方法的仿真结果进行对比。 第五章：矢墩推进器控制系统硬件设计。根据a u v 控制体系结构， 爨点滋骥本 淦文蹶涉及到豹功戆模块，馁予对矢量按遂器控割系统在熬 个控裁系统中静功能鞠捧蠲有个整体毪认识。结合矢蠹撵遘器秘功簸鞠 需求，在对其执行机构分析的基础上，提出了一种硬件实现方案，并对 该方案进行了详细的描述。根据硬件方案，给出了电路原理图，并对硬 件电路的工作原理进行了具体说明。 第六章：矢爨推进器控制系绫较辞设计。棱撼翳弱章鲍褒件缝秘， 在软 孚需求分轿酾基础上，详缁绘爨了整令控裁系统麓软件设诗方案， 以及具体的实现方法。综合考虑软件功能的合理性和可靠性，采用看门 荨句和数字滤波技术来提高软件的抗干扰性能。 第七章：工作总结。 援- i l ：f l ! t k 天学颈士论文菸二耄接力矢量a u v 数学禳蘩 第二章推力矢量a u v 数学模型 2 1引言 数学模登是系统的撞象表达，它鞠一静特定懿数学形式箍述系统， 然后再通过一定的算法予以处理，从而实现系统的行为与特征。数学建 模中模型精确性与有效简化间的合理折衷至关重要，系统的分解与综合 对于a u v 这样的复杂的大系统建模极为有用。 对予其有惫鬟藏漤蕤终形懿a u v ，出于萁运动跫具有六令垒凌瘦 ( d e g r e eo ff r e e d o m ，d o f ) 的空闯运动，下面将a u v 作为刚体，纛 力、流体动力和推力等作为外力，根据坐标系及其转换矩阵推导出运动 学方程；根据动嫩定理和动量矩溆理推导出动力学关系式；根据流体力 学理论将作用于a u v 的流体动力分解成粘性类流体动力和惯性类流体 动力，著绘交臻援表达式。缀合掰攥芬窭鹣a u v 窆鬻运动方程静一般 表达式，将其空间运动分解为缎向运动和侧向运动，可得虱a u v 空阍 运动的简化式，便于a u v 控制系统的综合分析。 本章中的坐标系采用文献 6 】中所用的地面坐标祭和体坐标系，分别 记 乍e x 。艺互和b x y z ，坐标系间的转羧矩簿记为c 妻鄹c 。b 。 运动参数慕蠲文藏【6 】中鹭参数，翔a u v 空润6 爨崮疫运动霹采弱 如下矢量形式描述： 1 1 = h ，1 1 ：nt i 。= 【置，e ，乙卜l i ：= 【妒，1 9 r v = v i ，v 珂： v 。= 【轧v 订；v ：= 【p ，q ，r z = 苫? ，t ； 7 ；t ，= e ，巧，芝 7 ；t ：= 坂，嗨，m ： 7 遮里，h 捂稠辩予圭也面坐标系的位置与方向矢麓；v 指相对于俸黧稔 系的速度和角速度矢量；f 用于描述体坐标系中作用于a u v 上的力和力 矩矢量。 2 。2a u v 矢墨推进器结构及数学模型 就第一章撬出的采用极辕罨流板采偏转喷承掭滋器尾流的方法，我 们f 设计了一种采用推力矢量技术的喷水式推进器，以下简称矢量推进器。 下面给出这种推进装置的详细结构及数学模型。 2 。2 a u v 矢量推进器总体缝掏 西北工业火学硕士论文第二章推力矢量a u v 数学模型 a u v 矢量推进器总体结构如图2 1 所示，分离结构见图2 2 所示。 由图2 2 可以清楚地看出，a u v 矢量推进器由叶轮、导叶、导管、矢量 舵等四个部分构成。 在a u v 上采用图2 2 所示的喷水式矢量推进器有如下特点： 图2 1a i j v 矢量推进器可透视三维图图图2 2 i j v 矢量推进器分离三维图 1 、在不改变a u v 尾部外形的基础上减小了推进器噪声。 2 、取消了传统的安装于航行体表面的舵，这样进一步降小了a u v 图2 3 矢量推进器a u v 的尾部结构 1 一导管支架；2 一导管：3 一转子；4 一导叶；5 一鳍；6 一矢量舵 勰蔻工韭大学颈j ：论文 第+ ：奄捺力矢量a u v 数攀谈犁 阻力，消除了表面舵偏转时对喷水推进器进流影响。 3 、采用矢鬣舵。喷水推进器的射流速度一般为航行体航行速度的 1 2 倍左右，两舷蕊敷能提供的操纵力与流体速度的乎方戚正比，显然位 予喷承维逶嚣篦滚中戆矢量鸵糍魄浚瑟麓提供更丈瓣襟缀力霹力筵。 a u v 矢量报进器各部分名称觅豳2 3 。喷承维遂器一般选用轴流浆 或混合泵，本文选用轴流泵。叶输是轴流泵的主要工作部件，主要用于 水流加速。导叶阉定在推进器壳体上，作用是把叶轮中流出的水流施转 运动变为轴商运动，减少永头损失，把旋转静动能变为压力能。矢鬃栽 l 蠡霆个靛垂梅蔽，瘸予镳转导时滤蹬静高速雾l 流方两。 2 2 2喷水推进器数学模戮n 柏 喷水推进a u v 所需动力由主机提供。主机赢按带动或通过传动裟 鬣荣动喷泵旋转，产生接力，通过摧力毫 l 承终嗣在a u v 上摆动前毒亍。 l 、喷系在a u v 后发壅鲍毒效接力 t = p q ( 吒一v o ) ( 2 。1 ) 式中：p 为水的密度；q 为喷泵流照：v 口为喷口流媳；u 为进口流速。 v e = ( 1 一c o ) v , ( 2 2 ) 式中：v 。为兢逮；掰势斧流系数： 2 、泵喷滚曩 o = 吃咏= v ， ( 2 3 ) 式中：吃为喷口丽积，吃= 万等；为泵叶处水流通过面积，= 譬； 为囔泵泵咛楚溅逶，= 白2 啄；d a 为凌泵窭求鞠豢经，d p 为泵时蕊 径。 3 、喷口流遮 = 拓瓦研+ 拓乏研 ( 2 4 筒p = 厕g g p o ，譬= 志 式中：g 为重力加速度；玑为喷泵效率；y 为水的熏度；芋为喷水推谶系 统水头损失系数；乃为嚷泵所需麴轴功率a 4 、褛泵爨添疆功率 蘸就一t ：遭大学硕士埝文第二章捺力矢量a u v 数学镤爱 昂= y q h r l ，= 毋孔( 2 ，5 ) 式中：h 为喷泵总水头， 是：( 1 + + ) - y 一善 ( 2 6 ) o z g 二g 只为主推进电机输出功率，珑为轴系效率。 2 2 3 矢量舵工作原理 矢量蛇是从表醚舵借鉴过来的，矢量舵的工 乍艨瑷与表覆舵完全捆 溺，嚣者耱区裁仅在予矢量麓量戆浚髂动力是靠嚷泰捺遴器囔蘩懿骞邃 水流通过舵面产生的，而表面舵上的流体动力则是围绕在航行体表面的 水流通过舵面产生的。因此，矢量舵从舵面形状到配谶均与表面舵类似， 四个舵面安装在泵喷推进器喷口处或喷口内，舵面在伺服机构的带动下 镳转，产生a u v 掰露豹控翎力，从聪渡变其姿态或靛国。 f a ) t 澎藏 霉2 4 靛形配置 强) x 澎戴 矢量舵系统主爱由矢量舵丽利伺服机构两部分构成，舵位置见图2 1 所示。 当黉鞭秘橡繁秘矢量怼在泵喷射攘遴器夔滚中镲转瓣，筵瑟与喷滚 楣互作箱，使喷流发生偏转，产生所需的铡向力帮力艇。匿个靛蟊静往 鬣配置关系如图2 3 航行体尾部横向剖面图所示。同袭面舵类似，矢羹 舵可以布置成图2 4 ( a ) 所示的十形，也可以布置成图2 4 ( b ) 所示的x 形。 l 、十形舵 卡形怼是各耱空中飞行器秘东下靛行髂瘟援最晕、缓溺蓑多豹惩豢 缴磷基本形式。卡形舵具有结构和农鬣相对简单，对航向和姿态鲍揉缴 感观，操纵性分析简单等特点。然而随着a u v 对机渤性、操纵性要求 的不断提高，十形舵只能通过增大舵面积来满足要求，它带来了超宽和 舵钒功率过大的不可靠因素；此外十形舵不能够主动控制横顿，限制了 a u v 豹裹速霾转筑凌瞧。 p 箍i 业夫学硕士沦文 第二豢攘力矢量a u v 数学嫒型 2 、x 形舵 x 形舵具有较商的舵效，因而总舵面积比十形舵可以减少1 0 左右， 承动力性能良好，可以进行横颓撵铡，但是不如十形舷操级直观。关于 x 形靛兹麓囊定义激及与卡形舷豹等效关系霓参考文献【6 】。 2 2 4 矢量舵性能分析l 1 、舵面偏转角度 矢量舵舵瑟镳转角度受至两方霹酌限刹，其一照搬据滚体动力举原 遴，为缲蔫产釜的餐自力暴煮较蚤孑懿线往度，舷角不寇遗大；英二爨国 推进器喷口径向尺寸的限制，靛角也不能很大。矢爨舵舵面最大偏转角 度一般限制为- + 1 0 6 一2 0 。 2 、矢量舵侧向力 当矢量舷舷覆不镶转露，穗对予竣拳拦进器射流豹攻角为零，此时 不产生铡自控制力，当矢量靛舷甏镶转露，稷提滚体动力学原理，栽颟 产生的侧向力为： t e = 去成记屯哆辞 ( 2 7 ) 其中：反为喷嚣懿承渡密度，毪为唆嗣藏速，s 。y s 矢麓舷j | | 雹嚣参考瑟积， 母为舵西舞力系数对舵褊角静导数，岛，为矢量舷靛鬣偏转螽度。 3 、矢量舵瞅力 矢量舵引起的阻力r 为 1 = 圭岛气c d( 2 8 ) 五 其中c 。为矢量舷隈力系数。 2 3 a u v 空间运动受力分析 根据a u v 运动中斯受外力产生机理，t 可以分解为 彳= f 盯+ 苫g 蕈? ， g r 1 ，静不稳定，动稳定 g r _ _ 2 0 0 3 0 0 a 矢量推进方式b 普通推进方式 匿3 1 3 缀南运动回转益线 通常鱼雷速度的大小在航行过稷中基本上是常数，所以鱼雷的机动 性主要是指鱼雷改变运动方向的能力。鱼雷的机动性。般用法向过载或 抽搴半径度量与评价，鱼雷的定常网转半径或回转角速度也是评价鱼露 撬凌往静重要参数。 在上一节我们仅从操纵佳指数上对比了两种不同推进方式对鱼雷的 操纵性影响，不够崴观地表现两种报逛方式下鱼雷回转半径的变化。下 面戏们给定相同的舵角，根据两种推进方式的仿真结果来分析推进方式 对翻转半径的影酾。 在麓餐莎= 茂一3 ，5 。簿，銎3 ，3 绘邀嚣穆整遗方式下鱼霍缀自运动豹 黼转半径。当鱼雷在铅垂面内作回转运动时，由于负浮力a g 及重力矩 g 喁：在回转过程中怒按c o s 0 规律变化的，不是常数，因此鱼雷在铅垂丽 内问转运动过程中的回转半径是不断变化的。显然由阁3 3 可以看出， 在操楣| 趸豹舷角条纷下，矢量推进方式魏豳转半径，、予普通推进方式， 具有更好的回转瞧。 3 3 侧向运动分析 3 3 1侧向运动操纵性仿真 羧撂接力矢量a u v 夔传递丞数琴嚣簧遂a u v 戆传递滏数，罴臻表3 ，l 塑! ! 兰些叁堂堡主熊塞 塑三童丝垄叁燕垒竺笪塞墼燮塑壁翌! 塞 中的数据，褥刭瀚铡| 司运动参数过渡趋线觅图3 4 。 c 喜 d 罩 三 o o1 疗 薹国2 - o3 - 04 8 05 。1 鲁 f 1 5 a 侧滑角响应曲线 b 旋转角速度p d l ；, j 应曲线 01 0