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深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究

赵志超 李天辰 谷海涛 高浩

赵志超, 李天辰, 谷海涛, 等. 深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 586-596 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
引用本文: 赵志超, 李天辰, 谷海涛, 等. 深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 586-596 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
ZHAO Zhi-chao, LI Tian-chen, GU Hai-tao, GAO Hao. Research on Unpowered Trim Ascent Motion Characteristics of Deep-sea Vehicles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 586-596. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
Citation: ZHAO Zhi-chao, LI Tian-chen, GU Hai-tao, GAO Hao. Research on Unpowered Trim Ascent Motion Characteristics of Deep-sea Vehicles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 586-596. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001

深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
基金项目: 十三五预研项目资助(2020107-2002); 中国科学院前沿基础研究项目(QYJC201913).
详细信息
    作者简介:

    赵志超(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下机器人水动力学

  • 中图分类号: U674.941; TJ630.33

Research on Unpowered Trim Ascent Motion Characteristics of Deep-sea Vehicles

  • 摘要: 为提高深海无动力运载器上浮响应速度, 满足任务载荷出水姿态要求, 文中考虑洋流和浮力变化影响, 基于四元数法和自主水下航行器空间运动方程, 建立了运载器空间运动仿真模型, 解决了大纵倾角和垂直上浮姿态求解奇异问题, 探究了净浮力、重浮心距离、舵角、初始发射条件及海洋环境扰动对运载器纵倾上浮运动的作用规律。结果表明: 基于四元数法的深海运载器空间运动方程, 能有效避免运载器大纵倾角或垂直姿态上浮时姿态求解奇异问题; 无动力运载器采用大纵倾角和垂直姿态上浮, 可实现较大上浮垂向速度, 减少其水平面漂移距离; 浮力变化扰动和初始发射条件对运载器上浮状态影响较大。相关研究为无动力运载器总体布局以及大纵倾角和垂直上浮运动预报提供了参考。

     

  • 图  1  深海运载器坐标系示意图

    Figure  1.  Coordinate system of a deep-sea vehicle

    图  2  洋流速度随深度变化剖面图

    Figure  2.  Ocean current velocity at different depths

    图  3  海水温度和盐度随深度变化曲线

    Figure  3.  Temperature and salinity values at different depths

    图  4  浮力随深度变化曲线

    Figure  4.  Buoyancy change at different depths

    图  5  深海运载器空间运动仿真模型

    Figure  5.  Space motion simulation model of the deep-sea vehicle

    图  6  基于STAR-CCM+的无动力纵倾上浮运动仿真

    Figure  6.  Simulation of trim ascent motion of unpowered vehicle based on STAR-CCM+

    图  7  深海运载器纵倾上浮运动仿真对比验证

    Figure  7.  Comparison verification of trim ascent motion of the deep-sea vehicle

    图  8  稳态纵倾角与净浮力、重浮心纵向距离的关系

    Figure  8.  Relationship among steady trim angle, net buoyancy, longitudinal distance between center of gravity and buoyancy

    图  9  稳态垂向速度与净浮力、重浮心纵向距离的关系

    Figure  9.  Relationship among steady vertical velocity, net buoyancy, longitudinal distance between center of gravity and buoyancy

    图  10  稳态上浮参数与重浮心径向距离、水平舵角的关系

    Figure  10.  Relationship among steady parameters, radial distance between center of gravity and buoyancy, rudder angle

    图  11  洋流影响下的运载器浮心运动轨迹

    Figure  11.  Motion trajectory of vehicle under ocean current

    图  12  浮力变化对运载器纵倾上浮运动的影响

    Figure  12.  The effect of buoyancy change on the trim ascent motion of vehicle

    图  13  初始发射条件对纵倾上浮运动的影响

    Figure  13.  The effect of initial lauch conditions on the trim ascent motion

    表  1  运载器浮力变化计算参数

    Table  1.   Calculation parameters of the buoyancy change of the vehicle

    名称符号/单位数值
    运载器初始排水体积V0/m30.031 5
    初始海水密度ρ0/(kg·m−3)1.57×103
    平均海水密度ρa/(kg·m−3)1.024×103
    初始海水温度t0/℃1.616 5
    运载器温度收缩系数αv2.2×10−5
    运载器体积压缩系数βv/Pa−12.89×10−10
    海水体积压缩系数βw/Pa−14.5×10−10
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    表  2  不同净浮力下运载器阻力系数

    Table  2.   The axial drag coefficient of vehicle at different net buoyancy

    W/NVζ/(m·s−1)计算值平均值试验值误差/%
    0.05V−2.9000.130 090.122 250.121.873
    0.10V−4.2400.121 72
    0.15V−5.3440.114 93
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    表  3  洋流扰动下的深海运载器水平面漂移距离

    Table  3.   Horizontal drift distance of deep-sea vehicles under the disturbance of ocean current

    洋流扰动形式η/mξ/m
    无海流0225.7
    顺流0°0322.0
    顺流45°68.1293.8
    顺流90°96.3225.7
    逆流0°0129.3
    逆流45°−68.1157.6
    逆流90°−96.3225.7
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    表  4  水下航行器纵倾上浮水平漂移距离

    Table  4.   Horizontal drift distance of trim ascent of the undersea vehicle

    名称形式θ/(°)漂移距离/mζ/mVζ /(m·s−1)
    深海运载器纵倾85.4~90129.3~322.06 0004.40~4.42
    水下滑翔机纵倾15~202 1009000.3
    载人潜水器螺旋0~1.441.26 0000.28~0.64
    深海AUV纵倾304 777.64 0000.28~0.95
    数据来源: 海燕-Ⅱ数据[19],海燕-Ⅱ数据[20], 蛟龙号第50潜次数据[1], 深海AUV仿真数据[9]
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-08
  • 修回日期:  2021-12-28
  • 录用日期:  2022-08-15
  • 网络出版日期:  2022-09-05

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