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X形全动舵十字形鳍布局高速水下航行器设计参数对操纵性影响分析

张锐

张锐. X形全动舵十字形鳍布局高速水下航行器设计参数对操纵性影响分析[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(5): 750-759 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0057
引用本文: 张锐. X形全动舵十字形鳍布局高速水下航行器设计参数对操纵性影响分析[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(5): 750-759 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0057
ZHANG Rui. Influence of Design Parameters of High-Speed Undersea Vehicles with X-Shaped All-Movable Rudder and Cross-Shaped Fin on Maneuverability[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(5): 750-759. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0057
Citation: ZHANG Rui. Influence of Design Parameters of High-Speed Undersea Vehicles with X-Shaped All-Movable Rudder and Cross-Shaped Fin on Maneuverability[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(5): 750-759. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0057

X形全动舵十字形鳍布局高速水下航行器设计参数对操纵性影响分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0057
详细信息
    作者简介:

    张锐:张 锐(1991-), 男, 博士, 讲师, 主要研究方向为兵器发射与动力推进技术

  • 中图分类号: TJ630.1; U674

Influence of Design Parameters of High-Speed Undersea Vehicles with X-Shaped All-Movable Rudder and Cross-Shaped Fin on Maneuverability

  • 摘要: 针对X形全动舵十字形鳍布局的高速水下航行器外形结构, 采用部件叠加原理建立了航行器流体动力系数与各部分尺寸之间的函数模型, 建立了航行器流体动力、操纵稳定性和机动性与流体动力系数的关系。在给定各部件尺寸范围的前提下, 通过优化超立方拉丁抽样得到设计变量的样本区间, 采用试验设计思想分析了设计参数对航行器机动性能的影响程度, 以及操纵性能对设计参数变化的灵敏度。结果表明, 当设计参数在约束范围变化时, X形全动舵十字形鳍布局的高速水下航行器纵平面稳定度Gy和侧平面的动稳定度Gz均在0.4以上, 具有良好的机动能力; 航行器的负浮力大小与重心和浮心相对位置对航行器的GyGz影响比较明显且呈现负效应; 全动舵的舵截面弦长和展长对航行器机动性能影响最大, 且全动舵宜设计为大展弦比舵并尽量安装在靠近尾部的位置。

     

  • 图  1  常见高速水下航行器流体动力布局

    Figure  1.  Fluid dynamic layout of common high-speed undersea vehicle

    图  2  航行器结构示意图

    Figure  2.  Underwater vehicle structure

    图  3  曲线段参数可行域

    Figure  3.  Feasible range of curve segment parameters

    图  4  全动舵操舵示意图

    Figure  4.  All-movable rudder steering

    图  5  参数对航行器Gy影响程度Pareto图

    Figure  5.  Pareto diagram of influence of parameters on Gy of the vehicle

    图  6  Gy对参数的灵敏度

    Figure  6.  Sensitivity of dynamic stability of Gy

    图  7  参数对航行器Rmin的交互影响

    Figure  7.  Interaction influence of parameters on the Rmin of the vehicle

    图  8  Rmin对参数的灵敏度

    Figure  8.  Sensitivity of the Rmin to parameters

    图  9  α0对参数的灵敏度

    Figure  9.  Sensitivity of α0 to parameters

    图  10  δe0对参数的灵敏度

    Figure  10.  Sensitivity of δe0 to parameters

    表  1  航行器尺寸参数符号及含义

    Table  1.   Symbols and meanings of size parameters of undersea vehicle

    符号含义符号含义
    $ {X_{fh}} $水平鳍板压心距离
    前端面距离
    $\Delta {X_G}$重浮心距离, 重心在
    浮心前为正
    LT水平鳍板后端面距离
    前端面距离
    DE尾部曲线后部收缩段直径
    G航行器重心B航行器浮心
    ${R_{\rm{span}}}$全动舵展长${F_{\rm{span}}}$水平鳍展长
    ${C_{f{\rm{tip} } }}$鳍梢弦长${C_{f{\rm{hole} } }}$鳍缺口长度
    ${C_{\rm{rudder}}}$全动舵截面弦长${L_{\rm{trail}}}$尾部曲线段长度
    ${D_{\rm{trail}}}$尾部后端面直径${L_{\rm{nose}}}$头部曲线段长度
    $D_F$头部平头端面直径${\chi _0}$鳍板前缘后掠角
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    表  2  设计变量及约束条件

    Table  2.   Design variables and constraints

    输入参数变量名称符号取值范围输入参数变量名称符号取值范围
    常值参数壳体长度/mLT1.6常值参数鳍厚度/mTfin0.005
    可调参数头部前端面直径/mDF[0.05,0.08]可调参数航行器重心和浮心距离/mΔXG[0.005,0.015]
    头部曲线可调参数1$ \sqrt {2R} $[0,0.5]尾端面直径/mDtrail[0.05,0.07]
    头部曲线可调参数2Ksn[4,12]单块鳍板前缘后掠角/(°)$ {\chi _0} $[15,30]
    尾部曲线可调参数1Kst[0,0.8]X形舵展长/mRspan[0.05,0.08]
    尾部曲线可调参数2Kat[2,8]X形舵弦长/mCrudder[0.03,0.06]
    鳍梢弦长/mCftip[0.1,0.15]鳍板展长/mLfspan[0.05,0.075]
    头部曲线段长度/mLnose[0.15,0.25]鳍缺口长度/mCfhole[0.06,0.08]
    尾部曲线段长度/mLtrail[0.25,0.4]负浮力范围/NΔXG[5,25]
    尾部端面直径/mDtrail[0.05,0.06]
    输出参数航行器浮心距前端面距离/mXB输出参数水平面最小回转半径/mRmin
    纵平面动稳定度Gy侧平面动稳定度Gz
    平衡攻角/(°)$ {\alpha _0} $平衡舵角/(°)$ \delta _{e0}^{} $
    鳍压力中心距离前端面距离/mXfh舵力矩中心距离前端面距离/mLrh
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-14
  • 修回日期:  2022-11-22
  • 录用日期:  2022-12-05
  • 网络出版日期:  2023-08-15

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