水下无人系统学报

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史小锋, 党建军, 梁跃, 胡利民, 路骏, 乔宏

2021, 29(6): 634-647. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.001

[摘要](703) [PDF 3530KB](492) [施引文献] (18)

摘要:
能源动力系统是水下攻防武器的心脏, 其性能很大程度上影响了水下攻防武器的任务范围和作战效能。文中从分析水下攻防武器对能源动力技术的需求出发, 以鱼雷和无人水下航行器为重点, 梳理了水下攻防武器能源动力技术的发展现状, 介绍了美国、俄罗斯、日本以及欧洲各国在能源动力技术方面的特点, 从热动力能源、电动力能源、热机和电机4个方面探讨了水下攻防武器能源动力技术的发展趋势。总结得出, 水下攻防作战逐渐显示出无人化和体系化的特点, 要求水下攻防武器具备远航程、宽速域、大深度的能力, 而能源动力技术则相应地围绕高能量密度能源、高功率密度动力2个主题持续发展。

基于有机朗肯循环的水下动力系统研究

秦侃, 张佳楠, 罗凯, 党建军

2021, 29(6): 648-658. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.002

[摘要](429) [PDF 854KB](137)

摘要:
闭式蒸汽朗肯循环是无人水下航行器动力系统的发展方向之一, 但存在系统效率低的问题。文中提出了一种输出功率为10 kW的闭式有机朗肯循环。详细介绍了水下热动力系统的工作条件和相关尺寸限制参数。建立了系统热力学模型和涡轮机一维设计方法, 设计了在不同工况下的部分进气式小型轴流式涡轮机。利用建立的涡轮机和换热器模型, 以提高动力系统效率并满足在水下航行器中应用的尺寸限制为目标, 对多种有机工质循环系统的运行特性展开分析。计算结果表明, 采用跨临界循环的高温干工质可以大幅度提高系统效率。以环己烷和甲苯为例, 系统效率分别为24.38%和22.29%, 同时满足了尺寸限制条件, 与传统蒸汽朗肯循环相比,...

基于金属燃料的SOFC/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统优化设计

王佳宾, 徐虎, 董平, 郭兆元, 郑群

2021, 29(6): 659-666. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.003

[摘要](294) [PDF 606KB](109) [施引文献] (4)

摘要:
为提高无空气推进闭式动力装置的热效率和续航能力, 建立了一种基于金属铝水反应的固体氧化物燃料电池(SOFC)/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统。首先建立了该系统的数学模型, 将系统输出功率设计为100 kW, 对系统主要参数进行了敏感性分析, 分析结果表明: 影响系统工况性能的主要参数包括SOFC的工作温度、工作压力和布雷顿循环压气机压比; 在固定系统输出量级的情况下, 提高SOFC的工作温度与压力增加了其工作效率和功率分担比, 对SOFC的增益影响大于对布雷顿循环的增益; 压气机压比的变化影响了布雷顿循环的功率分担比, 对SOFC效率也呈现先升高后下降的影响趋势, 总体看来, 压气机压比对布...

常温绿色过氧化氢动力技术现状及发展趋势

单继宏, 王晓东, 张涛

2021, 29(6): 667-673. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.004

[摘要](464) [PDF 1069KB](105) [施引文献] (4)

摘要:
过氧化氢是常温绿色推进剂的典型代表。文中针对装备动力无毒化、多任务和高效能等使命需求, 概述了过氧化氢本征及其动力技术的特点, 分析了当前美国、欧洲等过氧化氢动力技术的技术状态和发展趋势, 总结了我国自“十五”以来过氧化氢动力技术的发展历程。结合先进空天组合动力、新型固-液混合动力以及重复使用液-液火箭动力等新兴技术发展方向, 介绍了过氧化氢在先进动力研究方面取得的突破, 阐述了催化分解和凝胶赋形等过氧化氢动力关键技术获得的进展和存在的问题。

锂/六氟化硫热源启动技术研究

李维维, 马为峰, 韩直亚, 张强, 朱强, 付英杰

2021, 29(6): 674-679. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.005

[摘要](338) [PDF 415KB](121) [施引文献] (3)

摘要:
锂/六氟化硫热源的启动技术是制约闭式循环动力系统在无人水下航行器应用的关键技术之一。文中根据锂/六氟化硫启动过程的特点, 确定了启动剂的基础配方, 制备了小尺寸启动剂样品, 开展了启动剂的点火性能试验和小功率锅炉反应器快速启动试验。试验结果表明, 启动剂释放的热量在几秒内实现了金属锂的液化且锂液温度超过400℃, 点火后合理控制氧化剂和冷却水的进入时间次序和流量匹配方式可实现锅炉反应器的持续稳定工作。

基于乏汽增压的水下半闭式循环动力系统研究

郭庆, 罗凯, 党建军, 秦侃, 陈猛

2021, 29(6): 680-689. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.006

[摘要](257) [PDF 950KB](106) [施引文献] (1)

摘要:
为提升水下涡轮机动力系统的深度适应性, 提出2种半闭式循环动力系统构型方案, 分别是基于乏气掺混冷凝与气液混合物分离后单相增压排放的分离增压方案以及基于乏气掺混冷凝与气液混合物直接增压排放的混合增压方案。建立了水下开式涡轮机动力系统与半闭式系统增压排放的理论计算模型, 并通过计算流体力学方法加以验证。多工况性能分析结果表明: 相比开式循环系统, 半闭式系统在大航深工况下的燃烧室压力与燃气耗量显著降低, 其在600 m工况下的燃气消耗量仅为开式动力系统的60%左右, 在1 000 m工况下的运行参数仅相当于开式系统200~300 m航深的水平。通过对比2种半闭式系统构型方案可知, 压缩效率可对系...

鱼雷涡轮转子-滚动轴承系统非线性动力学特性分析

宋文, 杨赪石, 陈志伟, 孙岩, 任鑫, 李刚, 柴晓帅

2021, 29(6): 690-694. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.007

[摘要](289) [PDF 837KB](78)

摘要:
针对鱼雷发动机涡轮转子系统, 考虑轴承径向游隙, 非线性赫兹接触刚度以及转子不平衡量的基础上, 建立了悬臂转子-滚动轴承系统的动力学模型, 并基于变步长的龙格库塔方法对所建立的动力学模型进行了数值仿真。计算了双参数平面最大Lyapunov指数谱图, 得到了转子系统随双参数变化时的周期和非周期运动的分布规律, 并进行了系统在特定参数条件下的时域特性、频域特性及周期特性分析。分析表明, 随着轴承径向游隙增加, 进入混沌区域的最低转速在不断减低。该研究可为鱼雷涡轮机系统设计提供参考。

水反应金属燃料发动机药柱结构完整性分析

王志龙, 韩新波, 乔宏, 尹韶平, 韩艾, 雷鸣

2021, 29(6): 695-701. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.008

[摘要](314) [PDF 1084KB](85) [施引文献] (1)

摘要:
为研究鱼雷水反应金属燃料发动机高夹杂比燃料药柱在局部限位条件下的结构完整性问题, 开展了燃料药柱试样力学性能试验, 获得了药柱力学性能参数。在有限元软件中建立了燃料药柱试样的数值分析模型, 进行了药柱试样的力学性能仿真, 通过仿真结果和试验结果的对比, 验证了所建立的药柱力学本构模型的合理性。利用该力学本构模型对水反应金属燃料发动机中燃料药柱的结构完整性进行了仿真分析, 得到了燃料药柱的力-位移曲线、应力分布云图以及位移云图, 仿真结果表明, 燃料药柱在典型工况下未发生破坏, 径向和轴向的变形程度符合发动机整体结构要求。

水下装备AIP动力系统尾气排放技术综述

李天卉, 李新典, 李红享, 黄润伍, 王傲, 刘强

2021, 29(6): 702-708. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.009

[摘要](406) [PDF 706KB](100) [施引文献] (2)

摘要:
水下装备无空气推进(AIP)动力系统是现代海军装备中新技术、新理念层出不穷的重要研究领域。随着高隐蔽性、大潜深、长航时等战略需求的不断升级, 水下装备的尾气排放技术成为衡量各国军备水平的一项重要指标。文中概述了化学吸附法、海水洗涤法、直排消溶法以及液/固化储存法4种常规水下装备AIP动力系统尾气处理技术的基本手段、关键技术点以及发展现状, 并结合代表性AIP潜艇装置对4种尾气排放技术的原理进行了详细的阐述, 分析了各技术的优缺点及其适用范围, 指出了所应突破的关键技术点,对未来水下装备尾排处理技术的发展有一定的借鉴价值。

水介质下2种摩擦副材料磨损行为和机理研究

曹四龙, 王凌倩, 胥卫奇, 周健松

2021, 29(6): 709-715. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.010

[摘要](269) [PDF 2219KB](65) [施引文献] (1)

摘要:
针对水中兵器关键部件在服役过程中发生的摩擦磨损问题, 开展适用于水介质下的摩擦副材料及其摩擦学性能研究。利用激光熔覆技术制备了Co基合金涂层, 研究了Co基合金涂层及Co基合金-PEF复合涂层与2种合金材料在水介质条件下配副时的摩擦学行为, 并与38CrMoAl-锡青铜摩擦副进行了对比。结果表明: 在水介质中, 38CrMoAl-锡青铜摩擦副具有最高的摩擦系数和磨损率, 分别为0.420和1.503×10^–5 mm³/(N·m), 磨损机理主要为严重的黏着磨损和磨粒磨损; Co基合金涂层具有较高的显微硬度和抗塑性变形能力, 与GH2130和GH4169对磨时摩擦系数分别为0.209和0.306...

水下航行器多电机推进系统关键技术研究

常文, 魏海峰, 张懿, 李垣江, 王伟然, 刘维亭

2021, 29(6): 716-724. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.011

[摘要](409) [PDF 406KB](133) [施引文献] (5)

摘要:
复杂洋流干扰下的水下航行器本体平衡对于后续的导航定位、路线规划有着极其重要的意义。在非线性、时变、耦合的水流干扰下, 水下航行器多电机推进系统存在以下三大关键技术难点, 并成为当前研究热点: 1) 总耗能最低的多电机推力协调分配; 2) 高动态、高鲁棒性的多电机协同驱动; 3) 多电机协同驱动下的故障诊断与容错控制。对此, 文中分别对各个难点问题研究现状进行综述, 并选取当前典型的控制策略进行详细阐述。最后, 从推进电机选型以及多电机推进系统拓扑结构两方面, 总结水下航行器多电机推进系统未来的发展趋势。

小型UUV电池组热仿真与试验

盛兆华, 刘亚兵, 杨军

2021, 29(6): 725-732. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.012

[摘要](310) [PDF 1778KB](112) [施引文献] (2)

摘要:
小型无人水下航行器(UUV)电池组一般使用18650锂离子电池成组, 其产热特性直接影响使用性能与热安全。为了更好地指导电池组的散热设计和安全策略制定, 深入研究其产热特性十分重要。文中搭建了圆柱形锂离子电池单体等效电路-热耦合模型, 辨识了18650电池单体等效电路参数和热参数。针对小型UUV电池组进行了热仿真和试验研究, 结果显示仿真和试验结果吻合度较高, 证明了等效电路-热耦合模型的有效性, 可为UUV电池组热管理提供技术参考。

基于深度强化学习的PMSM匝间短路故障诊断方法

李方丽, 刘杰, 王延波, 魏海峰, 李垣江

2021, 29(6): 733-738. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.013

[摘要](306) [PDF 417KB](88) [施引文献] (10)

摘要:
永磁同步电机(PMSM)凭借其稳定性强、损耗低、效率高、体积小、调速范围宽等优势而广泛应用于水下航行推进等领域。Deep-Q-Net-work (DQN)算法进行故障诊断。首先使用Maxwell软件建立PMSM模型并分析电机不同状态下三相电流、最低磁密度和电磁转矩的相关变化, 采集上述五维特征分量构建特征数据集并组成电机故障样本, 然后使用深度强化学习DQN算法对样本集和测试集进行数据训练与分析, 通过调节神经元节点数、迭代次数、学习率和经验回放数等, 提高算法诊断准确率, 最终得到该算法对PMSM故障诊断的准确率高达99.61%, 从而验证了该算法在PMSM故障诊断方面的有效性。

基于霍尔传感器的PMSM低速区间相电流相位矫正

陈泽平, 史艳霞, 魏海峰, 苗奎星

2021, 29(6): 739-746. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.014

[摘要](393) [PDF 674KB](72) [施引文献] (3)

摘要:
针对水下航行器推进系统中永磁同步电机(PMSM)三相电流由于系统内部软件延时导致重构后相电流发生滞后的问题, 分别对PMSM低速运行过程中三相电流合成矢量的角度与转子位置估算角度进行原理分析, 提出了一种将2种角度进行数据融合得到最优估计角度的方法, 从而矫正相电流相位。首先, 在电机低速运行过程中对三相电流进行卡尔曼滤波; 然后利用三相电流幅值计算合成矢量的角度; 再采用平均速度补偿的方法减小霍尔传感器本身存在的位置偏差; 接着采用转子位置估算的方法得到转子位置; 最后利用合成矢量角度和转子角度进行数据融合得到的最优角度对三相电流相位进行矫正, 重构三相定子电流值。试验结果显示, 基于霍尔传...

水下线导航行器航路规划对导线布放可靠性的影响

汤伟江, 刘卫东, 高卓, 张凯

2021, 29(6): 747-753. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.015

[摘要](250) [PDF 431KB](79) [施引文献] (1)

摘要:
水下线导航行器因布出导线的限制, 航行过程在航路交汇处会存在断线风险。针对此, 文中采用集中质量法, 提出两侧张力约束变长度导线布放边界条件, 建立导线布放动力学模型。分析航路规划对导线布放可靠性的影响, 对不同旋回航行时间、布放阻力条件下布出导线水中形态进行了仿真, 提出降低航路交汇断线概率的方法, 即旋回航行时间应大于水下线导航行器流场影响区对应的导线下沉时间。经水下航行器旋回航行试验证明该方法的有效性, 可知设置合理的旋回航行时间能够降低交汇时导线断线的概率。

基于ROV的舰船磁场测量方法

曹军宏, 刘飞

2021, 29(6): 754-759. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.016

[摘要](320) [PDF 3033KB](173) [施引文献] (1)

摘要:
针对目前舰船磁场测量方法灵活性较低、机动性较差的问题, 提出了一种基于水下遥控航行器(ROV)的舰船磁场测量方法。文中设计了ROV测磁系统总体集成方案, 即将ROV模块、磁测量模块、声学定位模块集成在一个系统中。其中, 磁测量模块采用2个磁场测量传感器同时进行测量以提高精度, 为了实现ROV的精准定位, 采用多点水下声学定位方法。随后, 对该测磁系统的软件进行了设计和调试, 包括接收磁场信息与声学信息、解算ROV位置、存储测量数据等。最后, 使用布有电磁线圈的铁制平台模拟水面舰船, 对设计的ROV测磁系统进行水中测试, 电磁线圈通电前后, 测量得到的龙骨磁场总量特征具有相同的变化趋势, 并且电...

自旋运动对射弹入水空化及特性的影响

何思澈, 罗凯, 黄闯, 古鉴霄, 任鑫

2021, 29(6): 760-768. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.017

[摘要](272) [PDF 1304KB](82) [施引文献] (3)

摘要:
无尾翼超空泡射弹由舰载火炮发射, 出管后通过高速自旋维持空中弹道稳定, 用于对抗鱼雷、蛙人等水下目标。为研究自旋运动对超空泡射弹入水过程空化及运动特性的影响, 基于多相流模型和重叠网格技术建立了适用于射弹小角度高速自旋入水工况的数值模型, 对旋转射弹及无旋射弹以不同姿态入水的超空化流场及流体动力特性进行仿真计算。结果表明: 所建模型对于入水载荷、旋转横滚力矩、入水空泡的仿真结果均与实验结果吻合; 入水初期自旋运动可以促进自然空化的发生, 空泡呈现不对称特性; 自旋运动对射弹入水质心运动规律无显著影响; 自旋运动会减小射弹俯仰角变化, 有利于维持射弹入水纵平面稳定性。

基于能量-方位特征的声自导鱼雷扫频干扰器识别方法

王丹, 杨向锋, 赵伟, 肖霖

2021, 29(6): 769-774. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.018

[摘要](293) [PDF 412KB](96)

摘要:
扫频干扰器是对抗水下声自导鱼雷目标检测的重要干扰器材之一。为了提高声自导鱼雷对扫频干扰器的识别能力, 文中分析了扫频干扰器对水下目标检测的干扰机理, 根据目标识别时声自导鱼雷接收到的扫频信号能量与方位特征参数, 提出了一种基于能量与方位特征联合识别扫频干扰器的方法, 通过对鱼雷接收到的信号进行数字化处理, 提取接收信号的能量与方位特征, 并对2个特征参数值进行加权数据融合, 利用融合结果进行目标识别。该方法采用主动检测方式, 并综合2个特征参数进行识别判断, 改善了采用单特征参数进行识别可能造成误判的不足, 增加了识别的可靠性。仿真验证了文中方法的有效性。

水声覆盖层低频耦合吸声机理及调控规律研究

王佳蓓, 周浩

2021, 29(6): 775-781. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.019

[摘要](283) [PDF 1488KB](96)

摘要:
水声覆盖层对于水下航行器声隐身性能的影响重大。为增强水声覆盖层的低频吸声性能, 基于有限元法建立了局域共振结构内嵌到空腔型覆盖层中的复合模型, 研究了其在10~2 000 Hz频段内的吸声性能, 采用局域共振理论分析复合模型中薄膜质量块的结构振型, 结合复合模型中空腔型覆盖层的振动位移云图分析了复合模型的吸声机理。此外, 通过调整模型的几何参数, 得到影响吸声性能变化的规律。研究结果表明: 1) 空腔型覆盖层与局域共振结构的耦合可提高低频吸声效果, 拓宽吸声频带; 2) 复合结构的吸声机理为, 下半部分空腔变形实现纵波向横波的转化, 局域共振结构的向上振动消耗声能, 二者共同作用, 提高吸声系...

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2021年第29卷第6期

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