无尾翼圆碟水下运动关键技术研究

The idea of the underwater gliding disc is put forward according to urgent improvement needs of active oil spill tracking buoys in the field of oil spill tracking and monitoring. The disc passive oil spill tracking buoy is improved by the drive and control principle of the underwater glider. The underwater gliding disc both has water surface drifting features of a disc oil spill tracking buoy and excellent underwater sports performance underwater glider. The function of short-distance tracking error correction and specified water monitoring is implemented. This project is carried out on the basis of the oil spill tracking buoys and underwater gliders. Methods of underwater glider motion control theory, viscous CFD method and towing tank model experiment are used. Characteristics of steady gliding in the vertical plane, stability of motion, controlling performance without tails, immunity test are studied. Some key technologies in the design of underwater gliding disc including gliding efficiency, stability of motion and non-empennage manipulation are explored. Movement features and control laws of the underwater gliding disc are revealed. The requirement of the oil spill buoy designing technology improvement is realized. The foundation is laid for the realization of the wide range of applications of active oil spill tracking buoys.

因应溢油跟踪监测对主动式溢油跟踪浮标的迫切的改进需求，提出水下滑翔圆碟的设计思想，利用水下滑翔器的驱动和控制原理改进碟形被动式溢油跟踪浮标，使之兼具碟形溢油跟踪浮标的水面漂流特性和水下滑翔器优异的水下运动性能，实现短距离跟踪误差修正和区域监测功能。在溢油跟踪浮标和水下滑翔器研究的基础上，采用水下滑翔器运动控制理论、粘性CFD方法、拖曳水池模型实验相结合的方法，对圆碟在垂直面内的定常滑翔运动特性、运动稳定性、无尾翼操控性能、抗干扰试验等内容进行研究，探索了水下滑翔圆碟设计中涉及的滑翔效率、运动稳定性及无尾操控等方面的关键技术问题，对揭示水下滑翔圆碟运动特性和控制规律具有重要意义，为满足溢油浮标设计技术的改进要求，实现主动式溢油跟踪浮标的广泛应用奠定基础。

无尾翼圆碟形水下滑翔机在低能耗和高机动性方面具有突出的优势，研究其水动力特性，并优化设计方案主要是为了解决水下监测领域的的小水域监测问题，如虚拟锚泊、水下低速跟踪、定点探测等。无尾翼圆碟形水下滑翔机设计思想的提出和技术的不断优化，弥补了普通水下滑翔机的机动性方面的不足，把水下滑翔机的应用推广到浅水作业、小范围详细调查等具有典型小水域特征的水下作业任务以及对大、小水域综合作业能力要求更高的领域。本研究的任务是对无尾翼圆碟形水下滑翔机的水动力特性进行分析和讨论，优化无尾翼圆碟形水下滑翔机样机的设计方案，为揭示这一崭新形式的水下滑翔机的特性，早日实现其实用化，在海洋监测事业发挥重大作用奠定基础。研究中采用理论分析、数值模拟以及实验相结合的方式，从水下滑翔圆碟在垂直平面内的定常运动分析、水下滑翔圆碟的运动稳定性分析、滑翔圆碟的无尾翼操控性能分析、优化样机设计及相关实验等几个方面开展研究工作。主要成果体现在以下2个方面：.1、无尾翼圆碟形水下滑翔机的水动力特性研究。建立无尾翼圆碟形水下滑翔机空间运动控制模型，通过建立圆碟结构水下滑行运动的六自由度空间运动学和水动力学理论分析数学模型，并采用FLuent软件进行了水动力数值模拟，完善水动力控制模型。在此基础上，研究定常滑翔时的速度、阻力、升力、滑翔角、攻角、净浮力等参数之间的关系以及内部调节机构的布置对面内运动控制规律的影响；改变质量滑块的重量、运动范围、移动方式等参数，分析滑翔圆碟的动力响应，进而分析滑翔圆碟的无尾翼操控性能；分析扰动量随时间变化的特性，分析重心偏离轴心时，横向摇、荡运动对圆碟绕对称轴旋转运动及方向稳定性的影响，分析重心调节结构布置和运动对圆碟运动稳定性的影响。.2、优化无尾翼圆碟形水下滑翔机设计方案。无尾翼圆碟形水下滑翔机的设计方案得到优化，向实用化迈出坚实一步。无尾翼圆碟形水下滑翔机打破了以往普通水下滑翔机鱼雷体外形惯例，本文在内部结构设计，优化布置方案，适应性完善主要驱动机构的设计方案等方面进行了诸多尝试，充分发挥圆碟形的优势，并兼顾简单可靠、易维护等产品特性。经过4个型号研发，最新设计方案已经具有较高实用性，申请相关专利8项。.无尾翼圆碟形水下滑翔机对水下滑翔机体系的补充以及在水下监测领域的应用潜力决定相关研究具有重大的应用前，而本文在基础理论研究和实用化设计开展的工作具有重要的理论和现实意义。