小型水下無人航行器的下潛過程研究

楊振鑫

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

無人水下航行器是一項具有重要戰略意義的武器系統，其可在邊境地區或受到敵方潛艇威脅的區域執行監視和偵察任務。隨著海洋強國戰略的不斷發展和人們對水下世界的持續探索，學者們對水下無人航行器的研究興趣日益增長[1-6]。通常情況下，水下無人航行器的任務執行階段可以劃分為上浮階段、下潛階段和定深航行階段。其中，下潛階段在水下無人航行器的航行中具有重要意義，因為它直接影響任務執行的效率。然而，目前關于水下無人航行器下潛階段的研究成果卻非常有限。

無人水下航行器的下潛平穩性和下潛姿態對其后續操作過程具有重要影響[7]。大型無人水下航行器通常配備有浮力調節艙或浮力調節裝置，而小型無人水下航行器由于其體積和結構的限制，很難裝備浮力調節裝置來調整自身的浮力以實現下潛。因此，小型水下無人航行器主要通過水平舵和螺旋槳的配合來實現下潛階段的任務。

為了填補對小型水下無人航行器下潛階段研究的空白，本文首先介紹了小型無人水下航行器的基本參數和試驗條件。然后，通過試驗研究了小型水下無人航行器在不同舵角和螺旋槳轉速下的下潛姿態，以期為后續研究提供參考。

1 航行器基本參數介紹

本文試驗所用到的水下無人航行器主要由艏部探測段、通信浮標段、導航控制段、能源段、推進段構成，具體實物外觀如圖1 所示。

圖1 水下無人航行器外形圖Fig. 1 Outline drawing of an UUV

水下無人航行器的主要參數包括幾何參數、最大舵角和航行時的最大速度。本試驗所用水下無人航行器的航行參數列于表1 中。

表1 航行器主要航行參數Table 1 Main navigation parameters of an UUV

水下無人航行器螺旋槳轉速與航速的關系如表2。

表2 航行器螺旋槳轉速與航速關系Table 2 Relationship between UUV's propeller speed and navigation speed

影響航行器下潛階段的水平舵板的尺寸如表3。

表3 水平舵板基本尺寸Table 3 Basic dimensions of horizontal rudder plate

表4 不同舵角下螺旋槳轉速0～600 r/min 時的下潛結果Table 4 Diving results at different rudder angles when propeller speed is from 0 to 600 r/min

表6 不同舵角下的下潛結果Table 6 Diving results at different rudder angles

表7 不同舵角下0～700 r/min 時的下潛結果Table 7 Diving results at different rudder angles when propeller speed is from 0 to 700 r/min

表8 不同舵角下0～680 r/min 時的下潛結果Table 8 Diving results at different rudder angles when propeller speed is from 0 to 680 r/min

2 下潛過程機理介紹

通常情況下，航行器的剩余浮力與其質量存在關聯。當剩余浮力過小時，航行器容易下潛，導致水面航行變得困難；而當剩余浮力過大時，航行器則難以下潛，無法進行水下作業。本研究中所使用的航行器的剩余浮力一般在0～3 kg 之間。根據以往的試驗經驗，本次試驗中將航行器的剩余浮力調整為1.5 kg。在這種試驗條件下，航行器在靜水中的俯仰角約為0.3°。此時，航行器的頭部僅有極小的面積和尾部舵板露出水面。當航行器在水面上漂浮時，螺旋槳的轉速為0，航行器的重心與浮心在一條垂直線上，略高于浮心。具體的受力示意圖如圖2 所示。

圖2 水下無人航行器舵板受力示意圖Fig. 2 Diagram of force on UUV's rudder plate

本試驗中定義舵板逆時針旋轉時舵角為正，順時針旋轉時舵角為負，假設此時舵角為α。對舵板進行受力分析，發現切向分力對航行器產生使其上浮的力矩，該力矩的法向分力對航行器產生使其下潛的力矩。當舵角大于0 時，切向分力大于法相分力，舵板對航行器產生上浮的力矩；舵角小于0時，法向分力大于切向分力，舵板對航行器產生下潛的力矩。

當航行器的航行速度較低時，航行所受阻力與航行速度基本呈線性關系。然而，隨著航行速度的增加，航行所受阻力的增加速率也增加，導致航行所受阻力與航行速度之間呈現高次方的正比關系。航行器在行進過程中，水流對舵翼產生升力，從而對航行器施加扭矩，促使其下潛[8]。由于下潛過程中存在復雜的力學因素，影響因素眾多，因此很難進行準確的定量分析[9-11]。

本次試驗中使用的航行器具有2 種操作模式，即人為手動遙控模式和預先編程模式。在人為手動遙控模式下，操作人員通過手動輸入下潛參數、調整螺旋槳轉速和舵板舵角來控制航行器。需要說明的是，本文中的舵角指的是影響俯仰的水平方向上的升降舵角，并不包括豎直方向上的方向舵角。此外，航行器還配備了應急措施，即當連續5 s 內無法接收到信號時，航行器會進入應急狀態。應急措施包括停止螺旋槳轉動并自動調整舵角為20°。因此，若舵角為20°，則表示航行器進入了應急狀態。通過觀察深度和俯仰角的變化，可以判斷航行器是否成功進行了下潛。

在本次試驗中，航行器的下潛模式包含2 種。第1 種下潛模式是先設定舵角，然后再設定轉速。具體而言，首先調整舵板以使其達到所需的舵角數值，然后給螺旋槳設定特定的轉速。第2 種下潛模式是先設定轉速，然后再設定舵角。具體來說，首先使螺旋槳轉速達到指定值且保持穩定，然后再調整舵板的角度。在本節中，本文將對這2 種下潛模式進行研究和討論，分別探究它們在航行器下潛過程中的效果和影響。

3 下潛過程試驗研究

3.1 下潛參數選擇

在本次試驗中，本文選取經驗值600 r/min 作為螺旋槳的轉速，并通過調整舵角來改變UUV 的下潛姿態。當螺旋槳轉速達到給定值且航速穩定時，本文開始計時下潛時間。

圖3 展示了在不同舵角條件下（0°、–2°、–5°），螺旋槳轉速從0 逐漸加速至600 r/min 的加速下潛過程。橫坐標表示時間，左縱坐標表示螺旋槳轉速，右縱坐標表示升降舵角。圖中藍色線上端水平段所對應的時間即為600 r/min 螺旋槳轉速持續的時間，也即下潛時間。

圖3 螺旋槳從0 加速到600 r/min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 3 Influence of rudder angle on submergence process of an UUV when propeller accelerates from 0 to 600 r/min

需要注意的是，當UUV 靜止在水中時，對應的深度為–0.65 m。此外，螺旋槳從0 加速到600 r/min 所需的時間約為1 s，在下潛過程中可以忽略不計。

根據試驗數據分析，本文得出以下結論：

1）當舵角為0°時，UUV 的下潛時間約為35 s，下潛深度為2.4 m，最大俯沖角為–20°。從水面觀察，UUV 下潛時間較短，一次下潛成功且下潛姿態良好。

2）通過改變舵板角度以增大下潛阻力，本文測試了螺旋槳在從0 加速到600 r/min 時對UUV產生的轉矩，并通過轉矩計算得出所需的正舵角。這個測試可以為后續航行起步加速過程中所需的最小舵角提供參考。當舵角為2°時，下潛時間約為42 s，下潛深度為1.8 m，最大俯沖角為–16°。UUV 下潛所需時間變長，下潛深度和最大俯沖角減小，但仍然能夠順利下潛。

3）當舵角為5°時，下潛時間約為60 s。從水面觀察到，UUV 下潛較為困難，在多次嘗試后才緩慢下潛。此時的下潛深度已降到1.2 m，最大俯沖角為–12°。然而，UUV 剛進入水中就開始上浮，推測此時處于剛好能夠下潛的臨界值。

通過以上分析，本文對UUV 在不同舵角條件下的下潛表現有了更詳細的了解，這些數據和觀察結果對后續的研究和操作提供了重要的參考。

在第2 種試驗方案中，本文采用了以下步驟：首先設置螺旋槳轉速為600 r/min，并等待螺旋槳轉速達到給定值且航速穩定；然后通過調整舵角來實現下潛，并在舵角改變到指定值后開始計時。根據圖4 的分析結果，本文得出以下觀察和實驗過程。

圖4 主推轉速600 r/min 時舵角對航行器下潛的影響Fig. 4 Influence of rudder angle on submergence when main thrust speed is 600 r/min

1）起始舵角設定為5°。一旦速度穩定，將舵角設置為–5°。經過一段時間觀察后，本文注意到UUV 沒有下潛的跡象，因此本文停止了螺旋槳的轉速。

2）本文將舵角設置為–8°，但UUV 仍然沒有下潛的跡象。本文繼續嘗試不同的舵角設置，直到將舵角設置為–15°時，UUV 才成功下潛。

通過以上觀察和實驗過程，本文得出結論：在第2 種試驗方案中，為了實現下潛，需要將舵角逐漸增大。僅在將舵角設置為–15°時，UUV 才能成功下潛。這表明在給定的螺旋槳轉速下，較大的舵角對于UUV 的下潛是必需的。這一結果為后續操作和研究提供了重要的參考。

在本節試驗中，本文采用了2 種不同的試驗方案：第1 種是先設定轉速再設定舵角，第2 種是先設定舵角再設定轉速。這2 種方案在UUV 的下潛參數上存在明顯差異。

當螺旋槳轉速從0 加速至600 r/min 時，螺旋槳會對UUV 產生一個扭矩，使其下潛。此時，下潛所需的舵角較小。當螺旋槳轉速達到600 r/min時，UUV 處于水面平穩行駛的狀態，保持勻速前進。在這種情況下，舵角的改變主要影響舵力的變化。因此，在此時下潛所需的舵角較大。

需要注意的是，UUV 的舵角范圍為–25°～25°，在該范圍內的舵角都是有效的，即舵力仍然有效。因此，不會出現舵力失效的情況。

綜上所述，2 種試驗方案下潛所需的舵角存在差異。螺旋槳轉速的變化對下潛參數產生影響，而舵角的改變主要調整舵力。這些結果對后續操作和研究提供了重要的參考。

3.2 下潛最低轉速

當螺旋槳轉速由0 升至600 r/min 時，UUV 下潛時舵角最小為5°，該現象說明螺旋槳提供的推力足夠大，因此推斷螺旋槳的轉速仍有降低空間，于是本小節將開展測試螺旋槳轉速為0～500 r/min時UUV 的下潛參數。

在測試螺旋槳轉速為0～500 r/min 時，對UUV的下潛參數進行了分析。根據圖5 的結果，采用第一種方案，即先設定轉速再設定舵角，在螺旋槳轉速為0～500 r/min 的范圍內，無論舵角設置為–10°、–15°、–20°、–25°，UUV 都無法成功下潛。這表明螺旋槳提供的推力和舵板產生的壓力不足以克服UUV 的剩余浮力，導致UUV 一直在水面漂浮。

圖5 螺旋槳從0 加速到500 r/min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 5 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 500 r/min

圖6 螺旋槳從0 加速到550 r/min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 6 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 550 r/min

圖7 螺旋槳從0 加速到580 r/min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 7 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 580 r/min

圖5 中，深度和俯仰角的變化在30 s 處發生了變化，這是由于被浪拍擊造成的。

根據試驗結果，第1 種試驗方案下潛所需的舵角較小，即舵角設置為最大值時仍無法使UUV 成功下潛。因此，推斷第2 種試驗方案也無法使UUV成功下潛。

綜上所述，通過對螺旋槳轉速為0～500 r/min時的試驗分析，發現目前所采用的方案無法使水下無人航行器成功下潛?？赡苄枰M一步調整螺旋槳的轉速或采用其他的控制策略來實現下潛。

進一步測試螺旋槳轉速為0～550 r/min 時，即使舵角設置為–25°，UUV 仍無法成功下潛。這表明螺旋槳提供的推力和舵板產生的壓力不足以克服UUV 的剩余浮力，導致UUV 一直在水面漂浮。

繼續增大螺旋槳轉速到580 r/min，當舵角達到最大值–25°時UUV 成功下潛，此時下潛深度為1.4 m，最大俯沖角為–25°。當減小舵角為–20°時，UUV 無法下潛，增大到–22°時UUV 仍無法下潛。

可以認為，該UUV 下潛所需的最低轉速為580 r/min，但此時下潛所需舵角過大，且UUV 下潛姿態不理想。

3.3 下潛最小舵角

本小節研究的目的是增大螺旋槳轉速來測試UUV 下潛所需的最小舵角。由上文可知，螺旋槳轉速為0～600 r/min 時，UUV 下潛舵角最小為5°，該現象說明螺旋槳提供的推力足夠大，因此當螺旋槳轉速繼續增大時，UUV 下潛所需的舵角會繼續減小。

測試螺旋槳轉速為0～700 r/min 時UUV 的下潛參數并將結果繪制于圖8 中。通過圖8 分析得，當舵角從0°增加到10°時，UUV 始終可以下潛，當舵角增大到12°時UUV 無法下潛。

圖8 螺旋槳從0 加速到700 r/min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 8 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 700 r/min

根據實驗結果可知，隨著舵角的增加，UUV下潛深度和最大俯沖角都在減小，下潛姿態變得越來越平穩。綜上，螺旋槳轉速為0～700 r/min 時航行器所需的下潛舵角為10°。第1 種試驗方案UUV下潛所需的舵角較小，因此可知此時第2 種方案下潛舵角小于10°。

3.4 最佳下潛參數

在UUV 下潛過程中，保持平穩的姿態是一項重要考慮因素。俯仰角和下潛深度應控制在適度范圍內，因此在下潛過程中，需要盡量減小舵板舵角和螺旋槳轉速，以實現平緩的下潛。然而，為了適應逆流和復雜環境條件下的下潛要求，還需要保留一定的余量。

針對螺旋槳轉速為700 r/min 的UUV 下潛情況，使用的下潛舵角為10°，這還有一定的余量可供調整。因此，進行了螺旋槳轉速為0～650 r/min的下潛參數測試。在650 r/min 時，螺旋槳的推力大于600 r/min，而理論下潛所需的舵角為5°。然而，根據圖9 的觀察，即使將舵角從8°減小至–2°，仍無法實現下潛。經過分析，這是由于UUV 受到風浪因素的影響，湖面上的風浪明顯增大。即使改變航向并再次嘗試，仍然無法成功下潛。

圖9 螺旋槳從0 加速到650 r /min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 9 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 650 r/min

因此，對于UUV 的下潛過程，需要綜合考慮舵角、螺旋槳轉速和外部環境因素，以確保安全下潛的實現。

鑒于UUV 在實際工作中常面臨惡劣天氣條件，為確保其在惡劣海況下成功下潛并具備一定的冗余能力，本文進一步增大螺旋槳轉速來測試UUV 的下潛參數。

本文進行了螺旋槳轉速從0 到680 r/min 的測試，并將結果列于圖10 中。通過對圖10 數據的分析，實驗發現當螺旋槳轉速達到680 r/min 時，UUV的航速為2.6 kn。當舵角為5°時，UUV 能夠成功下潛；而當舵角為–2°時，UUV 的下潛姿態較為理想，并具備一定的冗余能力，螺旋槳推力和舵角均大于所需的最小下潛參數。從水面觀察，UUV 的下潛過程平穩且下潛時間較短。

圖10 螺旋槳從0 加速到680 r/min 時舵角對航行器下潛過程的影響Fig. 10 Influence of rudder angle on submergence process when propeller accelerates from 0 to 680 r/min

綜合考慮，本文選擇了螺旋槳轉速為680 r/min和舵角為–2°作為UUV 的下潛參數，并在多種環境條件下進行了UUV 的下潛試驗。試驗結果較為理想，UUV 的下潛成功率高達95%。

4 結束語

本研究通過在湖上進行試驗，對小型水下無人航行器在不同螺旋槳轉速和舵角下的下潛過程進行了研究，并得出以下結論：在保持其他條件不變的情況下，UUV 的最小下潛轉速為580 r/min，低于該轉速時無法實現下潛。隨著螺旋槳轉速的增加，UUV 下潛所需的舵角減小。當螺旋槳轉速高于680 r/min 時，即使是正舵角也能夠實現下潛，這為UUV 在水面航行時提供了不下潛所需最小舵角的參考。

隨著轉速的增加，UUV 的下潛姿態先變好后變差。因此，在選擇UUV 的下潛參數時，應盡量選擇較低的螺旋槳轉速和接近水平的舵角，以實現最佳的下潛姿態和較短的下潛時間。本研究選擇了螺旋槳轉速為680 r/min 和舵角為–2°作為該UUV的最佳下潛參數。

螺旋槳轉速的增加對于UUV 的下潛過程起正向作用，舵板角度的增加對于UUV 的下潛過程起反向作用，通過二者的配合才能使得航行器實現平穩下潛。對于不同的UUV 來說，由于使用場合的不同，螺旋槳的直徑和轉速以及舵板的結構都存在差異，因此文中提到的螺旋槳轉速和舵板角度不具有可直接復制的條件。本文中UUV 螺旋槳轉速對應的航速和下潛時的姿態可作為參考，對于小型水下無人水下航行器來說，下潛時航速控制在2～3 kn，俯仰角控制在–15°～–25°之間，舵板角度控制在–5°～5°之間，可以使得航行器平穩下潛，所用時間較短，且下潛姿態較為理想，并具備一定的冗余能力。