高机动超空泡水下航行器流体动力布局和控制方法

With the existing problems of supercavity off-body seperation, transformation and instability of supercavitating vehichle, nowadays, most supercavitating underwater vehicles around the world only possess weak maneuverability of direct flight, which limits the development of guided weapon. This project proposes a novel high-maneuvering hydyodynamic layout based on cone cavitator which composite with straight rudder and large-aspect-ratio tail straight rudder ,and a cooperating control method which takes head and tail as control plane, this method can make vehhicles to gain high maneuverabity. With water-tunnel experiment and CFD method, the supercavity form of composite cavitator, the hydrodynamic characteristic of cavitator and the hydrodynamic time-delay characteristic of vehicles are studied as well as cavity from and damping dynamic characteristic caused by rotation movement. Based on the independence principle of the cavity expansion, the kinematics and dynamics models of space motion of vehicles are established while considering the instantaneous position relationship between cavitation and vehicles. These models can effectively assess the maneuverability of vehicles which adopt the novel hydrodynamic layout. By emphasizing on the robustness of algorithm, cooperating control method of MIMO system is presented. The project aims to provide valuable basic theory and technical support for the design of strong maneuvering supercavitating high-speed underwater vehicles.

由于超空泡机动脱体分离、变形及航行器失稳等问题的存在，使得目前国内外研究的超空泡水下航行器大多仅具备以直航为特征的弱机动能力，制约了超空泡武器制导化的发展。本项目开展 “附加直舵片的圆锥空化器+大展弦比尾直舵”的新型高机动性航行器流体动力布局，以及在该模式下的艏尾操纵面协同动作的控制方法研究，有望使航行器获得约20倍弹长回转半径的高机动能力。运用CFD结合高速水洞试验，研究机动情况下新型空化器形成的超空泡形态与航行器流体动力特性；基于空泡独立扩张原理，考虑空泡与航行体的瞬时位置关系，建立能够描述强机动超空泡航行器运动特性的空间运动学与动力学模型，有效评估采用新型流体动力布局模式的航行器机动能力；强调算法鲁棒性，提出MIMO系统的艏、尾操纵面协同动作控制方法。该研究的开展对高机动性制导超空泡高速水下航行器的研究具有重要的学术意义。

当前针对超空泡水下航行技术的研究重点集中在具备高机动能力的制导超空泡武器方面，以此提高武器的综合运用能力。但是，目前国内外多数研究所采用的基于“Shkval”或“Barracuda”的超空泡航行体流体动力布局，受超空泡机动脱体分离、变形及航行器失稳等问题所限，制约了超空泡水下航行体机动能力提升。本项目按照预定研究内容和计划开展了针对该问题的各项研究工作，取得了一系列研究成果。.首先，我们提出了一种新型的适于机动航行的超空泡航行体流体动力布局模式，采用“附加了艏直舵的圆锥空化器、大展弦比的尾直舵”作为操纵面，空化器拥有俯仰和水平两个偏转自由度，尾直舵、平舵产生的侧向力、升力分别作为偏航和俯仰控制的主体，可有效的降低“空泡分离”现象的影响。针对该新型流体动力布局模式，我们运用CFD数值计算和高速水洞试验相结合的方法，获得了其超空泡形态和流体动力特性的变化规律。.基于对航行体运动特点的深入分析，我们提出了一种在保留系统局部非线性特征的前提下，有效缩减空间运动自由度数的工程解耦方法。根据Logvinovich空泡独立扩张原理，考虑空泡“时间延迟效应”，通过在随体坐标系中建立航行体尾部中心指向空泡中心的空间矢量，合理描述了空泡与航行体的瞬时位置关系，研究了航行器机动运动过程的非线性数学描述方法，建立了空间动力学模型，分析航行器的强机动运动特性。.利用以上研究成果，我们又提出了超空泡航行体机动航行的艏、尾操纵面协同动作控制方法，强调控制算法的鲁棒性，通过空间运动仿真分析有效评估了新型流体动力布局模式的机动能力。研究表明，本项目所提出的流体动力布局模式和控制方法，可使超空泡航行体获得约20倍弹长最小回转半径的机动能力，满足航行体制导化的要求。.通过全面完成以上预期的研究内容，项目组发表了系列学术论文，并完成了《超空泡航行技术的理论基础》专著一部，受到业内广泛关注。