0 引　言

随着海洋勘探和开发的进展加快，水下无人航行器在极端作业环境下得到了广泛应用^[1]。遥控水下无人航行器（Remote Unmaned Under Water Vehicle）作为水下无人航行器（UUV） 一个重要的分支，由于通过脐带电缆提供能源、实现信号实时传输，具备长时工作、实时操控、水下信息实时感知优势，在过去的20年中得到了快速发展，广泛应用于水下探查、打捞作业、水下考古、反水雷、沉船搜救等领域^[2]。在这些应用中，存在着大量的水下探测、搜索、定位、观察及水下作业等复杂工作任务^[3]。遥控水下无人航行器开展深海作业需要合理的推力配置、推理与整体阻力匹配来实现水中悬停、垂直起降、快速机动，满足高海况、复杂地形的水下作业，因此需多自由度和良好的灵活性^{[4 − 5]}。

遥控水下无人航行器依靠电缆提供的动力在水下作三维空间运动，可在一定范围内进行精细作业，其作业能力、机动性能受脐带电缆和总体阻力特性的约束^[6]。在航速一定情况下，水下无人航行器各个方向和脐带电缆的阻力特性决定着系统的能耗、抗流能力、航行速度以及操控性能^[7]。由于开放式结构具有较优的扩展功能、搭载能力和机动性，被广泛应用于多功能水下无人航行器工程实践。为保证设计满足作业需求和水下无人航行器运动的精确控制，水下无人航行器动力学模型中的水动力系数必须具有相当的准确性^[8]，这给工程设计带来难度。在保证水动力系数、外形阻力准确性同时，采用经验公式综合计算分析遥控水下无人航行器外形阻力特性和脐带电缆阻力特性，以实现推进配置、能源效率、水下作业性能的综合解决也是常用的科学方法^[9]。

针对大陆架以内海域目标搜索、观察、定位和作业处置需求，设计了一款多功能遥控水下无人航行器，利用流体力学结合工程实践分析计算航行器外形阻力和脐带电缆阻力，基于阻力分析提出合理的推进器配置方案，保证推进器效率与航行器总体阻力匹配，实现设计要求。

1 航行器总体设计

多功能遥控水下无人航行器水中作业性能由抗流能力、操纵性、稳定性、航速和水下作业范围综合评价，一般采用低速方式作业，以充分利用推进器在低速工况的功率效率来对抗脐带电缆和外形流体阻力，实现在高流速下悬停和机动能力。综合考虑实际作业需要和多功能设备搭载要求，多功能遥控水下无人航行器采用开放式外形，搭载多波束前视声呐、双目高清水下相机，执行目标远距离搜索和近距离识别作业，配备USBL、INS和DVL设备，实现水下高精度定位。配备五自由度机械臂、七自由度机械臂和专用打捞工具，针对沉底物、缆线等可实现打捞抓取，作业时，五功能机械臂抓住打捞物作为固定支点，七功能机械臂进行精细作业，必要时双机械臂配合作业。航行器满足大陆架以内300 m深水作业，根据作业水域海况，需具备2 kn抗流能力、3 kn最大航速。航行器外形见图1，具体参数见表1。

2 航行器外形阻力特性分析 2.1 水平纵向阻力特性分析

多功能遥控水下无人航行器外形阻力，以其最大高度及最大宽度形成的迎流面为特征面积，根据其流面积的充实程度，其纵向运动的总阻力系数为C_t=0.8～1.0。综合考虑系统外形、设计裕度取C_t=0.92^[11]。根据其设计参数得到迎流面积：

$ {A_x} = W \cdot H =1.625\;{{\mathrm{m}}^2}。$

(1)

航行器以3 kn运动时的流体阻力为：

$\begin{split} {R_t} =\;& 0.5\rho {V^2} \cdot {A_x}{C_t} =1783.6\;{\mathrm{N}}。\end{split} $

(2)

航行器水平运动时，会存在小量电缆阻力，考虑余量设计，3 kn时经估算电缆阻力为9.8～29.4 N，因此潜航体在3 kn时的最大阻力为1813 N。其它速度下的阻力计算结果见表2。

2.2 垂向阻力特性分析

垂向运动时由于航行器存在其他结构、蒙皮等的阻力作用，阻力系数较大，一般取$ {C_V} $$ = $1.0^{[10 − 11]}。

航行器下潜速度为1.5 kn时，垂向阻力为：

$\begin{split} {R_V} =\;& 0.5\rho {V^2} \cdot S \cdot {C_V}= 813.4\;{\mathrm{N}}。\end{split} $

(3)

其它速度下的垂向阻力的计算按照平方关系换算，如表3所示。

3 脐带电缆阻力特性分析 3.1 脐带电缆最小阻力特性分析

多功能遥控水下无人航行器在2 kn流速下具备机动能力，脐带电缆阻力是机动性重要影响因素，在系统总体阻力特性中需重点分析。考虑最大阻力情况，海流取均匀流速1.6 kn（海底平均流速1.6 kn）情况下还能够慢速机动，稳定作业。

在给定流速下，航行器每一特定深度H、横向距离A及纵向位置B，电缆阻力在一个特定的电缆长度上达到最小$ {L_{\min }} $。当电缆长度小于最小电缆长度，则电缆阻力将显著增加，当超过此最小电缆长度后，电缆阻力趋于平缓。母船顶流取向，根据经验公式，航行器在此阵位上应放出的最小脐带电缆长度为：

$ \begin{split}{L_{\min }} =& 2.5\left\{ \sqrt {{H^2} + {A^2}} - B \cdot \tan \left[ {\varphi _{ L_{\rm MIN}}}\left( {1 - 25B/{{10}^4}} \right) \right] \right\} +\\ &B = 788\;{\mathrm{m}}。\end{split} $

(4)

式中：$ {\varphi _{L_{\rm MIN}}} = {8^ \circ } $，航行器取典型工作阵位：B=50 m，A=30 m，H=300 m。水下无人航行器采用d=15 mm直径电缆时最小电缆阻力为：

$ \begin{split} T{R_{\rm MIN}} = & 0.003 \cdot d{v^2} \cdot \left\{ \sqrt {{H^2} + {A^2}} -\right. \\ &\left. B\tan \left[ {{\varphi _{L_{\rm MIN}}}\left( {1 - 25B/{{10}^4}} \right)} \right] \right\} = 548.8\;{\mathrm{N}} 。\end{split} $

(5)

航行器作业过程中，实时调整脐带电缆放缆长度，实际脐带电缆阻力要比最小电缆阻力大。

3.2 脐带电缆最大迎流阻力特性分析

多功能遥控水下无人航行器作业时，脐带电缆在水中极限状态等效于电缆垂直悬垂到海底通过一小段水平电缆与潜航体相连，如图1所示。水面母船顶流取向，水深为300 m，假设主缆从母船向下悬吊的脐带缆的长度为300 m，则极限情况直径d=15 mm的脐带电缆阻力为：

$\begin{split} TR_{\rm{MAX}}=&0.5 \rho V^{2} L \cdot d \cdot C_{T R} =2861.6\; \mathrm{N}。\end{split} $

(6)

实际工作中，航行器上所受电缆阻力根据经验公式取1430.8 N。通过阻力特性计算分析，对于遥控水下无人航行器，采用15 mm直径的脐带电缆遥控时，在2 kn流情况下电缆阻力为548.8～1430.8 N，则脐带电缆平均阻力为：

$ T{R_{NOM}} = T{R_{\rm MIN}} + 0.6 \times (T{R_{\rm MAX}} - T{R_{\rm MIN}}) = 107 8\;{\mathrm{N}}。$

(7)

4 推进器推力特性与系统阻力特性匹配性研究

为满足多功能遥控水下无人航行器运动性能、操作机动性、抗流能力，系统采用水平面、垂直面推进系统分布式设计，减少运动耦合^[12]。水平面上保证航行器在任意流向下具备不小于2 kn速度的前进、后退、横移、转弯能力，采用水平推进器四环形45°的矢量配置方式，如图2所示。垂直面上保证下潜速度同时，提高航行器下潜姿态稳定性，垂直推进器采用45°对称配置。

通过阻力特性分析，航行器推进器采用深海无刷直流电机，其主要性能参数见表4，外形结构见图3。

4.1 推进器推力特性分析

航行器推进系统设计时，首先对推进器有效推力特性进行分析，确保满足系统需求。设$ {K_{T0}} $为推进器系桩情况下的推力系数，系桩情况下，当满载运行时推进器系桩推力为$ {T_P} = 980\;{\mathrm{N}} $。根据推进器螺旋桨直径应，零进速下即系桩情况下的推力系数$ {K_{T0}} $为^[13]：

$ {K}_{T0}＝\frac{{T}_{P}}{\rho {n}^{2}{D}^{4}}=0.364 。$

(8)

按照3叶导管螺旋桨图谱推算，推进器螺旋桨的螺距比为$ P/D = 0.8 $。在有速度情况下，推力系数$ {K_T} $与进速系数J的关系可近似按照直线方程进行拟合^[14]：

$ {K_T} = {K_{T0}} - \frac{{{K_{T0}}}}{{{J_0}}}J =0.364 - 0.543J。$

(9)

螺旋桨收到功率为：

$ {P_D} = 2\pi nQ = {P_M} \cdot {\eta _T} = I \cdot V \cdot 0.95 。$

(10)

故系桩下螺旋桨的扭矩为：

$ Q = \frac{{0.95I \cdot V}}{{2{\text π} n}} =26\;{\rm N\cdot m} 。$

(11)

因此系桩下螺旋桨的扭矩系数为：

$ {K}_{Q0}＝\frac{{Q}_{0}}{\rho {n}^{2}{D}^{5}}=0.041。$

(12)

在有速度情况下，螺旋桨扭矩系数$ {K_Q} $与进速系数J的关系可近似按照椭圆方程进行拟合，即：

$ {K_Q} = {K_{Q0}}\left(\sqrt {1 - {{\left(\frac{J}{{{J_0}}}\right)}^2}} \right) = 0.041\left(\sqrt {1 - {{\left(\frac{J}{{0.97}}\right)}^2}} \right)。$

(13)

4.2 航行器阻力与推进器推力匹配性分析

根据推进器配置方式和水下无人航行器的阻力特性，分析计算给定推进器配置下各向阻力与速度关系，并将各向阻力与推进器推力拟合为速度函数曲线。

4.2.1 纵向阻力与推力匹配分析

根据水平电机配置方式以及阻力与速度的关系，分析计算各速度下纵向阻力特性^[15] ，并将纵向阻力与推进器有效推力拟合为速度为函数的曲线，见图4。

可知，当航行器航速为3 kn时，纵向阻力与推进器推力达到平衡，当航行器前进速度大于3 kn时，推进器推力大于纵向阻力，满足无电缆阻力下3 kn航速机动性要求。

4.2.2 垂向阻力与推力匹配分析

多功能遥控水下无人航行器垂直运动由2个45°V形配置推进器实现，垂直运动推力计算必须考虑水下无人航行器存在一定的正浮力^[16]。将垂向阻力与垂向总有效推力拟合成以垂直速度为函数的曲线，如图5所示。

计算分析知，当航行器垂直面运动速度为1.58 kn时垂向阻力与推力平衡，超过该速度垂向推力大于阻力，满足无电缆阻力下最大下潜速度0.75 m/s。

4.2.3 水下无人航行器纵向总阻力与推力匹配分析

多功能遥控水下无人航行器极限工况为300 m深度下顶2 kn流时带缆运动，系统总阻力为航行器阻力和电缆阻力之和：

$ {R} =1881.6\;{\mathrm{N}} 。$

(14)

根据航行器水下啊运动时纵向总阻力特性，分析在给定推力器配置下的纵向阻力与速度关系，根据计算结果拟合总阻力与有效推力速度函数曲线，如图6所示，分析推进器匹配性。

从计算结果知，当航行器航速为2.1 kn时，系统推理与总体阻力达到平衡，当航行速度大于2.1 kn时，推进器有限推力大于总阻力，且二者差值随速度增加而增大，因此航行器可实现300 m深度下带缆顶流2 kn工作。

5 结　语

针对300 m水深海域目标探测、定位、打捞需求，设计一款多功能遥控水下无人航行器。通过4个推进器的水平45°环形配置实现水下无人航行器水平面内最优的前进、后退、横移和转弯运动，2个垂直推进器45° V形配置实现平稳、快速的垂直面运动。通过计算模型分析无缆情况下不同航速下航行器纵向阻力特性和垂向阻力特性，并利用脐带电缆水下分布模型分析计算出典型流速下脐带电缆的最大阻力、最小阻力和平均电缆阻力。利用推进器有效推力、航行器阻力拟合速度关联曲线，开展总体性能分析。结果表明表明推进器的配置方式和有效推力约航行器流体阻力特性匹配，满足水下无人航行器运动性能指标，为开放式缆控水下无人航行器外形优化、流体分析计算以及推进器配置提供指导。