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水下滑翔机可变面积尾翼设计与运动性能研究
| 论文题名： | 水下滑翔机可变面积尾翼设计与运动性能研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;可变面积尾翼;动力学模型;结构设计;航向机动性 |
| 摘要： | 水下滑翔机是一种长续航、低能耗且具备高隐蔽性的无人水下航行器，近年来受到了国内外的广泛关注。水下滑翔机在航行过程中，良好的航向稳定性是其正常运行与有效观测的前提，而欠驱动控制与低速航行特点使其易于遭受洋流等因素的影响并产生航向偏离；为了实现航向的快速调节，航向机动性也是水下滑翔机极其重要的设计指标，但两者之间存在互斥关系，如何使水下滑翔机同时兼具良好的航向稳定性与航向机动性，是水下滑翔机的设计难点之一。 本文面向水下滑翔机运动性能的提升需求，设计了一款可变面积尾翼。该尾翼成功应用于长航程水下滑翔机“Petrel-L”样机上，在功能性方面使样机兼具良好的航向稳定性和航向机动性，从而在更大范围上实现Petrel-L的有效观测。本文分别从水下滑翔机动力学建模与仿真、可变面积尾翼结构设计、可变面积尾翼水下滑翔机运动性能分析以及海试验证四部分展开。主要研究成果如下： 首先，本文结合尾翼的受力模型建立了尾翼面积可变的水下滑翔机动力学模型，并借助动力学仿真结果分析了Petrel-L的航向稳定性和航向机动性，提出了可变面积尾翼设计需求。 其次，针对于Petrel-L的外形特点及其特殊的反螺旋运动特性，本文采用实体建模方法，完成了可变面积尾翼的结构设计，并采用静力学强度校核方法对尾翼的关键承压单元进行了强度校核。 然后，本文结合新型尾翼叶片的运动分析，构建了可变面积尾翼Petrel-L的动力学模型，采用动力学仿真方法验证了可变面积尾翼对于Petrel-L航向稳定性和航向机动性的影响，并基于近似模型方法完成了尾翼面积的参数优化。 最后，本文将优化后的可变面积尾翼模型应用于Petrel-L样机，并开展了验证水下滑翔机运动性能的海上试验。试验结果表明，与原固定尾翼相比，在航向稳定性方面，可变面积尾翼使水下滑翔机稳定性衡准数提升了约6.88%；在航向机动性方面，可变面积尾翼使水下滑翔机转弯半径缩小了约75.61%。 |
| 作者： | 王公伯 |
| 专业： | 海洋智能装备 |
| 导师： | 王延辉;辛爱学 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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