水下航行器非正常超浅停车问题研究

李厚全 ,冯潇涛 ,张孝芳* ,赵志博

(1.海军潜艇学院,山东 青岛,266199;2.中国人民解放军92767 部队,山东 青岛,266102;3.中国人民解放军91049 部队,山东 青岛,266102)

0 引言

无人水下航行器是近年来各国海军研究的热点装备,并已形成具有小、中、大各类型号,可执行多种水下任务的水下无人平台[1-2]。为满足航行控制、航行安全以及给航行器内其他各系统记录数据的需要,水下航行器需要配置深度传感器装置[3-4]为主控制系统、探测系统、数据记录系统及非正常停车控制系统等提供可靠、准确的深度信息。对于中大型且外形为等截面细长体的航行器,其前后端系统均需要深度信息,为便于航行器的系统结构配置,同时也为航行器提供冗余信息备份,常为航行器配置前后2 个深度传感器。前端深度传感器为航行器水下数据记录和超深超浅保护等提供深度信息;后端深度传感器为航行器提供导航和控制深度信息。

航行器在设定深度下航行时具有自身航行安全控制功能,为了防止航行深度过浅或过深导致航行器出现航行安全问题,设置了超浅深度和超深深度极限设定。当水下航行器航行控制稳定,实际未达超浅深度,但内部测控微机误判水下航行器发生超浅时,会导致非正常超浅停车。显然,在2 个深度传感器未发生故障的情况下出现非正常超浅停车,与传感器提供的深度信息有关。

由于无人水下航行器种类繁多,形式各异,发生非正常停车问题也属低概率事件,鲜有文献报道。文中采用数值仿真和海上试验联合分析方法对水下航行器非正常超浅停车问题进行研究。

1 问题描述

水下航行器在航行时,通常在超浅航行时间达最大持续时间时才会发生停车。针对航行器出现的未达到航行上限深度发生的非正常超浅停车问题,文中采集了发生超浅停车前3 s 航行器不同部位的深度传感器数据如下:位于航行器前端的深度传感器前3 s 测量的深度值分别为4.4,3.7 和3.4 m;位于航行器后端的深度传感器测量的相应时间深度值分别为6.3,5.9 和5.7 m,两者测量差值的平均数为2.23 m,显然2 个深度传感器提供的深度信息有较大差异。按照航行器设定数据,后端的深度传感器判断航行器航行正常,而前端深度传感器判断为超浅,从而发生停车故障。究其原因可能有:1) 深度传感器故障,造成其中1 个组件数值有误差;2) 非硬件结构故障,2 组传感器因压力不同导致测量值不一致,其影响因素、误差规律不明。

针对上述问题,文中采用航行器3 种典型航速(速度1～3)进行数值仿真和试验数据分析,对发生的非正常停车故障开展研究。

2 非正常超浅停车因素分析

水下航行器前端的深度传感器和中后端的深度传感器所使用的压力变送器型号相同,在相同环境下同一深度所测得的压强值理论上是一致的,经硬件校验发现2 组传感器无故障[5-6]。但航行器数据回放发现,2 组传感器测量压力有差异,有时差距还较大。出现此种现象的原因是由于航行器流场引起的压强变化,导致2 个压力变送器测得的数据出现差值。

当理想流体流经等截面细长型旋成体时,旋成体的头部顶点为驻点,流体的速度为零,压力系数值最大。自驻点起形成边界层,当流体由驻点沿物面继续向后流动时,流体的速度不断增大,压力不断减小,在到达距顶点不远处的临界雷诺数位置点处,流速达到最大值,压力达到最小值,该压力极值点即为流体动压转捩点,是边界层内流场由层流向湍流的转变点[7-8]。转捩点之后,流速不断减小,压力不断增大,直至航行器平行舯体中段压力分布趋于平坦稳定[9]。

文中仿真了航行器水下航速为速度2、水深10 m、直线航行状态下,流场对航行器不同部位所受压力的影响[10-11]。仿真结果如图1 所示,当地重力加速度g=9.798 5 m/s2,取海水密度ρ=1.023 5 g/cm3。仿真结果表明,在航行器头部顶点不远处,流速急剧升高(图1 上图的红色区域)、压强急剧减小(图1下图的蓝色区域)。为了降低转捩点附近流噪声对航行器头部前视声呐的影响,一般会将转捩点往航行器尾部方向移动,因此位于紧靠航行器头部后方的舱段就成了转捩点影响最大的区域。文中该类航行器在该区域配置有深度传感器,导致对压强敏感的压力变送器输出值受转戾点影响较大,进一步影响水下航行器的正常工作。

图1 水下航行器周边流速图和压强图Fig.1 Speed of flow and pressure around an undersea vehicle

影响水下航行器周边动压变化的因素主要有水下航行器攻角、航深和航速[7,10]。文中分别采用数值仿真或试验数据分析航行器在不同航速、深度及姿态下,流场对航行器不同部位压力的影响。

2.1 攻角

航行器设计为正浮力,航行状态下,其姿态为负攻角(攻角大小根据航速和海水盐度不同而略有变化)[12]。考虑到前后2 组深度传感器的位置均位于航行器中轴线正上方,两者迎水角度始终一致,由攻角带来的动压变化一致,因此可忽略攻角对深度传感器测量的影响。仿真航行器在不同攻角下的测量差值见表1,试验中航行器航深10 m、选取速度1)。

从表中可以看出,在相同航深及航速、不同攻角下,前后2 组深度传感器的测量差值波动较小,且无规律性。因此,攻角不是造成前后深度传感器测量差值过大的原因。

2.2 航深

仿真航行器在不同航深下的深度测量差见表2,试验中选取速度1,攻角设为0°。

表2 不同航深下深度测量差值Table 2 Measurement errors of depth at various depth

从表中可看出,在相同攻角及航速、不同航深下,前后深度传感器测量的深度差值波动较小。因此,航深不是造成前后深度传感器深度测量差值过大导致水下航行器非正常超浅停车的原因。

2.3 航速

由于转捩点的存在,当水流从航行器的头段壳体周围流过时,流速急剧上升并形成湍流,湍流会在水下航行器头段周围形成低压区如图2 所示。仿真条件为航行器速度3,水下20 m,匀速直航。由图2 结果可见,前端深度传感器的测量点刚好就在低压区的影响范围内,所以深度传感器的测量值明显小于设定值;后端深度传感器的测量点则基本不受低压区的影响。分析结果与图1 仿真结果一致。

图2 航行状态下水下航行器压强图Fig.2 Pressure distribution around an undersea vehicle in navigation

表3 是某次水下航行器海试中的前、后深度传感器测量的深度数据(注:航行过程中,水下航行器进行过变深,所以在不同航速下,深度的设定值有所不同,文中重点考查深度测量差值及差值的平均值)。

表3 不同航速下深度测量差值Table 3 Measurement errors of depth at various speeds

由表3 可见,同一航行器在不同航速下,前后深度传感器的深度差值不同,随着航行器由航速1 增大到航速3,湍流更加明显,低压区的影响进一步增大,导致前深度传感器的测量值与设定值的差值进一步增大。因此,航速影响航行器壳体压力分布,且航速越大,航行器前端与后端的压力差越大,这是造成前后深度传感器深度测量存在差值的主要原因。

3 试验分析与改进

3.1 试验数据分析

文中针对航速对深度测量差值的影响进行了理论分析,并给出一组水下航行器海试数据,以便进一步研究不同航速下,航行器深度测量误差的规律。文中进行了10 航次测量和1 航次数据冗余备用,共计11 航次的非正常停车上浮数据采集试验。数据分析后的差值平均值结果如表4 所示。

表4 水下航行器深度测量差值试验数据分析Table 4 Analysis of measurement errors of test data for undersea vehicle depth

假定上述各航速下的深度测量差值符合正态分布,分别计算各航速下深度测量差值的平均值和深度测量差值的标准偏差,取显著水平为0.05、置信水平为95%的置信区间,具体数据见表5。

表5 不同航速下深度测量差值统计学计算Table 5 Statistical computation of measurement errors of depth at various speeds

图3 为速度1、速度2、速度3 下深度测量差值的散点图,可直观地显示11 航次水下航行器在各航速下深度测量差值的分布范围。

图3 各航速下深度测量差值散点图Fig.3 Scatter diagram of depth measurement errors at various traveling speeds

从表5 及图3 可以看出,水下航行器在各航速下的深度测量差值数据集中、稳定,航速与深度测量差值具有明显的相关性。

3.2 改进方法

由以上分析可知,为避免水下航行器在航行中发生非正常超浅停车,需要减小前后端深度传感器的深度测量差值,具体改进方法如下。

1) 在不改变航行器结构的情况下,将“上限深度”与“超浅深度”差值拉大,以防止深度传感器测量差值引起水下航行器非正常超浅停车。

2) 改进航行器硬件结构,取消前端深度传感器,将后端传感器测量的深度信息直接传送到水下航行器前端系统中,使前后传感器得到统一的深度数据,防止航行器航行深度控制和安全深度控制不一致。但在航行器发生上爬、下潜等深度变化时,前后端的深度信息差别较大,需要留有更大的深度安全余量,也会降低航行器航行的安全冗余度。

3) 通过大量数据统计或计算机仿真,得出不同航速下的深度传感器测量误差,对前端深度传感器测量的深度值进行修正,使得

式中:H实际值为采用的前端深度传感器深度数值;H测量值为前端深度传感器实际测量深度值;H补偿为不同航速下前端深度传感器测量误差值。

4 结束语

针对水下航行器出现的航行深度未达超浅深度而出现的非正常超浅停车问题,采用数值仿真和试验数据分析了水下航行器攻角、航深及航速对发生非正常超浅停车的影响,并给出了3 种典型速度工况下的深度传感器误差值。从仿真计算和试验数据分析结果可知,航速是非正常超浅停车的主要影响因素,问题根源是水下航行器前后端深度传感器所受流体压力存在偏差导致。文中的研究可为配置有前后深度传感器的细长型水下航行器改善和解决非正常停车问题提供参考。