高速无人艇设计与运动性能初步分析

高速无人艇设计与运动性能初步分析 The design of high-speed unmanned craft and preliminary analysis of motion performance 摘 要 高速无人滑行艇具有高速、隐身、智能等优点，因而能够用于灵活作战，目前，国外已有多种水面高速无人艇应用于军事领域，特别是以美国为代表的西方国家已将其列为重要的发展方向；国内在水面高速无人艇技术方面的研究还处在初级阶段，近年来研制出的无人驾驶船也只是应用于探测天气，为了更好低完善我国海军作战体系，带动相关军工业的发展。 本文进行的主要工作有： 一、 针对目前国内外的高速无人艇研究发展现状展开了调查研究，并对我国目前滑行艇阻力、稳性、耐波性和新艇型的开发进行简单的介绍。 二、 从任务需求出发，结合现有条件，利用Maxsurf软件进行单体滑行艇模型的设计，并对模型进行了流体性能的初步计算分析。 三、 进行了推进器的设计，并对喷水推进器的种种要素对各个性能的影响进行了分析。 四、 以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析。 五、 建立了船前进、升沉、纵摇三自由度运动数学模型，开展了滑行艇三自由度运动预报，分析了高速滑行艇运动特点。 关键词：无人滑行艇 性能分析 三自由度运动数学模型 运动预报 Abstract Unmanned Surface Vehicle (USV) has some good properties such as high-speed, stealth, intelligence, etc, which can be used for flexible operations, currently, there are many foreign high-speed unmanned surface vessels in the military field, especially the United States as the representative of the Western countries have their as an important direction of development; domestic high-speed unmanned craft on the water technology research is still at the initial stage, developed in recent years of unmanned boat only apply detect the weather, in order to better improve our naval combat system of low, promote the development of military-industrial related. This major work carried out are: First，A view of the current domestic and foreign research and development of high-speed unmanned craft launched a survey on the current situation, and introduce resistance, stability, seakeeping, and the development of new hull of our country current planing boat. Second, from the mission requirements, combined with existing conditions, use of Maxsurf single planing hull model of software design, and model the performance of the preliminary calculation of fluid analysis. Third, for the propeller design, and all the elements of water jet propulsion of individual performance was analyzed. Fourth, in order to slide the boat forward, heave and pitch motion targeting of planing craft a preliminary analysis of fluid properties. Fifth, the establishment of the boat forward, heave, pitch three degrees of freedom mathematical model, carried out three-DOF motion planing prediction of high-speed planing craft motor. Keywords: unmanned planing crafts; Performance Analysis; numeral model of three degrees of freedom movement; report Exercise of crafts. 目 录 第1章 绪论 1 1.1引言 1 1.2课题背景 2 1.2.1国外发展 2 1.2.2国内发展 4 1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施方面的研究 4 1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究 5 1.2.5我国对滑行艇关于稳性方面的研究 5 1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究 6 1.3论文研究的目的与意义 6 1.4论文主要内容 7 第2章 高速滑行艇maxsurf建模 8 2.1滑行艇的maxsurf建模 8 2.1.1单体滑行艇的主尺度 8 2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图 8 2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算 10 2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算 11 第3章 推进器设计 17 3.1喷水推进器的概要 17 3.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点 17 3.3喷水推进器的工作机理 18 3.4喷水推进器理论 20 3.5影响喷水推进器性能的重要参数 21 3.5.1建立喷水推进器计算模型 21 3.5.2重要参数 21 第4章 滑行艇流体性能初步分析 27 4.1引言 27 4.2滑行艇水动力计算概述 27 4.3滑行艇纵向受力分析 28 4.4滑行平板的流体动力分析 29 4.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力 30 4.5模型阻力计算 34 4.6滑行艇在静水中垂荡运动 38 4.7滑行艇在静水中纵摇运动 40 4.8滑行艇的纵向运动稳定条件 42 第5章 滑行艇三自由度运动预报 43 5.1滑行艇纵向运动耦合方程的数学模型 43 5.1.1坐标系的选取 43 5.1.4 作用于滑行艇的非惯性类水动力（矩） 45 5.2滑行艇所受各非惯性力（矩）的具体计算 45 5.3高速滑行艇运动特点 49 结 论 51 致 谢 52 参考文献 53 IV 第1章 绪论 1.1引言 在过去十几年中，微电子技术、光电技术、计算机、通信、信息处理、新材料等高技术的发展,为无人机及其机载设备等提供了良好的发展条件，无人驾驶运载工具开始真正呈现复兴的势头。无人机也逐渐发展成可提供兵力倍增作战能力的系统方面过度。迄今为止，人们大多都将注意力集中在出尽风头的无人驾驶航空器（UAV）上。 确实，无人驾驶航空器既可以执行远程空中监视，也可执行有限的攻击任务，而且直升机昨晚巡逻装备表现出色，令人叹服；但与水面无人艇相比，无人驾驶航空器目前在使用和回收方面还存在巨大困难，直升机的使用费用又非常昂贵，补充装备所需费用甚至更高……而无人艇确恰恰相反。不但具有很多突出的特点，教之运用环境，无人艇更是独具特色。 所谓智能无人水面艇（USV）,就是指那些依靠遥控或自主方式在水面航行的小型无人化、智能化作战平台。它们可以通过大型舰艇携载,等到达预定地点后加以施放,也可以直接在近岸实现保护己方打击敌方的作用。无人水面艇作为一种新概念武器,较之传统水面舰艇具有一些突出的特点: Ø 功能模式多样化 Ø 作战行动灵活化 Ø 艇体结构隐蔽化 Ø 作战人员零伤亡 Ø 网络作战中心化[1] 图1-1 美国”水虎鱼“无人拖带艇” 正是智能无人水面艇（USV）具有这么多突出特点，带动了无人艇的多向发展，它们在未来海洋国土安全发挥越来越大的作用。国内外都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他方面得到应用。 1.2课题背景 1.2.1国外发展 无人水面艇虽然被认为是一种新概念武器, 但其作战使用确可以一直追溯到第二次世界大战期间。在第二次世界大战诺曼底登陆战役期间,盟国为了实现其战略欺骗和作战掩护的目的,曾设计出一种形如鱼雷的无人水面艇,该艇上载有大量的烟幕剂,可按预先设定的航向机械地驶往欺骗海域,从而造成舰艇编队登陆的假相,同时盟军还利用大型舰艇携带其到达预定海域而后释放并引导其进入计划登陆的海滩施放烟幕,直至动力耗尽或被摧毁为止。 在二战后期,美国海军也曾研制过一系列无人驾驶火箭扫雷艇,即在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷火箭弹,用于浅海雷区作业。二战结束后至五六十年代,苏联曾研制过小型遥控式无人水面艇,用于向敌舰发动自杀式的撞击爆炸性攻击,而美国同期开发的一些无人艇则主要用于搜集海上核试验后的环境数据。由于技术上的滞后,无人水面艇的发展在后来的30年间没有大的突破。 图1-2 美国“幽灵卫士” 直到1991 年海湾战争后,真正意义上的无人水面艇的开发才随着制导和控制技术的日渐成熟而被重新提上日程。美、法、日、以等国纷纷投入巨资发展这一装备(见表1-1) ,其作战系统也实现了由固定式向模块化的转变,作战功能也由单一的反舰、掩护编队、扫雷作战扩展到反恐、缉私、打击海盗、搜捕、通信等新兴领域。 表1-1各国无人水面艇参数表 艇 名 尺寸/m 制造国 制造/试验时间 续航力 最大航速 功 能 海上猫头鹰 3 美国 1993 10h/12kn、24h/5kn 45 雷区侦察、浅海监视、海上拦截 斯巴达侦察兵 7 美国 2002 8h/28kn 50 模块化、反水雷、情报、反舰、反潜 幽灵卫士 8 美国 2003 >24h >40 海上警戒和防护 海虎鱼 8 美国 2003 >24h >40 水面靶标 AN \ WLD – 1 7 美国 2003 20~40h >10 可水上、水下远程猎雷 蓝色骑士 40．4 美国 2005 >24h 50 大型攻击艇 海上斗士 80 美国 2005 >4000nm >50 扫雷、反潜作战、摧毁水面舰艇或运送突击队 保护者 9 以色列 2003 3950nm 40 模块化:海上兵力保护、情报监视和侦察、反水雷战、电子战和精确打击 海星 11 以色列 2005 10h 40 监视、侦察、反水雷战和电子战 黄貂鱼 8 以色列 2005