CN112069590A - 一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法 - Google Patents

一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法 Download PDF

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CN112069590A CN202010801416.9A CN202010801416A CN112069590A CN 112069590 A CN112069590 A CN 112069590A CN 202010801416 A CN202010801416 A CN 202010801416A CN 112069590 A CN112069590 A CN 112069590A
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Abstract

本发明公开了一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，参照某型鱼雷的外形布局，按照等比例缩小的方法初步确定微小口径航行器外形主体；步骤2，对步骤1缩放后的航行器光体计算流体动力参数和动稳定度G；步骤3，基于步骤2所得结果，对航行器配置鳍舵，并求解添加鳍舵后的航行器的流体动力特征参数和鳍舵面积Aq；步骤4，对于步骤3设计的航行器完成电机选型。采用本发明设计的航行器基于水下UUV(Unmanned underwater vehicle，无人潜航器)进行发射，主要用于对抗水下固定目标。

Description

一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法
技术领域
本发明属于水下航行器领域，涉及一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法。
背景技术
海洋作为蓝色国土，海洋安全属于国家安全的重要组成部分。现阶段，国家积极提出海洋强国战略，走向深蓝、迈向远海。衡量一个国家海洋实力的一个关键因素是海军装备整体实力，鱼雷等水下武器作为一种用于攻击水面舰艇和水下潜艇的常规武器已被广泛应用。而针对大深度水下小型固定目标目前打击手段包括鱼雷、水雷和水下枪弹等，采用鱼雷打击水下小型目标，费用昂贵，并且会对发射母艇造成威胁；采用水雷打击目标，其尺寸较大且布放较为复杂；采用水下枪弹打击目标，水下枪弹有效射程短且杀伤力较小，对目标不能造成有效杀伤。为了对抗水下目标，亟需一款30～100mm微小口径水下航行器。
发明内容
本发明的目的是提供一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，该方法设计的航行器基于水下UUV(Unmanned underwater vehicle，无人潜航器)采用制式炮管发射，具有稳定弹道，主要用于对抗水下固定目标。
本发明所采用的技术方案是，一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，具体包括如下步骤：
步骤1，参照某型鱼雷的外形布局，按照等比例缩小的方法初步确定微小口径航行器外形主体；
步骤2，对步骤1缩放后的航行器计算光体的流体动力参数和动稳定度G；
步骤3，基于步骤2所得结果，对航行器配置鳍舵，并求解添加鳍舵后的航行器的流体动力特征参数和鳍舵面积Aq；
步骤4，对于步骤3设计的航行器完成电机选型。
本发明的特点还在于，
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，对照直径D鱼雷的外形布局，根据如下公式(1)对微小口径d航行器进行整体缩放，缩放因子Scale为：
Figure BDA0002627529370000021
步骤1.2，根据步骤1.1所得的缩放因子计算航行器长度L，如下公式(2)所示：
L＝Scale·L' (2)；
其中，L'为缩放前的鱼雷原始长度；
读取将鱼雷缩放后所得的航行器表面积S，鳍舵力作用点距离航行器质心的距离L1及航行器的质量m；
步骤1.3，计算微小口径航行器的最大横截面积A，如下公式(3)所示：
Figure BDA0002627529370000022
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，根据步骤1.2所得的航行器长度L和航行器设定速度v，水的密度ρ，水的动力学粘度μ，采用如下公式(4)计算雷诺数Re：
Figure BDA0002627529370000031
步骤2.2，根据步骤2.1所得雷诺数Re，建立航行器水下航行摩擦阻力系数Cx0f，如下公式(5)所示：
Figure BDA0002627529370000032
步骤2.3，根据如下公式(6)建立航行器水下航行总阻力系数Cx0与摩擦阻力系数Cx0f的关系：
Cx0＝(1.2～1.25)Cx0f (6)；
步骤2.4，将公式(5)带入公式(6)中，得到总阻力系数Cx0与雷诺数Re的关系如下公式(7)所示：
Figure BDA0002627529370000033
步骤2.5，步骤2.4所得的航行器水下航行总阻力系数特征面积为航行器表面积S，特征面积转换为航行器最大截面积A，总阻力系数Cx计算如下公式(8)：
Figure BDA0002627529370000034
步骤2.6，计算航行器光体升力系数对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000035
如下公式(9)所示：
Figure BDA0002627529370000036
其中，
Figure BDA0002627529370000037
为鱼雷的升力系数对攻角的导数，
Figure BDA0002627529370000038
鱼雷的升力系数对水平舵角的导数；
步骤2.7，计算航行器光体升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000039
如下公式(10)所示：
Figure BDA0002627529370000041
其中，
Figure BDA0002627529370000042
为鱼雷的升力系数对角速度的旋转导数，L2为鱼雷鳍舵力作用点距离质心的距离；
步骤2.8，计算航行器光体俯仰力矩对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000043
如下公式(11)所示：
Figure BDA0002627529370000044
其中，
Figure BDA0002627529370000045
为鱼雷的俯仰力矩对攻角的位置导数，
Figure BDA0002627529370000046
为鱼雷的俯仰力矩系数对水平舵角的位置导数；
步骤2.9，计算航行器光体俯仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000047
如下公式(12)所示：
Figure BDA0002627529370000048
其中，
Figure BDA0002627529370000049
为鱼雷的俯仰力矩系数对角速度的旋转导数；
步骤2.10，计算航行器的相对密度u如下公式(13)所示：
Figure BDA00026275293700000410
其中，m为航行器的质量；
步骤2.11，根据步骤2.5、步骤2.6、步骤2.7、步骤2.8、步骤2.9、步骤2.10所得航行器光体流体动力特征参数计算航行器动稳定度G如下公式(14)所示：
Figure BDA00026275293700000411
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1，航行器鳍舵配置采用某324口径鱼雷鳍舵，计算鳍舵升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000051
如下公式(15)所示：
Figure BDA0002627529370000052
其中，Smk46为某324口径鱼雷的表面积，Ar为单一鳍舵的投影面积；
步骤3.2，计算鳍舵阻力系数Cx_r如下公式(16)所示：
Figure BDA0002627529370000053
其中，Cxmk46为某324口径鱼雷总阻力系数，Cx0mk46为某324口径鱼雷光体阻力系数；
步骤3.3，设配置鳍舵面积为Aq，计算带鳍舵航行器阻力系数Cx′如下公式(17)所示：
Figure BDA0002627529370000054
步骤3.4，计算带鳍舵航行器升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000055
如下公式(18)所示：
Figure BDA0002627529370000056
步骤3.5，计算带鳍舵航行器升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000057
如下公式(19)所示：
Figure BDA0002627529370000058
步骤3.6，计算带鳍舵航行器俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000059
如下公式(20)所示：
Figure BDA00026275293700000510
步骤3.7，计算带鳍舵航行器仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA00026275293700000511
如下公式(21)所示：
Figure BDA0002627529370000061
步骤3.8，带鳍舵航行器动稳定度计算如下公式(22)所示：
Figure BDA0002627529370000062
步骤3.9，定义G'值为1时，航行器自由运动稳定，根据公式(17)、公式(18)、公式(19)、公式(20)、公式(21)、公式(22)联立方程组求解获得航行器的流体动力特征参数包括阻力系数Cx′、升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000063
升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000064
俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000065
仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000066
和鳍舵面积Aq。
步骤4的具体过程如下：
步骤4.1，根据步骤3.9所得的航行器阻力系数Cx′计算航行器阻力如下公式(23):
FD＝0.5ρv2ACx′ (23)；
步骤4.2，根据步骤4.1所得航行器阻力计算电机输出功率P，如下公式(24)所示：
Figure BDA0002627529370000067
其中，v为航行器设定速度，η为电机推进效率；
步骤4.3，根据航行器结构选择螺旋桨尺寸，考虑螺旋桨与鳍舵位置分布，桨叶半径Rp不超过航行器半径50％，桨叶2/3处速度约为雷体运动速度80％，桨叶半径Rp与螺旋桨转动角速度w满足公式(25)：
Figure BDA0002627529370000068
步骤4.4，根据步骤4.3所得最小转动角速度w计算电机最小转速n，如下公式(26)所示：
Figure BDA0002627529370000071
步骤4.5，根据航行器直径和电机最小转速要求选择电机，读取电机参数，包括额定电压Un，额定电流In，空载电流I0，额定转速n0；电机常数包括相间电阻R，转矩常数Km，速度常数Kv，绕组热时间常数ts，绕组最高允许温度Tmax；
步骤4.6，设电机转动角速度为w1，计算电机转矩M1，见公式(27)：
Figure BDA0002627529370000072
步骤4.7，根据步骤4.6所得的电机转矩计算电机工作电流I，见公式(28)：
Figure BDA0002627529370000073
步骤4.8，根据步骤4.7所得的电机工作电流计算电机工作电压U，见公式(29)：
Figure BDA0002627529370000074
步骤4.9，比较电机工作电流I与额定电流In，若I＞In，则采用如下公式(30)计算电机温度T曲线：
Figure BDA0002627529370000075
其中，T0为初始环境温度，e为自然常数2.71828，t为电机工作时间；
步骤4.10，根据步骤4.9所得的电机温度曲线T，计算当电机温度最高达到Tmax时，采用如下公式(31)计算航行器的最远射程Lmax：
Lmax＝v·tmax (31)；
其中，tmax为电机的最大工作时长。
本发明的有益效果如下：
1.基于鱼雷外形设计的微小口径航行器具有良好的流体动力布局，结构简单，尺度小，便于水下发射；
2.微小口径航行器相比于鱼雷、水雷费用低廉，相比于水下枪弹具有更加强大的杀伤效果；
3.电动力推进航行器适应于大深度攻击水下目标，包括水声站、水雷、水下预制武器等。
附图说明
图1是本发明一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法设计出的航行器鳍舵收缩三维示意图；
图2是本发明一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法设计出的航行器鳍舵展开三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，具体包括如下步骤：
步骤1，参照某324口径鱼雷(某324口径鱼雷为鱼雷的型号)的外形布局，按照等比例缩小的方法初步确定微小口径航行器外形主体；
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，参照直径D鱼雷的外形布局，根据如下公式(1)对微小口径d航行器进行整体缩放，缩放因子Scale为：
Figure BDA0002627529370000091
步骤1.2，根据步骤1.1所得的缩放因子计算航行器长度L，如下公式(2)所示：
L＝Scale·L' (2)；
其中，L'为缩放前的鱼雷原始长度；根据步骤1.2所得的航行器长度L，计算该航行器长径比为λ，λ＝L/d；鱼雷型航行器长径比一般取8～12，当λ＜10时，为了增加电动力航行器作战效能、装载更多的战斗部，长径比设为12，通过增加航行器圆柱段长度，此时航行器长度L＝12·d，读取此时航行器表面积S，鳍舵作用点距离航行器质心的距离L1，航行器质量m。
步骤1.3，计算微小口径航行器的最大横截面积A，如下公式(3)所示：
Figure BDA0002627529370000092
步骤2，对步骤1缩放后的航行器计算流体动力参数和动稳定度G；
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，根据步骤1.3所得的航行器长度L和航行器设定速度v，水的密度ρ，水的动力学粘度μ，采用如下公式(4)计算雷诺数Re：
Figure BDA0002627529370000093
步骤2.2，根据步骤2.1所得雷诺数Re，建立航行器水下航行摩擦阻力系数Cx0f，如下公式(5)所示：
Figure BDA0002627529370000094
步骤2.3，根据如下公式(6)建立航行器水下航行总阻力系数Cx0与摩擦阻力系数Cx0f的关系：
Cx0＝(1.2～1.25)Cx0f (6)；
步骤2.4，将公式(5)带入公式(6)中，得到总阻力系数Cx0与雷诺数Re的关系如下公式(7)所示：
Figure BDA0002627529370000101
步骤2.5，步骤2.4所得的航行器水下航行总阻力系数特征面积为航行器表面积S，特征面积转换为航行器最大截面积A，总阻力系数Cx如下公式(8)：
Figure BDA0002627529370000102
步骤2.6，计算航行器光体升力系数对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000103
如下公式(9)所示：
Figure BDA0002627529370000104
其中，
Figure BDA0002627529370000105
为鱼雷的升力系数对攻角的导数，
Figure BDA0002627529370000106
鱼雷的升力系数对水平舵角的导数；
步骤2.7，计算航行器光体升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000107
如下公式(10)所示：
Figure BDA0002627529370000108
其中，
Figure BDA0002627529370000109
为鱼雷的升力系数对角速度的旋转导数，L2为鱼雷鳍舵力作用点距离质心的距离；
步骤2.8，计算航行器光体俯仰力矩对攻角的位置导数
Figure BDA00026275293700001010
如下公式(11)所示：
Figure BDA00026275293700001011
其中，
Figure BDA00026275293700001012
为鱼雷的俯仰力矩对攻角的位置导数，
Figure BDA00026275293700001013
为鱼雷的俯仰力矩系数对水平舵角的位置导数；
步骤2.9，计算航行器光体俯仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000111
如下公式(12)所示：
Figure BDA0002627529370000112
其中，
Figure BDA0002627529370000113
为鱼雷的俯仰力矩系数对角速度的旋转导数；
步骤2.10，计算航行器的相对密度u如下公式(13)所示：
Figure BDA0002627529370000114
其中，m为航行器的质量；
步骤2.11，根据步骤2.5、步骤2.6、步骤2.7、步骤2.8、步骤2.9、步骤2.10所得航行器光体流体动力特征参数计算航行器动稳定度G如下公式(14)所示：
Figure BDA0002627529370000115
步骤3，基于步骤2所得结果，对航行器配置鳍舵，并求解添加鳍舵后的航行器的流体动力特征参数和鳍舵面积Aq；
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1，航行器鳍舵配置采用某324口径鱼雷鳍舵，计算鳍舵升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000116
如下公式(15)所示：
Figure BDA0002627529370000117
其中，Smk46为某324口径鱼雷的表面积，Ar为单一鳍舵的投影面积；
步骤3.2，计算鳍舵阻力系数Cx_r如下公式(16)所示：
Figure BDA0002627529370000118
其中，Cxmk46为某324口径鱼雷总阻力系数，Cx0mk46为某324口径鱼雷光体阻力系数；
步骤3.3，设配置鳍舵面积为Aq，计算带鳍舵航行器阻力系数Cx′如下公式(17)所示：
Figure BDA0002627529370000121
步骤3.4，计算带鳍舵航行器升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000122
如下公式(18)所示：
Figure BDA0002627529370000123
步骤3.5，计算带鳍舵航行器升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000124
如下公式(19)所示：
Figure BDA0002627529370000125
步骤3.6，计算带鳍舵航行器俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000126
如下公式(20)所示：
Figure BDA0002627529370000127
步骤3.7，计算带鳍舵航行器仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000128
如下公式(21)所示：
Figure BDA0002627529370000129
步骤3.8，带鳍舵航行器动稳定度计算如下公式(22)所示：
Figure BDA00026275293700001210
步骤3.9，定义G'值为1，根据公式(17)、公式(18)、公式(19)、公式(20)、公式(21)、公式(22)联立方程组求解获得航行器的流体动力特征参数包括阻力系数Cx′、升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000131
升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000132
俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000133
仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000134
和鳍舵面积Aq。
步骤4，对于步骤3设计的航行器完成电机选型。
步骤4的具体过程如下：
步骤4.1，根据步骤3.9所得的航行器阻力系数Cx′计算航行器阻力如下公式(23):
FD＝0.5ρv2ACx′ (23)；
步骤4.2，根据步骤4.1所得航行器阻力计算电机输出功率P，如下公式(24)所示：
Figure BDA0002627529370000135
其中，v为航行器设定速度，η为电机推进效率；
步骤4.3，根据航行器结构选择螺旋桨尺寸，考虑螺旋桨与鳍舵位置分布，桨叶半径Rp不超过航行器半径50％,桨叶2/3处速度约为雷体运动速度80％,桨叶半径Rp与螺旋桨转动角速度w满足公式(25)：
Figure BDA0002627529370000136
步骤4.4，根据步骤4.3所得最小转动角速度w计算电机最小转速n，如下公式(26)所示：
Figure BDA0002627529370000137
步骤4.5，根据航行器直径和电机最小转速要求选择电机，读取电机参数，包括额定电压Un，额定电流In，空载电流I0，额定转速n0；电机常数包括相间电阻R，转矩常数Km，速度常数Kv，绕组热时间常数ts，绕组最高允许温度Tmax；
步骤4.6，设电机转动角速度为w1，计算电机转矩M1，见公式(27)：
Figure BDA0002627529370000141
步骤4.7，根据步骤4.6所得的电机转矩计算电机工作电流I，见公式(28)：
Figure BDA0002627529370000142
步骤4.8，根据步骤4.7所得的电机工作电流计算电机工作电压U，见公式(29)：
Figure BDA0002627529370000143
步骤4.9，比较电机工作电流I与额定电流In，若I＞In，则采用如下公式(30)计算电机温度T曲线：
Figure BDA0002627529370000144
其中，T0为初始环境温度，e为自然常数2.71828，t为电机工作时间；
步骤4.10，根据步骤4.9所得的电机温度曲线T，计算当电机温度最高达到Tmax时，采用如下公式(31)计算航行器的最远射程Lmax：
Lmax＝v·tmax (31)；
其中，tmax为电机的最大工作时长。
实施例
参考某324口径鱼雷外形布局，设计一款直径55mm，附加鳍舵电动力推进水下航行器，其鳍舵在发射管内呈收缩状态，发射后可自由展开。
步骤1，航行器比例缩放；
步骤1.1，对照某直径D为324mm鱼雷整体缩放，缩放后直径d为55mm，缩放因子Scale为：
Figure BDA0002627529370000151
步骤1.2，根据步骤1.1所得的缩放因子计算航行器长度L，如下公式(2)所示：
L＝Scale·L' (2)；
其中，L'为缩放前的鱼雷原始长度为2735mm，缩放后航行器长度L为465mm。
步骤1.3，鱼雷型航行器长径比一般取8～12，当λ＜10时，为了增加电动力航行器作战效能、装载更多的战斗部，长径比设为12，通过增加航行器圆柱段长度，此时航行器长度L＝12d为660mm，读取此时航行器表面积S为0.1067m2，鳍舵力作用点距离航行器质心的距离L1为289mm，质量m为1.58kg；
步骤1.4，计算微小口径航行器的最大横截面积A，如下公式(3)所示：
Figure BDA0002627529370000152
计算得航行器最大横截面积A为0.002376m2。
步骤2，航行器流体动力：
步骤2.1，根据步骤1.3所得的航行器长度L为660mm，航行器设定速度v取8m/s，水的密度ρ为1000kg/m3，水的动力学粘度μ为0.001003，采用如下公式(4)计算雷诺数Re得5.26×106：
Figure BDA0002627529370000161
步骤2.2，根据步骤2.1所得雷诺数Re，建立航行器水下航行摩擦阻力系数Cx0f，如下公式(5)所示，计算航行器摩擦阻力系数为0.0033：
Figure BDA0002627529370000162
步骤2.3，根据如下公式(6)建立航行器水下航行总阻力系数Cx0与摩擦阻力系数Cx0f的关系：
Cx0＝(1.2～1.25)Cx0f (6)；
步骤2.4，将公式(5)带入公式(6)中，得到总阻力系数Cx0与雷诺数Re的关系如下公式(7)所示，航行器壳体阻力系数为0.00396～0.00413，取总阻力系数为0.004：
Figure BDA0002627529370000163
步骤2.5，步骤2.4所得的航行器水下航行总阻力系数特征面积为航行器表面积S，特征面积转换为航行器最大截面积A，总阻力系数Cx如下公式(8)，得航行器壳体阻力系数Cx为0.180：
Figure BDA0002627529370000164
步骤2.6，计算航行器光体升力系数对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000165
如下公式(9)所示：
Figure BDA0002627529370000166
其中，
Figure BDA0002627529370000167
为鱼雷的升力系数对攻角的导数2.208，
Figure BDA0002627529370000168
鱼雷的升力系数对水平舵角的导数1.467；
计算得航行器光体升力系数对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000169
为0.741。
步骤2.7，计算航行器光体升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA00026275293700001610
如下公式(10)所示：
Figure BDA0002627529370000171
其中，
Figure BDA0002627529370000172
为鱼雷的升力系数对角速度的旋转导数1.228，L2为某324mm鱼雷鳍舵力作用点距离质心距离为1254.7mm；
计算得航行器光体升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000173
为0.5532。
步骤2.8，计算航行器光体俯仰力矩对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000174
如下公式(11)所示：
Figure BDA0002627529370000175
其中，
Figure BDA0002627529370000176
为鱼雷的俯仰力矩对攻角的位置导数0.434，
Figure BDA0002627529370000177
为鱼雷的俯仰力矩系数对水平舵角的位置导数-0.615；
计算得航行器光体俯仰力矩对攻角的位置导数
Figure BDA0002627529370000178
为1.049。
步骤2.9，计算航行器光体俯仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000179
如下公式(12)所示：
Figure BDA00026275293700001710
其中，
Figure BDA00026275293700001711
为鱼雷的俯仰力矩系数对角速度的旋转导数0.647；
计算得航行器光体俯仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA00026275293700001712
为0.3366。
步骤2.10，计算航行器的相对密度u如下公式(13)所示：
Figure BDA00026275293700001713
计算得航行器的相对密度u为2.015。
步骤2.11，根据步骤2.5、步骤2.6、步骤2.7、步骤2.8、步骤2.9、步骤2.10所得航行器光体流体动力特征参数计算航行器动稳定度G如下公式(14)所示：
Figure BDA0002627529370000181
计算得航行器光体动稳定度为-3.95。
步骤3，根据步骤2.11得航行器光体静稳定度为-3.95，此时航行器自由运动是不稳定的，其运动发散；现需要给予航行器光体配置鳍舵使得航行器运动稳定。
步骤3.1，航行器鳍舵配置采用某324口径鱼雷鳍舵模型，计算鳍舵升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000182
如下公式(15)所示：
Figure BDA0002627529370000183
其中，Smk46为某324口径鱼雷的表面积82448mm2，Ar为单一鳍舵的投影面积26645mm2；
计算得鳍舵升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000184
为2.2697。
步骤3.2，计算鳍舵阻力系数Cx_r如下公式(16)所示：
Figure BDA0002627529370000185
其中，Cxmk46为某324口径鱼雷总阻力系数0.0942，Cx0mk46为某324口径鱼雷光体阻力系数0.0809；
计算得鳍舵阻力系数Cx_r为0.0103。
步骤3.3，设配置鳍舵面积为Aq，计算带鳍舵航行器阻力系数Cx′如下公式(17)所示：
Figure BDA0002627529370000186
步骤3.4，计算带鳍舵航行器升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000187
如下公式(18)所示：
Figure BDA0002627529370000191
步骤3.5，计算带鳍舵航行器升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000192
如下公式(19)所示：
Figure BDA0002627529370000193
步骤3.6，计算带鳍舵航行器俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000194
如下公式(20)所示：
Figure BDA0002627529370000195
步骤3.7，计算带鳍舵航行器仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA0002627529370000196
如下公式(21)所示：
Figure BDA0002627529370000197
步骤3.8，带鳍舵航行器动稳定度计算如下公式(22)所示：
Figure BDA0002627529370000198
步骤3.9，为保证航行器运动特性稳定，设其动稳定度G'为1，根据公式(17)、公式(18)、公式(19)、公式(20)、公式(21)、公式(22)联立方程组求解获得航行器的流体动力特征参数包括阻力系数Cx′为0.212、升力系数对舵角的位置导数
Figure BDA0002627529370000199
为4.287、8升力系数对角速度的旋转导数
Figure BDA00026275293700001910
为2.106、俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure BDA00026275293700001911
为-0.504、仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure BDA00026275293700001912
为1.016、鳍舵面积Aq为1856mm2。
配置鳍舵后的55mm口径电动力推进水下航行器鳍舵收缩状态三维示意图如图1所示，鳍舵展开三维示意图如图2所示。
步骤4，电机选型：
步骤4.1，根据步骤3.9所得的航行器阻力系数Cx′为0.212计算航行器阻力如下公式(23)，速度v取8m/s:
FD＝0.5ρv2ACx′ (23)；
计算得航行器阻力为16.12N。
步骤4.2，根据步骤4.1所得航行器阻力计算电机输出功率如下公式(24)所示：
Figure BDA0002627529370000201
其中，η为电机推进效率取0.67；
计算得电机输出功率P为192.4W。
步骤4.3，电机带动螺旋桨转动使得航行器获得前进动力，考虑螺旋桨与鳍舵位置分布，桨叶半径不超过航行器半径50％为13.75mm，在一般经验中认为桨叶2/3处速度约为雷体运动速度80％，电机得最小转动角速度满足公式(25)：
Figure BDA0002627529370000202
其中，Rp为最大桨叶半径13.75mm，w为转动角速度，v为航行速度8m/s；
步骤4.4，根据步骤4.3计算所得最小转动角速度为698rad/s，角速度转换为电机转速见公式(26)，计算得6665rpm。
Figure BDA0002627529370000203
步骤4.5，电机直径不超过航行器直径，考虑航行器外壳厚度，因此选择Maxon RE40石墨电刷电机，额定电压Un为24V，订货号为148867，该电机额定电流In6A，空载电流I0为137mA，额定转速n0为6940rpm高于所需电机最小转速。电机常数包括相间电阻为R为0.299Ω，转矩常数Km为30.2mNm/A，速度常数Kv为317rpm/V。绕组热时间常数ts为41.5s，绕组最高允许温度Tmax为155℃。
步骤4.6，设电机转动角速度w1为730rad/s，此时电机转速公式(26)为6971rpm，高于电机额定转速，此时电机转矩为公式(27)：
Figure BDA0002627529370000211
步骤4.7，根据步骤4.6所得电机转矩M1计算电机工作电流见公式(28)，计算电机工作电流I得8.87A：
Figure BDA0002627529370000212
步骤4.8，根据步骤4.7所得电机工作电流计算电机工作电压见公式(29)，计算电机工作电压U得24.64V：
Figure BDA0002627529370000213
步骤4.9，根据步骤4.7所得电机工作电流I明显高于额定电流In，则需考虑电池放电时间使得电机温度不超过绕组最高允许温度，电机温度T曲线为公式(30)：
Figure BDA0002627529370000214
其中，T0为初始环境温度，e为自然常数2.71828，t为电机工作时间；
步骤4.10，根据步骤4.9电机温度曲线计算当电机温度最高达到Tmax时，电机最大工作时长tmax为25.5s，航行器最远射程Lmax为204m见公式(31)，航行器最远射程Lmax满足航行器作战半径要求至少100m。
Lmax＝v·tmax (31)。
动稳定度：动稳定度G是表征鱼雷自由运动稳定性的重要参数，其中当G>0时，鱼雷的自由运动是两个随时间衰减的非周期运动叠加而成，即自由运动是稳定的，鱼雷是动稳定的；当G<0时，自由运动是不稳定的，鱼雷是动不稳定的；当0<G<1时鱼雷是静不稳定的；当G>1时，鱼雷是静稳定的。本文研究鱼雷型航行器为了使其在短距离攻击阶段弹道稳定，配置鳍舵使动稳定度G＝1，此时当鱼雷受到微小扰动后，既不产生正力矩，又不产生负力矩，鱼雷处于中立静稳定状态。

Claims (5)

1.一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，对照鱼雷的外形布局，对微小口径航行器主体进行整体缩放；
步骤2，对步骤1缩放后的航行器计算流体动力参数和动稳定度G；
步骤3，基于步骤2所得结果，对航行器配置鳍舵，并求解添加鳍舵后的航行器的流体动力特征参数和鳍舵面积Aq；
步骤4，对于步骤3设计的航行器完成电机选型。
2.根据权利要求1所述的一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
步骤1.1，参照某型直径D鱼雷的外形布局，根据如下公式(1)按照等比例缩小的方法初步确定微小口径d航行器外形主体，缩放因子Scale为：
Figure FDA0002627529360000011
步骤1.2，根据步骤1.1所得的缩放因子计算航行器长度L，如下公式(2)所示：
L＝Scale·L' (2)；
其中，L'为缩放前的鱼雷原始长度；读取将鱼雷缩放后所得的航行器表面积S，鳍舵力作用点距离航行器质心的距离L1及航行器的质量m；
步骤1.3，计算微小口径航行器的最大横截面积A，如下公式(3)所示：
Figure FDA0002627529360000012
3.根据权利要求2所述的一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，根据步骤1.3所得的航行器长度L和航行器设定速度v，水的密度ρ，水的动力学粘度μ，采用如下公式(4)计算雷诺数Re：
Figure FDA0002627529360000021
步骤2.2，根据步骤2.1所得雷诺数Re，建立航行器水下航行摩擦阻力系数Cx0f，如下公式(5)所示：
Figure FDA0002627529360000022
步骤2.3，根据如下公式(6)建立航行器水下航行总阻力系数Cx0与摩擦阻力系数Cx0f的关系：
Cx0＝(1.2～1.25)Cx0f (6)；
步骤2.4，将公式(5)带入公式(6)中，得到总阻力系数Cx0与雷诺数Re的关系如下公式(7)所示：
Figure FDA0002627529360000023
步骤2.5，步骤2.4所得的航行器水下航行总阻力系数特征面积为航行器表面积S，特征面积转换为航行器最大截面积A，总阻力系数Cx如下公式(8)：
Figure FDA0002627529360000024
步骤2.6，计算航行器光体升力系数对攻角的位置导数
Figure FDA0002627529360000025
如下公式(9)所示：
Figure FDA0002627529360000026
其中，
Figure FDA0002627529360000027
为鱼雷的升力系数对攻角的导数，
Figure FDA0002627529360000028
鱼雷的升力系数对水平舵角的导数；
步骤2.7，计算航行器光体升力系数对角速度的旋转导数
Figure FDA0002627529360000029
如下公式(10)所示：
Figure FDA0002627529360000031
其中，
Figure FDA0002627529360000032
为鱼雷的升力系数对角速度的旋转导数，L2为鱼雷鳍舵力作用点距离质心的距离；
步骤2.8，计算航行器光体俯仰力矩对攻角的位置导数
Figure FDA0002627529360000033
如下公式(11)所示：
Figure FDA0002627529360000034
其中，
Figure FDA0002627529360000035
为鱼雷的俯仰力矩对攻角的位置导数，
Figure FDA0002627529360000036
为鱼雷的俯仰力矩系数对水平舵角的位置导数；
步骤2.9，计算航行器光体俯仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure FDA0002627529360000037
如下公式(12)所示：
Figure FDA0002627529360000038
其中，
Figure FDA0002627529360000039
为鱼雷的俯仰力矩系数对角速度的旋转导数；
步骤2.10，计算航行器的相对密度u如下公式(13)所示：
Figure FDA00026275293600000310
其中，m为航行器的质量；
步骤2.11，根据步骤2.5、步骤2.6、步骤2.7、步骤2.8、步骤2.9、步骤2.10所得航行器光体流体动力特征参数计算航行器动稳定度G如下公式(14)所示：
Figure FDA00026275293600000311
4.根据权利要求3所述的一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：
步骤3.1，航行器鳍舵配置采用某324口径鱼雷鳍舵，计算鳍舵升力系数对舵角的位置导数
Figure FDA0002627529360000041
如下公式(15)所示：
Figure FDA0002627529360000042
其中，Smk46为某324口径鱼雷的表面积，Ar为单一鳍舵的投影面积；
步骤3.2，计算鳍舵阻力系数Cx_r如下公式(16)所示：
Figure FDA0002627529360000043
其中，Cxmk46为某324口径鱼雷总阻力系数，Cx0mk46为某324口径鱼雷光体阻力系数；
步骤3.3，设配置鳍舵面积为Aq，计算带鳍舵航行器阻力系数Cx′如下公式(17)所示：
Figure FDA0002627529360000044
步骤3.4，计算带鳍舵航行器升力系数对舵角的位置导数
Figure FDA0002627529360000045
如下公式(18)所示：
Figure FDA0002627529360000046
步骤3.5，计算带鳍舵航行器升力系数对角速度的旋转导数
Figure FDA0002627529360000047
如下公式(19)所示：
Figure FDA0002627529360000048
步骤3.6，计算带鳍舵航行器俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure FDA0002627529360000049
如下公式(20)所示：
Figure FDA00026275293600000410
步骤3.7，计算带鳍舵航行器仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure FDA0002627529360000051
如下公式(21)所示：
Figure FDA0002627529360000052
步骤3.8，带鳍舵航行器动稳定度计算如下公式(22)所示：
Figure FDA0002627529360000053
步骤3.9，定义G'值为1，根据公式(17)、公式(18)、公式(19)、公式(20)、公式(21)、公式(22)联立方程组求解获得航行器的流体动力特征参数包括阻力系数Cx′、升力系数对舵角的位置导数
Figure FDA0002627529360000054
升力系数对角速度的旋转导数
Figure FDA0002627529360000055
俯仰力矩系数对舵角的位置导数
Figure FDA0002627529360000056
仰力矩系数对角速度的旋转导数
Figure FDA0002627529360000057
和鳍舵面积Aq。
5.根据权利要求4所述的一种微小口径电动力推进水下航行器的设计方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程如下：
步骤4.1，根据步骤3.9所得的航行器阻力系数cx′计算航行器阻力如下公式(23)：
FD＝0.5ρv2ACx′ (23)；
步骤4.2，根据步骤4.1所得航行器阻力计算电机输出功率P，如下公式(24)所示：
Figure FDA0002627529360000058
其中，v为航行器设定速度，η为电机推进效率；
步骤4.3，根据航行器结构选择螺旋桨尺寸，考虑螺旋桨与鳍舵位置分布，桨叶半径Rp不超过航行器半径50％,桨叶2/3处速度约为雷体运动速度80％,桨叶半径Rp与螺旋桨转动角速度w满足公式(25)：
Figure FDA0002627529360000061
步骤4.4，根据步骤4.3所得最小转动角速度w计算电机最小转速n，如下公式(26)所示：
Figure FDA0002627529360000062
步骤4.5，根据航行器直径和电机最小转速要求选择电机，读取电机参数，包括额定电压，额定电流In，空载电流I0，额定转速n0；电机常数包括相间电阻R，转矩常数Km，速度常数Kv，绕组热时间常数ts，绕组最高允许温度Tmax；
步骤4.6，设电机转动角速度为w1，计算电机转矩M1，见公式(27)：
Figure FDA0002627529360000063
步骤4.7，根据步骤4.6所得的电机转矩计算电机工作电流I，见公式(28)：
Figure FDA0002627529360000064
步骤4.8，根据步骤4.7所得的电机工作电流计算电机工作电压U，见公式(29)：
Figure FDA0002627529360000065
步骤4.9，比较电机工作电流I与额定电流In，若I＞In，则采用如下公式(30)计算电机温度T曲线：
Figure FDA0002627529360000066
其中，T0为初始环境温度，e为自然常数2.71828，t为电机工作时间；
步骤4.10，根据步骤4.9所得的电机温度曲线T，计算当电机温度最高达到Tmax时，采用如下公式(31)计算航行器的最远射程Lmax：
Lmax＝v·tmax (31)；
其中，tmax为电机的最大工作时长。
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