CN112918650B - 一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法，用以解决现有自主水下航行器通过增加螺旋桨转速和扭矩的方式增加加速度会极大的消耗能量。本发明的步骤为：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动提供推力，实现自主水下航行器瞬时加速；判断是否启动螺旋桨；根据水阻力公式计算航行时的阻力；控制器解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速；控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角；螺旋桨推进稳定航行，根据舵角调整位姿。本发明混合喷气式推进装置和螺旋桨驱动AUV航行，喷气式推进装置提供AUV启动所需的动能，实现瞬时加速；加速后可以实现AUV稳速航行及位姿调整。本发明可以大幅缩短AUV加速时间，降低了能耗。

Description

一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法

技术领域

本发明涉及水下航行器的技术领域，尤其涉及一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法。

背景技术

自主式水下航行器(AUV)是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，具有活动范围广、机动性好、安全、智能化和隐蔽性好等优点，成为完成各种水下任务的重要工具，如，在民用领域，可用于铺设管线、海底考察、数据搜集水下设备维护和维修等。在军事领域可用于侦察、扫雷、援潜和救生等。

水下航行器发展到现在，其高机动能力使其适用于各种任务。AUV的驱动方式主要为螺旋桨驱动。在水下，水阻力和能源是限制AUV高速机动的重要因素。尤其是在AUV启动过程中，受水阻力的影响，AUV的加速度通常不超过0.1m/s²。而通过增加螺旋桨转速和扭矩的方式会极大的消耗为数不多的能量。

申请号为202010006806.7的发明专利公开了一种AUV螺旋通道推进器，使用减速线性对导流器外部线型进行设计，使用加速线性对整流器外部线型进行设计，使螺旋通道推进器工作中，通过前段经过线型设计的导流器对来流进行导流，使其低阻的以螺旋前进流动的方式进入螺旋通道；通过经过线型设计的整流器对尾流进行整合，从而减小尾流对推进器产生的不利影响，提高螺旋通道推进器推进性能。但是，该推进器结构复杂，体积较大，需要更高的能耗来支撑其运行。对于小型AUV来说，该推进器的效果并不理想。

发明内容

针对现有自主水下航行器通过增加螺旋桨转速和扭矩的方式增加加速度会极大的消耗能量的技术问题，本发明提出一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法，增加了固体推进剂驱动的喷气式推进装置，通过喷气式推进装置和双螺旋桨共同驱动AUV航行，通过固体燃料的燃烧产生的化学能提供的大额推力完成加速过程，通过双螺旋桨提供后续的稳定推力。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种自主水下航行器瞬时加速方法，其步骤为：

步骤一：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动，向自主水下航行器提供推力，实现自主水下航行器瞬时加速；

步骤二：判断是否启动螺旋桨：控制器比较速度传感器实时监测自主水下航行器的速度与预设的速度阈值，若自主水下航行器的速度大于等于速度阈值，控制器启动螺旋桨，由螺旋桨提供航行动力；否则，返回步骤一；

步骤三：根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力；

步骤四：控制器根据阻力解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速；

步骤五：控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角；

步骤六：螺旋桨在步骤四计算的螺旋桨的转速下推进自主水下航行器稳定航行，控制器根据步骤五计算的尾舵的舵角调整自主水下航行器的位姿。

优选地，所述步骤一中喷气式推进装置包括点火装置、燃料柱、燃烧室和喷管，点火装置设置在燃烧室的一侧且与燃料柱相匹配，燃料柱设置在燃烧室中，燃烧室的另一侧安装有喷管。

优选地，所述喷管为先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，即喷管包括收缩段和扩展段，收缩段与燃烧室相连通，收缩段通过喷喉与扩展段相连通，扩展段与喷口相连通；所述喷喉为喷管的截面积最小处。

优选地，所述燃料柱内设有固体推进剂，固体推进剂中包含纳米铝粉，且纳米铝粉的含量的范围为15-35％。

优选地，所述步骤一中自主水下航行器瞬时加速启动的方法为：控制器发出控制信号控制点火装置点燃燃烧柱，燃烧柱燃烧产生大量高温的燃气，燃气在燃烧室中膨胀后向喷管方向流动；燃气在喷管的收缩段流动速度小于当地声速，此时，燃气的流动速度随着喷管的截面积的减小而增加；当燃气流经喷管的喷喉位置时，燃气的流动速度达到1马赫；燃气进入喷管的扩张段流动，燃气的流动速度随着喷管的截面积的增加而增加，燃气的流动速度实现从亚音速至超音速的跨越，燃气以超音速流动，燃气从喷管喷出给自主水下航行器提供大额的推力，从而使其加速启动。

所述喷气式推进装置的推力F′为

其中，

表示燃气质量流量，u_e为燃气的流动速度，A_e是喷管出口处的截面积，P_e和P_a分别是喷管处的压强和环境压强；

根据喷气式推进装置的推力F′可以计算瞬时加速的瞬时加速度。

所述螺旋桨为双螺旋桨，双螺旋桨关于自主水下航行器的中心对称设置；所述步骤三中根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力的方法为：

其中，F为自主水下航行器在航行速度v下的阻力，ρ为海水密度，S为自主水下航行器的迎流面积，C表示阻力系数。

所述步骤四中计算螺旋桨的转速的方法为：

S4.1，控制器根据阻力F的大小计算每个螺旋桨需要提供的推力T为：

S4.2，控制器进行推力解算，通过螺旋桨的推力T计算螺旋桨的转速n为：

其中，K表示推力系数，ρ为海水密度，D为螺旋桨的直径。

所述步骤五中尾舵的舵角的计算方法为：陀螺仪将实时监测的自主水下航行器各自由度上的加速度传输至控制器；控制器分析自主水下航行器在水下的受力情况，则位姿误差为：

[q_e，r_e]＝[q-α_q，r-α_r]；

其中，q和r分别是AUV的纵倾角速度和偏航角速度，α_q和α_r为期望纵倾角速度和期望偏航角速度；

控制器基于积分滑模控制方法设计动力学控制率，在纵倾和偏航方向上的动力学方程为：

其中，m_ii表示包括附加质量在内的广义质量，i＝1，2，3，4，5，6；

和

为纵倾方向和偏航方向的角加速度；u，v，w，q，r分别表示各个自由度上的速度分量；M_q和N_r分别表示纵倾方向和偏航方向的一阶水动力阻尼系数，

表示自主水下航行器的稳心高度，W为自主水下航行器的所受浮力；θ表示自主水下航行器的纵倾角；τ_q和τ_r分别为控制器输出的纵倾和偏航的控制率，f_q和f_r分别表示两个自由度上未知的干扰；

基于Lyapunov稳定性定理设计动力学控制律，将纵倾动力控制率和偏航控制率并作分析，选取Lyapunov函数为：

其中，用积分滑模面

和

对Lyapunov函数求时间积分，得到：

为了使位姿误差q_e和r_e分别沿着积分滑模面S₁和S₂收敛于0，设计纵倾控制率τ_q和偏航控制率τ_r为：

控制器根据纵倾和偏航的控制率得到自主水下航行器的水平和垂直方向上所需的补偿力大小；补偿力由尾舵提供，尾舵的可控制量为尾舵的舵角。控制器根据所需补偿力大小和航行速度解算舵角δ为：

其中，δ_q是水平舵角，δ_r是垂直舵角，ρ为海水密度，A_R表示尾舵面积，V_R为速度传感器实际测量的航行速度，与航行速度v相等。C_R表示舵力系数，τ_q和τ_r表示纵倾控制率和偏航控制率。

一种自主水下航行器瞬时加速系统，包括控制器、螺旋桨、尾舵、速度传感器和陀螺仪，速度传感器和陀螺仪均与控制器相连接，控制器分别与螺旋桨、尾舵相连接，所述控制器与喷气式推进装置相连接，喷气式推进装置通过将高速的燃气喷出提供大额的推力；所述喷气式推进装置包括点火装置、燃料柱、燃烧室和喷管，点火装置设置在燃烧室的一侧且与燃料柱相匹配，点火装置与控制器相连接；所述燃料柱设置在燃烧室中，燃烧室的另一侧安装有喷管。

与现有技术相比，本发明的有益效果：混合喷气式推进装置和螺旋桨驱动AUV航行，AUV启动时，控制器控制喷气式推进装置中的点火装置点火，喷气式推进装置内部燃料柱燃烧产生的化学能转化为AUV启动所需的动能，以此提供瞬时大额推力。使得AUV以较大的加速度启动；速度传感器实时监测AUV的航行速度，当AUV速度达到速度阈值后，控制器启动螺旋桨，双螺旋桨开始工作，此时AUV通过螺旋桨提供的持续稳定动力做匀速航行；在此过程中，控制器通过陀螺仪实时监测AUV在各自由度上力的变化，以此为基准控制尾舵调整姿态，保持AUV的姿态稳定；即控制器根据所需的航速和位姿要求解算螺旋桨转速和尾舵的舵角，并以此完成速度和位姿调整。同时，本发明可以大幅缩短AUV加速时间，运用固体推进剂可以避免启动过程中螺旋桨的大功率运行，降低了能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明瞬时加速方法的流程图。

图2为本发明喷气式推进装置的结构示意图。

图3为本发明双螺旋桨布置位置的示意图。

图4为本发明瞬时加速系统的原理框图。

图中，1为燃烧柱，2为点火装置，3为燃烧室，4为喷管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动，向自主水下航行器提供推力，实现自主水下航行器的瞬时加速。

AUV的瞬时加速由喷气式推进装置完成，如图2所示，喷气式推进装置包括点火装置2、燃料柱1、燃烧室3和喷管4，点火装置2设置在燃烧室3的一侧且与燃料柱1相匹配，燃料柱1设置在燃烧室3中，燃烧室3的另一侧安装有喷管4，喷管4与燃烧室3相连通。控制器控制点火装置2启动，点火装置2点火可以点燃燃料柱1。燃料柱1均匀固定在燃烧室3的内壁上，保证燃料柱1的燃烧；燃烧后的燃气通过燃烧室3进入喷管4后喷出。

所述喷管4为先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，可以将燃气速度加速到超音速状态，燃气速度越高，推力越大。即喷管4包括收缩段和扩展段，收缩段与燃烧室3相连通，收缩段通过喷喉与扩展段相连通，收缩段为喇叭结构，喇叭结构开口大的一端与燃烧室相连接，喇叭结构开口小的一端与喷喉相连接。扩展段与喷口相连通；所述喷喉为喷管4的截面积最小处。

所述燃料柱1内设有固体推进剂，固体推进剂中包含纳米铝粉，且纳米铝粉的含量的范围为20％。本发明对固体推进剂配方进行一定调整，以纳米铝粉代替普通铝粉，并提高固体推进剂中铝粉含量，可以显著提高固体推进剂的燃烧速度，从而产生大量的燃气，提供更大的推力。

所述步骤一中自主水下航行器瞬时加速启动的方法为：控制器发出控制信号控制点火装置2点燃燃烧柱1，燃烧柱1燃烧产生大量高温的燃气，燃气在燃烧室3中膨胀后向喷管4方向流动；燃气在喷管4的收缩段流动速度小于AUV所在环境的声速，此时，燃气的流动速度随着喷管4的截面积的减小而增加；当燃气流经喷管4的喷喉位置时，即喷管截面积最小处，燃气的流动速度达到1马赫。燃气在喷管的收缩段内做一维定常等熵流动，喷管截面积变小的过程中，燃气流速逐渐增加，流速只能连续变化到1马赫，即达到临界状态，这是收缩段内燃气速度的极限。燃气进入喷管4的扩张段流动，在此阶段，燃气速度以超音速流动。而跨音速的流体在运动时却不再遵循界面小处流速大的原理。燃气的流动速度随着喷管4的截面积的增加而增加，燃气的流动速度实现从亚音速至超音速的跨越，燃气以超音速流动，燃气从喷管4喷出给自主水下航行器提供大额的推力，从而使其加速启动。当地声速是AUV所处环境的声速，不同环境下的声速不同。收缩段燃气的流动速度的范围为0。1-1马赫。马赫可以表示燃气速度，1马赫表示燃气速度达到音速，这是一个临界点，过了该点燃气速度随喷管截面积的变化关系发生改变。亚音速为燃气速度小于1马赫，超音速表示燃气速度大于1马赫，跨音速是指燃气速度由亚音速通过声速到超音速。

所述喷气式推进装置的推力F′为

其中，

表示燃气质量流量，表示单位时间内流经截面的气体质量；u_e为燃气的流动速度，A_e是喷管出口处的截面积，P_e和P_a分别是喷管处的压强和环境压强。喷气式推进装置的推力F′和燃气速度以及燃气流量有关。燃气质量流量

和喷管出口的燃气的流动速u_e可以通过ANSYS下的Fluent软件模拟得出。

根据喷气式推进装置的推力F′计算AUV的瞬时加速度：AUV的质量为m1，则瞬时加速度a＝F′/m1。喷气式推进装置的瞬时推力高于螺旋桨的推力，因此，AUV在喷气式推进装置的驱动下具有较大的加速度。一般地，瞬时加速度不小于2m/s²，随喷气式推进装置的尺寸增加而增加，可以将AUV的速度增加到5m/s，与装载的固体推进剂质量有关。

步骤二：判断是否启动螺旋桨：控制器比较速度传感器实时监测自主水下航行器的速度与预设的速度阈值，若自主水下航行器的速度大于等于速度阈值，控制器启动螺旋桨，由螺旋桨提供航行动力；否则，返回步骤一。

预设的速度阈值v′设置在控制器中，速度传感器实时监测AUV的速度，陀螺仪实时采集各自由度上的加速度，并传输到控制器中。控制器将实时的速度与AUV的速度阈值v′比较，如果AUV的速度小于速度阈值v′，则继续步骤一中控制器发出控制信号启动喷气式推进装置工作，直至AUV的速度大于等于速度阈值v′。当AUV的速度达到速度阈值v′后，启动螺旋桨，由螺旋桨提供航行动力。

步骤三：根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力。

如图3所示，所述螺旋桨为双螺旋桨，双螺旋桨T1和T2关于自主水下航行器的中心对称设置，双螺旋桨比单螺旋桨的推力更高。所述步骤三中根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力的方法为：

其中，F为自主水下航行器在航行速度v下的阻力，ρ为海水密度，S为自主水下航行器的迎流面积，即AUV的横截面积，可以根据直径算出，

d为AUV直径。C表示阻力系数，通常取0.28。航行速度v是速度传感器监测的AUV的实时速度。

步骤四：控制器根据阻力解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速。

所述步骤四中计算螺旋桨的转速的方法为：

S4.1，控制器根据阻力F的大小计算每个螺旋桨需要提供的推力T。由于本发明中采用双螺旋桨推进，因此单个螺旋桨的推力T为：

S4.2，控制器进行推力解算，通过螺旋桨的推力公式计算螺旋桨的转速n为：

其中，K表示推力系数，ρ为海水密度，D为螺旋桨的直径。K可以取0.167，螺旋桨直径D为0.15m。

步骤五：控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角。

所述步骤五中尾舵的舵角的计算方法为：陀螺仪将实时监测的自主水下航行器各自由度上的加速度传输至控制器；控制器分析AUV在水下的受力情况，设计动力学控制率驱动AUV保持位姿稳定。定义位姿误差为：

[q_e，r_e]＝[q-α_q，r-α_r]；

其中，q和r分别是AUV的纵倾角速度和偏航角速度，α_q和α_r为期望纵倾角速度和期望偏航角速度。

控制器基于积分滑模控制方法设计动力学控制率，AUV在纵倾和偏航方向上的动力学方程为：

其中，m_ii(i＝1，2，3，4，5，6)表示包括附加质量在内的广义质量，一般是m_ii＝diag{78.5kg，96.7kg，96.7kg，14.6kg·m²，29.2kg·m²，29.2kg·m²}。

和

为纵倾方向和偏航方向的角加速度。u，v，w，q，r分别表示AUV各个自由度上的速度分量。M_q和N_r分别纵倾方向和偏航方向的表示一阶水动力阻尼系数，

表示AUV的稳心高度，W为AUV所受浮力。θ表示AUV的纵倾角。τ_q和τ_r分别为控制器输出的纵倾和偏航的控制率，f_q和f_r分别表示两个自由度上未知的干扰。

为了镇定位姿误差，基于Lyapunov稳定性定理设计动力学控制律。将纵倾动力控制率和偏航控制率并作分析，选取Lyapunov函数为：

其中，

和

为积分滑模面，分别用S₁和S₂表示。

对Lyapunov函数求时间积分，得到：

为了使位姿误差q_e和r_e分别沿着积分滑模面S₁和S₂收敛于0，设计纵倾控制率τ_q和偏航控制率τ_r如下：

控制器根据纵倾和偏航的控制率得到自主水下航行器的水平和垂直方向上所需的补偿力大小。补偿力由尾舵提供，尾舵的可控制量为尾舵的舵角。控制器根据所需补偿力大小和航行速度解算舵角δ为：

其中，δ_q是水平舵角，δ_r是垂直舵角，ρ为海水密度，A_R表示尾舵面积，V_R为速度传感器实际测量的航行速度，与航行速度v相等。C_R表示舵力系数，τ_q和τ_r表示纵倾控制率和偏航控制率。一般地，C_R为1.49，A_R＝8848mm²。

步骤六：螺旋桨在步骤四计算的螺旋桨的转速下推进自主水下航行器稳定航行，控制器根据步骤五计算的尾舵的舵角调整自主水下航行器的位姿。

尾舵末端通过舵机与AUV主体连接，控制器计算出位姿调整所需的舵角后，控制舵机转动相应角度，从而实现尾舵角度的调整。舵角的偏转使舵面两侧的水流流速出现差异，从而提供一个垂直于舵面的力，通过这个力调整AUV的位姿。

本发明提出了两步走的启动过程实现AUV的瞬时加速：第一步由喷气式推进装置提供大额推力驱动AUV启动，即通过喷管加速固体推进剂燃烧产生的高温燃气，将燃气的化学能转化为动能；燃气以超音速状态从喷管喷出提供大额的推力。第二步为AUV稳速航行及位姿调整阶段：即控制器根据所需的航速和位姿要求解算螺旋桨转速和尾舵舵角，并以此完成速度和位姿调整。

实施例2，如图4所示，一种自主水下航行器瞬时加速系统，包括控制器、螺旋桨、尾舵、速度传感器和陀螺仪，速度传感器和陀螺仪均与控制器相连接，控制器分别与螺旋桨、尾舵相连接，其特征在于，所述控制器与喷气式推进装置相连接，喷气式推进装置通过将高速的燃气喷出提供大额的推力，如图2所示，所述喷气式推进装置包括点火装置2、燃料柱1、燃烧室3和喷管4，点火装置2设置在燃烧室3的一侧且与燃料柱1相匹配，燃料柱1设置在燃烧室3中，燃烧室3的另一侧安装有喷管4。点火装置2与控制器相连接，根据控器的控制信号开启点火装置2，点火装置2可以点燃燃烧柱1。燃烧室3为圆筒状，方便容纳较多的燃料柱1。点火装置2为电子脉冲点火器，控制器为PC工控机，速度传感器为高精度石英挠性加速度计，陀螺仪为高精度三轴光纤陀螺仪。

燃料柱1在燃烧室3中燃烧提供产生大量高温的燃气，燃气经喷管4加速后，将化学能转化为动能，从喷管4出口喷出，提供大额推力，实现AUV的瞬时加速启动。速度传感器和陀螺仪分别实时监测AUV各自由度上的速度和加速度，并传输至控制器中；螺旋桨为双螺旋桨，双螺旋桨和尾舵分别提供航行动力和转向力；控制器根据接受的各自由度上的速度和加速度信息判断螺旋桨的启动时间以及转速和舵角的大小。

其他结构和工作方法与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动，向自主水下航行器提供推力，实现自主水下航行器瞬时加速；

步骤二：判断是否启动螺旋桨：控制器比较速度传感器实时监测自主水下航行器的速度与预设的速度阈值，若自主水下航行器的速度大于等于速度阈值，控制器启动螺旋桨，由螺旋桨提供航行动力；否则，返回步骤一；

步骤三：根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力；

步骤四：控制器根据阻力解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速；

步骤五：控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角；

所述步骤五中尾舵的舵角的计算方法为：陀螺仪将实时监测的自主水下航行器各自由度上的加速度传输至控制器；控制器分析自主水下航行器在水下的受力情况，则位姿误差为：

[q_e,r_e]＝[q-α_q,r-α_r]；

其中，q和r分别是AUV的纵倾角速度和偏航角速度，α_q和α_r为期望纵倾角速度和期望偏航角速度；

控制器基于积分滑模控制方法设计动力学控制率，在纵倾和偏航方向上的动力学方程为：

其中，m_ii表示包括附加质量在内的广义质量，i＝1,2,3,4,5,6；

和

为纵倾方向和偏航方向的角加速度；u,v,w,q,r分别表示各个自由度上的速度分量；M_q和N_r分别表示纵倾方向和偏航方向的一阶水动力阻尼系数，

表示自主水下航行器的稳心高度，W为自主水下航行器的所受浮力；θ表示自主水下航行器的纵倾角；τ_q和τ_r分别为控制器输出的纵倾和偏航的控制率，f_q和f_r分别表示两个自由度上未知的干扰；

基于Lyapunov稳定性定理设计动力学控制律，将纵倾动力控制率和偏航控制率并作分析，选取Lyapunov函数为：

其中，用积分滑模面

和

对Lyapunov函数求时间积分，得到：

为了使位姿误差q_e和r_e分别沿着积分滑模面S₁和S₂收敛于0，设计纵倾控制率τ_q和偏航控制率τ_r为：

控制器根据纵倾和偏航的控制率得到自主水下航行器的水平和垂直方向上所需的补偿力大小；补偿力由尾舵提供，尾舵的可控制量为尾舵的舵角；控制器根据所需补偿力大小和航行速度解算舵角δ为：

其中，δ_q是水平舵角，δ_r是垂直舵角，ρ为海水密度，A_R表示尾舵面积，V_R为速度传感器实际测量的航行速度，与航行速度v相等；C_R表示舵力系数，τ_q和τ_r表示纵倾控制率和偏航控制率；

步骤六：螺旋桨在步骤四计算的螺旋桨的转速下推进自主水下航行器稳定航行，控制器根据步骤五计算的尾舵的舵角调整自主水下航行器的位姿。

2.根据权利要求1所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述步骤一中喷气式推进装置包括点火装置(2)、燃料柱(1)、燃烧室(3)和喷管(4)，点火装置(2)设置在燃烧室(3)的一侧且与燃料柱(1)相匹配，燃料柱(1)设置在燃烧室(3)中，燃烧室(3)的另一侧安装有喷管(4)。

3.根据权利要求2所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述喷管(4)为先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，即喷管(4)包括收缩段和扩展段，收缩段与燃烧室(3)相连通，收缩段通过喷喉与扩展段相连通，扩展段与喷口相连通；所述喷喉为喷管(4)的截面积最小处。

4.根据权利要求2所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述燃料柱(1)内设有固体推进剂，固体推进剂中包含纳米铝粉，且纳米铝粉的含量的范围为15-35％。

5.根据权利要求3所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述步骤一中自主水下航行器瞬时加速启动的方法为：控制器发出控制信号控制点火装置(2)点燃燃烧柱(1)，燃烧柱(1)燃烧产生大量高温的燃气，燃气在燃烧室(3)中膨胀后向喷管(4)方向流动；燃气在喷管(4)的收缩段流动速度小于所在环境的声速，此时，燃气的流动速度随着喷管(4)的截面积的减小而增加；当燃气流经喷管(4)的喷喉位置时，燃气的流动速度达到1马赫；燃气进入喷管(4)的扩张段流动，燃气的流动速度随着喷管(4)的截面积的增加而增加，燃气的流动速度实现从亚音速至超音速的跨越，燃气以超音速流动，燃气从喷管(4)喷出给自主水下航行器提供大额的推力，从而使其加速启动。

6.根据权利要求5所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述喷气式推进装置的推力F′为

其中，

表示燃气质量流量，u_e为燃气的流动速度，A_e是喷管出口处的截面积，P_e和P_a分别是喷管处的压强和环境压强；

根据喷气式推进装置的推力F′可以计算瞬时加速的瞬时加速度。

7.根据权利要求5或6所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述螺旋桨为双螺旋桨，双螺旋桨关于自主水下航行器的中心对称设置；所述步骤三中根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力的方法为：

其中，F为自主水下航行器在航行速度v下的阻力，ρ为海水密度，S为自主水下航行器的迎流面积，C表示阻力系数。

8.根据权利要求7所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述步骤四中计算螺旋桨的转速的方法为：

S4.1，控制器根据阻力F的大小计算每个螺旋桨需要提供的推力T为：

S4.2，控制器进行推力解算，通过螺旋桨的推力T计算螺旋桨的转速n为：

其中，K表示推力系数，ρ为海水密度，D为螺旋桨的直径。

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