面向水下滑翔机的柔性后缘机翼研究

发布时间：2020-04-01 09:00

【摘要】：海洋观测任务的多样化以及工作环境的复杂多变对水下滑翔机运动模式以及运动性能提出了更多更高的要求。机翼作为水下滑翔机的核心部件之一,对水下滑翔机的航行性能具有决定性的作用。目前水下滑翔机所使用的机翼多为平板固定机翼,且不具有自适应能力。为此,论文以提高水下滑翔机的运动性能为目标,提出一种具有柔性后缘的机翼设计方案,并提出一种自适应控制策略。论文研究成果对于开发新型高性能水下航行器开辟了新思路。以“海燕”水下滑翔机的平板机翼为对象,基于水下航行器运动稳定性判定方法,推导了机翼后缘变化时水下滑翔机的滑翔经济性、运动稳定性和机动性判别公式。基于此判别公式,并结合计算流体动力学(CFD)仿真结果,探讨了平板机翼后缘弯折方向、弯折角度及后缘差动变化对水下滑翔机的纵垂面航行经济性和稳定性、以及水平面运动机动性和稳定性的影响,获得了在不同攻角下机翼后缘弯折角度的合适变化范围。分析结果表明,合适的机翼后缘变化可以大大提高水下滑翔机的航行经济性和机动性,并且对滑翔机整体的稳定性影响不大。研究成果为论文后续柔性机翼概念设计提供了基础数据和理论支持。基于平板机翼后缘变化对水下滑翔机航行性能的影响结果,对比分析了平板矩形翼型和NACA系列翼型的水动力特性,确定了柔性后缘机翼的基础设计翼型。提出了机翼后缘变形的两种驱动方案:即通过智能压电纤维材料(Macro-Fiber Composite,MFC)实现的柔性驱动和利用丝传动的柔性传动,基于两种驱动方案,开发了机翼后缘变形的自适应变形策略。测试实验结果表明,两种驱动变形方案均可实现需要的机翼后缘变形。为了验证柔性后缘机翼对水下滑翔机运动性能的影响,以实验室现有“海燕”水下滑翔机为原型,开发了一款可搭载柔性后缘机翼的小尺度水下滑翔机,该滑翔机包括机身主体、俯仰调节单元、总控单元(控制电路)、柔性机翼单元。水池试验的结果证明了开发的小尺度水下滑翔机搭载柔性机翼进行水下运动实验的可行性。
【图文】：

滑翔机,混合驱动,研究中心

图 1-2 Slocum 混合驱动滑翔机Figure 1-2 Slocum hybrid glider图 1-3AUV Powered GliderFigure 1-3 AUV Powered Glider日本JAMSTEC (JapanAgency for Marine-Earth Science and Technology) 研究中心也在 2006 年研制了一台混合驱动水下滑翔机[17]，如图 1-4 所示。该机机身

滑翔机,混合驱动,工作模式

AUV[21]，如图 1-8 所示。该机全长 2.29 米，外径 0.3 米，滑翔机尾部装有螺旋桨推进器，并带有可控垂直尾舵和升降翼。该滑翔机的独特之处在于其具有三种工作模式，，而且每一种工作模式的航行速度不同，因此不同工作模式下的滑翔运动需采取的控制方式不同。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941

【参考文献】