湯偉江, 劉衛(wèi)東, 高 卓, 張 凱

水下線導(dǎo)航行器航路規(guī)劃對導(dǎo)線布放可靠性的影響

湯偉江1,2, 劉衛(wèi)東1,3, 高 卓2, 張 凱2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 3. 西北工業(yè)大學(xué) 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710072)

水下線導(dǎo)航行器因布出導(dǎo)線的限制, 航行過程在航路交匯處會存在斷線風(fēng)險。針對此, 文中采用集中質(zhì)量法, 提出兩側(cè)張力約束變長度導(dǎo)線布放邊界條件, 建立導(dǎo)線布放動力學(xué)模型。分析航路規(guī)劃對導(dǎo)線布放可靠性的影響, 對不同旋回航行時間、布放阻力條件下布出導(dǎo)線水中形態(tài)進(jìn)行了仿真, 提出降低航路交匯斷線概率的方法, 即旋回航行時間應(yīng)大于水下線導(dǎo)航行器流場影響區(qū)對應(yīng)的導(dǎo)線下沉?xí)r間。經(jīng)水下航行器旋回航行試驗證明該方法的有效性, 可知設(shè)置合理的旋回航行時間能夠降低交匯時導(dǎo)線斷線的概率。

水下線導(dǎo)航行器; 航路規(guī)劃; 旋回航行; 導(dǎo)線布放

0 引言

水下動態(tài)有線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水下航行器與母船間的雙向信息交互, 特別是光纖通信技術(shù), 已成為目前水下大容量高速通信的唯一方案[1]。采用有線通信方式的水下線導(dǎo)航行器(文中簡稱水下航行器)在航行過程中通過實時布放導(dǎo)線來建立與母船間的通信信道(如圖1所示), 導(dǎo)線從航行器線團內(nèi)的布放性能以及導(dǎo)線布出后在整個工作周期內(nèi)的水中狀態(tài), 均會影響該通信信道的可靠性和安全性。水下航行器航路規(guī)劃時應(yīng)盡量避免航行軌跡重疊或交匯, 防止掛斷已布放出的導(dǎo)線而導(dǎo)致通信中斷。然而通常情況下, 為滿足探測、作業(yè)的需求, 水下航行器航路規(guī)劃無法完全避免重疊或交匯, 旋回航行就是其中的一個典型工況。航行器攜帶的導(dǎo)線為滿足水下航行器內(nèi)部體積、質(zhì)量限制以及遠(yuǎn)距離航行工作的需求, 其線徑及線密度都較小, 在水中呈負(fù)浮力。水下航行器航行時因自身流場會存在一定的影響區(qū), 在航路交匯處, 可能會將影響區(qū)內(nèi)已布出的導(dǎo)線吸至航行器附近, 被航行器自身凸起部分或螺旋槳掛斷。可以看出, 水下航行器航路交匯時斷線的風(fēng)險較大, 會直接導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此, 研究航行器航路規(guī)劃尤其是航路交匯對導(dǎo)線布放的影響, 提出確保交匯時導(dǎo)線可靠布放的航路規(guī)劃方法至關(guān)重要。

圖1 水下航行器導(dǎo)線布放示意圖

導(dǎo)線是水下纜索的一種, 水下纜索建模方法一般有集中質(zhì)量法[2-6]、有限段法[7-9]、有限差分法[10-11]和有限元法[12]等, 均可用于對水下纜索運動學(xué)和動力學(xué)分析。對于單端變纜長纜索系統(tǒng), 相關(guān)學(xué)者在模型建立的基礎(chǔ)上對纜索收放邊界條件進(jìn)行分析, 以研究變纜長纜索在水中的運動和受力狀態(tài)[2,4,7]。如周學(xué)軍等[13]基于高速布放條件下的微型海光纜的下沉狀態(tài), 分析了洋流、航行速度、微纜線密度和外徑等因素對其下沉狀態(tài)的影響。

文中針對水下航行器航路交匯斷線的問題, 采用集中質(zhì)量法, 建立航行器航行過程雙端導(dǎo)線布放動力學(xué)模型并進(jìn)行了仿真研究, 提出了旋回航行航路交匯斷線條件和解決方法。水下航行器旋回航行試驗證明了該方法的有效性。

1 水下導(dǎo)線動力學(xué)模型

1.1 導(dǎo)線受力分析

圖2 導(dǎo)線微段受力示意圖

根據(jù)牛頓第二定律可得導(dǎo)線微段動力學(xué)方程

1.2 導(dǎo)線空間離散及坐標(biāo)系建立

導(dǎo)線局部坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為

圖3 導(dǎo)線空間離散及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

1.3 導(dǎo)線運動控制方程

1) 導(dǎo)線節(jié)點質(zhì)量矩陣

2) 導(dǎo)線張力

一般情況下, 導(dǎo)線變形處于線彈性范圍內(nèi), 應(yīng)用胡克定律

可得布入水中導(dǎo)線運動控制方程, 即

1.4 邊界條件

隨著母船和航行器的航行, 為構(gòu)建兩者間穩(wěn)定可靠的通信信道, 導(dǎo)線從兩側(cè)載體線團中不斷布放出, 導(dǎo)線布放出過程中需要克服流體阻力、放線通道摩擦阻力、線團內(nèi)導(dǎo)線的粘接力等作用力施加在導(dǎo)線上形成的布放阻力, 因此導(dǎo)線布出的邊界條件需同時考慮隨載體的運動邊界條件及布放阻力作用下的兩側(cè)導(dǎo)線布放邊界條件。

1.4.1 兩側(cè)導(dǎo)線運動邊界條件

1.4.2 布放阻力作用下的放纜邊界條件

則母船端增加1個節(jié)點, 新節(jié)點的位置和速度為

則水下航行器端增加一個節(jié)點, 新節(jié)點的位置和速度為

2 旋回航行航路交匯導(dǎo)線布放仿真及分析

2.1 航路規(guī)劃對導(dǎo)線布放的影響

圖4 航路交匯處垂向距離示意圖

2.2 旋回航行導(dǎo)線布放仿真及分析

文中以水下航行器水平圓周旋回航行作為典型工況對導(dǎo)線布放進(jìn)行仿真分析。為簡化模型, 對于導(dǎo)線離散采用均布策略, 每段導(dǎo)線長度相等, 導(dǎo)線為圓截面, 每段導(dǎo)線的外徑、彈性模量和線密度均相等。

表1 導(dǎo)線參數(shù)

圖5 布出導(dǎo)線水中形態(tài)視圖

圖6 布出導(dǎo)線水中形態(tài)y-z視圖

仿真結(jié)果可知, 在母船和水下航行器航行過程中, 導(dǎo)線不斷從載體上布放出, 由于導(dǎo)線的負(fù)浮力特性, 布出的導(dǎo)線呈整體下沉趨勢, 不考慮旋回航行過程, 布入水中的導(dǎo)線形態(tài)類似拋物線線形。

水下航行器水平旋回航路交匯時刻的布出導(dǎo)線在垂直平面上的水中形態(tài)如圖7所示。水下航行器在交匯點處與布出導(dǎo)線的垂向距離與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)、水下航行器旋回航行時間、水下航行器和母船端的布放阻力及水流速度等因素相關(guān)。導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響水下航行器能夠攜帶導(dǎo)線的長度, 選擇細(xì)徑、較低線密度的導(dǎo)線能夠使水下航行器在體積和載荷質(zhì)量有限的條件下攜帶更長的導(dǎo)線, 從而進(jìn)一步提升水下航行器有線通信的距離。下面不改變導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表1), 不考慮水流速度, 分別對不同旋回航行時間及布放阻力條件下布出導(dǎo)線水中形態(tài)進(jìn)行仿真, 獲取不同條件下水下航行器交匯時刻與已布出導(dǎo)線的垂向距離。

圖7 航行器旋回交匯時布出導(dǎo)線水中形態(tài)y-z視圖

1) 旋回航行時間

表2 不同旋回航行時間交匯時刻垂向距離

隨著旋回航行時間的增加, 交匯處水下航行器與布出導(dǎo)線的垂向距離逐漸增大, 在兩側(cè)布放阻力不變的條件下, 垂向距離隨旋回時間變化基本呈線性分布, 如圖8所示。

圖8 垂向距離隨旋回航行時間變化曲線

2) 水下航行器端布放阻力

表3 不同水下航行器布放阻力的交匯時刻垂向距離

布放阻力越大, 交匯處水下航行器與布出導(dǎo)線的垂向距離越小。當(dāng)水下航行器布放阻力較大時, 導(dǎo)線需要更大的布放張力才能被布放出, 導(dǎo)線布放張力在垂向上的分量越大, 對導(dǎo)線下沉影響也越大。

由上述仿真可知, 增大旋回航行時間或者減小布放阻力, 均可增大交匯時的垂向距離。然而布放阻力與線團纏繞工藝、放線通道設(shè)計相關(guān), 涉及到放線系統(tǒng)布放機理, 力值調(diào)整方法復(fù)雜并影響導(dǎo)線布放的可靠性。由于布放阻力對距載體端越遠(yuǎn)的導(dǎo)線影響越小, 對于較長長度旋回航行過程的導(dǎo)線布放, 調(diào)整布放阻力的意義不大。此外, 通過改進(jìn)水下航行器航路設(shè)計, 使旋回航行時間滿足一定條件, 有利于降低交匯處斷線概率。

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合, 得到

為避免交匯時斷線, 參考式(20), 旋回航行時間應(yīng)滿足以下條件

式(23)右側(cè)定義了基于水平旋回的最小交匯安全時間, 當(dāng)航行器水平旋回航行時間大于該值時, 表明水下航行器在交匯處與導(dǎo)線的垂向距離滿足大于最小交匯安全距離要求, 交匯時布入水中的導(dǎo)線是安全的。

水下航行器航路設(shè)計中有空間旋回要求時, 將旋回航行時間滿足式(24), 交匯處水下航行器與導(dǎo)線間的垂向距離大于最小交匯安全距離, 能夠有效降低交匯處斷線的概率, 提高導(dǎo)線布放可靠性。

3 結(jié)論

文中通過對布入水中導(dǎo)線的受力分析, 針對水下動態(tài)有線通信兩側(cè)導(dǎo)線隨載體航行同步布放的特點, 提出兩側(cè)移動節(jié)點張力約束導(dǎo)線布放邊界條件, 通過節(jié)點離散建立導(dǎo)線布放動力學(xué)模型, 分析航路交匯對導(dǎo)線布放的影響, 對水平圓周旋回航行工況下的導(dǎo)線布放進(jìn)行仿真, 提出降低航行器航路交匯斷線的方法和條件, 得出以下結(jié)論: 1) 水下航行器航路設(shè)計應(yīng)盡量避免自身航路在水平面上投影存在相交的情況, 若航路設(shè)計無法避免交匯, 則交匯處導(dǎo)線應(yīng)下沉至航行器流場影響區(qū)以外, 即交匯處航行器與已布出導(dǎo)線的垂向距離應(yīng)大于最小交匯安全距離(滿足式(20)), 且應(yīng)盡可能增大垂向距離; 2) 從仿真結(jié)果看, 交匯處垂向距離隨旋回航行時間的增加而增大, 隨導(dǎo)線布放阻力的增大而減小, 由于導(dǎo)線布放阻力調(diào)整方法復(fù)雜, 會直接影響放線系統(tǒng)自身的性能, 且布放阻力對于遠(yuǎn)端導(dǎo)線運動影響很小, 因此通過調(diào)整布放阻力來改變交匯處航行器與導(dǎo)線間的垂向距離意義不大; 3) 水下航行器航路設(shè)計中有空間旋回要求時, 旋回航行時間設(shè)置應(yīng)滿足式(24), 即交匯處航行器與導(dǎo)線的垂向距離大于航行器自身的流場影響區(qū)的垂向尺寸, 從而有效降低航路交匯導(dǎo)線的斷線概率。航行器旋回實航試驗也說明了旋回航行時間設(shè)置要求的有效性。文中研究可為水下放線系統(tǒng)設(shè)計、布放分析及水下航行器航路規(guī)劃提供參考。

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Influence of Route Planning of Underwater Wire-guided Vehicle on Reliability of Wire Deployment

TANG Wei-jiang1,2, LIU Wei-dong1,3, GAO Zhuo2, ZHANG Kai2

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China; 3. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Due to the limitation of the wire that is deployed out of the vehicle, the underwater wire-guided vehicle has the risk of wire breakage at the intersection of the route during the vehicle navigation process. In this paper, the boundary conditions of wire deployment with tension constraint and variable wire length on both sides are proposed, and a dynamic model of wire deployment is established using the lumped-mass method. The influence of route planning on the reliability of the wire deployment is analyzed. The underwater shapes of wires that have been deployed are simulated under the conditions of different gyration running times and deployment resistances. A method to reduce the probability of wire breakage at the intersection of the vehicle route is proposed, in which the gyration running time should be longer than the wire sinking time corresponding to the flow field influence area of the underwater vehicle. The method is proven to be effective through the gyration running experiments of underwater vehicles, and setting a reasonable gyration running time can reduce the probability of wire breakage at the intersection.

underwater wire-guided vehicle; route planning; gyration running; wire deployment

TJ631.4; TN91

A

2096-3920(2021)06-0747-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.015

湯偉江, 劉衛(wèi)東, 高卓, 等. 水下線導(dǎo)航行器航路規(guī)劃對導(dǎo)線布放可靠性的影響[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2021, 29(6): 747-753.

2021-03-09;

2021-05-12.

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2018YFC0308800).

湯偉江(1979-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水下有線通信技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)