【摘要】：超空泡技術(shù)可以從根本上改變水下航行體的阻力特性,使其減少約90%的水下阻力,從而大幅提升水下武器的作戰(zhàn)效能,擁有巨大的軍事應(yīng)用價值。與此同時,超空泡航行體在外形結(jié)構(gòu)、流體動力特性等方面與常規(guī)水下航行體相比具有鮮明的差異,特別是在加速運(yùn)動階段,空泡逐漸發(fā)展延長直至覆蓋整個航行體表面,使動力學(xué)特性更加復(fù)雜。這為其動力學(xué)建模、控制及導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計等問題的解決帶來了極大的難度。本文在超空泡航行體空泡流場特性和受力特性研究的基礎(chǔ)上,建立了包含加速段的變空化數(shù)超空泡航行體非線性動力學(xué)模型,繼而基于智能算法對其控制及導(dǎo)引問題進(jìn)行了深入的研究。主要研究內(nèi)容及成果如下:開展超空泡航行體加速及巡航過程中的空泡流場演化規(guī)律和受力特性研究,建立了非線性動力學(xué)模型。首先,考慮了空泡記憶效應(yīng)、重力作用、空化器偏轉(zhuǎn)等因素對空泡軸線偏移的影響,利用Logvinovich空泡截面獨(dú)立膨脹原理對非定常超空泡形態(tài)進(jìn)行了預(yù)測;在此基礎(chǔ)上,根據(jù)加速運(yùn)動過程中被空泡包裹的程度,對超空泡航行體表面進(jìn)行區(qū)域劃分,并詳細(xì)分析了各區(qū)域的流體動力;結(jié)合基于Rayleigh-Plesset方程的尾部推力計算模型等,建立了變空化數(shù)超空泡航行體非線性動力學(xué)模型;進(jìn)而通過超空泡航行體彈道預(yù)示仿真分析,給出了無控條件下的彈道及穩(wěn)定性規(guī)律。針對忽略不確定性的變空化數(shù)超空泡航行體姿態(tài)機(jī)動控制問題,采用精確線性化方法對模型進(jìn)行解耦及線性化處理,進(jìn)而根據(jù)線性系統(tǒng)理論設(shè)計了姿態(tài)機(jī)動最優(yōu)控制器。仿真結(jié)果表明,忽略不確定性的情況下,精確線性化方法可以較好地解決超空泡航行體的姿態(tài)機(jī)動控制問題。針對考慮不確定性的變空化數(shù)超空泡航行體姿態(tài)機(jī)動控制問題,基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論與模糊控制理論設(shè)計了三種魯棒控制器。第一種,采用反步法設(shè)計思想,并利用非線性阻尼技術(shù)抵消系統(tǒng)不確定項的干擾,設(shè)計了姿態(tài)機(jī)動滑模控制器。第二種,以滑模切換函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)作為模糊控制的輸入,設(shè)計了姿態(tài)機(jī)動模糊控制器。仿真分析了以上兩種控制器的性能特點,并針對其在穩(wěn)定性及魯棒性等方面的不足,設(shè)計了一種間接自適應(yīng)狀態(tài)反饋模糊滑�？刂破�。該控制器以模糊邏輯系統(tǒng)逼近系統(tǒng)未知函數(shù),采用自適應(yīng)算法對外界干擾及模糊逼近誤差進(jìn)行補(bǔ)償,通過引入一種新型趨近律有效提高了趨近速度并降低了抖振。在流體動力參數(shù)攝動及外界干擾條件下的仿真結(jié)果表明,控制系統(tǒng)具有很好的魯棒性與抗干擾能力,且有效抑制了滑行力的產(chǎn)生�；谖擦鳉馀輸�(shù)密度梯度信息,研究了以大型水面艦艇為攻擊目標(biāo)的超空泡航行體導(dǎo)引律設(shè)計問題。以切換函數(shù)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,結(jié)合自適應(yīng)算法實時調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值,設(shè)計了一種自適應(yīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模導(dǎo)引律。仿真結(jié)果表明,航行體能快速跟蹤尾流中心軌跡,脫靶量小且有效減小了追蹤距離�；诹慊暰�角速率,研究了超空泡反魚雷魚雷(SATT)導(dǎo)引律設(shè)計問題。利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)機(jī)動造成的系統(tǒng)不確定性進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償,同時根據(jù)系統(tǒng)與滑模面間的距離,自適應(yīng)地調(diào)節(jié)切換增益以降低抖振,設(shè)計了一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增益自適應(yīng)滑模導(dǎo)引律,算法中克服了網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的未知上界有界(UUB)問題。仿真結(jié)果表明,該導(dǎo)引律對機(jī)動目標(biāo)進(jìn)行攔截時具有很強(qiáng)的魯棒性,脫靶量小,彈道平滑且導(dǎo)引末端法向過載小。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TJ6
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 觸，流體動力特性與常規(guī)水下航行體相比有很大的差異。特別是在加速運(yùn)動階段，空泡逐漸發(fā)展延長直至覆蓋整個航行體表面，空化數(shù)、沾濕面積等參數(shù)變化劇烈，流體動力特性更加復(fù)雜。這給超空泡航行體的動力學(xué)建模及控制、制導(dǎo)帶來了很大的難度。

將尾部排氣注入局部空泡，使之迅速膨脹形成超空泡包裹幾乎整個雷體�！氨╋L(fēng)”魚雷最大的優(yōu)勢無疑是超高的航速，基本不給目標(biāo)預(yù)警時間，擁很高的近程命中概率，并且它甚至無需戰(zhàn)斗部，僅僅依靠本身的巨大動能就能目標(biāo)以重創(chuàng)。與此同時，“暴風(fēng)”也存在不少的缺點，首先是其無法制導(dǎo)，只能直航彈道攻擊目標(biāo)，其次射程較短無法對遠(yuǎn)程目標(biāo)實施有效打擊，此外由于采火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)，其攻擊彈道上會留有明顯的尾跡，且火箭發(fā)動機(jī)的工作及空的潰滅均會產(chǎn)生巨大的噪聲，這些都容易暴露發(fā)射位置，不利于發(fā)射平臺的隱蔽在第一代“暴風(fēng)”的基礎(chǔ)上，俄羅斯的研發(fā)部門對其進(jìn)行了升級改進(jìn)。據(jù)稱新一代的“暴風(fēng)”對動力裝置、空泡產(chǎn)生系統(tǒng)及制導(dǎo)系統(tǒng)均作了相應(yīng)改進(jìn)。它配備推力矢量發(fā)動機(jī)，機(jī)動能力大幅提高，并采用線導(dǎo)加聲自導(dǎo)的復(fù)合制導(dǎo)方導(dǎo)引魚雷，同時空化器也經(jīng)過全新的設(shè)計，采用更加靈活的空泡產(chǎn)生系統(tǒng)，能超空泡狀態(tài)與沾濕狀態(tài)間切換，以適應(yīng)魚雷不同的機(jī)動狀態(tài)。魚雷會以 60 節(jié)左的速度對目標(biāo)進(jìn)行搜索，并以 300 節(jié)以上的高速發(fā)動攻擊，在新型空泡發(fā)生系的配合下，魚雷可以實現(xiàn)中途減速重新選擇攻擊目標(biāo)，同時其航程也將有大幅提高。

a) 機(jī)載快速滅雷系統(tǒng) b) 自適應(yīng)水下高速射彈系統(tǒng)a) RAMICS b) AHSUM圖 1-3 機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)與自適應(yīng)水下高速射彈系統(tǒng)Fig.1-3 RAMICS and AHSUM圖 1-4 超空泡射彈Fig.1-4 Supercavitating projectile上述兩種超空泡射彈系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，基本接近實戰(zhàn)水平。與此同時，美國對超空泡技術(shù)在潛艇、鉆地炸彈、水面艦艇等方面的應(yīng)用也進(jìn)行了深入的研究。美國國防高級研究計劃局（DARPA）正與諾斯羅普·格羅曼公司進(jìn)行有關(guān)超空泡潛艇技術(shù)的研究，稱為“水下快車”計劃[5]。該計劃旨在研制一種直徑 2.43m，質(zhì)量60t，潛深約 6m，航速可達(dá) 100 節(jié)的超空泡水下高速運(yùn)輸艇，用于隱蔽、快速地運(yùn)輸高價值軍事物資或特種作戰(zhàn)小分隊。為了提高鉆地炸彈的侵徹能力，美國海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）與洛克希

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本文編號：2760061