[发明专利]一种超空泡航行体运动状态转移控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航行体运动检测技术，特别是一种超空泡航行体运动状态转移控制方法。

背景技术

当水下航行体与周围水体之间发生高速相对运动时，由于静压力急速下降，航行体表面附近发生空化，迅速形成覆盖航行体大部分甚至全部表面的超空泡在这种情况下航行体表面沾湿面积减小，受到的阻力急剧下降，从而能够大大提高航行体的速度.但超空泡航行体在得到高速的同时，由于几乎整体包裹于空泡内而失去了绝大部分浮力支撑，而且在航行体尾翼与空泡之间的碰撞产生强烈的非线性流体动力，这都给超空泡航行体的稳定运动带来了极大的困难.

为了有效控制超空泡航行体的运动姿态，减少航行体的尾翼与空泡壁碰撞产生的冲击，国内外学者主要通过控制器的设计控制航行体的稳定航行。在工程应用中，控制参数和发射初始条件变化引起的航行体振动特性是超空泡航行体稳定控制的重要理论依据，白涛等分叉分析了当尾翼偏转角变化时超空泡航行体的运动状态；Dzielski采用一个简化的四维超空泡航行体动力学模型，虽然该模型只考虑了攻角对滑行力的影响，但能够定性的描述超空泡航行体在纵向平面的运动特性；Lin等基于非圆柱非对称空泡探讨了超空泡航行体的非线性动力学行为；总体来说，有关发射初始条件变化对航行体振动特性影响的研究，国内外公开发表的文献尚不多见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超空泡航行体运动状态转移控制方法，包括：建立超空泡航行体模型；建立包括超空泡航行体尾部侵没深度模型和超空泡航行体非线性动力学模型；改变k和空化数σ并基于二维分岔法确定超空泡航行体的动力学分布情况；改变发射初始条件确定在不同初始条件下航行体振动状态。

采用上述方法，所述超空泡航行体尾部侵没深度模型为

采用上述方法，所述超空泡航行体非线性动力学模型为

采用上述方法，基于二维分岔法确定超空泡航行体的动力学分布情况具体包括：保持航行体头部圆盘空化器偏转角δ_c不变，选取航行体尾翼偏转角δ_e＝kq，其中k为航行体俯仰角速度的反馈控制参数，q为航行体俯仰角速度；改变k和空化数σ，对于不同k、σ参数下的超空泡航行体非线性动力学模型，基于二维分岔法将航行体振动状态分为稳定状态、周期状态和混沌状态，且航行体由稳定状态切换到周期状态时或由周期状态切换至混沌状态时会发生Hopf分岔。

采用上述方法，改变发射初始条件确定在不同初始条件下航行体振动状态包括：于Hopf分岔线处选取一对k、σ参数代入超空泡航行体非线性动力学模型中计算该点处的平衡点(w,q,θ,z)，并将航行体在平衡点处线性化得到Jacobi矩阵，得到相应的四个特征根；选取不同初始值，观察该初始值下侵没深度h′和滑行力F_planing随时间变化的运动情况；选取航行体振动最小的初始值。

本发明采用二维分岔分析法确定超空泡航行体系统的动力学分布情况，分析航行体振动产生复杂的非线性物理学现象，探讨尾翼偏转角控制参数和初始条件变化对超空泡航行体振动特性的影响。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为超空泡航行体结构和外形尺寸示意图。

图2为(σ,k)二维系统动力学行为分布图。

图3为不同参数时系统在w-θ平面上的相轨图，(a)为σ＝0.02099，k＝0.53下的示意图，(b)为σ＝0.03527，k＝6.14下的示意图，(c)为σ＝0.03272，k＝0.02下的示意图。

图4为σ＝0.0283,k＝21.95时相轨迹在w-q平面上的投影示意图，其中(a)为初始值为α₁相轨图，(b)为初始值为α₂相轨图。

图5为σ＝0.03255,Rn＝0.0191时相轨迹在w-q平面上的投影示意图，(a)为初始值为β₁相轨图，(b)为初始值为β₂相轨图。

图6为随时间演化的李雅普诺夫指数谱示意图。

图7为σ＝0.02930,k＝5.63时航行体振动特性示意图，其中(a)为侵没深度示意图，(b)为滑行力示意图。

图8为随时间演化的Lyapunov指数谱示意图。

图9为σ＝0.03527,k＝6.14时航行体振动特性示意图，其中(a)为侵没深度示意图，(b)为滑行力示意图。