水下超声速射流对上浮水雷受力特性影响研究

固体火箭发动机具有功率密度大、推力大等优势,常被用于上浮水雷的推进器。然而发动机在水下工作时燃气射流使流场压力发生剧烈脉动,进而影响发动机的推力性能及上浮水雷的受力特性。基于VOF多相流模型和理想气体模型,建立了上浮水雷在不同工作状态(欠膨胀、完全膨胀、过膨胀)下的数值模型,研究了水下燃气喷射流对上浮水雷的受力特性影响。结果显示,欠膨胀工况时,发动机推力平缓,大小为12.2KN,上浮水雷受力未出现负值;完全膨胀时,射流发生颈缩、胀鼓现象位置距离雷体较远,导致发动机推力及水雷壳体受力振荡不剧烈;过膨胀工况时,射流发生颈缩、胀鼓现象距离喷管较近,发动机推力发生剧烈脉动,产生21.37%的振荡幅度,胀鼓现象发生时,流场压力显著降低使得上浮水雷后体受力减小,壳体阻力增大,上浮水雷最大产生27KN的负推力。     

基于TERCOM-ICP联合算法的水下地形匹配方法研究

水下地形辅助导航一直是应用于AUV的热点和前沿问题,有助于修正惯导随时间积累的定位误差,以实现精确的导航定位。对经典地形匹配方法TERCOM算法进行了简单的介绍,引入点云配准领域的ICP算法,针对多波束测深系统可以获取地形剖面的特点,提出了一种TERCOM-ICP联合匹配算法。首先使用TERCOM算法粗匹配,将粗匹配后的大致位置作为指示输入ICP算法中进行精匹配,通过仿真实验对TERCOM算法的匹配结果和ICP算法的匹配时间作对比分析。仿真结果表明：TERCOM-ICP算法可以有效提高水下地形匹配精度,经过仿真实验测试,平均匹配误差可以达到20 m以内,所用时间在160 s以内,验证了该算法应用在水下地形匹配领域的可行性,更好地满足了水下辅助导航的要求。     

一种水下航行体运动参数测量系统的设计

针对航行体水下试验的要求,设计了一种水下航行体运动参数测量系统。从该系统的原理算法、硬件设计和软件设计等方面进行了详细的阐述。该系统以采用硅微传感器的姿态测量系统（以下简称MTi）作为惯性测量组合,导航计算机采集MTi中的加速度计、陀螺和磁力计的原始传感器数据,结合捷联惯导四元数算法更新姿态矩阵,对航行体的姿态、速度、位置进行实时解算并存储解算结果,试验结束后通过上位机对试验数据进行读取。该测量系统多次应用于航行体的水下试验,获得了航行体水下运动参数。经试验验证,该测量系统性能可靠,可以满足水下航行体的运动参数测量的需求。     

密集杂波背景下的水下多目标跟踪方法

水下多目标跟踪是水声信号处理领域研究的热点和难点问题。高斯混合概率假设密度(Gaussian mixture probability hypothesis density, GM-PHD)滤波器以其高效的计算效率为解决水下多目标跟踪问题提供了保证。然而,GM-PHD滤波器在跟踪目标时需要先验已知新生目标的强度,否则其性能会出现严重退化。针对该问题,提出一种滑动窗两步初始化高斯混合概率假设密度(sliding window two step initialization GM-PHD, SWTSI-GMPHD)滤波器。将提出的滑动窗两步初始化方法嵌入GM-PHD滤波器,利用滑动窗两步初始化方法估计新生目标强度,减少杂波干扰导致跟踪结果中出现的虚假目标。仿真实验表明,在杂波密集环境下,相较于其他跟踪方法,提出方法将跟踪精度提高69.84%,52.62%和41.05%。     

水下航行体减阻技术综述

空/水跨介质飞行器经空中飞抵目标水域后高速入水,对目标实施快速打击,具有隐蔽性好、突防能力强等特点。但在水下航行中,固/液界面阻力及绕流流场变化等问题严重影响了航行速度与稳定性。减小航行体表面阻力干扰、流场优化是保障水下高速稳定航行的关键。旨在探讨适用于水下高速航行体的表面减阻与流场优化方法,对表面微结构减阻、超疏水表面减阻、超空泡减阻和微气泡减阻4种最具代表性的固/液界面减阻技术进行论述,分析各种减阻技术的机理与应用可行性,探讨适用于水下高速航行体的减阻技术发展方向。     

水声驻波声管在矢量水听器校准技术中的应用

水声声管在低频水声测量中的应用十分广泛,不仅可以用来校准低频水声换能器,还可以用作水声材料及其构件的声学参数测量。随着矢量水听器研究工作的不断发展,在水声驻波声管中更加大了对质点振速的测量研究。在回顾了矢量水听器校准技术的发展历程和研究现状的基础上,对影响矢量水听器校准技术的因素进行了分析,同时给出了相应的研究成果,包括采用驻波管比较校准方法时,由于标准声压水听器和被测矢量水听器的置放方式引起的灵敏度校准结果高频失真,以及由于矢量水听器悬挂结构影响导致出现的灵敏度校准结果低频失真,并且对矢量水听器技术未来的发展方向进行了展望。     

凹槽参数对通气空泡融合的影响

水下航行体通气技术形成的空泡能够有效降低航行阻力并调节运动姿态,但通气空泡在航行体表面不易融合,空泡形态不稳定,因此开展通气空泡的融合控制具有重要工程应用价值。采用有限体积法进行数值计算,研究了航行体孔后开槽对通气空泡融合的控制作用,并探究了不同凹槽参数对通气空泡融合的影响。研究发现,凹槽改变了空泡的流场特性,槽内产生的旋涡卷吸流经凹槽的气体,使槽内气体向航行体周向发展并融合;当槽宽取0.125D,孔槽间距取0.075D时,对空泡融合的促进以及稳压效果最佳。     

基于SAR子孔径图像的浅海水下地形探测

沿海地区水下地形的精确测量是人类开展海洋活动的关键,合成孔径雷达（SAR）为浅海地形的探测提供了一种新的手段,其中TerraSAR-X 的聚束模式以较长的积分时间得到高分辨率的 SAR 数据,从而能较为精确地反演浅海的海底地形。传统 SAR 图像水下地形探测基于波周期不变的假设,这不仅需要已知初始水深求解波周期,还给探测结果带来一定误差。本文提出一种基于子孔径图像的水下地形探测方法,将一景SAR图像分解成多景时间间隔固定的子孔径图像,利用子孔径图像间的时间间隔,求解不断变化的波周期,从而获得更加精确的水下地形。使用在海南蜈支洲岛的 TerraSAR-X 数据验证了此方法的可行性,将此方法反演得到的结果与GEBCO数据进行比较,发现两者吻合较好（MAE为2.8 m,MRE为23.91%）,证明了此方法在浅海反演水深的巨大潜力。     

环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

NEEMO 15: Evaluation of human exploration systems for near-Earth asteroids

The NASA Extreme Environment Mission Operations (NEEMO) 15 mission was focused on evaluating techniques for exploring near-Earth asteroids (NEAs). It began with a University of Delaware autonomous underwater vehicle (AUV) systematically mapping the coral reef for hundreds of meters surrounding the Aquarius habitat. This activity is akin to the type of “far-field survey” approach that may be used by a robotic precursor in advance of a human mission to a NEA. Data from the far-field survey were then examined by the NEEMO science team and follow-up exploration traverses were planned, which used Deepworker single-person submersibles. Science traverses at NEEMO 15 were planned according to a prioritized list of objectives developed by the science team. These objectives were based on review and discussion of previous related marine science research, including previous marine science saturation missions conducted at the Aquarius habitat. AUV data were used to select several areas of scientific interest. The Deepworker science traverses were then executed at these areas of interest during 4 days of the NEEMO 15 mission and provided higher resolution data such as coral species distribution and mortality. These traverses are analogous to the “near-field survey” approach that is expected to be performed by a Multi-Mission Space Exploration Vehicle (MMSEV) during a human mission to a NEA before extravehicular activities (EVAs) are conducted. In addition to the science objectives that were pursued, the NEEMO 15 traverses provided an opportunity to test newly developed software and techniques. Sample collection and instrument deployment on the NEA surface by EVA crew would follow the “near-field survey” in a human NEA mission. Sample collection was not necessary for the purposes of the NEEMO science objectives; however, the engineering and operations objectives during NEEMO 15 were to evaluate different combinations of vehicles, crew members, tools, and equipment that could be used to perform these science objectives on a NEA. Specifically, the productivity and acceptability of simulated NEA exploration activities were systematically quantified and compared when operating with different combinations of crew sizes and exploration systems including MMSEVs, EVA jet packs, and EVA translation devices. Data from NEEMO 15 will be used in conjunction with data from software simulations, parametric analysis, other analog field tests, anchoring models, and integrated testing at Johnson Space Center to inform the evolving architectures and exploration systems being developed by the Human Spaceflight Architecture Team.