风切变对舰载系留无人机系统动力学响应的影响研究

摘要

舰载系留无人机工作在海洋上，必定会受到海洋上风的作用．海洋风场中存在着垂直切变现象．为探究垂直切变对舰载系留无人机系统动力学响应的影响，本文忽略大气层结状态以及边界层厚度等因素，采用指数律模型来描述海洋风场的垂直切变，同时由于无人机与缆绳相互耦合，因此将无人机平台看作系留缆绳上端点的边界条件；将舰船的垂荡运动看作缆绳下端点的垂向激励，建立了垂直切变风场下舰载系留无人机系统的动力学模型，计算了不同切变指数下缆绳各位置处的最大张力以及无人机运动速度与位移，分析了切变指数对缆绳最大张力和无人机运动的影响．结果表明：最大张力沿缆绳的分布呈现非线性上升趋势；与不考虑切变的情况相比，切变指数为0.30时上端点的最大风速增大为1.37倍，缆绳最大张力减小了11.4%，说明风切变的影响不可忽略；3种风速下缆绳最大张力均呈现先减小后增大的趋势，即缆绳最大张力都存在极小值，并且风速越大，缆绳张力曲线极小值处的切变指数越小；切变指数增加不会改变无人机的运动性质，无人机始终为倍周期运动，但会改变无人机的偏移量，在计算参数范围内，水平最大偏移增大了9.4 m，竖直最大偏移减小了3.1 m，以水平偏移为主．研究结果明确了风切变对舰载系留无人机系统的影响规律，为舰载系留无人机系统的工程设计与安全工作提供了参考．

关键词

垂直切变 / 舰载系留无人机系统 / 动力学响应 / 缆绳张力 / 无人机运动