论文研究报告：针对多种工况的弹射式水下滑翔机水动力外形优化

一、 研究团队与发表信息

本项研究的核心作者为郝昱星（清华大学）、谭丽杰（中国地质大学（北京））、冯昆鹏（中国地质大学（北京））、武鸿宇（北京科技大学，通讯作者）、谭之舵（清华大学，通讯作者）以及阎绍泽（清华大学，通讯作者）。该研究于2025年发表在《Ocean Engineering》（第333卷，文章号121560）期刊上，并于2025年5月19日在线发布。研究单位主要包括清华大学机械工程系（摩擦学国家重点实验室）、中国地质大学（北京）工程技术学院以及北京科技大学机械工程学院。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于海洋工程与水下机器人领域的交叉学科，聚焦于水下滑翔机（Underwater Glider, UG）的部署技术与性能优化。水下滑翔机因其能耗低、噪声小、航程远等优点，在海洋环境观测、资源勘探等领域发挥着重要作用。然而，其成功执行任务的前提是可靠、高效的布放。现有的布放方案（如船用吊机/倾斜滑道、空投）各有优劣：前者安全性高但效率低且受海况影响大；后者效率高但入水冲击载荷大、落点精度低。随着滑翔机集群布放等应用场景的增加，现有方案难以满足高效与安全的双重需求。因此，研究团队首次提出了一种新颖的“弹射式”布放方案，旨在兼顾布放效率与安全性。

研究的核心科学问题在于，现有关于滑翔机水动力外形优化的研究大多孤立地考虑单个工况（如稳态滑翔或入水冲击），缺乏对其在全工作流程（特别是包含弹射、入水和稳态滑翔）下综合性能的整体考量。同时，缺乏一个能够同时覆盖多种工况的动态模型。基于此，本研究旨在：1）建立一套涵盖弹射-入水-稳态滑翔全过程的滑翔机动力学模型；2）开发一套能够高效评估多种工况下（特别是入水冲击载荷和稳态运动能效）滑翔机性能的模型；3）提出一种考虑多种工况的水动力外形多目标优化方法，以期提升弹射式水下滑翔机的综合性能，为其快速、安全布放提供新思路。

三、 详细研究流程与方法

本研究包含从概念设计、动态建模、性能评估到外形优化的系统性工作流程，具体步骤如下：

1. 弹射式布放方案与滑翔机原型定义： 研究首先以“Petrel II”水下滑翔机为原型，明确了其主要组成部分：采用Myring型回转体的机身、等厚度梯形翼、外部油囊和可移动质量块。基于此，文章提出了一个创新的船载弹射装置方案，该装置能将滑翔机加速到预定速度并以特定姿态发射，随后滑翔机经历空中的水平抛射运动、入水运动和入水后的稳态滑翔运动。整个工作流程被清晰地划分为这三个阶段。

2. 涵盖多种工况的动力学模型建立与求解： 这是研究的核心理论环节。研究采用多体动力学方法建立了统一的滑翔机动力学方程，并针对不同运动阶段的特点，采用不同的数值方法进行求解。 * 水平抛射运动：此阶段在空气中进行，忽略空气动力影响，简化为经典的水平抛射运动，通过解析法求解入水点处的速度和姿态。研究设定弹射高度为5米，并调整弹射速度和俯仰角，以实现零攻角入水，以最小化入水冲击。 * 入水运动：此阶段涉及复杂的流固耦合和自由液面变化。研究采用计算流体动力学（CFD）方法进行数值求解。具体而言，利用ANSYS软件，结合重叠网格（Overset Grid）技术来模拟滑翔体的刚体运动。流体域设置压力入口和静止壁面边界，采用Realizable k-ε湍流模型和VOF（Volume of Fluid）多相流模型。为确保精度，进行了网格收敛性分析，选定了兼顾精度与效率的网格方案。通过与经典楔形体入水实验数据的对比，验证了所用CFD方法的准确性。在此阶段，滑翔机被视为单刚体，可移动质量块相对机身固定。 * 稳态滑翔运动：此阶段滑翔机在垂直剖面内以恒定速度进行下潜和上浮运动。研究同样采用CFD方法，但聚焦于稳态流场的计算。建立了圆柱形计算域，使用SST k-ω湍流模型。同样进行了详细的网格和边界层收敛性分析，以确保计算精度（整体y+值小于5）。稳态运动的动力学模型通过将CFD计算得到的、与攻角和水动力外形相关的阻力系数（d）、升力系数（l）和力矩系数（m）的拟合函数，代入基于牛顿-欧拉方程导出的稳态运动平衡方程中进行求解。

3. 综合性能评估模型与代理模型（Surrogate Model）构建： 研究定义了六个关键性能指标来评价滑翔机的综合性能： * 入水冲击性能：鼻端峰值冲击力（pn）、机翼沿xb轴的峰值冲击力（pwxb）、机翼沿zb轴的峰值冲击力（pwzb）。 * 稳态滑翔性能：特征水平速度（vh，表征长航程能力）、特征垂直速度（vv，表征剖面运动效率）、比能耗（s，单位能耗的航行距离，表征能效）。

直接通过高保真的CFD仿真进行性能评估计算成本极高，不利于优化迭代。因此，研究采用了代理模型技术，即用基于样本点数据的多项式拟合函数来近似表达设计变量（Myring鼻端指数n、翼展la、翼尖弦长lc）与性能指标之间复杂的映射关系。具体过程是：首先，通过采样策略（复合采样策略，结合边界与核心区域采样）生成一系列设计变量组合的样本点。然后，利用前述建立的CFD方法，对每个样本点进行入水运动和稳态运动的仿真计算，得到对应的性能指标原始数据。最后，使用最小二乘法将数据拟合为多项式函数。例如，pn主要与n相关，拟合为四次多项式；pwxb、pwzb与n, la, lc相关，拟合为三次多项式；稳态运动的水动力系数d, l, m与攻角及外形参数相关，也拟合为三次多项式；最终指标vh, vv, s则拟合为关于设计变量的二次多项式。通过决定系数（R²）和均方根误差（RMSE）验证了所有代理模型都具有很高的拟合精度（数据点贴近对角线，R²接近1，RMSE接近0）。这套高效的代理模型使得后续优化中的性能快速评估成为可能。

4. 多目标水动力外形优化： 基于建立的性能评估代理模型，研究构建了以最小化pn和pwxb，最大化vh、vv和s为目标的五目标数学优化模型。设计变量的取值范围基于工程实际和几何约束确定（n: [1.5, 5.0], la: [250, 500] mm, lc: [90, 150] mm）。首先，利用基于蒙特卡洛的Sobol’方法进行了全局灵敏度分析，结果显示不同性能指标对设计变量的敏感度不同（如pn只对n敏感，pwxb和s主要对la敏感，vh和vv对la和lc敏感），证实了同时优化这三个参数的合理性。随后，采用第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行多目标优化求解，得到一组Pareto最优解前沿。优化算法参数设置为：种群数16，进化代数40，交叉概率0.95等。最终，从Pareto前沿中选取了五个代表性解进行分析，分别对应单一性能最优或综合性能最优的情况。

四、 主要研究结果

1. 入水运动特性规律：CFD模拟揭示了关键的水动力现象。鼻端入水时，其冲击力先迅速增大至峰值后衰减并最终稳定，且峰值出现在鼻端完全浸没之前。鼻型指数n越小（鼻部越尖），峰值冲击力pn越小。机翼入水时，冲击力呈现阶段性增长，在机翼完全浸没后达到峰值并趋于稳定。翼展la和翼尖弦长lc越大，机翼峰值冲击力（pwxb， pwzb）越大。
2. 性能指标相关性分析：通过对代理模型的分析发现，不同方向上的机翼冲击载荷（pwxb和pwzb）存在极强的正相关性（相关系数0.9896），而特征水平速度与特征垂直速度（vh和vv）则存在极强的负相关性（相关系数-0.988）。这表明在这些成对的性能指标之间存在固有的权衡关系，难以同时达到各自最优。
3. 优化结果与验证：优化计算收敛，得到了Pareto最优解集。对比分析显示，相较于稳态滑翔性能，水动力外形的改变对入水冲击性能的影响幅度更大（例如，不同方案间pn的最大值约为最小值的3倍，pwxb的最大值约为最小值的2倍）。选取其中一个综合性能较优的第五号方案（n=1.77, la=300 mm, lc=91.2 mm）与初始外形（n=1.5, la=386 mm, lc=100 mm）在一组随机控制参数（c1=4.1 N, c2=0.033 m）下进行对比验证。结果显示，优化后滑翔机的鼻端冲击载荷pn增加了7.5%，但机翼冲击载荷pwxb显著降低了23.83%，比能耗s提高了1.09%。这意味着，虽然鼻端载荷略有增加（在结构可承受范围内），但更脆弱的机翼结构所受的冲击风险大幅降低，从而提升了布放安全性；同时，能量效率得到改善，对于长航程任务具有重要意义。

五、 研究结论与意义

本研究的主要结论可归纳为四点：第一，明确了Myring鼻型指数越小，入水时鼻端冲击载荷峰值越小的规律。第二，揭示了机翼尺寸（翼展和翼尖弦长）越大，其入水冲击载荷越大的趋势。第三，发现了部分性能指标间存在的强相关性（机翼冲击载荷正相关，特征速度负相关）。第四，通过多目标优化，获得了综合性能更优的水动力外形，在可接受的鼻端载荷增加代价下，显著降低了机翼冲击载荷并提升了能效。

本研究的科学价值在于：首次系统性提出了弹射式水下滑翔机方案，并建立了一个覆盖“弹射-入水-稳态滑翔”全流程的、统一的动力学建模与性能分析框架。方法学上，创新性地将高保真CFD仿真、多体动力学、代理模型技术与多目标优化算法（NSGA-II）有机结合，实现了对复杂多工况系统的高效分析与优化，为同类水下航行器的设计提供了方法论参考。

其应用价值尤为突出：提出的弹射式布放方案为水下滑翔机（尤其是集群）的快速、安全部署提供了一种全新的工程解决方案，有望拓展其在钻井平台、大型驱逐舰等离海面较高平台上的应用场景。优化得到的水动力外形和建立的设计方法，可直接指导弹射式滑翔机系统的工程设计，对推动滑翔机技术进步具有重要工程意义。

六、 研究亮点

1. 方案创新性：首次提出“弹射式”水下滑翔机布放方案，旨在平衡现有布放方式的安全性与效率矛盾，具有显著的工程应用前瞻性。
2. 模型全面性：建立了涵盖完整工作流程（水平抛射、入水、稳态滑翔）的动力学模型，克服了以往研究仅关注单一工况的局限性。
3. 方法集成性：成功地将高精度CFD仿真、代理模型降阶技术与多目标优化算法深度集成，形成了一套高效、可靠的水下航行器多工况协同设计与优化流程。
4. 研究系统性：从方案设计、理论建模、数值仿真、性能评估到优化设计，研究逻辑链条完整，层层递进，结论坚实。
5. 发现启发性：不仅给出了优化结果，还通过系统分析揭示了入水过程的载荷变化规律以及性能指标间的内在权衡关系，为后续研究提供了深入认知。

七、 其他有价值内容

研究团队在文中明确指出了未来工作方向：将进一步改进和完善弹射式布放方案，并研制原理样机以测试实际布放效率。同时，本研究的方法和结论可为水下滑翔机群的快速、安全布放提供新的发展方向。此外，论文附录中详尽的命名法和参数表为读者理解和复现研究工作提供了便利。