12、AquaMAV的动力学特性与建模分析

AquaMAV的动力学特性与建模分析

1. 平面空气动力学

1.1 水下轨迹分析

AquaMAV在不同初始角度和速度下的水下轨迹呈现出独特的特性。当以20m/s的速度入水时，起初它不会俯仰，但随着速度降低，空气动力面产生的力不再显著，尾部的浮力中心会使它头部朝下旋转。通过绘制不同初始角度下的潜水深度与冲击速度的关系图，可以发现其仅依靠飞行动量达到显著深度的能力有限。浮力和阻力会在其水下行驶约1m时使车辆停止。在车辆有一定速度时，升力面会使潜水路径保持相当直的状态，但一旦速度减慢，尾部浮力产生的低头力矩会使其俯仰。增加冲击速度并不会显著增加潜水深度，车辆通常会在水面以下1 - 2个车身长度处停止。

1.2 模型假设的有效性

轨迹模型假设车辆的行为处于准稳态，并且风洞测量结果可准确描述其动态行为。为评估这一假设的有效性，通过检查车辆俯仰的缩减频率k来进行分析。缩减频率的计算公式为：
[k = \left|\frac{\dot{\theta}c}{\vec{v}_{cg}}\right|]
其中，c为车辆弦长（闭合机翼时为0.302m）。当|k| < 0.03时，准稳态假设可认为成立。从模拟轨迹中绘制该参数随时间和绝对速度的变化图可知，在大部分模拟过程中，k值低于0.04，只有在机翼折叠的瞬态俯仰振荡期间会短暂超过0.03。在水中，k值也较低，只有在潜水结束车辆速度接近零时才会变大，而这部分轨迹由缓慢的浮力驱动运动组成，对车辆设计和操作的重要性最低。

此外，模型还忽略了因雷诺数与测试条件不同而导致的行为变化。AquaMAV在风洞中的雷诺数为47,800 - 79,600，在水洞中的雷诺数为26,000 - 135