水下滑翔机是一种以浮力驱动方式按“锯齿形”轨迹运动的水下自航行器,具有续航能力强和成本低等优点,在海洋观测领域得到了广泛的应用。随着海洋研究广度的不断扩大,海洋科学家对水下滑翔机的续航能力提出了更高的要求。本文以国家科技项目为依托,面向我国深远海域环境监测需求,设计了长航程水下滑翔机工程样机,Petrel-L。针对Petrel-L样机续航能力提升问题,本文建立了水下滑翔机航程模型,确定了影响航程的关键参数,并重点研究了各关键参数的优化设计方法,通过搭建关键参数在单一学科及多学科下的设计优化框架,实现了关键参数的设计优化并显著提升了Petrel-L样机的续航能力。本文的主要研究成果为:1.提出了基于航程模型的水下滑翔机水动力外形和近中性耐压壳体优化设计方法。首先,基于纵平面稳态运动动力学模型,结合水下滑翔机净浮力变化及海洋环境变化,建立了水下滑翔机的航程模型,提升了水下滑翔机的航程预测精度。然后,基于航程模型搭建了关键单元的优化设计模型:1)采用响应面近似技术,在考虑了外形尺寸参数之间耦合关系的前提下,将水动力外形优化设计的复杂工程问题转化为数学模型的寻优问题;2)采用薄壳理论建立了藕节形近中性耐压壳体的力学模型,并以此为基础建立了耐压壳体的优化模型。最后,研究了水动力外形及近中性耐压壳体的优化工作对水下滑翔机续航能力的提升效果。2.得到了水下滑翔机在全生命周期内以最大航程为目标的最优控制参数。首先,采用最优化理论,研究了水下滑翔机在不同客栈负载下的最优控制参数。然后,根据Petrel-L样机航行过程中的净浮力变化规律,提出了一种参数分段控制策略,并进一步研究了该控制策略的适用条件。最后,采用参数辨识方法研究了Petrel-L的关键参数在海洋生物附着现象影响下的变化规律,并采用实时调整控制参数的方法削弱了生物附着现象对Petrel-L续航能力的不利影响。3.开展了多学科设计优化理论在水下滑翔机优化设计方面的应用研究。在考虑了各关键参数耦合关系的前提下,结合Petrel-L样机的分工协同理念以及分布式设计构架,将响应面近似技术引入到协同优化算法中,搭建了水下滑翔机关键参数的多学科设计优化框架,实现了Petrel-L样机关键参数的协同优化。4.研制出我国首台航程超过4000公里的长航程水下滑翔机。开展了一系列性能试验,验证了样机设计的合理性和可靠性,使我国水下滑翔机的续航里程从1000公里级提升至4000公里级,续航时间从1个月提升至10个月,提升了我国深远海环境监测技术水平。