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随着社会的快速发展和科技的不断进步，海洋的战略地位快速提升，世界各国在海洋的开发利用中投入了大量的人力、物力和财力。在世界各国探测和开发海洋过程中，无人海洋系统(Unmanned Maritime Systems，UMS)扮演了举足轻重的角色，这其中又以无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)应用较为广泛。 在USV研制过程中，航速指标一直是不可忽略的重要参数。传统的USV为了保证高航速指标，通常采用滑行艇型，然而在海况较恶劣时，USV的稳定性极差，不利于艇上传感器的有效工作，而对于水下声学载荷，更是无法满足其工作环境需求。 相对于应用广泛的滑行艇型，小水线面艇型具有兴波阻力小，耐波性能优异等特点，其位于水面以下一定深度的潜体能够为声学设备提供平稳的工作环境，适合应用于高速无人艇的研制。然而为保证较高航速，阻力的激增对系统动力水平仍然提出很高要求，对续航力产生不利影响。 小水线面高速无人艇的潜体类似于水下航行体，在高速航行时可借鉴超高速水下航行体采用的空化减阻方法。本文主要以小水线面高速无人艇的减阻为目标，基于空化减阻思路和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)方法，开展小水线面高速无人艇阻力、自然空化、通气空化等水动力特性的研究工作，指导小水线面高速无人艇的构型设计和参数化建模，最后采用水洞实验和自航模试验的方法验证研究与设计结果。详细研究内容如下: (1)为提供无空化状态下阻力特性研究对象，首先开展小水线面高速无人艇参数化建模方法的研究。建模时，基于均匀有理B样条曲线，提出由型值点和特征点同时控制生成B样条曲线方法，用于生成无人艇潜体和支柱的型线，建立小水线面无人艇的模型。研究基于CFD的无空化状态阻力特性计算方法，采用船模水池实验数据验证阻力特性数值计算方法的准确度，标定数值计算过程中的各项参数，应用经过验证的数值计算方法分析小水线面高速无人艇模型在全航速范围内的无空化状态阻力特性。 (2)针对小水线面高速无人艇阻力随航速激增的问题，借鉴超空泡鱼雷采用的自然空化减阻方法，开展小水线面高速无人艇潜体的自然空化特性研究。利用前人的实验数据标定自然空化数值计算方法中空化模型的蒸发系数和冷凝系数，利用理论/经验公式进一步验证自然空化数值计算方法的准确度。采用经过验证的自然空化数值计算方法分析不同潜体头型的空化特性，针对无人艇潜体需要局部沾湿的需求，通过分析不同空化数条件下空泡尺度范围，提出局部超空化思想，并建立“空化器+椭球流线体+侧翼”的局部超空化构型，分析局部超空化构型的自然空化特性，分析结果表明局部超空化构型满足无人艇潜体的设计需求，为采用自然空化减阻方法的小水线面高速无人艇潜体的构型设计提供思路。 (3)针对潜体自然空化对航速要求高、难控制的问题，提出通气空化减阻方法在无人艇潜体上应用的可行性。应用前人水洞实验结果验证通气空化数值计算方法的准确度，对局部超空化构型开展通气空化特性的数值研究，并指导局部超空化构型的改进设计，最后形成“空化器+椭球流线体+边条”的潜体构型方案。采用水洞实验的方法研究潜体构型方案的通气空化特性和阻力特性等，水洞实验结果验证了基于数值计算方法指导的潜体构型设计思路的准确性，进而形成了采用通气空化减阻方法时小水线面高速无人艇潜体设计指导原则。 (4)采用小水线面高速无人艇潜体设计指导原则设计并生成无人艇的潜体，采用型值点和特征点同时控制生成的B样条曲线作为支柱的型线，并生成支柱的外形，建立小水线面高速无人艇模型。应用数值计算方法分析无人艇模型在设计航速范围内无空化状态阻力特性和通气空化特性，分析了潜体间距、航速和吃水深度等因素对阻力特性和空化特性的影响。设计并研制了小水线面高速无人艇模型样机，在水池中开展自航试验，演示并验证通气空化减阻方法应用于小水线面高速无人艇的减阻机理。 本文的研究成果为采用空化减阻方法的小水线面高速无人艇提供了潜体构型设计的理论基础和指导性规范，为通气空化减阻技术在小水线面高速无人艇上的应用奠定了技术基础。