捆綁式魚雷無人平臺操縱性能仿真研究

王燕飛 張振山 江 帆

海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033

捆綁式魚雷無人平臺操縱性能仿真研究

王燕飛 張振山 江 帆

海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033

基于剛體空間六自由度運動方程，選取水平面Z型操舵機動、垂直面梯形操舵機動和水平面定常回轉(zhuǎn)運動三種典型運動形式，對捆綁式魚雷無人平臺的操縱性能進行研究，仿真結(jié)果表明捆綁式魚雷平臺Z型操舵響應(yīng)周期短，水平面回轉(zhuǎn)半徑小，操作性能優(yōu)于常規(guī)設(shè)計平臺。

捆綁式 魚雷 操縱 水動力系數(shù)

與通用型無人水下航行器相比較，魚雷無人平臺在總體尺度、型線設(shè)計和組成部件等方面存在很大差異，故為了保證魚雷無人平臺具有良好的操縱性能，對其進行操縱性能預(yù)報是必不可少的。然而，對于具有六個自由度的魚雷平臺而言，在初始設(shè)計階段對其空間運動情況進行精確預(yù)報通常是非常困難的，主要原因在于對影響魚雷平臺空間運動狀態(tài)的非線性項水動力系數(shù)，通常需通過模型試驗測定，而在尚不具備試驗條件的初始設(shè)計階段，只能根據(jù)經(jīng)驗公式對部分水動力系數(shù)進行估算，因此降低了操縱性能預(yù)報結(jié)果的精確度。

通過操縱性能預(yù)報，可以初步判定魚雷平臺總體布局的可行性，并有針對性地改進操縱面設(shè)計，故具有非常重要的意義。

1 捆綁式魚雷平臺系統(tǒng)組成

捆綁式魚雷平臺的組成子系統(tǒng)主要包括魚雷及固定裝置、動力系統(tǒng)、控制艙及艙室設(shè)備、電氣設(shè)備、非耐壓殼、舷外裝置、全船系統(tǒng)、壓載與補充浮力。其中，固定裝置主要包括固定帶、電爆管、液壓扳機開關(guān)等。固定帶用于固定魚雷，電爆管用于解除綁定，液壓扳機開關(guān)用于打開魚雷扳機。固定裝置平時用于固定魚雷，在接收到發(fā)射信號后，能夠啟動魚雷并自動解除綁定，使魚雷得以自由航行。

2 魚雷無人平臺操縱運動方程

本文所采用的坐標(biāo)系和符號規(guī)則引用文獻［1］，魚雷無人平臺空間運動方程為標(biāo)準(zhǔn)的剛體運動方程式。

作用于魚雷平臺的外力（矩），表示成矢量形式

式中：FI+FG+FB+FF+FR+FT——慣性力（矩）、重力（矩）、浮力（矩）、非慣性流體動力（矩）、控制器舵力（矩）和螺旋槳推力（矩）。

2．1 流體慣性水動力

根據(jù)勢流理論，以U表示速度矢量，Ω表示角速度矢量，并采用文獻［2］中慣性水動力的張量表達方式，將魚雷平臺所受慣性水動力（矩）表示為

式中：FIj、MIj——流體作用于平臺的慣性水動力

和力矩；

λji、λj+3，i、λli、λl+3，i——附加質(zhì)量張量；εjkl——Ricci符號，

2．2 重力和浮力

重力和浮力在運動坐標(biāo)系下的6個分量［1］為

式中：m——平臺質(zhì)量；

ρ——海水密度；

▽——平臺排水體積；

θ——平臺縱傾角；

φ——平臺橫傾角；

g——重力加速度；

xg、yg、zg——平臺重心的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)；

xb、yb、zb——平臺浮心的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)。

2．3 非慣性水動力

魚雷平臺所受非慣性水動力可分為線性和非線性兩種情況，線性情況僅適用于小舵角和平臺運動參數(shù)相對于初始狀態(tài)的偏離很小的情況，通常情況下平臺的運動狀態(tài)不滿足線性假設(shè)條件，故需考慮非線性的影響。

根據(jù)目前常用的表示方法，結(jié)合魚雷平臺的外形特征，并參考文獻［1，3］中的水動力模型，將非慣性水動力表示為

式中：v——平臺的橫向速度；

w——平臺的垂向速度；

p——平臺的橫傾角速度；

q——平臺的縱傾角速度；

r——平臺的回轉(zhuǎn)角速度；

Rt（u）——航行阻力；

其余為平臺的水動力系數(shù)。

2．4 控制器舵力

魚雷平臺的舵分為水平舵和方向舵，水平舵分為首舵和尾舵，因而可將控制器舵力表示為

式中：δ——方向舵舵角；

δs——尾升降舵舵角；

δb——首升降舵舵角；

其余為平臺的水動力系數(shù)。

綜合式（1）～（4），可以得到魚雷平臺空間運動時所受力及力矩的表達式，代入空間運動方程可得魚雷平臺空間操縱性運動方程。

3 魚雷平臺水動力系數(shù)

對于捆綁式魚雷無人平臺，在計算其水動力系數(shù)時，將捆綁魚雷視為附體的一部分，在計算平臺整體水動力系數(shù)時，取平臺主體、平臺附體、魚雷三者水動力系數(shù)之和，經(jīng)計算可得平臺主要水動力系數(shù)見表1。

表1 捆綁式魚雷無人平臺水動力系數(shù)表

4 魚雷平臺操縱性仿真

不失一般性，選取水平面Z型操舵機動、垂直面梯形操舵機動和水平面操舵回轉(zhuǎn)運動三種典型的運動形式進行操縱性能預(yù)報。

4．1 水平面Z形操舵機動

以10°／10°操舵機動為例，預(yù)報結(jié)果見圖1。

圖1 水平面Z型操舵預(yù)報圖

4．2 垂直面梯形操舵機動

以操尾下潛舵5°為例，預(yù)報結(jié)果見圖2。

圖2 垂直面梯形操舵預(yù)報圖

4．3 水平面操舵回轉(zhuǎn)運動

以操方向舵35°為例，所得預(yù)報結(jié)果見圖3。

圖3 水平面回轉(zhuǎn)運動預(yù)報圖

5 結(jié)論

采用經(jīng)驗公式概略估算水動力系數(shù)的方法對平臺操縱性能的預(yù)報結(jié)果反映了平臺總體設(shè)計的基本狀況。相比較而言，捆綁式魚雷平臺的操縱性能要優(yōu)于常規(guī)設(shè)計平臺，主要表現(xiàn)在Z型操舵的響應(yīng)周期較短、水平面回轉(zhuǎn)半徑較小。這是因為捆綁式魚雷平臺的總體尺寸較小，方向舵的相對尺寸較大，舵效較好［4］。

在進行操縱性預(yù)報時，由于主要考慮了平臺的線性水動力系數(shù)，忽略了非線性水動力項的影響，使預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確度受到影響。為了提高預(yù)報的精確性，需要對非線性水動力系數(shù)進行計算，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種不錯的選擇［5］。由于影響剛體空間六自由度運動的非線性水動力系數(shù)較多，對其逐項進行計算是不經(jīng)濟的，可依據(jù)非線性水動力系數(shù)對操縱性能影響程度的原則進行取舍［2］，從而可在保證預(yù)報精度的基礎(chǔ)上，達到簡化計算量的目的，這有待進行進一步的研究。

［1］施生達．潛艇操縱性［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1995：15-50，149-170．

［2］Debabrata Sen．A Study On Sensitivity of Maneuverability Performance on the Hydrodynamic Coefficients for Submerged Bodies［J］．Journal of Ship Research，2000，44（3）：186-196．

［3］中國船舶工業(yè)總公司．CB／Z 250-88潛艇操縱性設(shè)計計算方法［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988：8-12．

［4］王燕飛，張振山，張 萌．魚雷無人平臺初始設(shè)計階段操縱性能預(yù)報［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28（4）：61-63．

［5］唐曉光，劉祖源．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶操縱水動力預(yù)報［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2002，26（1）：25-27．

Research on the manipulation performance forecast of Binding Style Unmanned Torpedo Platform

WANG Yan-fei ZHANG Zhen-shan JIANG Fan
Dept．of Weapon Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033

The system compose of binding style unmanned torpedo platform is summarized．Based on the motion equations of rigid body for six degrees of freedom，three typical maneuvers are chosen to be the objects under study：horizontal zigzag maneuver，vertical trapezoid maneuver and horizontal turning circle maneuver．The simulation results show that the manipulation performance of binding style unmanned torpedo platform is better than that of traditional ones，with shorter response period and smaller radius of gyration．

binding style torpedo manipulation hydrodynamic coefficient

U674

A

1671-7953（2007）02-0111-03

2006-07-17

修回日期2006-10-04

王燕飛（1977—），男，博士生。