潛艇大攻角操縱運動預報

何春榮，趙橋生，馬向能

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

潛艇大攻角操縱運動預報

何春榮，趙橋生，馬向能

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

艙室破損進水是造成潛艇失事的主要險情之一。文中針對潛艇首部破損進水并采取應急吹除上浮時出現(xiàn)的大攻角運動狀態(tài)，建立了潛艇大攻角操縱運動數(shù)學模型。通過數(shù)學模型中有、無考慮大攻角水動力修正的兩種形式，對潛艇首部艙室破損進水的挽回操縱進行了仿真預報比較。仿真結(jié)果表明，潛艇在大攻角狀態(tài)下的操縱運動預報，數(shù)學模型中考慮了大攻角水動力修正后的預報更加合理。而且，在潛艇艙室破損進水采取應急吹除挽回時，需要重點關注升降舵對縱傾的控制。

潛艇；操縱性；仿真；大攻角

1 引 言

潛艇在水中航行或戰(zhàn)斗時，由于破損、碰撞造成艙室進水，也可能因操縱錯誤引起各艙口、魚雷發(fā)射管進水，或因通海閥件、接頭的泄露，引起浮力損失。當發(fā)生海損事故后若不及時采取應急措施，潛艇會迅速下沉，而且伴隨出現(xiàn)危險縱傾，危及潛艇生命力。而通常采取的挽回措施是應急吹除上浮，并適宜配合使用車、舵挽回。然而，潛艇在應急吹除上浮過程中時常會出現(xiàn)較大攻角，極端狀態(tài)下攻角甚至會接近90°。此時，在大攻角狀態(tài)下的潛艇艇體流動嚴重分離、附體失速，致使?jié)撏畡恿μ匦耘c常規(guī)機動狀態(tài)存在顯著區(qū)別。

國際上對大攻角問題的研究起步較早，幾乎與潛艇空間運動的研究同步。俄羅斯在1967年提出了大攻角狀態(tài)下模型水動力試驗的橫向雷諾數(shù)要求；1999年在倫敦召開的第六屆國際潛艇學術會議上，法國國家航天研究院（ONERA）的法爾西[1]將大攻角飛行器操縱性數(shù)值計算方法應用到潛艇的運動分析中。而且，ONERA還在風洞中進行了潛艇大攻角模型試驗，測量了潛艇在大攻角情形下的力和力矩。試驗攻角從-80°至-10°，特征長度的雷諾數(shù)為106，試驗結(jié)果表明潛艇大攻角時漂角對橫滾力矩存在顯著影響。2002年Bystrom[2]詳細展示了瑞典國家哥德堡模型試驗水池（SSPA）的模擬潛艇破損進水和吹除挽回模擬技術，并研究了不同潛深和不同破損狀態(tài)下挽回方法。

國內(nèi)的研究學者對大攻角水動力問題也做了諸多探索與嘗試[3-6]。本文以潛艇大攻角狀態(tài)下的拘束模型試驗為基礎，借助潛艇垂直面分離型模型方法[7]修正了潛艇在大攻角狀態(tài)下的水動力，建立了潛艇大機動數(shù)學模型。針對潛艇首部艙室破損進水的應急工況，分別利用數(shù)學模型中有、無大攻角水動力修正的兩種形式，對吹除首、中組壓載水艙的操縱運動進行了仿真預報比較，并對吹除同時操尾舵控制縱傾的挽回過程實施了仿真模擬。

2 潛艇大攻角操縱運動數(shù)學模型

2.1 潛艇大機動數(shù)學模型的基本形式

本研究采用的潛艇大機動數(shù)學模型是以泰勒水池在1967年發(fā)布的潛艇六自由標準運動方程為基礎，根據(jù)大攻角情況下潛艇的受力分析和拘束模型試驗結(jié)果，適當補充了與大攻角有關的水動力項，同時還考慮了壓載水艙應急吹除、破損進水以及舵機的操縱控制規(guī)律的模擬。其中操縱運動方程和機理模型包括：

（1）潛艇主體的運動規(guī)律，即潛艇大機動數(shù)學模型；

（2）各舵操舵角隨時間的變化規(guī)律，即舵機的操縱控制規(guī)律；

（3）螺旋槳轉(zhuǎn)速改變時，轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律，即螺旋槳轉(zhuǎn)速控制；

（4）艙室破損進水的數(shù)學模型；

（5）壓載水艙應急吹除控制模型。

其中，在進行潛艇艙室破損進水事故和采取應急挽回措施后的運動模擬時，著重關注潛艇垂直面運動，形成的潛艇大機動數(shù)學模型的基本形式如下：

（1）軸向力方程：

（2）垂向力方程：

（3）俯仰力矩方程：

其中，〈〉中的水動力項為補充的與大攻角有關的水動力項，其表達式根據(jù)潛艇拘束模型試驗結(jié)果確定。

2.2 潛艇破損口注水過程模擬

當模擬計算水從破損口灌注時，從破損孔注入的水最初積累在其所在位置的受損艙室內(nèi)。假設任意時候水面都是水平的，每一艙是個具有合適臺階和一定透水性的圓柱體，則可靜態(tài)估算每一艙室的水重心。潛艇水密艙壁分成了若干段，每段分成若干艙室。當一個艙室的水位比鄰近艙室的艙壁高時，則水流入鄰近艙室。

水從破損孔注入潛艇，孔的位置、面積損耗系數(shù)是確定的。通過計算表明，在采取挽回措施后，浮到水面或確定挽回失敗時，進水量通常遠小于耐壓艙容量，因此按照自由進水來計算孔的流量qin，如下式所示：

式中：Cn是損耗系數(shù)（與破損面積和深度有關，一般取0.65～0.75）；Ac是破損孔的面積；ζc為進水孔內(nèi)外壓差水頭，根據(jù)至靜水面的局部水柱減去內(nèi)部水柱，得到孔的壓力；同時考慮艇縱傾影響，其計算公式描述為：

其中：ζ0為艇體坐標系原點深度（m）；xw為進水孔縱向坐標（m）；hin為艙內(nèi)水位（m）。

艙內(nèi)水位變化計算：

式中：S（in）h 破損艙截面積（m2）；Vin破損艙內(nèi)水的體積（m3）。

因此，由于破損口注水引起的浮力變化為：

2.3 壓載水艙應急吹除控制模型

潛艇壓載水艙應急氣吹除系統(tǒng)[9]是潛艇潛浮系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是使?jié)撏в伤聽顟B(tài)上浮至水上巡航狀態(tài)，包括應急上浮和短路吹除等工作方式。尤其是在應急狀況下，該系統(tǒng)是潛艇安全的重要保證。其基本工作原理是：利用儲存在高壓氣瓶里的壓縮空氣，通過連接到各個壓載水艙的管路，將壓載水艙里的海水排出，使?jié)撏Й@得正浮力而上浮。

假定吹除過程中空氣瓶內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)變化是一致的，排水過程中各壓載水艙內(nèi)排水速率按同樣的比例進行，即各水艙同時排水完畢，故可將吹除用的高壓氣瓶組合并成一個大的高壓氣瓶，把從氣源到主壓載水艙的整個管系用一根等效長度為LD、等效直徑為D的等截面管路代替，被吹除的所有壓載水艙看成一個大的壓載水艙，這樣建立了應急吹除主壓載水艙的簡化物理模型。

潛艇主壓載水艙吹除模型[2]以Laval噴管理論為基礎，分成三部分：壓載艙的壓力變化和壓載水艙排出的水，氣瓶內(nèi)氣體以及來至高壓氣瓶的氣流，計算如下所示：

（1）主壓載水艙

（2）氣瓶內(nèi)數(shù)學模型

（3）質(zhì)量流計算

以上各式中，氣瓶中空氣的質(zhì)量為m，氣瓶中空氣減少的質(zhì)量為mt，氣瓶中空氣的初始質(zhì)量為m0，氣體的質(zhì)量流量記為w（t），R為氣體常數(shù)；熱容比γ=1.4；h為主壓載水艙內(nèi)通海口處水位；CB表示損失系數(shù)，AB為通海口面積；S（h）表示壓載水艙的截面積；At是噴嘴的喉部面積；下標0表示初始時刻，下標t，k，B分別表示氣瓶，主壓載水艙和通海口。

2.4 潛艇大攻角水動力修正方法

潛艇在大攻角狀態(tài)下，水流處于嚴重分離狀態(tài)，作用于艇上的水動力、力矩受攻角影響變化劇烈，而且模型與實艇間附體失速、艇體分離區(qū)域等存在著顯著的差異，模型試驗結(jié)果已經(jīng)無法直接應用于實艇。在航空領域，通常采用大尺度模型、實尺度模型和飛機飛行數(shù)據(jù)相關分析來實現(xiàn)大迎角的氣動特性預報。而在潛艇大攻角狀態(tài)水動力研究中，借助以艇體（H）、螺旋槳（P）、艉附體（R）和圍殼舵（B）各自單獨的水動力性能為基礎，再加上H、P、R、B相互之間的水動力干擾來描述的潛艇垂直面分離型數(shù)學模型，在分析雷諾數(shù)對主艇體大攻角狀態(tài)水動力影響規(guī)律、附體失速修正以及干擾因子預報方法的基礎上，對模型大機動狀態(tài)下水動力進行修正，預報獲得實艇對應狀態(tài)的水動力。應用垂直面分離型數(shù)學模型預報潛艇水動力方法如圖1所示。具體預報方法[3]為：

首先，將模型試驗獲得的水動力試驗結(jié)果按照垂直面分離型數(shù)學模型形式進行描述，即分離出艇體、附體和螺旋槳單獨水動力以及對應的干擾系數(shù)；然后分別將艇體、附體和螺旋槳單獨水動力和對應的干擾系數(shù)經(jīng)過適當?shù)男拚吞幚眍A報到實艇；主要包括：

（1）艇體水動力的影響修正，采用固定轉(zhuǎn)捩技術提高試驗數(shù)據(jù)的精度（提高約3倍的大攻角狀態(tài)下模型橫向雷諾數(shù)），減小模型試驗雷諾數(shù)不足引起的差異，盡量獲取潛艇模型湍流分離（T）狀態(tài)下數(shù)據(jù)，作為實艇艇體的預報水動力數(shù)據(jù)。

（2）附體水動力和失速修正。先根據(jù)舵剖面翼型、實艇雷諾數(shù)和試驗模型雷諾數(shù)，查閱雷諾數(shù)相關分析圖譜確定舵法向力系數(shù)極值可延伸量ΔCF（）max；再采用一元三次函數(shù)將舵法向力系數(shù)外延，并補充失速后的數(shù)據(jù)和確定失速舵角；然后借助一元三次函數(shù)外延壓力中心系數(shù)Cp，并計算舵軸力矩系數(shù)，從而獲得實艇狀態(tài)的附體水動力和失速結(jié)果。

（3）艇垂直面分離型操縱運動數(shù)學模型干擾系數(shù)可分為三類，第一類是艇體對附體的干擾系數(shù)：γB、lB、γR和 lR；第二類干擾系數(shù)為附體對艇體水動力的干擾：tB、aB、tR和 aR、tB、tR；第三類為螺旋槳對水動力的影響k。干擾系數(shù)由模型向?qū)嵧ьA報的關系可參考文獻[7]。

最后在利用垂直面分離型數(shù)學模型和預報獲得的實艇的艇體的預報水動力數(shù)據(jù)、附體水動力和失速結(jié)果以及干擾系數(shù)合成全附體狀態(tài)水動力。

3 潛艇大攻角操縱運動預報

潛艇發(fā)生艙室破損進水事故時，危險性非常大，特別是在低速航行時首部艙室破損持續(xù)進水。此時，大都采取應急吹除的挽回措施。在挽回過程中應滿足的指標為：最大縱傾角不超過安全性要求設定值，潛深在安全深度范圍內(nèi)。

假設初始條件為：潛艇已均衡好；處于等速無縱傾定深直航狀態(tài)；初始舵角為零。在首部艙室破損進水時，吹除首、中組壓載水艙，其挽回過程如圖2所示，其中可以看出應急上浮過程中攻角大部分時間都處于大攻角狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，數(shù)學模型中未考慮大攻角水動力修正時，預報獲得的航速、縱傾角均小于經(jīng)過大攻角水動力修正后的結(jié)果。而從挽回效果判斷可知，采用大攻角水動力修正的數(shù)學模型預報時，縱傾角超過最大縱傾角限制要求，其挽回結(jié)果是失敗的；而水動力未經(jīng)修正時的預報結(jié)果則為挽回成功。因此，在未考慮大攻角水動力修正的數(shù)學模型基礎上進行潛艇破損進水應急吹除的挽回操縱過程模擬，其結(jié)果是偏于危險的。故預報潛艇大攻角機動狀態(tài)下的操縱運動時，建議采用經(jīng)過大攻角水動力修正后的數(shù)學模型。

從圖2的仿真結(jié)果可知，在應急吹除上浮過程中，艇的縱傾角超過了潛艇安全性要求。所以在吹除的同時，并增加尾舵操控措施，充分利用尾升降舵來控制縱傾。以考慮大攻角水動力修正的數(shù)學模型為基礎，對其挽回過程實施了仿真預報，結(jié)果如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，縱傾角控制在安全性要求的范圍內(nèi)，其挽回措施有效。

4 結(jié) 論

潛艇在首部艙室破損進水時，通常采取應急吹除緊急上浮的挽回措施。值得注意的是，潛艇在應急上浮挽回過程中，時常會出現(xiàn)大攻角，即攻角通常都比常規(guī)機動時大很多。通過以上仿真計算，我們得出：

（1）潛艇在大攻角狀態(tài)下的操縱運動預報，數(shù)學模型中考慮了大攻角水動力修正后的預報更加合理。因此，在進行潛艇大攻角狀態(tài)操縱運動預報時，建議采用考慮了大攻角水動力修正的數(shù)學模型。

（2）在應急上浮過程中要通過車、舵、氣、水之間的聯(lián)合控制來實施艇的挽回。同時需要合理安排吹除水艙的次序，以縮短潛艇上浮時間和保持適當?shù)目v傾，也要注意升降舵以及均衡系統(tǒng)的使用，充分發(fā)揮它們在浮起過程中的姿態(tài)調(diào)節(jié)作用。

[1]Farcy D.Manoeuverability of submarines[C]//Warship’99:Naval Submarine 6.London,UK,1999.

[2]Bystorm L.Simulation of submarine recovery procedures in case of flooding[C]//Warship 2002,Naval Submarines 7.London,UK,2002.

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[4]金 濤,楊 楓,王京齊,龔亞樵.大攻角情況下破損進水潛艇水下機動[J].華中科技大學學報,2008,36(12):79-82.[5]徐世昌,齊力杰,王光輝.潛艇大攻角非穩(wěn)定運動時的水動力計算方法[J].青島大學學報,2004,17(1):44-47.

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[9]戴余良.潛艇應急上浮操縱運動分析與控制技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.

Prediction of submarine maneuverability with high angles of attack

HE Chun-rong,ZHAO Qiao-sheng,MA Xiang-neng

(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

One major hazard is flooding,which causes the loss of a submarine.In this paper,a prediction method of submarine motion with high angles of attack is introduced when blowing main ballast.A mathematical model of high maneuver was established,which took into consideration the force and moment items due to high angles of attack.The results of simulation in two different models show that the model of high attack angles is suited for emergency blowing ascent.Also,it is essential to control the trim after emergency blowing by stern planes to reach the surface as quickly as possible.

submarine;maneuverability;simulation;high angle of attack

U664.82

A

1007-7294（2010）04-0340-07

2009-11-30

何春榮（1967－），男，中國船舶科學研究中心研究員。