潛艇尾升降舵卡住時高壓氣使用需求研究＊

張建華 徐亦凡 劉 潔

（海軍潛艇學(xué)院研究生2隊1） 青島 266071） （海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系2） 青島 266071）（海軍潛艇學(xué)院訓(xùn)練部3） 青島 266071）

升降舵是水下操縱潛艇的主要工具，尤其在速潛、魚雷（導(dǎo)彈）發(fā)射后的機動以及規(guī)避敵人的攻擊和搜索時，由于航速較高，一旦升降舵被卡住，潛艇極易形成危險縱傾而失去控制［1］.潛艇的首舵或圍殼舵，相對于尾舵而言，其距艇體水動力中心的距離較近，操舵產(chǎn)生的力矩較小，因此，發(fā)生首舵或圍殼舵卡時，總能用操尾升降舵措施來克服其卡舵危害［2］，在研究潛艇舵卡問題時，也因此更加集中關(guān)注尾升降舵舵卡的挽回操縱問題［3］.當(dāng)潛艇發(fā)生尾舵卡時，通常采取的應(yīng)急措施有：減速（停車或倒車）、均衡、操方向舵滿舵和操圍殼舵滿舵，或這幾種措施同時使用［4］.為評判高壓氣在舵卡操縱中使用的必要性，必須進行較全面的尾舵卡挽回操縱仿真實驗.仿真時，假設(shè)潛艇初始速度4～19 kn，舵卡角度±5～±30°，發(fā)生舵卡時間t＝20 s.

1 潛艇垂直面運動數(shù)學(xué)模型

若高速航行時尾升降舵發(fā)生大角度舵卡，則潛艇將會做大縱傾潛浮運動，該運動過程非常復(fù)雜，具有比較嚴(yán)重的非線性，因此仿真模型采用垂直面的非線性運動方程［5－6］.

2 尾舵卡上浮舵的挽回操縱仿真

2.1 尾舵卡上浮舵潛艇運動特性

1）潛艇速度4 kn，尾舵分別卡上浮10，15，20，25°和上浮滿舵，不采取任何挽救措施，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖1所示.

圖1 速度4 kn，尾舵卡上浮舵不同舵角運動特性

2）潛艇速度分別為4，8，12和16 kn時，尾舵卡上浮舵10°，不采取挽救措施，縱傾和深度變化曲線如圖2所示.

圖2 不同航速下，尾舵卡上浮舵10°運動特性

2.2 圍殼舵下潛滿舵挽回

仿真結(jié)果表明：4 kn航速下發(fā)生尾舵卡上浮舵，當(dāng)卡舵角度小于等于18°時，操圍殼舵下潛滿舵可以控制潛艇深度；當(dāng)卡舵角度增大至19°時，潛艇最終將以8.4°的穩(wěn)定縱傾角做等速上浮運動.因此，當(dāng)卡舵角度大于等于19°時，必須綜合采取均衡措施，抵消舵卡產(chǎn)生的舵力和舵力矩，同時用圍殼舵有效控制潛艇縱傾和深度.

圖3 速度4 kn尾舵卡，圍殼舵滿舵挽回操縱效果

2.3 采用“均衡＋圍殼舵操縱”措施挽回

1）潛艇4 kn航速發(fā)生尾舵卡上浮舵20，24，28°和上浮滿舵，利用均衡系統(tǒng)和圍殼舵進行挽回操縱，其縱傾和深度變化曲線如圖4所示.

圖4 速度4 kn尾舵卡，“圍殼舵＋均衡”挽回操縱效果

仿真結(jié)果表明：若潛艇速度4 kn時發(fā)生尾升降舵卡上浮舵，則通過及時采取正確、合理的均衡措施，能夠通過操縱圍殼舵達到理想的控制效果，而不需要使用高壓氣進行吹除.

2）潛艇初始速度分別為8，10，12和14 kn，尾升降舵卡上浮滿舵，延遲2 s下令減速，目標(biāo)速度4 kn，同時圍殼舵操下潛滿舵實施挽回操縱，向首調(diào)水，浮力調(diào)整水柜排水，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖5所示.

仿真結(jié)果表明：尾升降舵卡上浮滿舵時，若潛艇速度低于12 kn，則通過降速、均衡、圍殼舵操下潛滿舵的措施可以有效控制潛艇的深度，且最大縱傾角不超過10°；當(dāng)航速大于等于12 kn時，在控制過程中，潛艇會出現(xiàn)10°以上尾縱傾.

3）潛艇初始速度12 kn發(fā)生尾舵卡，舵卡角度分別為上浮28°和29°，挽回措施與2）相同，則潛艇縱傾和深度變化曲線如圖6所示.

圖5 尾舵卡上浮滿舵，“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”挽回操縱效果

圖6 速度12 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”挽回操縱效果

由該仿真結(jié)果并結(jié)合（2）的結(jié)論可知：速度12 kn時，需要使用高壓氣進行挽回操縱的尾舵卡上浮舵最小舵角為30°.

經(jīng)過單次循環(huán)后，為本次循環(huán)返程路徑上信息素的跡增量，其值等于符合式（1）的螞蟻A（組團A）留在該路徑上的信息素的跡濃度，即，其中：為符合式（1）的螞蟻（組團）個數(shù)；表示第只螞蟻在本次循環(huán)中留在路徑上的信息素的跡濃度，為常量，表示第只螞蟻經(jīng)過路徑的距離．

4）潛艇速度19 kn發(fā)生尾升降舵舵卡，舵卡角度分別為上浮10，11，12和13°，采取“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”的措施進行挽回，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖7所示.

圖7 速度19 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”挽回操縱效果

與3）類似，由仿真結(jié)果可知：潛艇19 kn航速時，需使用高壓氣進行挽回操縱的尾舵卡上浮舵最小舵角為11°.綜合2），3）即可得出以下結(jié)論：潛艇在任意航速下尾舵卡上浮舵11°以內(nèi)，或航速在11 kn以下尾舵卡任意上浮舵角，采取“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”的措施進行挽回，潛艇都不會出現(xiàn)危險縱傾，且深度變化可控制在允許范圍內(nèi)，不需要使用高壓氣進行應(yīng)急吹除.

3 尾舵卡下潛舵的挽回操縱仿真

3.1 圍殼舵上浮滿舵挽回

潛艇航速4 kn，尾升降舵分別卡下潛17°，18°和19°，用圍殼舵上浮滿舵保持操縱，潛艇的縱傾和深度變化曲線如圖8所示.

圖8 速度4 kn尾舵卡，圍殼舵滿舵挽回操縱效果

仿真結(jié)果表明：潛艇速度4 kn，尾舵分別卡下潛舵17°、18°和19°，僅用圍殼舵操上浮滿舵的措施挽回時，其穩(wěn)定縱傾角分別為－7.9°，－8.4°和－9.0°.對于深度而言，當(dāng)卡下潛舵17°時，利用圍殼舵可以挽回潛艇深度；卡18°時，操上浮滿舵恰可保持定深航行；當(dāng)尾舵舵卡角度達到19°及其以上時，僅利用圍殼舵將無法控制潛艇深度，而必須綜合使用其他抗沉措施.

3.2 采用“均衡＋圍殼舵操縱”措施挽回

1）潛艇速度4 kn，尾升降舵分別卡下潛20°，24°，28°和下潛滿舵，用均衡系統(tǒng)和圍殼舵進行挽回操縱，潛艇的縱傾和深度變化曲線如圖9所示.

仿真結(jié)果表明：潛艇初始速度4 kn情況下發(fā)生尾升降舵大角度舵卡，通過采取正確合理的均衡措施后，利用均衡系統(tǒng)和圍殼舵可以比較理想地控制潛艇的縱傾和深度，而不需要使用高壓氣進行挽回.

2）潛艇初始速度分別為10，12和14 kn，尾舵卡下潛滿舵，采用“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖10所示.

圖9 速度4 kn尾舵卡，“圍殼舵＋均衡”挽回操縱效果

圖10 尾舵卡下潛滿舵，“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回操縱效果

仿真結(jié)果表明：潛艇以低于12 kn速度航行時，若尾舵卡下潛滿舵，則通過迅速采取“降速＋圍殼舵上浮滿舵＋均衡”的措施進行挽回，能夠控制潛艇深度和縱傾在允許變化范圍之內(nèi)；當(dāng)航速大于12 kn時，潛艇將在舵卡1 min后達到10°以上危險縱傾，且隨著航速的增加，該縱傾角迅速增大.因此，若潛艇初始速度大于12 kn發(fā)生尾舵卡下潛滿舵，為防止出現(xiàn)危險縱傾，應(yīng)適時果斷向縱傾端主壓載水艙供高壓氣，消除舵卡力矩，挽回縱傾.

3）潛艇初始速度12 kn，尾舵分別卡下潛20°，25°和下潛滿舵，采用“降速＋圍殼舵上浮滿舵＋均衡”的措施進行挽回，縱傾和深度變化曲線如圖11所示.

4）潛艇速度19 kn發(fā)生尾升降舵舵卡，舵卡角度分別為下潛10°，11°和12°，采取" 降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵"的措施進行挽回，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖12所示.

由假設(shè)3）和假設(shè)4）的仿真結(jié)果可知：潛艇尾舵卡下潛滿舵時，需要使用高壓氣挽回的最低航速為12 kn；當(dāng)潛艇初始速度19 kn時，需要使用高壓氣挽回的最小舵角為12°.

圖11 速度12 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回操縱效果

圖12 速度19 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回操縱效果

4 舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖

采用上述仿真方法，分別對潛艇初始速度13～18kn，尾舵卡11°以上各舵角的情況進行仿真，便可以得到潛艇不同航速下所對應(yīng)的必須使用高壓氣進行舵卡挽回的最小卡舵角.

若用數(shù)字“1”表示必須及時向主壓載水艙供高壓氣進行失事挽回的舵卡情況，“0”表示不需要使用高壓氣的情況，則可將潛艇各航速下發(fā)生尾升降舵卡，高壓氣使用情況列出（見表1），或繪制成如圖13所示“舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”，以供處置舵卡事故進行挽回操縱時參考，潛艇操縱人員應(yīng)熟練掌握和運用.

圖13 舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖

表1 潛艇尾升降舵卡高壓氣使用情況

當(dāng)出現(xiàn)舵卡故障時，通過查表或查圖，潛艇操縱人員便立即可知是否應(yīng)采取供氣措施進行挽回.對高壓氣這一重要抗沉資源，既做到“敢用”，即供氣及時，不錯過最佳供氣時機；也做到“慎用”，即節(jié)約高壓氣，非必須情況不供氣，以最大限度地節(jié)約高壓氣的消耗.

5 結(jié) 論

1）潛艇低速航行時發(fā)生尾舵卡小舵角，僅利用圍殼舵即可控制潛艇縱傾和深度.

2）“減速＋均衡＋圍殼舵操縱”的措施可以成功挽回潛艇速度低于12 kn時發(fā)生的任意角度值的尾升降舵舵卡，以及任意航速下舵角小于12°的尾舵舵卡故障.

3）若潛艇航速較高時（15～19kn）發(fā)生尾升降舵卡大角度（±20～ ±30°），則必須及時、正確使用高壓氣進行挽回，同時注意停止供氣和解除氣壓的時機，防止?jié)撏С霈F(xiàn)反向危險縱傾，造成新的危險局面.

4）在實際操艇過程中，應(yīng)盡量避免使用高速、大舵角進行機動.當(dāng)發(fā)生舵卡險情后，應(yīng)迅速判斷危險等級、明確挽救方法、及時采取措施，將危害程度降到最低.

［1］徐亦凡.潛艇操縱原理與方法［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002.

［2］克雷泊勒S L.關(guān)于潛艇水平舵卡和艙室進水的安全性以及潛艇操縱界限圖的基本原則［C］／／第4屆國際潛艇會議論文集，1995.

［3］Ceepel J L.The safety of sub marines related to hydroplane jams and floodings and the philosophy of operating envelopes［R］.無錫：中國船舶研究中心，1993.

［4］王京齊，張緯康，施生達.潛艇尾操縱面卡住時的挽回操縱研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，29（11）：1 141－1 146.

［5］Gertler M，Hagen R.Standard equation of motion for sub marine si mulation ［R］.SNA ME， AD－653861，1967.

［6］施生達.潛艇操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.