海洋拖曳系統對船舶操縱性能的影響

杜新

摘 要：海洋拖曳系統對于船舶來說，是必不可少的組成部分。在拖曳系統工作時，拖曳母船的操縱性能會受到拖攬張力的影響，所以需要采用相對應的機動方式和操作控制補償。文章針對海洋拖曳系統對船舶操縱性能產生的影響，具體的影響進行探討。

關鍵詞：拖曳系統；船舶操縱；對于性能的影響

拖曳母船、拖曳體以及拖纜是相互之間存在作用的整體。海洋拖曳系統作為一種水下探測裝置無疑是有效的，現在早就已經廣泛地應用于海洋監測、水聲對抗和海洋研究等諸多領域之內，而且發揮著越來越不可或缺的作用。由于在拖曳系統工作時，其張力會對于拖曳母船的操作性能有所影響，故此，研究拖曳以及拖曳體對其拖曳母船操縱性能的影響，對于船舶在機動時的操作船舵控制補償和機動方式的選取具有重要作用。

1 船舶操作和拖曳系統的意義

1.1 船舶操縱的意義

所謂船舶操縱，是一種控制船舶能夠在水中進行運動的技術。最早的時候，操縱船舶的人們使用楫和櫓來推進船舶并使之轉向。而帆船時期，船舶依靠風力推進。在使用船舵操控船舶時，并不能隨意改變方向或者后退，有著一定的限制。這種狀態一直維持到了十九世紀初時，蒸汽機輪的出現使船舶操縱進入了機械推進時代。船舶的推進效率和倒船能力，自第一艘螺旋槳船在1845年成功橫渡大西洋時就開始逐漸提高，其船舵的效能也在隨之增加。近代以來，對于船舶操縱技術的要求也隨著船舶航速、通航密度以及船舶尺度的增大而日益提高。七十年代初，出現了能夠自身橫移或者原地掉頭的無船舵型港作拖船，以協助船舶操縱，從而將操縱的效率大大提高。現在船舶的操縱者會運用推進器、舵、錨、拖船、纜等，并且按照船舶的操縱性能結合著水域和風等客觀性條件以便保證或者是改變其船舶的運動狀態。船舶的操縱系統是一個大型的系統，主體就是操縱人、船舶以及環境三個小系統。如果要用圖表示，我們可以想象有兩個大小不等的圓形，大的當做整體，而里面的小圈分成三個同等大小空間代表三個小系統，位于中間最小圈里的是“人”，也是其核心所在。其它也只是起到輔助作用。

1.2 拖曳系統的意義

在二十世紀的下半葉時期，是一個對海洋資源積極開發的時代。人們為了能夠獲取食品資源和工業原料，多種不同的拖曳裝置的研制與當時在深海和近海的活動緊密關聯。之后為了能夠將生產率以及工作率有效提高，人們還將拖曳裝置應用于搜索近海底的拖曳聲納、拖曳觀察儀器、海洋的自動拖曳儀器、鋪設水下電纜的設備、自動拖網系統等等方面。事實上，現在獲取海中食物的方法是與拖曳技術至今的發展改革有著密切關系的。在最早開發物質資源時，物質資源十分豐富，直接拖網沿著海底進行運動就有收獲。將網子的尺寸加大，而應用的導航定位探測魚群以及深海系統拖網捕魚系統都要求將拖曳深度、拖曳速度提升。以這樣不停試驗改進的方式觀察得到漁網的各方面數據，從而加速調整新漁網的結構，加快找尋創建先進的捕捉海洋生物方式。現代拖曳系統的實驗條件具有一定的高效性、復雜性和可靠性，但是因為一些因素卻也同時限制了設計方法本應有的飛速發展。大致可分為如下四點主要原因：（1）拖網裝置在波浪上時的性能參數；（2）拖纜腐蝕部分的變化；（3）運輸船升力平面的攻角變化；（4）拖船沿航線、速度變化方向在機動時的性能參數等各方面。

我們在暫態動力學與拖網穩態的基礎過程中進行創新設計，這樣可以把成本降低、縮短周期，并且在這樣的情況下提高設計質量。水下拖曳系統的發展趨向為：減少船舶噪聲，降低由水介質吸收和混響引起的信號衰減，改善了求解深度的方法，這種方法考慮了減少在海底拖曳時的波前變形。

2 建立系統的數學模型

為了使建立系統的運動模型和系統的運動特性更方便被描述，在本文當中，一共引入了四個右手直角坐標系。習慣性坐標EMNQ，在水面的任意一個點選取作為原點E，M軸方向是不定的，不需要定點選擇。但是一旦在選定之后，相對于地球就是固定的，N軸垂直向下，同時與Q軸垂直；拖船隨體坐標系為Bxbybzb，在原點S位正于船舶的重心處，xs垂直于中縱剖面，以指向右舷為正，xs軸垂直于船舶中的橫剖面，以指向船艏為正，zs軸垂直于水線面，以指向龍骨為正；拖纜局部坐標系為Cxcyczc，xc為拖纜的切向方向，yc和zc為拖纜的2個法向；拖曳體隨體坐標系為Bxbybzb，其3個軸方向的定義與船體隨體坐標系一致。

2.1 拖曳船舶母船操縱運動控制方程

既是所謂船舶中借鑒分離式MMG操縱運動教學模式，

式中：R為船體坐標系與慣性坐標系之間的旋轉矩陣：φ、θ和ψ分別為拖曳體的橫搖角、俯仰角和偏航角；ZU為拖纜頂端拉力在拖曳母船YS軸的分力。將拖纜頂端張力轉換到拖船坐標系的三個方向，則拖纜頂端張力產生的力矩可表達為：Mu=（Ku，Mu，Nu）T=ru×Tu。在這個公式當中，RU為拖纜頂端在拖船坐標系下的位置坐標：Mu為Zu產生的力矩。

2.2 拖纜運動的控制方程

拖纜運動控制方程是采用的有限差分法，假設拖纜是為圓柱體、細長而柔性，且拉力隨著時間變化，根據拖纜上面的任意一點的力平衡，就可以得到矢量方程式為Y=（T，V1，V2，V3，α，β）T式當中：標量T 為拖纜張力V1、V2、V3分別為拖纜局部坐標系下的3個速度分量；α、β 為拖纜局部坐標與慣性坐標之間的方向角。通過推導，拖纜的運動控制方程可寫成如下的偏微分方程：Mys=Nyt+q，式中：M、N、q為系數矩陣；t為時間。

2.3 拖曳體動力學方程式

根據動量和動量矩方程，拖曳體的動力學方程可以寫為ME=（τ1，τ2，τ3）T=rE×TE。在槳、舵操縱下的四自由度（縱向、橫向、橫搖、艏向）。

運動控制方程可寫為：

2π（TE+IP）n·=Q

式中：ms為船舶的質量；ξG、ζG為船舶質量中心在船體坐標系下的坐標；Iξ、Iζ分別為船舶繞ξ 軸和ζ 軸的轉動慣量；u、v、p、r分別為船舶的縱向速度、橫向速度、橫傾角速度和艏向角速度；X、Y 分別為作用在船舶的外力沿ξ 軸和η 軸方向的分力；K、N 分別為作用于船舶的外力對ξ 軸和ζ 軸的力矩；下標H、R、P和U分別為船體、舵、槳和拖纜頂端；TE、IP分別為主機軸和螺旋槳的轉動慣量；Q為主機軸和螺旋槳所受的外力矩（包括水動力矩和主機輸出扭矩）；n為螺旋槳轉速。

3 海洋拖曳系統對船舶操作性能的影響

船舶操作性會直接影響海洋事故的發生，同時也會給海洋環境造成巨大影響。例如：1912年4月10日，泰坦尼克號撞上冰山沉沒；1984年的ITTC引用美國的海岸警衛隊的報告，每年海上失事的船舶達兩百搜，其中35%都是由于操縱性引起的。拖曳系統能否正常運行將直接影響船舶的操作性能。

3.1 拖曳系統運行的規律和影響因素

拖曳系統運動時它的每個元件如纜索部分、拖曳體等都會產生決定拖曳載荷的流體動力。拖曳載荷可分為靜態拖曳載荷和瞬態拖曳載荷，其中靜態力對應拖曳系統勻速穩定運動，而瞬態力是在不穩定拖曳、以及出現渦流破壞引起的作用在拖曳系統元件上的周期力時產生的。在流體動力和重力作用下拖曳系統可保持相對的穩定。同時具有波浪載荷所引入的影響和船舶振動影響是船舶收放裝置的特征。拖曳系統在波浪上的最大運動速度超過了傳入的速度。因此在擴散波條件下動力學載荷主要取決于收放裝置和拖曳載體在波浪上的相對移動。

3.2 在靜態水域中拖曳系統對船舶操縱性的影響

船舶在靜水中勻速直航時，拖纜在任意點上的拉力可通過對拉力的積分確定。拖纜拉力是由拖曳速度、拖曳系統的流體動力參數和重量外形參數、以及拖曳系統平衡狀態參數決定的。拖纜的拉力是拖曳系統的重要參數之一，它決定了拖曳系統的強度、壽命以及其它主要的操縱特性。發展和完善拖曳系統是提高施纜強度、降低作用其上的流體動力載荷工作密切相關的。拖曳系統相對平衡位置偏離很小時，取消擾動力后系統不能回到初始位置。出現上述情況時，拖曳系統在靜水中恒速運動時可能出現不穩定狀態。

3.3 在動態海浪的水域中拖曳系統的影響

拖船的擺動導致拖纜中出現很大的拉力動態分量，這將限制拖曳速度。波浪中船舶承受多于兩種形式振動同時作用。在安裝測量航行方向上速度的測速儀時出現的，這或者是垂直和滾轉方向的合成振動，它稱為橫向振動或者是垂直和俯仰方向的合成振動，它稱為縱向振動（與波浪反向）。在船舶相對波浪的任意位置上都能出現復雜的組合振動。不同的水文氣象條件下，在世界海洋的大陸架和深海區域里進行測量，對測量結果進行統計發現，測量系統載體振動強度與測量元件自己振動強度間的相互關系在儀器下潛深度迅速增加時保持不變。載索和懸掛在載索上的測量儀器在一定條件下能增強擾動，這種擾動是通過海洋系統載體傳播到測量元件上的，它還將導致水文物理參數的嚴重失真。

3.4 選擇合理拖曳系統的重要性

在設計拖曳系統時，應滿足于以下要求：確定研制系統的用途、結構和使用條件。指定的要求常常非常矛盾，即改善一些參數將導致另一些參數變壞。對于海洋開發設備的優化設計方面的課題暫時還沒有得到解決。必須從大量拖曳系統的主要參數中分離出少量可進行優化的參數，但是實際上拖曳系統許多設計參數的變化區間是有一定限制的。通常拖曳速度與天線用途和拖曳設備的能力有關，拖曳載體的殼體尺寸是由安裝在其上的儀器設備的輪廓、質量決定。拖纜直徑取決于它的強度特性，拖纜長度由拖曳載體的要求深度行程決定，但常常受到加工條件、以及拖船上卷揚機卷盤容積的限制。拖曳系統的各種參數限制也由拖船在控制程度、收放設備的布局和運營方面的能力確定。選擇合理的拖曳系統，以保證船舶的穩定性。

4 結束語

海洋拖曳系統會在工作時，影響傳播的操縱性。其主要表現為拖曳系統在靜態水域和波動海浪水域中兩方面所產生的不同影響，在力的相互作用下，海洋拖曳系統對船舶操縱性的影響也會呈現出多種形式。拖曳的不穩定狀態將導致大的拖索拉力偏差、拖曳載體運動參數偏差，鑒于渦流端面引起的振動現象，拖曳系統將出現危險，而拖船的擺動也會導致拖纜中出現很大的拉力動態分量，從而限制拖曳速度。所以保持拖曳的穩定性對保證傳播的安全至關重要，這就需要我們通過更科學的科技手段來改善拖曳系統，從而提高船舶的操縱性能，保證航船的順利運行，提高安全質量。

參考文獻

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