某型潛艇航渡過程的動力系統優化應用研究

周建文，孫俊忠，周智勇

(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

現階段常規潛艇在執行航渡任務時，一般采取水下和水上工況交替航行。在水下大深度、低速航行時潛艇隱蔽性非常好，而水上航行時，不僅要求潛艇的通氣管暴露在水面上，而且柴發機組的運行極大地增加了潛艇的物理場，這就增大了被敵綜合反潛體系探測到的幾率。暴露率是指通氣管(水面)航行狀態的時間占總的航行時間的比值，在一定程度上反映了潛艇暴露的可能性。潛艇指揮員在執行航渡任務時需要充分考慮航渡區域各種因素的影響，合理的使用動力系統，以保證潛艇以盡量以小的暴露率完成任務。

1 航渡時動力系統的使用特點

潛艇要進行戰斗活動，為了達到指定的戰斗海域，首先要進行航渡。潛艇要進行航渡時，其基本要求是:按時到達指定作戰海域，并保持最高的隱蔽性。因此，要依靠偵察與情報所獲得的資料，如戰區及航道上的氣象條件、晝夜的長短、月亮的出沒與盈虧情況、海水的比重與透明度、海深及海底情況(硬海底、液體海底)以及敵人防潛兵力與偵察器材布置情況等來確定動力裝置的使用方法。

現代條件下，在一般的戰術背景情況下，潛艇往往采用白天潛航航渡，夜間邊航行邊充電的方式航渡，稱之為混合航行航渡。潛艇在水下以電機航渡是最隱蔽的方式，航行速度一般是用經濟航速。此時水下續航距離最大，噪音最小。航行深度可根據敵人的反潛兵力、雷區情況及海水透明度而定，水下航行時，非必要情況，蓄電池容量不得低于一定的比值。

2 常規潛艇動力系統模型

2.1 蓄電池模型

常規潛艇蓄電池充放電過程是復雜的化學反應過程，影響其性能的因素眾多。為了進行常規潛艇充電組織、動力系統使用方案優化需要對其蓄電池充放電性能進行建模。因為蓄電池充放電過程是通過化學反應實現的，充放電效果受很多因素的影響，很難使用原理分析的方法進行效能模型建立，因此通過對實驗數據的分析建立模型用于進一步的分析是一種明智的選擇［1］。

2.1.1 蓄電池充電模型

假定充電過程充電效果與蓄電池使用歷史無關，則只要知道對于任意一個初始比重P0開始充電，整個充電過程中，電池比重隨時間的變化函數［2］

充電效果模型實現的功能:計算從比重P1開始充電，經過時間t后的電池比重P2。圖1是使用擬合的方法得到充電原函數曲線及反函數曲線。

圖1 充電效果曲線

2.1.2 蓄電池放電模型

假設潛艇推進功率為潛艇航行速度的函數，常見的形式為［3-4］

其中:v潛艇航速;Q為功率。

如果已知初始電量W1，則可求出放電時間t后的剩余電量W2。通過對放電過程記錄數據的分析，使用數據擬合的方法得到放電效果函數［5］Q(v)，如圖2所示。

圖2 放電效果曲線

2.2 輔機模型

潛艇有上百臺輔機，有些功率消耗很小;有些使用頻率很低;有些功率雖小，但使用頻繁、累積電量消耗較大;有些功率消耗大，使用時機隨潛艇部署和季節環境變化。如要建立數學模型，考慮的隨機因素比較多，沒有規律可循。根據各種輔機的特點和潛艇上的實際情況，將輔機的消耗功率做如下分類［6］:

1)管制用電:只允許一類輔機運行，輔機嚴格限制;

2)節約用電:只允許一、二類輔機運行，空調不開;

3)正常用電:一、二、三類輔機全部正常允許，包括空調;

4)平均用電即為三類負載加權平均:20%的時間潛艇處于管制用電，即除必須開的輔機外，其余全部停;40%的時間潛艇處于節約用電狀態，不包括空調;另外的40%時間，正常使用全部輔機，包括空調等［7］。

3 航渡過程動力系統優化算法

此優化算法是以動力系統模型為基礎，并根據區域性質分隔航渡階段，尋找符合貼合部隊使用的動力系統優化方案［8］。

第1部分先進行基本參數分析與計算，其核心是選取蓄電池工況和充電時機，流程如圖3所示。

第2部分是航渡決策，其核心是根據航渡要求，合理安排和規劃蓄電池航行、充電航行，使之符合約束條件要求，形成動力系統使用方案，決策流程如圖4所示。

第3部分是方案的調整與優化，其核心時計算和仿真動力系統方案，對不符合約束部分進行調整，對整體性能參數進行優化，優化調整流程如圖5所示。

圖3 概要計算流程

圖4 航渡決策流程

圖5 方案的調整與優化

4 仿真分析

設定好航行時間、航程和暴露率，利用動力系統優化算法對動力系統使用方案進行計算機決策，形成動力系統使用方案如表1所示。在動力系統模型的支持下，對形成的方案進行仿真，仿真結果與實艇遠航結果進行比較，如表2所示，誤差在允許范圍內。

5 結論

航渡過程的動力系統優化的實質是對計算量與優化結果進行折中，得到的結果并不是數學意義的最優，最多是次優解。但它計算量小，決策時間短，符合部隊使用習慣，適合實艇使用。

表1 動力系統使用方案

表2 動力系統使用方案仿真結果表

［1］許建.常規潛艇動力系統建模與仿真［J］.華中理工大學學報，1998(12):42-44.

［2］馬守軍，莊亞平，陳新傳.潛艇蓄電池建模策略分析［J］.船電技術，2004(4):23.

［3］王斯成.蓄電池剩余電量(SOC)數學模型探討［J］.太陽能學報，2005(2):19-20.

［4］趙興福.電動汽車蓄電池的建模與仿真［J］.武漢理工大學學報，2004(2):33-35.

［5］周開利，康耀紅.神經網絡模型及其MATLAB仿真程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2005:220-228.

［6］路紅山，許建，張京偉，等.潛艇動力系統任務維修性建模［J］.中國艦船研究，2008(4):34.

［7］許建.潛艇蓄電池放電過程的仿真研究［J］.電源技術，1998(2):46-47.

［8］周智勇，孫俊忠，龔文超.潛艇航渡過程的動力系統輔助決策研究［J］.指揮控制與仿真，2013(2):43-44.