基于旋回機動的潛艇艉升降舵卡挽回仿真研究*

胡　坤　劉常波　孫　奎

(海軍潛艇學(xué)院　青島　266042)

?

基于旋回機動的潛艇艉升降舵卡挽回仿真研究*

胡坤劉常波孫奎

(海軍潛艇學(xué)院青島266042)

摘要艉升降舵卡下潛舵是潛艇最危險的一種舵卡形式，根據(jù)潛艇水下旋回機動產(chǎn)生的耦合水動力及其引起的潛浮運動特性，推導(dǎo)出不同航速條件下利用潛艇旋回機動可挽回的艉升降舵卡下潛舵舵角的計算方法，并通過六自由度潛艇運動仿真與控制研究平臺對計算結(jié)果進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明在一定航速范圍內(nèi)采用操方向舵旋回機動對于挽回艉升降舵卡下潛舵產(chǎn)生的首傾下潛趨勢具有顯著效果，從而驗證了論文提出的計算方法的有效性。

關(guān)鍵詞潛艇; 旋回; 升降舵; 仿真

Class NumberTG156

1引言

升降舵是潛艇水下航行垂直面運動的最主要也是最常用的操縱裝置。在潛艇航行過程中，由于液壓失靈或操縱錯誤、碰撞、機械故障和水中武器爆炸震動等原因，都會引起舵卡故障。此時潛艇易失去垂直面的操縱性。一旦升降舵尤其是艉升降舵被卡住，潛艇極容易形成危險縱傾而失去控制。在這種緊急情況下，為了確保潛艇安全、及時恢復(fù)操縱性，應(yīng)及時采取有效措施進行應(yīng)急操縱[1～2]。

潛艇升降舵卡時所采用的操縱措施主要是降速和均衡，有些文獻資料也介紹了艉升降舵卡下潛舵時可采取旋回的方法作為輔助操縱措施，但只是定性地要求方向舵打滿舵，對操方向舵進行旋回機動挽回的具體效果未做詳細研究。本文在潛艇六自由度運動模型的基礎(chǔ)上，采用公式推導(dǎo)和計算機仿真相結(jié)合的方法對潛艇艉升降舵卡下潛舵后操方向舵挽回的原理進行分析和計算，通過仿真驗證，得出結(jié)論:當潛艇水下航行艉升降舵卡下潛舵時，在一定航速范圍內(nèi)操方向舵進行旋回機動不失為一種有效的輔助操縱手段[3～4]。

2潛艇垂直面運動方程

潛艇升降舵卡后主要關(guān)心的是潛艇垂直面的深度和縱傾變化，考慮潛艇的垂直面非線性運動方程[5～7]:

mu+wq)= u+Xuuu2+Xwww2 +Xwqwq+Xδsδsδ2s +Xδbδbδ2b+XT+Pθmw-uq)= Z0+w+q+Zww +Z|w||w|+Zqq+Zw|w|w|w| +Zwww2+Zw|q|w|q| +Zq|q|q|q|+Zδsδs+Zδbδb +Z|q|δs|q|δs+PIq= M0+w+q+Mww +M|w||w|+Mqq+Mw|w|w|w| +Mwww2+Mw|q|w|q|+Mq|q|q|q| +Mδsδs+Mδbδb+M|q|δs|q|δs +XTZT+MP+Mθθq=dθdt=θ·ì?í????????????????????????

(1)

本文的坐標系、名詞術(shù)語和符號規(guī)則均采用國際水池會議(ITTC)推薦和造船與輪機工程學(xué)會(SNAME)術(shù)語公報的體系。

3潛艇艉升降舵卡時的運動特性仿真

以式(1)為仿真模型，采用C#語言編制潛艇垂直面操縱運動仿真平臺，圖1～圖4給出了低速(6kn)和高速(18kn)條件下艉升降舵分別卡下潛舵5°和上浮舵5°舵角時潛艇的縱傾角、橫傾角、潛深和垂速隨時間的變化曲線。

從仿真結(jié)果可以看出:

1) 艉升降舵卡下潛舵時，相當于在潛艇艉部施加了一個向上的力，并產(chǎn)生一個首傾力矩，潛艇在這個力矩的作用下作首傾下潛運動。

圖1　航速6kn，艉升降舵卡下潛舵5°

圖2　航速18kn，艉升降舵卡下潛舵5°

圖3　航速6kn，艉升降舵卡上浮舵5°

圖4　航速18kn，艉升降舵卡上浮舵5°

2) 艉升降舵卡上浮舵時，相當于在潛艇艉部施加了一個向下的力，并產(chǎn)生一個尾傾力矩，潛艇在這個力矩的作用下作尾傾上浮運動。

3) 艉升降舵卡后，若不采取積極有效的措施，潛艇將會在舵卡產(chǎn)生的力和力矩的作用下改變深度和縱傾，并且航速越高，艉舵卡相同舵角時潛艇產(chǎn)生的縱傾角和升速越大，說明航速越高升降舵卡帶來的危害越大。

4旋回運動對潛艇垂直面運動影響

當潛艇在水下旋回時，由于產(chǎn)生了旋回角速度和橫向速度，也由于主艇體周圍的流場與指揮室圍殼周圍的流場存在相互干擾，使指揮室圍殼前后方、主艇體的頂部和底部的流場發(fā)生改變，出現(xiàn)側(cè)洗流，導(dǎo)致圍殼前后和主艇體上下部位產(chǎn)生速度差，根據(jù)伯努利定律，會產(chǎn)生上下、前后的壓力差，這樣就會在圍殼后部產(chǎn)生一個向下的垂向力并由此產(chǎn)生抬首力矩[1]。

潛艇在該耦合水動力和力矩的作用下，將產(chǎn)生縱傾角和沖角，這又產(chǎn)生了扶正力矩和有沖角水動力(力矩)，于是可寫出旋回引起的直線潛浮運動的平衡方程:

(2)

由式(2)可解出θ、α，進而可進一步解得潛浮角:

(3)

由于旋回產(chǎn)生的下沉力作用點一般在水動力作用點之后，根據(jù)操縱性理論，水下旋回時的縱傾總是抬首的[3]。對于旋回時是下潛還是上浮，則要由潛浮點的位置決定。同樣由操縱性理論可知，當潛艇以大于某一速度Vr的速度旋回時將尾傾上浮，反之則尾傾下潛。這個速度稱為轉(zhuǎn)向逆速，其計算公式如下:

(4)

式中:m′為潛艇水下全排水量；g為重力加速度；h為穩(wěn)心高[11]。

潛艇以大于轉(zhuǎn)向逆速的速度旋回時，會產(chǎn)生尾傾上浮的趨勢，可以在某種程度上抵消艉升降舵卡下潛舵時造成的首傾下潛趨勢，因此可以利用潛艇旋回機動這種力學(xué)特性來挽回艉升降舵卡下潛舵時的首傾下潛趨勢。

5旋回機動挽回尾舵卡下潛舵計算與仿真

對于艉升降舵卡下潛舵的情況，假設(shè)舵卡前潛艇進行了良好的均衡，在以一定航速旋回挽回舵卡時，使?jié)撏Фㄉ畈б欢v傾，則可按定深旋回時的尾舵角和縱傾角，由有縱傾等速定深直線運動平衡方程確定，即:

(5)

由水平面回轉(zhuǎn)運動引起的垂直面的下沉力和尾傾力矩的無因次方程，可以寫為

(6)

由方程(5)推導(dǎo)可得:

(7)

潛艇操方向舵作旋回機動時時，通過六自由度方程可解得潛艇的橫向速度v和旋回角速度r，再由式(6)、式(7)，并代入相關(guān)水動力系數(shù)可解得當前航速下可挽回的艉升降舵卡的舵角。

以模型潛艇為研究對象，采用式(7)計算了操方向舵滿舵進行旋回機動可挽回的艉升降舵卡下潛舵的最大舵角，并運用海軍潛艇學(xué)院研制的六自由度潛艇運動仿真與控制研究平臺對計算結(jié)果進行仿真驗證，如圖5所示。同時得到潛艇在不同航速條件下操方向舵滿舵挽回相應(yīng)尾舵卡角的深度變化曲線，如圖6所示。

圖5　旋回機動可挽回尾舵卡角度

從仿真結(jié)果可以看出，潛艇航速大于轉(zhuǎn)向逆速2kn且小于5.7kn時，當發(fā)生艉升降舵卡下潛舵時，只通過旋回機動就可成功地挽回深度和縱傾，因此可以得出結(jié)論:一定的航速區(qū)間內(nèi)，若發(fā)生艉升降舵卡下潛舵故障，不采取其他措施而僅僅操方向舵是可以挽回潛艇的下潛趨勢的。而當航速大于5.7kn時，計算結(jié)果與仿真驗證結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，單靠旋回機動已難以挽回縱傾和深度。分析其原因，筆者認為是由于高航速使升降舵的舵力和舵力矩急劇增大，旋回產(chǎn)生的尾傾力矩難以與舵力矩保持平衡，從而使?jié)撏У氖卓v傾和深度增大。因此，潛艇在中、高航速航行發(fā)生升降舵舵卡時，應(yīng)立即綜合采取各種有效措施，比如降速、注排水、調(diào)水等來挽回深度和縱傾。

圖6　旋回機動挽回尾舵卡的深度變化

6結(jié)語

舵卡是潛艇發(fā)生頻率比較高的一類故障，應(yīng)該指出傳統(tǒng)的挽回措施仍是十分有效的，尤其是高速卡大舵角時，降速和均衡仍是處理舵卡的主要操縱措施，但低速時發(fā)生升降舵卡，如果處置不當也會對潛艇操縱性構(gòu)成嚴重威脅。因此，根據(jù)潛艇的旋回特性，利用潛艇旋回也不失為一種良好的輔助措施。本文以艉升降舵卡為例，對潛艇通過旋回來挽回艉升降舵卡下潛舵進行了理論上的計算分析，推導(dǎo)出了操方向舵挽回的艉升降舵卡的舵角公式，得出了方向舵的挽回效果。得出的結(jié)論對操艇人員針對潛艇發(fā)生艉升降舵卡時的處置具有一定的借鑒意義。

參 考 文 獻

[1] 施生達.潛艇操縱性[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[2] 吳秀恒，劉祖源，施生達.船舶操縱性[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2005.

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

[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] 胡坤,于德新.潛艇垂直面操縱運動模型誤差仿真分析[J].計算機仿真, 2012(5):10-13.

[6] 劉鷹,趙琳.潛艇仿真數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)求解[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,1999,20(2):26-33.

[7] Gertler M. Hagen R. Standard Equations of Motion for Submarine Simulation[M]. AD-653861, SNAME, 1967.

[8] 李麓,李維嘉.潛艇水下六自由度仿真數(shù)學(xué)模型[J].計算機仿真,2001(5): 33-38.

[9] 李光磊,周永余.一種面向控制的潛艇運動模型的簡化及仿真[J].船海工程,2008(6):17-21.

[10] 徐亦凡,胡坤,劉常波.潛艇在海洋密度鋒中受擾運動建模與仿真研究[J].船海工程,2012(2):47-52.

Simulation of Retrieving Stern Rudder-jamming Based on Submarine Cycle Movement

HU KunLIU ChangboSUN Kui

(Navy Submarine Academy, Qingdao266042)

AbstractThe stern rudder-jamming during diving is one of the most dangerous rudder-jamming. According to the coupling hydrodynamic and the diving motion characteristics by the submarine cycle movement, the computing method of the rudder angle retrieved by the submarine cycle movement in the case of the stern rudder-jamming is deducted. And through the six-degree-of-freedom submarine movement simulation and the control research platform the result is verified. The simulation results show that the effect of operating course rudder to retrieve stern rudder-jamming in the scope of speed is very significant. And it verifies the effectiveness of computing method.

Key Wordssubmarine, cycle movement, stern rudder, simulation

* 收稿日期：2015年11月9日,修回日期：2015年12月26日

作者簡介：胡坤，男，博士，講師，研究方向：潛艇操縱性與武器系統(tǒng)仿真與實驗技術(shù)。

中圖分類號TG156

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.022