半潛式航行體水平定深回轉(zhuǎn)運動研究

吳小兵，歐陽凌浩

(1.海軍研究院，北京 100161；2.中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

反水雷是最早應(yīng)用無人系統(tǒng)的軍事領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷有各種新型無人系統(tǒng)投入使用，從最初的采用ROV技術(shù)的滅雷具，到目前各類UUV、USV形態(tài)的無人獵、掃雷系統(tǒng)。不同形態(tài)的無人反水雷系統(tǒng)有其特有的應(yīng)用場合，能為海上編隊提供實時水雷防御能力的無人遙控獵雷系統(tǒng)就是其中特殊的一類。該類裝備兼顧了高海況適應(yīng)能力、遠距離續(xù)航能力、大深度探測能力、實時信息回傳能力等特點，采用柴油動力的半潛式航行體拖曳變深聲吶執(zhí)行水雷探測任務(wù)，探測信息則通過無線方式實時回傳。國外典型裝備如美國的AN/WLD-1遙控獵雷系統(tǒng)[1]、法國DCN公司開發(fā)的“海上衛(wèi)士”FDS3遙控獵雷系統(tǒng)[2](如圖1-2)。

在作業(yè)過程中，半潛式航行體良好的回轉(zhuǎn)機動性可以確保系統(tǒng)的探測精度和作業(yè)安全，本文以國外典型半潛式航行體作為原型設(shè)計了仿真模型，分析其水平定深回轉(zhuǎn)運動，確定控制方案。

1 航行體六自由度運動方程組

1.1 坐標系

半潛式航行體一般采用回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，可參考魚雷動力學(xué)和運動學(xué)模型，建立半潛式航行體空間運動方程組。體坐標系oxyz的原點位于航行體浮心所在橫截面與航行體軸線的交點，x軸沿航行體軸線，指向航行體頭部；y軸位于航行體縱對稱面內(nèi)，垂直x軸，指向上方；z軸垂直oxy平面，按右手法則指向側(cè)向。地面坐標系ox0y0z0的原點取初始時刻航行體體坐標系的原點在水平面上的投影點，ox0軸沿航行體的縱對稱面與水平面的交線，指向前方，oy0軸鉛垂向上，oz0軸按右手規(guī)則[3]。

體坐標系用于建立航行體動力學(xué)方程，地面坐標系主要用于確定幾何參數(shù)，地面坐標系和體坐標系之間的夾角確定了航行體的3個姿態(tài)角：俯仰角θ、偏航角ψ及橫滾角φ，體坐標系原點在地面坐標系中的3個坐標x0、y0、z0確定了航行體的空間位置。

地面坐標系到體坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣為

體坐標系到地面坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣為上述矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，即

1.2 空間運動方程組[4-6]

根據(jù)文獻[4-6]，利用動量和動量矩定理可以在體坐標系中建立如下的航行體空間運動動力學(xué)方程組：

式中：m為航行體質(zhì)量；vx、vy、vz為速度分量；ωx、ωy、ωz為角速度分量；xc、yc、zc為航行體質(zhì)心在體坐標系中位置；xb、yb、zb為航行體浮心在體坐標系中位置；G為航行體重力；B為浮力；T為推力；Jxx、Jyy、Jzz為轉(zhuǎn)動慣量分量；X、Y、Z為流體動力主矢量在體坐標系中的3個分量，即阻力、升力、側(cè)力；Mx、My、Mz為流體動力主力矩在體坐標系中的3個分量，即橫滾力矩、偏航力矩、俯仰力矩。

航行體的空間位置由下式確定：

攻角α、側(cè)滑角β及速度v的定義式：

α=-arctg(vy/vx)

上述各式構(gòu)成了航行體空間運動方程組，共含有vx、vy、vz、ωx、ωy、ωz、θ、ψ、φ、x0、y0、z0、α、β、v15個未知量。

2 水平定深回轉(zhuǎn)運動仿真

2.1 仿真工況及初始條件

參照國外典型半潛式航行體設(shè)計如下仿真模型：航行體長6.5 m，采用回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，主體直徑1.0 m，質(zhì)量5 000 kg。半潛式航行器使用柴油機作為動力，需采用桅桿結(jié)構(gòu)進行進排氣。考慮桅桿高度，航行體的航行深度不大于4 m，初始深度2 m。現(xiàn)設(shè)定定深回轉(zhuǎn)深度為2.5 m，取航行速度8～16 kn，每4 kn一個計算狀態(tài)。垂直舵角3°～12°，每3°一個計算狀態(tài)，共12個仿真工況。初始姿態(tài)角、流體動力角均為零，前水平舵角為平衡舵角。

表1 水平定深回轉(zhuǎn)運動仿真工況

2.2 控制方法[7-8]

舵功能分配：前水平舵用于平衡，后水平舵用于定深與橫滾控制，后垂直舵為固定舵角。控制方程如下：

定深：δhh=Kyy+Kθθ+Kωzωz

橫滾：δd=Kφφ+Kφxφx

2.3 仿真結(jié)果

圖3-8分別給出了航行體航速8 kn和16 kn及舵角3°～12°下航行體水平面航跡、深度及姿態(tài)角變化曲線。

由仿真結(jié)果可知：

1)其回轉(zhuǎn)半徑隨著垂直舵角的增大而減小，最小回轉(zhuǎn)半徑為26 m，最大回轉(zhuǎn)半徑為103 m。

2)相同垂直舵角條件下，回轉(zhuǎn)半徑對航速不敏感，隨著航速的增大略有增大。

3)航行體定常回轉(zhuǎn)運動過程中，航行深度與航速、垂直舵角成正比關(guān)系，隨二者增大而增大。

4)橫滾角隨航速的增大變化不明顯，隨垂直舵角的增大而增大。

3 結(jié)束語

本文在不同航速和不同垂直舵角下對半潛式航行體的水平定深回轉(zhuǎn)運動進行仿真分析，結(jié)果表明：半潛式航行體具有良好的回轉(zhuǎn)機動性能。注意到航速對航行體深度的影響，以及垂直舵角對回轉(zhuǎn)半徑、航行深度及橫滾角的影響，在實際系統(tǒng)的應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮航行體回轉(zhuǎn)半徑及其姿態(tài)進行回轉(zhuǎn)控制。