潛艇X型艉舵故障工況下的操縱策略研究?

柯硯東 徐榮武 黃 斌

（1.海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所 武漢 430033）（2.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）（3.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

潛艇艉舵遠(yuǎn)離其水動(dòng)力中心，較大程度影響潛艇的操縱性。相比十字型艉舵，X型艉舵中單個(gè)舵葉能同時(shí)產(chǎn)生水平和垂直的操縱力［1］。X型舵的四個(gè)舵葉一般由四個(gè)獨(dú)立的作動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，即使達(dá)到單一運(yùn)動(dòng)效果也需要多個(gè)舵葉綜合作用，因此每一種潛艇空間運(yùn)動(dòng)效果的實(shí)現(xiàn)往往對(duì)應(yīng)了多種操縱方式。

潛艇在航行時(shí)遭遇的危險(xiǎn)包括火災(zāi)、破損進(jìn)水，以及舵機(jī)系統(tǒng)故障引起的姿態(tài)、深度、航向失控［2］。理論上潛艇的所有操縱面均有可能發(fā)生卡舵危險(xiǎn)，但最危險(xiǎn)的情況是艉舵發(fā)生大舵角卡舵。卡舵造成的航向失控會(huì)使?jié)撏нM(jìn)行空間螺旋運(yùn)動(dòng)，但深度的失控直接影響潛艇的生死存亡，所以，卡舵時(shí)深度挽回控制更受到人們集中關(guān)注［3］。

X型艉舵由于其分離式結(jié)構(gòu)，除了可以控制潛艇深度（縱傾）和航向之外，還可以對(duì)潛艇的橫傾產(chǎn)生影響［4］。仿真表明，在潛艇以16節(jié)航速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎90°時(shí)，可將十字舵潛艇 12°的橫傾抑制在 4°以內(nèi)［5］。但是一旦X型艉舵的某個(gè)舵葉發(fā)生卡舵故障，其引起的橫傾姿態(tài)失控危險(xiǎn)也應(yīng)該受到關(guān)注。

2 X型艉舵操縱模型

X型艉舵模型如圖1所示，本文中規(guī)定順時(shí)針方向?yàn)檎颉?/p>

圖1 X型艉舵模型

為更直觀表示隨動(dòng)工況下，潛艇的操縱方式，將潛艇六自由度運(yùn)動(dòng)方程中對(duì)應(yīng)的升降舵、方向舵變換為X型艉舵的舵角，可定義X舵施加給潛艇的操縱力為［6］

夏極［7］在對(duì)X舵進(jìn)行單舵旋回仿真后得到的狀態(tài)參數(shù)如表1。

表1 X舵空間旋回狀態(tài)參數(shù)

由表可看出四個(gè)舵的舵效成對(duì)近似，且1號(hào)舵與4號(hào)舵的舵效均小于2號(hào)舵與3號(hào)舵的舵效。用δr、δs和δd表示成等效后潛艇十字型艉舵的方向舵、升降舵和差動(dòng)舵，結(jié)合潛艇的對(duì)稱性，等效舵角的轉(zhuǎn)換系數(shù)也應(yīng)滿足其成對(duì)近似的規(guī)律［8］。可求得X型艉舵等效成十字型艉舵舵角的表達(dá)式為

式中λra、λsa、λda表示潛艇的艉方向舵、艉升降舵和等效差動(dòng)舵轉(zhuǎn)換到X型艉舵的1號(hào)舵與4號(hào)舵的系數(shù)；λrb、λsb、λdb表示潛艇的艉方向舵、艉升降舵和等效差動(dòng)舵轉(zhuǎn)換到X型艉舵的2號(hào)舵與3號(hào)舵的系數(shù)。這些系數(shù)可由拖曳水池的試驗(yàn)中測(cè)定［9］。

在潛艇的運(yùn)動(dòng)中，往往需要保持δd=0，來抑制潛艇產(chǎn)生橫傾。

3 X型艉舵故障操縱策略

潛艇的舵機(jī)系統(tǒng)的故障有卡舵故障、舵機(jī)故障、操縱臺(tái)故障和傳感器故障等，本文重點(diǎn)對(duì)卡舵和舵機(jī)故障進(jìn)行了分析。

1）單舵故障操縱策略

令?i(i=1,2,3,4)為第i號(hào)舵卡舵時(shí)的角度，表2為單舵X型艉舵卡舵時(shí)給潛艇帶來的影響。

表2 X型艉舵卡舵影響

單個(gè)舵發(fā)生故障時(shí)，需要控制其他舵進(jìn)行補(bǔ)償，抵消單個(gè)舵產(chǎn)生的空間力和力矩，在低速小舵角卡舵時(shí)，還可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)潛艇的運(yùn)動(dòng)操縱。因此，卡舵操縱時(shí)需要采用與正常隨動(dòng)操縱時(shí)不同的操縱模型，以1號(hào)舵卡舵分析為例，令δ1=?1為卡舵時(shí)的舵角，此時(shí)仍可以由其余三個(gè)舵進(jìn)行操縱。

考慮到舵機(jī)卡舵后，舵機(jī)動(dòng)作由隨動(dòng)模式轉(zhuǎn)成人工模式，且由于潛艇此時(shí)的機(jī)動(dòng)受限，只考慮潛艇進(jìn)行垂直面或水平面的機(jī)動(dòng)。

（1）在垂直面上，潛艇的操縱模型應(yīng)為

（2）水平面上，潛艇的操縱模型應(yīng)為

2）雙舵故障操縱策略

與單舵故障時(shí)不同的是，并非所有卡雙舵的情況都可以只對(duì)潛艇做艉部操縱面的操縱而不借助其他操縱。

令?i(i=1,2,3,4)為卡舵舵角，當(dāng)1號(hào)舵與4號(hào)舵卡舵時(shí)，可以采用平衡補(bǔ)償?shù)牟呗赃M(jìn)行深度保持和抑制橫傾，此時(shí)潛艇的航向無法保證，此時(shí)可推導(dǎo)出以下方程：

若2號(hào)舵與3號(hào)舵發(fā)生卡舵現(xiàn)象時(shí)，僅在存在最大的δ1和δ4使等效升降舵δs≥0，以及可以平衡等效差動(dòng)舵δd=0時(shí)，潛艇可不進(jìn)行其他操作保持安全深度和姿態(tài)穩(wěn)定。

尤其當(dāng)航速較高時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行操水（艏艉調(diào)水或吹除壓載）措施的進(jìn)行挽回［10］。

4 空間運(yùn)動(dòng)仿真分析

根據(jù)潛艇的操縱性方程，將其中十字型潛艇的操縱力和操縱力矩替換為X型艉舵，并采用美國(guó)艦船研究和發(fā)展中心公布的標(biāo)準(zhǔn)方程［10］可得到X舵潛艇運(yùn)動(dòng)模型［11］。

黃斌［12］等利用微軟語(yǔ)言程序編制的X型艉舵空間運(yùn)動(dòng)仿真軟件，其原理是采用龍格-庫(kù)塔法求解微分方程，得到較為準(zhǔn)確的潛艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將設(shè)定的卡舵工況和操縱策略作為輸入，可以得到潛艇的深度、航向、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1）單舵故障操縱

以適中深度和較高航速下1號(hào)舵卡舵15°為例，此時(shí)該舵效將造成潛艇下潛和向右回旋的趨勢(shì)，姿態(tài)上會(huì)造成潛艇左橫傾，利用余下三個(gè)舵進(jìn)行彌補(bǔ)后，還可以進(jìn)行弱機(jī)動(dòng)調(diào)整。

（1）1號(hào)舵故障時(shí)潛艇的垂直面機(jī)動(dòng)

輸入工況為δ1=-15，利用4號(hào)舵的舵效對(duì)其進(jìn)行平衡，2號(hào)舵和3號(hào)舵配合操縱，進(jìn)行潛艇上浮操縱的仿真結(jié)果如下。

圖2（a）表示了1號(hào)舵在-15°故障時(shí)對(duì)潛艇實(shí)施上浮操縱，其余舵的舵角操縱曲線，其深度變化曲線由圖2（b）可以顯示，艉舵變深的原理是使?jié)撏Эv傾，圖2（c）清楚顯示潛艇的縱傾發(fā)生了變化，并顯示了該操縱策略下橫傾姿態(tài)十分穩(wěn)定。

圖2 單舵卡舵變深策略及狀態(tài)變化

（2）1號(hào)舵故障時(shí)潛艇的水平面機(jī)動(dòng)

輸入工況為δ1=15，僅用其余三個(gè)舵的操縱進(jìn)行航向變化的仿真結(jié)果如圖3。

圖3（a）和圖3（b）表示了1號(hào)舵-15°故障時(shí)對(duì)潛艇實(shí)施右轉(zhuǎn)向操縱時(shí)，其余舵的舵角操縱曲線和回旋的趨勢(shì)，圖3（c）顯示其縱傾和橫傾的姿態(tài)同樣出現(xiàn)小幅度的變化，能夠借助潛艇自身的扶正力矩回歸常態(tài)。

圖3 單舵卡舵回旋策略及狀態(tài)變化

2）雙舵故障操縱

雙舵卡舵的情況較為危險(xiǎn)，深度和姿態(tài)的變化是主要關(guān)注的對(duì)象，就舵效而言，2號(hào)舵和3號(hào)舵的卡舵情況最為危險(xiǎn)。

（1）1號(hào)舵和4號(hào)舵大舵角故障潛艇的挽回

輸入工況δ1=30和δ4=-30，對(duì)2號(hào)舵和3號(hào)舵操縱來穩(wěn)定潛艇深度和姿態(tài)，其仿真結(jié)果如圖4。

圖4 1號(hào)舵和4號(hào)舵故障策略及狀態(tài)

圖4（a）表明1號(hào)舵和4號(hào)舵大舵角故障時(shí)，在不使用圍殼舵且保持航速的情況下，僅用2號(hào)舵和3號(hào)舵對(duì)已經(jīng)故障的雙舵進(jìn)行補(bǔ)償平衡操縱，圖4（b）和圖4（d）顯示潛艇仍會(huì)出現(xiàn)緩慢的可控的掉深，其姿態(tài)較為平穩(wěn)。

若加入圍殼舵的操縱后的深度曲線如圖4（c）所示，掉深趨勢(shì)得到抑制。

（2）2號(hào)舵和3號(hào)舵大舵角故障潛艇的挽回

輸入工況為δ2=30和δ3=30，僅操縱1號(hào)舵和4號(hào)舵后，其仿真結(jié)果如圖5。

圖5 2號(hào)舵和3號(hào)舵故障策略及狀態(tài)

此工況極為危險(xiǎn)，圖5（b）和圖5（c）表示僅憑艉舵操縱，能保持橫傾的穩(wěn)定，但下潛掉深現(xiàn)象和縱傾變化依舊明顯。

若加上圍殼舵操縱后，仿真結(jié)果如圖6。

圖6 加入圍殼舵操縱的策略及狀態(tài)

加入圍殼舵操縱后，從圖6（b）和圖6（c）看出此工況的情況稍有緩和，但迅速增加的縱傾角和無法消除的掉深趨勢(shì)仍然使態(tài)勢(shì)較為危險(xiǎn)。此工況下，必須進(jìn)行停車甚至倒車操縱，并輔以操水操作才能挽回危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了單舵和雙舵故障工況下的操縱策略并分析可能導(dǎo)致的結(jié)果后得出以下結(jié)論。

1）在單舵故障的情況下，僅操縱艉部其余三個(gè)舵，仍可對(duì)潛艇進(jìn)行穩(wěn)定的空間機(jī)動(dòng)，但由于人工操縱X舵的直觀性不夠，較優(yōu)的策略是僅進(jìn)行單平面的弱機(jī)動(dòng)。

2）非極端情況下的雙舵故障，可以通過艉部剩余舵的操縱穩(wěn)定潛艇深度和姿態(tài)，但輔以圍殼舵操縱會(huì)使?fàn)顟B(tài)更平穩(wěn)。

3）當(dāng)發(fā)生了2號(hào)舵和3號(hào)舵的大舵角故障，僅操縱剩余兩個(gè)舵不足以挽回危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)，仍會(huì)發(fā)生掉深危險(xiǎn)和大角度姿態(tài)改變。輔以圍殼舵的操縱能減緩掉深和縱傾增大，但仍需對(duì)潛艇進(jìn)行停車或操水操縱。