潛體水下強機動損失浮力時挽回操縱仿真研究

張 平,胡 坤,張建華,王輝波

(海軍潛艇學院, 山東 青島 266199)

0 引言

隨著潛體使命任務的拓展,潛體水下強機動已成常態。潛體在執行任務過程中,為占領陣位、脫敵或者規避敵攻擊,通常采用高航速機動、大縱傾變深、大舵角變向,這種高速變深變向的過程被稱為潛體強機動。潛體在強機動過程中,由于管路破損、固殼破損等原因,會突發艙室進水險情,導致潛體發生大縱傾,引發潛體深度急劇增大,也稱潛體掉深,嚴重威脅潛體生命力,利用合理有效操縱手段挽回掉深,對于保障潛體生命力、戰斗力具有十分重要的戰術運用價值。研究水下強機動過程中潛體在損失浮力狀態下的運動特性及挽回操縱方法,已經成為提升潛體履行使命任務和提高生存能力亟需解決的課題。本文中以某潛體為研究對象,通過理論分析、模擬仿真,研究了潛體強機動損失浮力過程中的運動特性,分析了不同挽回方法對潛體縱傾、深度等姿態位置信息的作用效果,分析了潛體水下強機動損失浮力的挽回操縱方法。

1 潛體強機動過程

由于任務需求,潛體需在短時間內由某一空間區域向另一空間區域展開,展開過程中潛體以較高航速、較大縱傾進行強機動。強機動過程可以分為3種情況:一是高速變深,二是高速變向,三是在高速變深過程中同時變向。高速變深過程中發生管路破損會引發潛體大幅掉深,特別是首部艙室進水會形成較大首傾,引發潛體大幅掉深,對潛體航行安全影響最大,嚴重威脅潛體生命力。而單純變向過程僅涉及方向舵的使用,是在同一水平面內的運動,故該過程中發生方向舵卡舵對于潛體威脅較小。變深同時變向由于方向舵的使用會減小潛體縱傾變化,避免潛體形成較大首傾,為此在該過程中發生管路破損險情造成危害也要小于單純變深機動。基于以上分析,本文中在挽回方法仿真研究過程中以潛體變深過程中首部艙室進水為例展開研究。表1給出了潛體強機動過程中航速和縱傾角指標,航速高于akn,縱傾角大于k°時即認為潛體處于強機動狀態。

表1 強機動參數指標

2 潛體強機動運動及控制模型

2.1 艙室進水數學模型

潛體管路破損后海水由破損處進入潛體艙內,形成自由射流。破損孔口尺寸與潛體所處深度、潛體長度相比非常小,所以潛體破損進水模型就是流體力學中的薄壁口出流模型[1]。

由伯努利方程可以得到進水速率計算公式為

(1)

式中:μ表示破損口滯留系數,一般取0.7;SG1表示破口面積;g表示重力加速度;H表示破口處壓頭差,初始值是破口深度。

將進水速率積分即可得進水量Q:

(2)

2.2 潛體損失浮力運動模型

本文中采用潛體6自由度強機動水動力數學模型,其縱向、垂向、縱傾及輔助數學模型如式(3)—式(6)所示[2-4]:

(3)

(W-B)cosθcosφ

(4)

(xGW-xBB)cosθcosφ-(zGW-zBB)sinθ

(5)

(6)

潛體損失浮力掉深時會出現攻角較大的情況,運動模型較定常運動模型有區別,本文將水動力按泰勒級數展開到高階,潛體大攻角水動力高階展開的表達式如下:

(7)

(8)

(9)

2.3 高壓氣吹除主壓載水艙排水模型

潛體艙室進水時使用高壓氣系統吹除主壓載水艙,高壓氣進入主壓載水艙后,氣體膨脹會將水艙內主壓載水排出艙外,高壓氣膨脹率即為主壓載水排出速率[6-7]。

假定高壓空氣是理想流體,高壓氣膨脹時能量方程可寫為

(10)

假設潛體高壓氣進入主壓載水艙后能迅速吹除,此時主壓載水艙內氣體壓力等于出通海口處的海水壓力,則有

(11)

式中:P0為實時大氣壓強;ρw為航行海區海水密度;hki為第i號壓載水艙通海口處的深度;g為重力加速度。

聯合求解式(10)、式(11),可以得出潛體主壓載水艙氣體體積膨脹率,該值即為高壓空氣吹除潛體主壓載水艙的排水速率

(12)

(13)

式中:xpi為第i號主壓載水艙的縱向力臂;zpi為第i號主壓載水艙的垂向力臂;θ為潛體縱傾角;ζ為潛體深度。

對式(12)進行積分,可求得潛體高壓氣吹除主壓載水艙排水量Qi:

(14)

潛體主壓載水艙排水產生的浮力為

ΔW=∑Qiρwg

(15)

力矩為

ΔM=∑Qiρwgli

(16)

式中:li是相應主壓載水艙距離潛體重心的長度,將以上計算所得浮力及力矩代入式(3)—式(6),即可求得潛體適時運動參數。

2.4 升降舵數學模型

在潛體水下機動過程中,將升降舵擺一個上浮舵或下潛舵時,它會產生舵力及舵力矩。其表達式如式(17)、式(18)所示

(17)

(18)

式中:δ為升降舵舵角,從上式可以看出,升降舵角產生的舵力及舵力矩大小與潛體航速的平方成正比,航速越高,升降舵制造縱傾的能力以及產生正浮力的能力越強。

3 仿真結果與分析

潛體在強機動過程中由于管路破損、固殼破損等原因易引起潛體水下艙室進水,進水主要通過通海管路及其附屬閥、填料函等破損引起。同時,水下航行時2個及以上艙室同時發生管路破損進水的情況也比較少見,進水多以單個艙室進水為主。因此,考慮單一艙室發生進水事故的情況,進水時間設定為T秒。根據潛體水下艙室進水數學模型可知,在不同的破損面積下艙室進水速率不同,根據潛體管路實際情況,對潛體最大直徑通海管路破損管徑進行仿真研究。同樣,不同破損深度導致的潛體艙室進水速度也不同,本文以Hm深度作為初始深度進行仿真研究,仿真潛體初始航速采取akn。

由于進水艙室不同所引起的負浮力作用點不同,產生的力矩不同,導致不同艙室進水所引起的潛體運動規律也不同,其中首部艙室破損進水后引起的縱傾力矩較大,易引起潛體大縱傾掉深更具備代表性。因此,在仿真時選取首部艙室作為對象進行研究。在挽回操縱方法上堅持精細化操縱理念,同時由于潛體高壓氣儲量有限,實際工作中在使用高壓氣進行挽回操縱時應堅持合理使用、節約使用原則,既控制好高壓氣使用介入時機,又控制好使用時間,在車舵能夠挽回潛體姿態與深度的情況下應優先使用車舵進行操縱,在有限航行深度水域則應綜合考慮車舵氣的使用。

采取應急操縱方法包括以下3種:

方法A:采取操縱相對上浮滿舵+增速至bkn。

方法B:操縱相對上浮滿舵+增速至ckn。

方法C:操縱相對上浮滿舵+增速至ckn+首組壓載水艙吹除。

以上速度中a為初始航速,3種挽回方法中所采用航速滿足以下關系:a

以上3種挽回操縱方法,歸納起來可以分為兩大類,分別采用“車+舵”挽回方法和“車+舵+氣”挽回方法。其中方法A與B采用“車+舵”方法主要針對潛體高壓氣儲量不足或航行海區水深較大情況。方法C采用的“車+舵+氣”方法則主要針對潛體高壓氣儲量足或者航行海區水深較淺,需要在有限水深范圍內挽回潛體情況。通過對損失浮力潛體的運動姿態進行分析,研究潛體挽回方法的作用效果并比較其優劣。

3.1 采取方法A進行挽回操縱研究

仿真初始條件為:潛體航行速度為akn,初始深度H米,最大直徑通海管路破損進水,進水時間t秒,總進水量為m噸。圖1為采取操升降舵相對上浮滿舵、增速至bkn方法時潛體運動變化曲線。

圖1 操相對上浮滿舵+增速b kn潛體姿態變化曲線圖

圖1所示的分別為管路破損采取挽回方法后潛體的深度、航速、雙舵及縱傾變化情況。仿真結果表明:在航速akn、A艙進水m噸情況下,潛體出現較大首傾,深度掉深較快。此時采用首尾舵操相對上浮滿舵,增速至bkn方法,可挽回部分首傾,對于潛體潛體姿態挽回有一定效果,但是由于A艙進水量較大,在該航速下操相對上浮舵產生的舵力矩不足以制造更大尾傾,舵力無法承載艙室進水量,深度無法保持,在較短時間內發生較大掉深。因此,當潛體在該航行狀態下發生管路破損進水時,操相對上浮舵結合增速至bkn的方式無法挽回潛體掉深及姿態。

3.2 采取方法B進行挽回操縱研究

方案A采用增速至bkn無法挽回潛體縱傾及掉深。由前面分析可知,首尾升降舵產生的舵力及舵力矩與航速的平方成正比例關系。為此,在B方案中繼續提高潛體航速至ckn。圖2潛體初始運動條件與圖1相同,挽回方法采用方案B。

圖2 操相對上浮滿舵+增速c kn潛體姿態變化曲線

圖2仿真結果表明:增速至ckn后,由相對上浮舵制造的縱傾角在120 s內由0.4增大至1.5,在較高航速下雙舵造縱傾能力明顯提升,潛體掉深由0.64減少至0.44,且有明顯挽回深度趨勢。以上結果表明在該損失浮力條件下,繼續增加潛體航速至ckn后操相對上浮舵產生舵力及舵力矩能夠挽回艙室進水所造成的潛體掉深及首傾。

3.3 采取方法C進行挽回操縱研究

潛體挽回過程中由于受航行海區水深限制,潛體指揮員希望在較短時間、盡量小的縱傾及掉深幅度內將潛體挽回,潛體最大縱傾不得超過最大允許縱傾角,掉深深度不得超過該航行水域最大允許深度。針對以上限定條件,本文在采用操相對上浮滿舵、增速至ckn的基礎上,利用高壓氣吹除首組主壓載水艙,通過對首組壓載水艙的吹除來提供額外的尾傾力矩,同時減小潛體重力,以此來減小潛體掉深幅度。在實際工作中由于系統響應及人因影響,高壓氣投入使用會有延遲,一般為10 s左右,本文高壓氣吹除時機設定在損失浮力后10 s,高壓氣供氣時長為15 s。

圖3仿真結果表明:增加吹除首組主壓載水艙方法后,潛體掉深挽回時間減少至100 s,挽回時間較方案A、方案B大幅減少。挽回過程中潛體縱傾增大至2.1,說明吹除首組主壓載水艙對于減小潛體的首傾力矩作用明顯。掉深幅度最大至0.41,且在100 s前后潛體航行深度便恢復到破損前航行深度。

圖3 操相對上浮滿舵+增速c kn +首組吹除潛體姿態變化曲線

由以上仿真可知,綜合使用增速、操相對上浮舵以及高壓氣吹除主壓載水艙方法,對于在深度受限水域航行的損失浮力潛體挽回效果較好,能夠在較短時間、較小掉深幅度內將潛體姿態控制住。

依據以上3種挽回方法得到的仿真結果,將潛體掉深幅度、縱傾挽回大小、挽回時間綜合比較如表2所示。

表2 不同方法挽回值

4 結論

潛體在水下強機動過程中航速較高,發生損失浮力時必然導致潛體短時間內形成大縱傾及大幅度掉深。本文中通過對仿真結果分析可總結歸納以下挽回操縱方法:

1) 潛體在強機動過程中發生損失浮力時應迅速增速,以此來提高舵效及舵力矩。

2) 不論是在非受限水域還是受限水域,強機動損失浮力時應及早將高壓氣投入使用,挽回潛體縱傾及掉深。

3) 損失浮力時綜合使用增速、操舵以及使用高壓氣可有效縮短挽回時間,有效減小潛體掉深幅度,挽回潛體危險首傾。