X型尾舵潛艇操控與運動關系研究

欒和春 林俊興

海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033

X型尾舵潛艇操控與運動關系研究

欒和春 林俊興

海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033

在分析潛艇X型舵水動力特性的基礎上，建立X型舵與十字型舵操縱力的等效關系，用于指導潛艇X型舵的初步設計；分析X型潛艇的操控與潛艇運動的關系，用于潛艇X型舵的自動控制裝置設計，部分解決了X型舵自動控制裝置相關理論問題。

潛艇 X舵 操縱

為了提高潛艇的操縱性和生命力，我國將在未來的新型潛艇采用分離式舵。而作為分離式舵的一種，X型舵［1］越來越受到重視。近年來，歐洲一些潛艇強國在新建的潛艇上陸續采用X型舵，并取得了很好的效果。從60年代中期至今，瑞典海軍設計和建造的潛艇毫無例外的都采用X型舵；德國從“212”型潛艇開始，所有建造的潛艇都采用X型舵；荷蘭于海軍建造的“海象”級潛艇也采用X型舵；挪威海軍的“ULA”級常規潛艇也采用X型舵。各國采用X型舵主要基于以下幾點考慮：尾操縱面不超出艇體邊界線；機動性好；消除了十字型舵潛艇回轉時存在的艇重尾重現象；提高了舵裝置的可靠性和潛艇的水下抗沉能力。我國也提出未來新型潛艇上將對我國目前使用的十字型尾舵進行改進，其中X型舵便是一個主要方向。本文主要是對X型舵的操控與潛艇運動關系的定性分析研究。

1 X型舵與十字型舵等效舵角轉換數學模型

定義產生右橫傾的舵角為正舵角，舵號和“+”舵角規定以及受力見圖1。

圖1 X型舵受力圖

按照ITTC坐標系的符號規則，操縱X型舵時，在固聯于潛艇的動坐標系Gxyz中產生了一個空間的水動力，以分析X型舵對航向和深度的操縱效果為目的，故忽略x方向的分力，只考慮它們在Gyz平面上的水動力分量F1、F2、F3、F4。它們在y軸和z軸投影的合力Yx和Zx為［2］

式中：β1、β2、β3、β4——舵與y軸的夾角，取銳角。

取β1＝β2＝β3＝β4＝45°時的特例，式（1）化為

式中：δ1、δ2、δ3、δ4——X型舵的4個舵的舵角。

對確定的艇型和舵結構，可表示如下

式中：F°（δi）——每度舵角產生的水動力在Gyz面上的投影，此時，δi以角度為單位。

因此假設X形舵的δ1、δ2、δ3、δ4舵的舵葉面積相同，并忽略δ1、δ2、δ3、δ4舵流場的差別，因此，可以假設F°（δi）＝k，由式（1）得

再進行對十字形舵的升降舵和方向舵的受力分析

式中：δr、δs——十字型舵的方向舵舵角、尾升降舵舵角；

忽略流場的變化和一些水動力特性，可令k1＝k；等效y向和z向

由于X舵是采用4舵獨立控制故可以控制和產生橫傾（規定右橫傾為正）：

從而導出通式

式中：K——橫傾力矩；

L——橫傾力臂。

等效關系式建立的意義在于為中間轉換機構建立理論基礎，同時，式（6）只是一個通式，比較概括，很顯然可以看出，式（6）有3個方程式，卻有4個未知數δ1、δ2、δ3、δ4，可以設想應該是出現這樣的情況：同樣的操舵效果會出現多種操舵方式，這就需要下一步的具體操舵方式的理論計算并從不同的方面進行比較，從而得出每種運動方式的最優操舵方式。

2 操舵角與潛艇運動關系分析

潛艇在正常航行工況下舵裝置工作正常時，X舵的常用組合有24種（其中雙舵20種，四舵4種）可以滿足單平面機動和空間機動的需要當需要橫傾控制時，有6種組合可以選擇（其中雙舵4種，四舵2種）。

2．1 水平機動

1）水面航行操水平方向的1、2同向舵，鎖定3、4舵，水面航行潛艇外橫傾，使用1、2舵可以一定程度阻止外橫傾的產生，并且，3、4舵可能部份露出水面，舵效低，所以建議水面回轉采用該方式。

2）水下航行操水平方向3、4舵，鎖定1、2舵；因為水下航行潛艇內橫傾，使用1、2舵會加劇橫傾，用3、4舵可以一定程度阻止內橫傾的產生。具體見表1。

2．2 垂直機動

操水平方向相鄰反向舵，即1、2反向舵或者3、4反向舵；因為操垂直方向兩舵會產生橫傾，且橫傾隨航速和舵角的增大而增大，不利于潛艇的安全，操四舵用舵相對多，速度相對快一些，但不便于操控，如果不是緊急狀況，建議采用水平相鄰兩舵，既可以滿足需求，又能提高使用壽命。具體見表2。

表1 水平運動與舵角關系及比較

2．3 空間機動

反向操對角舵，另一對舵鎖定，都不產生橫傾。具體見表3。

2．4 橫傾控制

同向操對角舵，正常航行不需要橫傾控制，特殊情況下采用，例如：潛艇高速空間機動時，可以抑制較大橫傾，以高速右旋回上浮為例：操1負舵，3正舵右旋回上浮，舵本身不產生橫傾力矩，潛艇水下轉向產生內橫傾，此即右橫傾，可以操2，4負舵產生左橫傾的力矩，抵消部分右橫傾力矩。具體橫傾控制見表4。

表2 垂直機動與舵角關系及比較

表3 潛艇空間機動與舵角的關系

表4 潛艇橫傾控制與舵角的關系

3 結論

潛艇正常航行時，使用兩舵即可，通常兩對舵交換使用以提高使用壽命。水平機動，水面航行操1、2同向舵，鎖定3、4舵；水下航行操3、4同向舵，鎖定1、2舵；垂直機動，操1、2反向舵或3、4反向舵；空間機動，反向操對角舵；橫傾控制，同向操對角舵。主要是對X型尾舵潛艇舵角與運動關系的定性分析，根據潛艇操縱的安全性，機動性以及使用壽命和操舵復雜程度等方面考慮，提出優選方案，沒有進行模擬仿真運算分析。下一步打算對X型舵與十字型潛艇在不同航速，深度等具體情況下模擬仿真運算和性能分析，進一步研究X型舵潛艇的實際操縱特性和控制理論。

［1］施生達．潛艇操縱性［M］．北京：國防工業出版社，1995：10-11．

［2］林俊興．X形舵和十字形舵操縱力等效關系的研究［J］．艦船科學技術，2004（6）：1-2．

Relationship of maneuvering and motion for the submarine with X-rudder

LUAN He-chun LIN Jun-xing
School of Naval Architecture and Power Naval University of Engineering Wuhan 430033

The equivalent relation of X rudder and cross rudder is established on the basis of analyzing the hydrodynamic characteristics of X rudder of submarine，which can be used to guide the preliminary design of the X rudder．The relationship of motion and maneuvering for the submarine with X rudder are studied for designing the automatically controlled device of the X rudder．The theoretical question of the automatic control device of submarine with X rudder is solved partly．

submarine X-rudder maneuvering

U661．33

A

1671-7953（2007）02-0100-04

2006-09-08

修回日期2006-10-11

欒和春（1981—），男，碩士生。