潛艇逆速時的垂直面機動仿真分析*

陳丘岳 徐亦凡 胡 坤

(海軍潛艇學院研究生隊1) 青島 266071)(海軍潛艇學院作戰指揮系2) 青島 266071)

1 引言

根據潛艇操縱性中定義,當潛艇在定深等速航行時,升降舵的任何轉動都不能改變潛艇的潛浮角(即不能變深)時的航速稱為逆速[1]。潛艇在執行各種任務時,為了降低航行噪音、節省電能、延長陣地待機時間,通常以較低速度航行,但低速航行時,升降舵舵力(矩)小、舵效差,是實艇操縱中的難題,但潛艇正面臨越來越多的低速(包括逆速)航行情況,因此,該種情況下的操縱問題已不能回避。而當前對潛艇低速航行時進行垂直面機動的問題研究較少。尾舵逆速作為潛艇低速航行的一種特殊狀態,研究此時潛艇垂直面機動問題對于研究低速潛艇的操縱有較大幫助,因此,本文將對潛艇尾舵逆速時的垂直面機動進行研究,本文所指的逆速均為尾舵逆速。

2 逆速計算

對于靜平衡并經良好均衡后的等速直航潛艇,可寫出潛艇定常直線運動方程:

按照逆速的定義,逆速是指當潛艇定深等速航行時,升降舵的任何轉動,潛艇的潛浮角都為零[2]。

因此由式(2)解出縱傾角θ、沖角α進而得出潛浮角χ:

令首升降舵角δb為0,則可得到尾舵逆速值。

上式中,δs為尾升降舵角;m′為潛艇質量的無因次量;g為重力加速度;h為潛艇穩心高;其余為潛艇的水動力系數。

從逆速公式可以看出,對于某一定型潛艇,當其裝載狀態已確定時,逆速大小是一定值。

3 逆速潛艇水下垂直面運動仿真分析

3.1 潛艇水下垂直面操縱運動模型

本文采用垂直面操縱非線性方程作為潛艇垂直面操縱運動的模型,其表達式如下:

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

式中,m為潛艇質量;P為靜載荷;u、v、w分別為潛艇的縱向速度、橫向速度、垂向速度;˙u、˙w、˙q分別為縱向速度加速度、垂向速度加速度、縱傾角加速度;其余為潛艇水動力系數[3]。

3.2 潛艇尾舵逆速時的尾舵操縱特性

文獻[4]指出:逆速定義中的“不能變深”是指潛艇最終進入新的定常運動狀態后作定深運動,但在進入新的定常運動的過程中,潛艇在舵力矩的作用下逐漸產生縱傾角,由于縱傾角的產生和舵力的作用,攻角也將發生變化,航行深度也在各力的作用下發生改變[4]。為了考察潛艇處于尾舵逆速時尾舵的操縱特性,對操縱尾舵下潛25°舵角后的潛艇垂直面運動參數的變化進行了仿真計算,得到了其垂速和縱傾變化曲線,如圖1、圖2所示。

圖1、圖2表明,當潛艇逆速航行操縱尾下潛舵時,潛艇的垂速、縱傾角均發生變化,垂速先出現一反向變化即深度先有一反向位移,縱傾角對舵角響應迅速,當舵角穩定后,潛艇經過非定常運動過程后,最終仍作定常運動且垂速近乎為零,表現出逆速的特性,在實際操縱中,可以利用過渡過程中的這一特點,用尾舵輔助控制潛艇的深度。

3.3 逆速潛艇首、尾舵同時操縱的變深機動仿真

潛艇逆速時由于尾舵失去操縱性,深度控制主要由首舵來完成,但當舵手熟練掌握尾舵的操縱規律時,也可首、尾舵同時使用。對此,文獻[5]提出了一種尾舵逆速時利用首舵控制消除尾舵逆速的變深操縱方法。

上文通過定常直線運動方程得到了潛艇逆速值Vr的計算公式,若通過控制使該航速不在潛艇的使用航速范圍內,即使Vr值為虛數或比最大航速Vmax還大,則可以消除逆速。因此,由式(3)可得出如下不等式:

對于不等式組(5),只要有其中一個成立,就可保證無逆速。

當潛艇逆速時,控制消除逆速的方法是:根據尾舵角的大小按照比例λ打一個適當的首舵角,即:

將等式(6)式代入不等式組(5),求解λ,就得到了利用首舵控制消除逆速的操縱方法[5]。

根據以上方法,本文將仿真所以潛艇的水動力系數代入不等式組(5)中的第一個不等式,求得λ≤-1.612;代入不等式組(5)中第二個不等式,求得λ＜-2.414。

根據求解的λ值,可以得出當首舵操下潛30°舵角時,若要控制消除逆速,尾舵角的有效范圍是0＜δs≤18.6或0＜δs＜12.43。下面將對求的結果進行仿真驗證。

當潛艇逆速航行時,首舵角操下潛30°舵角,尾舵角按照上文計算的范圍分別取 5°、12.4°、18.6°和0°時,運用潛艇垂直面操縱運動模型對潛艇的深度、垂速和縱傾變化進行計算仿真,結果如圖3～圖5所示。

從上圖中可以看出,尾舵逆速潛艇變深機動時,首尾舵按照一定比例同時操縱要比單操首舵有效。變深機動前期,操雙舵可以較快的形成下潛速度,且尾舵角越大,形成的下潛垂速和下潛深度越大,而單操首舵時下潛垂速變化比較緩慢,垂速值也要比操雙舵小;當潛艇進入新的定常運動狀態后,垂速值不再和尾舵角大小成正比關系,經過和其它仿真數據比較,尾舵角δs=12.4°時的垂速最大,而尾舵角 δs=5°和 δs=18.6°時的垂速相差較小,但仍然都大于單操首舵的垂速值,這說明文獻[5]提供的方法是有效的。縱傾角的大小則主要取決于尾舵角的大小,尾舵角越大,縱傾變化越快,穩定縱傾角越大。

4 結語

尾舵逆速是現在潛艇水下航行經常面臨的問題,如何在尾舵逆速時更快更有效的進行垂直面機動也引起越來越多的關注。本文根據一種利用首舵控制消除尾舵逆速的操縱方法,對尾舵逆速條件下首尾舵按一定比例同時操縱控制潛艇深度的方法進行了仿真驗證,仿真結果表明該種方法是有效的,并得到以下結論:1)潛艇尾舵逆速時,首尾舵按一定比例操縱,可以達到消除尾舵逆速影響的作用;2)尾舵逆速潛艇進行變深機動時,若變深時間較短且需改變的深度較小,在保證縱傾角的前提下,可以采用較大尾舵角輔助首舵操縱;3)當潛艇需要長時間進行變深機動時,按照上文提供的方法,在保持首舵操縱時,尾舵角不需采用大舵角便可達到良好的操縱效果。

[1]徐亦凡.潛艇操縱原理與方法[M].北京:兵器工業出版社,2002

[2]施生達.潛艇操縱性[M].北京:國防工業出版社,1995

[3]胡坤,吳超.潛艇垂直面運動仿真及分析[J].青島大學學報(自然科學版),2003,16(4):58～61

[4]林俊興,左德勤.潛艇逆速時操縱的動態過程分析[J].艦船科學技術,1997(6):15～17

[5]孫元泉,馬運義,鄧志純.潛艇和現代深潛器的現代操縱理論與應用[M].北京:國防工業出版社,2001