X型尾舵潛艇操控與運(yùn)動(dòng)關(guān)系研究

欒和春 林俊興

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

X型尾舵潛艇操控與運(yùn)動(dòng)關(guān)系研究

欒和春 林俊興

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

在分析潛艇X型舵水動(dòng)力特性的基礎(chǔ)上，建立X型舵與十字型舵操縱力的等效關(guān)系，用于指導(dǎo)潛艇X型舵的初步設(shè)計(jì)；分析X型潛艇的操控與潛艇運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，用于潛艇X型舵的自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)，部分解決了X型舵自動(dòng)控制裝置相關(guān)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(qiáng)國在新建的潛艇上陸續(xù)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(shè)計(jì)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(jí)潛艇也采用X型舵；挪威海軍的“ULA”級(jí)常規(guī)潛艇也采用X型舵。各國采用X型舵主要基于以下幾點(diǎn)考慮：尾操縱面不超出艇體邊界線；機(jī)動(dòng)性好；消除了十字型舵潛艇回轉(zhuǎn)時(shí)存在的艇重尾重現(xiàn)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(jìn)行改進(jìn)，其中X型舵便是一個(gè)主要方向。本文主要是對X型舵的操控與潛艇運(yùn)動(dòng)關(guān)系的定性分析研究。

1 X型舵與十字型舵等效舵角轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型

定義產(chǎn)生右橫傾的舵角為正舵角，舵號(hào)和“+”舵角規(guī)定以及受力見圖1。

圖1 X型舵受力圖

按照ITTC坐標(biāo)系的符號(hào)規(guī)則，操縱X型舵時(shí)，在固聯(lián)于潛艇的動(dòng)坐標(biāo)系Gxyz中產(chǎn)生了一個(gè)空間的水動(dòng)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(dòng)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(shí)的特例，式（1）化為

式中：δ1、δ2、δ3、δ4——X型舵的4個(gè)舵的舵角。

對確定的艇型和舵結(jié)構(gòu)，可表示如下

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

因此假設(shè)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(shè)F°（δi）＝k，由式（1）得

再進(jìn)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(dòng)力特性，可令k1＝k；等效y向和z向

由于X舵是采用4舵獨(dú)立控制故可以控制和產(chǎn)生橫傾（規(guī)定右橫傾為正）：

從而導(dǎo)出通式

式中：K——橫傾力矩；

L——橫傾力臂。

等效關(guān)系式建立的意義在于為中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)建立理論基礎(chǔ)，同時(shí)，式（6）只是一個(gè)通式，比較概括，很顯然可以看出，式（6）有3個(gè)方程式，卻有4個(gè)未知數(shù)δ1、δ2、δ3、δ4，可以設(shè)想應(yīng)該是出現(xiàn)這樣的情況：同樣的操舵效果會(huì)出現(xiàn)多種操舵方式，這就需要下一步的具體操舵方式的理論計(jì)算并從不同的方面進(jìn)行比較，從而得出每種運(yùn)動(dòng)方式的最優(yōu)操舵方式。

2 操舵角與潛艇運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

潛艇在正常航行工況下舵裝置工作正常時(shí)，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(jī)動(dòng)和空間機(jī)動(dòng)的需要當(dāng)需要橫傾控制時(shí)，有6種組合可以選擇（其中雙舵4種，四舵2種）。

2．1 水平機(jī)動(dòng)

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(chǎn)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(zhuǎn)采用該方式。

2）水下航行操水平方向3、4舵，鎖定1、2舵；因?yàn)樗潞叫袧撏?nèi)橫傾，使用1、2舵會(huì)加劇橫傾，用3、4舵可以一定程度阻止內(nèi)橫傾的產(chǎn)生。具體見表1。

2．2 垂直機(jī)動(dòng)

操水平方向相鄰反向舵，即1、2反向舵或者3、4反向舵；因?yàn)椴俅怪狈较騼啥鏁?huì)產(chǎn)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(yùn)動(dòng)與舵角關(guān)系及比較

2．3 空間機(jī)動(dòng)

反向操對角舵，另一對舵鎖定，都不產(chǎn)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(jī)動(dòng)時(shí)，可以抑制較大橫傾，以高速右旋回上浮為例：操1負(fù)舵，3正舵右旋回上浮，舵本身不產(chǎn)生橫傾力矩，潛艇水下轉(zhuǎn)向產(chǎn)生內(nèi)橫傾，此即右橫傾，可以操2，4負(fù)舵產(chǎn)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(jī)動(dòng)與舵角關(guān)系及比較

表3 潛艇空間機(jī)動(dòng)與舵角的關(guān)系

表4 潛艇橫傾控制與舵角的關(guān)系

3 結(jié)論

潛艇正常航行時(shí)，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(jī)動(dòng)，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(jī)動(dòng)，操1、2反向舵或3、4反向舵；空間機(jī)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)關(guān)系的定性分析，根據(jù)潛艇操縱的安全性，機(jī)動(dòng)性以及使用壽命和操舵復(fù)雜程度等方面考慮，提出優(yōu)選方案，沒有進(jìn)行模擬仿真運(yùn)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(yùn)算和性能分析，進(jìn)一步研究X型舵潛艇的實(shí)際操縱特性和控制理論。

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

［2］林俊興．X形舵和十字形舵操縱力等效關(guān)系的研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，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。