潛艇方向舵對艉升降舵舵卡的挽回操縱仿真分析

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(海軍潛艇學(xué)院 a.作戰(zhàn)指揮系;b.研究生隊，山東 青島 266071)

1 方向舵挽回艉舵卡操縱模型

操縱方向舵對挽回艉升降舵卡舵可起到重要作用，利用方向舵擺滿舵使?jié)撏ё龌剞D(zhuǎn)運動。一方面由于艇運動阻力增大，航速下降，使艉升降舵水動力減??；另一方面由于回轉(zhuǎn)過程中垂直面內(nèi)運動的耦合作用，潛艇產(chǎn)生艉傾做上浮運動，可以在相當(dāng)程度上抵抗艉升降舵卡下潛舵引起的艏傾和下潛運動[1]。

潛艇進行空間機動時符合空間六自由度運動方程，方程簡化形式如下式[2]：

(1)

式中：m——潛艇質(zhì)量；

Ixx、Iyy、Izz——潛艇對三坐標(biāo)軸Gx、Gy、Gz的轉(zhuǎn)動慣量；

u、v、w——潛艇沿三坐標(biāo)軸Gx、Gy、Gz的運動速度；

p、q、r——潛艇繞三坐標(biāo)軸Gx、Gy、Gz的旋轉(zhuǎn)角速度。

根據(jù)空間運動方程及水動力系數(shù)建立潛艇空間運動模型，進行舵卡操縱仿真。

當(dāng)發(fā)生舵卡事故時，應(yīng)立即壓水消除舵卡力矩，并適時注排水消除舵力。舵卡均衡的過程是：根據(jù)縱傾角和舵角的大小計算出均衡量；通過艏艉均衡水艙之間的調(diào)水消除力矩差；適時通過注排水消除浮力差。潛艇均衡過程定深的運動方程為[3]

(2)

經(jīng)過推導(dǎo)化簡后得到在規(guī)定的航速下的舵卡均衡計算公式：

(3)

在挽回過程中，當(dāng)航速降低到可以控制深度操縱潛艇時，方向舵即可恢復(fù)到控制航向的正常操舵方式[1]，此時應(yīng)及時排除卡舵故障。

2 仿真分析

根據(jù)以上模型，利用Matlab軟件對某型潛艇舵卡后操縱方向舵挽回舵卡操縱進行仿真分析。仿真條件為：潛艇不同速度下，初始深度50 m，在潛艇正常航行50 s時操縱艉舵以一定的轉(zhuǎn)舵速率到下潛舵滿舵，20 s后采取抗沉措施(單獨或同時使用艏舵滿舵和方向舵滿舵或采取減速措施),并且同時采取均衡措施。

2.1 艏上浮舵滿舵挽回操縱仿真分析

潛艇航速為4、6、8 kn時，單獨使用艏上浮滿舵挽回艉舵卡的深度變化見圖1。

圖1 深度50 m，艏舵挽回艉舵卡深度變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)航速較低時(4、6 kn)，單獨使用艏舵滿舵可以控制住潛艇的深度變化。但是當(dāng)潛艇處于中速8 kn時，由于艉舵的舵效比艏舵大很多，潛艇的深度將會隨速度的升高而迅速增加，導(dǎo)致艏舵挽回舵卡操縱失敗。

2.2 方向舵滿舵挽回操縱仿真分析

潛艇航速為4、6、8 kn時，單獨使用方向舵滿舵挽回艉舵卡的深度變化見圖2。

圖2 深度50 m，方向舵挽回艉舵卡深度變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)潛艇采取操縱方向舵滿舵，此時潛艇航速迅速降低，潛艇速度從4、6、8 kn分別降低到2.5、3.3、4.5 kn左右。

在低速4 kn時，單獨使用方向舵挽回艉舵卡，可以很好地控制潛艇深度。當(dāng)潛艇航速處于6 kn和8 kn時，由于艉舵的舵效比方向舵產(chǎn)生的升力和升力矩大很多，潛艇的深度將會隨速度的升高而迅速增加，最大下潛深度83.2 m和 122.2 m，下潛深度比較大，同時出現(xiàn)大的危險縱傾，如果海區(qū)深度較淺，將會威脅潛艇安全，導(dǎo)致挽回操縱失敗。

通過圖1、2可以得出，單獨使用方向舵滿舵或艏上浮舵滿舵，在低速時可以控制潛艇深度，在中高速時控制效果較差。

2.3 “方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵” 挽回操縱仿真分析

航速為4、6、8 kn時，聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”和“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵+減速(70 s時開始減速至4 kn)”挽回艉舵卡的深度變化見圖3。

a) 方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵

b) 方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵+減速圖3 深度50 m，中低速時挽回艉舵卡的深度變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出，聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”挽回舵卡的抗沉措施在航速4、6、8 kn時，深度變化允許的范圍都可控制潛艇的下潛深度，最大下潛深度分別為50.0、60.9、84.8 m。采取減速措施后此時最大下潛深度分別為50.0，57.2，76.4 m。

從圖3可以看出,聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”的挽回措施，在中低速時，可以很好地控制住潛艇深度，采取減速措施后，控制效果更好。

圖4a)、b)為航速10、14、18 kn高速機動時，聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”和“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵+減速(70 s時開始減速至4 kn)”挽回舵卡的深度控制效果圖。

a) 方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵

b) 方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵+減速圖4 深度50 m，高速時挽回艉卡舵深度變化曲線圖

從仿真結(jié)果可以看出，聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”挽回舵卡的抗沉措施在高速機動時，隨著航速的增加，10 kn和14 kn時最大下潛深度分別為113.3、197.6 m，同時會出現(xiàn)大的縱傾。18 kn時挽回舵卡操縱基本失敗。采取減速措施后最大下潛深度在航速10、14、18 kn時分別為98.0、149.6、213.5 m，同時還會出現(xiàn)大的縱傾。

由圖4可以得出，聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”的挽回措施，在高速時，控制效果較差，建議在高速時出現(xiàn)舵卡時，在采取“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”的挽回措施同時果斷采取供氣或拋棄可棄壓載等措施，迅速挽回舵卡事故，保證潛艇安全。

3 結(jié)束語

1) 單獨使用艏舵和方向舵進行艉舵卡下潛大舵角挽回操縱，在低速4 kn左右控制效果較好，在中高速時基本失效。

2) 聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”的操縱方式進行艉舵卡下潛大舵角挽回操縱，在中低航速時可以很好地控制住潛艇。此時加上減速措施，控制效果更好。

3) 聯(lián)合使用“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵”的操縱方式進行艉舵卡大舵角挽回操縱，在高速機動時控制效果較差。此時加上減速措施，控制效果有一定的改善，但是仍然不能滿足挽回深度和縱傾的要求。

潛艇在水下發(fā)生卡舵故障，將會導(dǎo)致潛艇產(chǎn)生危險縱傾、迅速下潛超越極限深度或碰撞海底的危險，嚴重影響潛艇和艇員的安全。此時采取“方向舵滿舵+艏上浮舵滿舵+減速(必要時停車或倒車)”，在中低航速機動時是一種有效的挽回操縱措施，但是在高航速機動進行挽回操縱時，控制效果不理想。在潛艇挽回舵卡過程中，當(dāng)航速較高，深度變化較大，海底深度淺或出現(xiàn)危險縱傾時，應(yīng)果斷采取供氣或拋棄可棄壓載等措施，短時間內(nèi)挽回深度和縱傾，確保潛艇和艇員的安全。

[1] 王文琦.潛艇艉升降舵卡舵事故的抗沉技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),1998(6)：14-18.

[2] 施生達.潛艇操縱性[M].北京：國防工業(yè)出版社,1995.

[3] 徐亦凡.潛艇操縱原理與方法[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2002.