潛艇尾升降舵卡住時(shí)高壓氣使用需求研究＊

張建華 徐亦凡 劉 潔

（海軍潛艇學(xué)院研究生2隊(duì)1） 青島 266071） （海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系2） 青島 266071）（海軍潛艇學(xué)院訓(xùn)練部3） 青島 266071）

升降舵是水下操縱潛艇的主要工具，尤其在速潛、魚雷（導(dǎo)彈）發(fā)射后的機(jī)動(dòng)以及規(guī)避敵人的攻擊和搜索時(shí)，由于航速較高，一旦升降舵被卡住，潛艇極易形成危險(xiǎn)縱傾而失去控制［1］.潛艇的首舵或圍殼舵，相對于尾舵而言，其距艇體水動(dòng)力中心的距離較近，操舵產(chǎn)生的力矩較小，因此，發(fā)生首舵或圍殼舵卡時(shí)，總能用操尾升降舵措施來克服其卡舵危害［2］，在研究潛艇舵卡問題時(shí)，也因此更加集中關(guān)注尾升降舵舵卡的挽回操縱問題［3］.當(dāng)潛艇發(fā)生尾舵卡時(shí)，通常采取的應(yīng)急措施有：減速（停車或倒車）、均衡、操方向舵滿舵和操圍殼舵滿舵，或這幾種措施同時(shí)使用［4］.為評判高壓氣在舵卡操縱中使用的必要性，必須進(jìn)行較全面的尾舵卡挽回操縱仿真實(shí)驗(yàn).仿真時(shí)，假設(shè)潛艇初始速度4～19 kn，舵卡角度±5～±30°，發(fā)生舵卡時(shí)間t＝20 s.

1 潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

若高速航行時(shí)尾升降舵發(fā)生大角度舵卡，則潛艇將會做大縱傾潛浮運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)過程非常復(fù)雜，具有比較嚴(yán)重的非線性，因此仿真模型采用垂直面的非線性運(yùn)動(dòng)方程［5－6］.

2 尾舵卡上浮舵的挽回操縱仿真

2.1 尾舵卡上浮舵潛艇運(yùn)動(dòng)特性

1）潛艇速度4 kn，尾舵分別卡上浮10，15，20，25°和上浮滿舵，不采取任何挽救措施，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖1所示.

圖1 速度4 kn，尾舵卡上浮舵不同舵角運(yùn)動(dòng)特性

2）潛艇速度分別為4，8，12和16 kn時(shí)，尾舵卡上浮舵10°，不采取挽救措施，縱傾和深度變化曲線如圖2所示.

圖2 不同航速下，尾舵卡上浮舵10°運(yùn)動(dòng)特性

2.2 圍殼舵下潛滿舵挽回

仿真結(jié)果表明：4 kn航速下發(fā)生尾舵卡上浮舵，當(dāng)卡舵角度小于等于18°時(shí)，操圍殼舵下潛滿舵可以控制潛艇深度；當(dāng)卡舵角度增大至19°時(shí)，潛艇最終將以8.4°的穩(wěn)定縱傾角做等速上浮運(yùn)動(dòng).因此，當(dāng)卡舵角度大于等于19°時(shí)，必須綜合采取均衡措施，抵消舵卡產(chǎn)生的舵力和舵力矩，同時(shí)用圍殼舵有效控制潛艇縱傾和深度.

圖3 速度4 kn尾舵卡，圍殼舵滿舵挽回操縱效果

2.3 采用“均衡＋圍殼舵操縱”措施挽回

1）潛艇4 kn航速發(fā)生尾舵卡上浮舵20，24，28°和上浮滿舵，利用均衡系統(tǒng)和圍殼舵進(jìn)行挽回操縱，其縱傾和深度變化曲線如圖4所示.

圖4 速度4 kn尾舵卡，“圍殼舵＋均衡”挽回操縱效果

仿真結(jié)果表明：若潛艇速度4 kn時(shí)發(fā)生尾升降舵卡上浮舵，則通過及時(shí)采取正確、合理的均衡措施，能夠通過操縱圍殼舵達(dá)到理想的控制效果，而不需要使用高壓氣進(jìn)行吹除.

2）潛艇初始速度分別為8，10，12和14 kn，尾升降舵卡上浮滿舵，延遲2 s下令減速，目標(biāo)速度4 kn，同時(shí)圍殼舵操下潛滿舵實(shí)施挽回操縱，向首調(diào)水，浮力調(diào)整水柜排水，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖5所示.

仿真結(jié)果表明：尾升降舵卡上浮滿舵時(shí)，若潛艇速度低于12 kn，則通過降速、均衡、圍殼舵操下潛滿舵的措施可以有效控制潛艇的深度，且最大縱傾角不超過10°；當(dāng)航速大于等于12 kn時(shí)，在控制過程中，潛艇會出現(xiàn)10°以上尾縱傾.

3）潛艇初始速度12 kn發(fā)生尾舵卡，舵卡角度分別為上浮28°和29°，挽回措施與2）相同，則潛艇縱傾和深度變化曲線如圖6所示.

圖5 尾舵卡上浮滿舵，“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”挽回操縱效果

圖6 速度12 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”挽回操縱效果

由該仿真結(jié)果并結(jié)合（2）的結(jié)論可知：速度12 kn時(shí)，需要使用高壓氣進(jìn)行挽回操縱的尾舵卡上浮舵最小舵角為30°.

經(jīng)過單次循環(huán)后，為本次循環(huán)返程路徑上信息素的跡增量，其值等于符合式（1）的螞蟻A（組團(tuán)A）留在該路徑上的信息素的跡濃度，即，其中：為符合式（1）的螞蟻（組團(tuán)）個(gè)數(shù)；表示第只螞蟻在本次循環(huán)中留在路徑上的信息素的跡濃度，為常量，表示第只螞蟻經(jīng)過路徑的距離．

4）潛艇速度19 kn發(fā)生尾升降舵舵卡，舵卡角度分別為上浮10，11，12和13°，采取“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”的措施進(jìn)行挽回，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖7所示.

圖7 速度19 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”挽回操縱效果

與3）類似，由仿真結(jié)果可知：潛艇19 kn航速時(shí)，需使用高壓氣進(jìn)行挽回操縱的尾舵卡上浮舵最小舵角為11°.綜合2），3）即可得出以下結(jié)論：潛艇在任意航速下尾舵卡上浮舵11°以內(nèi)，或航速在11 kn以下尾舵卡任意上浮舵角，采取“降速＋均衡＋圍殼舵下潛滿舵”的措施進(jìn)行挽回，潛艇都不會出現(xiàn)危險(xiǎn)縱傾，且深度變化可控制在允許范圍內(nèi)，不需要使用高壓氣進(jìn)行應(yīng)急吹除.

3 尾舵卡下潛舵的挽回操縱仿真

3.1 圍殼舵上浮滿舵挽回

潛艇航速4 kn，尾升降舵分別卡下潛17°，18°和19°，用圍殼舵上浮滿舵保持操縱，潛艇的縱傾和深度變化曲線如圖8所示.

圖8 速度4 kn尾舵卡，圍殼舵滿舵挽回操縱效果

仿真結(jié)果表明：潛艇速度4 kn，尾舵分別卡下潛舵17°、18°和19°，僅用圍殼舵操上浮滿舵的措施挽回時(shí)，其穩(wěn)定縱傾角分別為－7.9°，－8.4°和－9.0°.對于深度而言，當(dāng)卡下潛舵17°時(shí)，利用圍殼舵可以挽回潛艇深度；卡18°時(shí)，操上浮滿舵恰可保持定深航行；當(dāng)尾舵舵卡角度達(dá)到19°及其以上時(shí)，僅利用圍殼舵將無法控制潛艇深度，而必須綜合使用其他抗沉措施.

3.2 采用“均衡＋圍殼舵操縱”措施挽回

1）潛艇速度4 kn，尾升降舵分別卡下潛20°，24°，28°和下潛滿舵，用均衡系統(tǒng)和圍殼舵進(jìn)行挽回操縱，潛艇的縱傾和深度變化曲線如圖9所示.

仿真結(jié)果表明：潛艇初始速度4 kn情況下發(fā)生尾升降舵大角度舵卡，通過采取正確合理的均衡措施后，利用均衡系統(tǒng)和圍殼舵可以比較理想地控制潛艇的縱傾和深度，而不需要使用高壓氣進(jìn)行挽回.

2）潛艇初始速度分別為10，12和14 kn，尾舵卡下潛滿舵，采用“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖10所示.

圖9 速度4 kn尾舵卡，“圍殼舵＋均衡”挽回操縱效果

圖10 尾舵卡下潛滿舵，“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回操縱效果

仿真結(jié)果表明：潛艇以低于12 kn速度航行時(shí)，若尾舵卡下潛滿舵，則通過迅速采取“降速＋圍殼舵上浮滿舵＋均衡”的措施進(jìn)行挽回，能夠控制潛艇深度和縱傾在允許變化范圍之內(nèi)；當(dāng)航速大于12 kn時(shí)，潛艇將在舵卡1 min后達(dá)到10°以上危險(xiǎn)縱傾，且隨著航速的增加，該縱傾角迅速增大.因此，若潛艇初始速度大于12 kn發(fā)生尾舵卡下潛滿舵，為防止出現(xiàn)危險(xiǎn)縱傾，應(yīng)適時(shí)果斷向縱傾端主壓載水艙供高壓氣，消除舵卡力矩，挽回縱傾.

3）潛艇初始速度12 kn，尾舵分別卡下潛20°，25°和下潛滿舵，采用“降速＋圍殼舵上浮滿舵＋均衡”的措施進(jìn)行挽回，縱傾和深度變化曲線如圖11所示.

4）潛艇速度19 kn發(fā)生尾升降舵舵卡，舵卡角度分別為下潛10°，11°和12°，采取" 降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵"的措施進(jìn)行挽回，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖12所示.

由假設(shè)3）和假設(shè)4）的仿真結(jié)果可知：潛艇尾舵卡下潛滿舵時(shí)，需要使用高壓氣挽回的最低航速為12 kn；當(dāng)潛艇初始速度19 kn時(shí)，需要使用高壓氣挽回的最小舵角為12°.

圖11 速度12 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回操縱效果

圖12 速度19 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋圍殼舵上浮滿舵”挽回操縱效果

4 舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖

采用上述仿真方法，分別對潛艇初始速度13～18kn，尾舵卡11°以上各舵角的情況進(jìn)行仿真，便可以得到潛艇不同航速下所對應(yīng)的必須使用高壓氣進(jìn)行舵卡挽回的最小卡舵角.

若用數(shù)字“1”表示必須及時(shí)向主壓載水艙供高壓氣進(jìn)行失事挽回的舵卡情況，“0”表示不需要使用高壓氣的情況，則可將潛艇各航速下發(fā)生尾升降舵卡，高壓氣使用情況列出（見表1），或繪制成如圖13所示“舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”，以供處置舵卡事故進(jìn)行挽回操縱時(shí)參考，潛艇操縱人員應(yīng)熟練掌握和運(yùn)用.

圖13 舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖

表1 潛艇尾升降舵卡高壓氣使用情況

當(dāng)出現(xiàn)舵卡故障時(shí)，通過查表或查圖，潛艇操縱人員便立即可知是否應(yīng)采取供氣措施進(jìn)行挽回.對高壓氣這一重要抗沉資源，既做到“敢用”，即供氣及時(shí)，不錯(cuò)過最佳供氣時(shí)機(jī)；也做到“慎用”，即節(jié)約高壓氣，非必須情況不供氣，以最大限度地節(jié)約高壓氣的消耗.

5 結(jié) 論

1）潛艇低速航行時(shí)發(fā)生尾舵卡小舵角，僅利用圍殼舵即可控制潛艇縱傾和深度.

2）“減速＋均衡＋圍殼舵操縱”的措施可以成功挽回潛艇速度低于12 kn時(shí)發(fā)生的任意角度值的尾升降舵舵卡，以及任意航速下舵角小于12°的尾舵舵卡故障.

3）若潛艇航速較高時(shí)（15～19kn）發(fā)生尾升降舵卡大角度（±20～ ±30°），則必須及時(shí)、正確使用高壓氣進(jìn)行挽回，同時(shí)注意停止供氣和解除氣壓的時(shí)機(jī)，防止?jié)撏С霈F(xiàn)反向危險(xiǎn)縱傾，造成新的危險(xiǎn)局面.

4）在實(shí)際操艇過程中，應(yīng)盡量避免使用高速、大舵角進(jìn)行機(jī)動(dòng).當(dāng)發(fā)生舵卡險(xiǎn)情后，應(yīng)迅速判斷危險(xiǎn)等級、明確挽救方法、及時(shí)采取措施，將危害程度降到最低.

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

［2］克雷泊勒S L.關(guān)于潛艇水平舵卡和艙室進(jìn)水的安全性以及潛艇操縱界限圖的基本原則［C］／／第4屆國際潛艇會議論文集，1995.

［3］Ceepel J L.The safety of sub marines related to hydroplane jams and floodings and the philosophy of operating envelopes［R］.無錫：中國船舶研究中心，1993.

［4］王京齊，張緯康，施生達(dá).潛艇尾操縱面卡住時(shí)的挽回操縱研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（11）：1 141－1 146.

［5］Gertler M，Hagen R.Standard equation of motion for sub marine si mulation ［R］.SNA ME， AD－653861，1967.

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