潛艇升降舵卡時(shí)高壓氣使用決策分析

胡　坤，徐亦凡，張建華

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266042)

潛艇升降舵卡時(shí)高壓氣使用決策分析

胡坤，徐亦凡，張建華

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266042)

摘要：在潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，仿真分析潛艇在不同航速下操單舵和操雙舵時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)不同航速下的不同艉升降舵舵卡情況進(jìn)行應(yīng)急挽回操縱仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較，總結(jié)出潛艇必須使用高壓氣進(jìn)行挽回的舵卡情況，提出舵卡時(shí)的高壓氣供氣方案，繪制成“艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”；通過(guò)對(duì)典型舵卡情況進(jìn)行供氣挽回仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證供氣方案的可行性。

關(guān)鍵詞：潛艇；舵卡；操縱；高壓氣

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升降舵是潛艇航行過(guò)程中改變和保持深度、縱傾的最基本、最有效，也是最常用的操艇裝置。在潛艇航行過(guò)程中，由于操縱上的錯(cuò)誤、碰撞、武器爆炸、液壓失靈等原因，可能引起升降舵被卡的應(yīng)急狀況。此時(shí)，潛艇易失去垂直面的操縱性。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[1-2]。在這種緊急狀況下，為確保潛艇的安全和及時(shí)恢復(fù)潛艇的操縱性，應(yīng)根據(jù)具體情況，采取有效措施進(jìn)行應(yīng)急操縱。為此，通過(guò)仿真分析，總結(jié)歸納出舵卡時(shí)的高壓氣供氣方案，以期為指揮員提供參考。

1潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

潛艇深度控制系統(tǒng)主要由艇體、升降舵舵機(jī)伺服系統(tǒng)和控制器組成，可由圖1所示的多輸入(艏、艉舵角)和多輸出(深度、縱傾角)控制系統(tǒng)框圖表示。

ξ0-給定深度值；ξ-實(shí)際深度值；θ0-指定縱傾角；θ-實(shí)際縱傾角；Uk-控制器的輸出；δk-舵機(jī)系統(tǒng)的輸出值；ω-波浪干擾力(矩)；e1-深度偏差值；e2-縱傾角偏差值圖1　潛艇深度控制系統(tǒng)

針對(duì)潛艇的垂直面運(yùn)動(dòng)，假設(shè)軸向速度為恒值，其他軸向和橫向參數(shù)為零，此時(shí)潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)可以表示為[3-6]

式中：m——潛艇質(zhì)量；

P——靜載荷；

θ——縱傾角；

u,w,q——縱向速度、垂向速度、縱傾角速度；

δb,δs——艏舵舵角、艉舵舵角；

其余帶下標(biāo)量為潛艇的水動(dòng)力系數(shù)[7-8]。

2潛艇升降舵操縱特性仿真研究

以式(1)為基礎(chǔ)，采用C#語(yǔ)言編制潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)操縱仿真平臺(tái)，通過(guò)仿真，分析模型潛艇分別在不同航速下操單舵和操雙舵時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性。其中，圖2為不同航速下艏舵操上浮舵1°時(shí)的縱傾角和深度變化規(guī)律；圖3為不同航速下艉舵操下潛舵1°時(shí)的縱傾角和深度變化規(guī)律。

圖2　δb=1°時(shí)縱傾、深度變化

圖3　δs=1°時(shí)縱傾、深度變化

圖2、3所示的仿真結(jié)果表明：

1) 處于無(wú)縱傾定深航行的潛艇，當(dāng)升降舵擺一固定小舵角時(shí)，在舵力作用下經(jīng)過(guò)一段非定常運(yùn)動(dòng)后，潛艇最終將以一定的縱傾角進(jìn)入定常直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),且航速越高，穩(wěn)定縱傾角也越大。

2) 相同航速下條件，艉舵產(chǎn)生的舵力矩比艏舵產(chǎn)生的舵力矩大得多，操艉舵進(jìn)入定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定縱傾角比操艏舵時(shí)大，從而使得潛艇在較大的縱傾角作用下深度變化迅速。因此，在實(shí)際操縱潛艇進(jìn)行變深機(jī)動(dòng)時(shí)，可利用艏舵控制深度，利用艉舵控制縱傾。當(dāng)潛艇由于艙室破損等原因急劇掉深時(shí)，應(yīng)立即增速，并操艉舵上浮舵使?jié)撏а杆佼a(chǎn)生較大的艉傾。

圖4為不同航速條件下操平行上浮舵(δb=1°，δs=1°)時(shí)潛艇的縱傾角和深度隨時(shí)間變化規(guī)律；圖5為不同航速條件下操相對(duì)上浮舵時(shí)(δb=1°，δs=-1°)潛艇的縱傾角和深度隨時(shí)間變化規(guī)律。

圖4　δb=1°，δs=1°時(shí)縱傾、深度變化

圖5　δb=1°，δs=-1°時(shí)縱傾、深度變化

圖4、5所示的仿真結(jié)果表明：

1) 潛艇操相同舵角的平行上浮(或下潛)舵時(shí)，盡管艏艉舵產(chǎn)生的舵力方向一致，卻并不能使?jié)撏Мa(chǎn)生上浮(或下潛)的運(yùn)動(dòng)效果，這是由于艉舵的力臂比艏舵長(zhǎng)，相同舵角產(chǎn)生的舵力矩遠(yuǎn)大于艏舵產(chǎn)生的舵力矩，從而使?jié)撏Мa(chǎn)生艏傾(或艉傾)潛浮運(yùn)動(dòng)；要使?jié)撏ё鰺o(wú)縱傾或較小縱傾的變深運(yùn)動(dòng)，可操平行上浮(或下潛)舵，并使艏舵舵角大于艉舵舵角；

2) 操相對(duì)舵具有很強(qiáng)的改變縱傾的能力，因此，當(dāng)潛艇發(fā)生首部艙室或中部艙室破損的危險(xiǎn)情況時(shí)，可立即操相對(duì)上浮舵抑制潛艇艏傾的形成，同時(shí)，適當(dāng)?shù)聂簝A將有利于潛艇快速上浮，大大增強(qiáng)潛艇的抗沉能力。

3艉升降舵舵卡時(shí)高壓氣的使用分析

由上述仿真分析可知，相對(duì)于艉舵而言，艏舵距艇體水動(dòng)力中心的距離較近，操舵產(chǎn)生的力矩較小，對(duì)潛艇縱傾的影響不大，而艉舵在操舵時(shí)能夠產(chǎn)生較大的舵力矩。相對(duì)于艏舵卡來(lái)說(shuō)，艉舵卡對(duì)潛艇的航行影響更加危險(xiǎn)，潛艇一旦在高速航行的時(shí)候發(fā)生艉升降舵被卡大舵角，將造成極其嚴(yán)重的后果，極易出現(xiàn)危險(xiǎn)縱傾，最終導(dǎo)致潛艇發(fā)生沖出海面或碰撞海底(穿越極限深度)的災(zāi)難性事故。因此本節(jié)僅針對(duì)不同航速下，艉舵卡在不同角度，單操艉升降舵控制潛艇的應(yīng)急操縱過(guò)程進(jìn)行仿真。

3.1艉舵卡上浮舵的挽回操縱

潛艇初始速度分別為8、10、12和14 kn，仿真時(shí)間t=20 s時(shí)艉升降舵卡上浮滿舵，22 s時(shí)下減速，目標(biāo)速度4 kn，同時(shí)艏舵操下潛滿舵實(shí)施挽回操縱，向艏調(diào)水，浮力調(diào)整水柜排水，潛艇縱傾和深度變化見(jiàn)圖6。

圖6　不同航速時(shí)艉舵卡上浮滿舵，采用降速、均衡和艏舵控制潛艇的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：艉舵卡上浮滿舵時(shí)，若潛艇航速低于12 kn，則通過(guò)降速、均衡、艏舵操下潛滿舵的措施可以有效控制潛艇的深度，且縱傾不大于10°；當(dāng)航速大于12 kn時(shí)，由于均衡系統(tǒng)調(diào)水和排水的速率較慢，導(dǎo)致均衡措施未完全起作用前，潛艇在舵卡力作用下會(huì)出現(xiàn)10°以上艉縱傾。

潛艇速度18 kn發(fā)生艉升降舵舵卡，舵卡角度分別為上浮10°、11°、12°和13°，延遲2 s采取“降速+均衡+艏舵下潛滿舵”的措施進(jìn)行挽回，潛艇縱傾和深度變化見(jiàn)圖7。

圖7　速度18 kn，艉舵卡上浮舵，采用降速、均衡和艏舵舵制潛艇的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明。潛艇采用最高航速18 kn航行，若艉升降舵卡上浮舵，則舵卡角度小于等于11°時(shí)，采取“降速+均衡+艏舵下潛滿舵”的措施可以控制潛艇艉傾在10°以內(nèi)，而不需使用高壓氣進(jìn)行應(yīng)急吹除；當(dāng)舵卡角度大于12°時(shí)，將達(dá)到10°以上大縱傾，對(duì)潛艇安全航行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這時(shí)必須及時(shí)向艉端主壓載水艙供高壓氣，防止危險(xiǎn)縱傾的形成。

采用同樣的方法分別對(duì)潛艇初始速度小于18 kn時(shí)，艉舵卡不同上浮舵角的情況進(jìn)行仿真，可以得出模型潛艇在不同航速下，艉舵卡上浮舵不同角度時(shí)，高壓氣使用需求情況統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表1。

表1　艉舵卡上浮舵高壓氣使用需求統(tǒng)計(jì)表

注：“1”表示必須使用高壓氣挽回；“0”表示不需使用高壓氣。

3.2艉舵卡下潛舵的挽回操縱

潛艇初始速度分別為8、10、12和14 kn，仿真時(shí)間t=20 s時(shí)艉舵卡下潛滿舵，22 s時(shí)下令減速為4 kn，同時(shí)艏舵操上浮滿舵實(shí)施挽回操縱，向艉調(diào)水，浮力調(diào)整水柜注水，潛艇縱傾和深度變化見(jiàn)圖8。

圖8　不同航速時(shí)艉舵卡下潛滿舵，采用降速、均衡和艏舵控制潛艇的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，以低于12 kn速度航行時(shí)，若艉舵卡下潛滿舵，則通過(guò)迅速采取“降速+艏舵上浮滿舵+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，該縱傾角將迅速增大。因此，若潛艇艉舵卡下潛滿舵，初始速度在12 kn以上時(shí)，為防止?jié)撏С霈F(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。

潛艇初始速度19 kn，艉舵分別卡下潛9°、10°、11°、12°，其他仿真條件同上，采用“降速+艏舵上浮滿舵+均衡”的措施進(jìn)行挽回，縱傾和深度變化見(jiàn)圖9。

圖9　速度18 kn，艉舵卡上浮舵，采用降速、均衡和艏舵控制潛艇的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：以航速18 kn航行時(shí)，若艉舵發(fā)生舵卡故障，采用“降速+艏舵上浮滿舵+均衡”的措施進(jìn)行挽回，則舵卡角度在12°以上時(shí)，在該措施作用下潛艇仍會(huì)出現(xiàn)10°以上大縱傾，此時(shí)需及時(shí)向首組壓載水艙供高壓氣挽回縱傾，并適時(shí)停止供氣和解除氣壓，防止?jié)撏С霈F(xiàn)反方向危險(xiǎn)縱傾。

采用同樣的方法分別對(duì)潛艇初始速度為13～18 kn時(shí)，艉舵卡下潛舵11°以上舵角進(jìn)行仿真，則可以得出模型潛艇在不同航速下，艉舵卡下潛舵不同角度時(shí)，高壓氣使用需求統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表2。

表2　艉舵卡下潛舵高壓氣使用需求統(tǒng)計(jì)表

4艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求

綜合表1、表2，繪制成圖形，即可得“艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”，如圖3所示。

圖10　艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖

通過(guò)表2查得，若潛艇速度13 kn發(fā)生舵卡，則必須使用高壓氣進(jìn)行挽回的艉舵卡角度為-26°～-30°。下面對(duì)舵卡值分別為-26°和-30°的挽回操縱情況進(jìn)行仿真[9-10]，潛艇縱傾和深度變化如圖11所示：

圖11　速度13 kn，艉舵卡上浮滿舵，利用車、舵、氣和均衡系統(tǒng)控制潛艇

利用艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖，潛艇指揮員可以在潛艇發(fā)生艉升降舵卡的危險(xiǎn)情況時(shí)，快速得出是否應(yīng)利用高壓氣進(jìn)行應(yīng)急吹除的信息。若必須使用高壓氣挽回，則立即果斷供氣吹除，不錯(cuò)過(guò)最佳供氣時(shí)機(jī)；若不需使用高壓氣挽回，則不采取供氣措施，以最大限度地節(jié)約高壓氣，避免浪費(fèi)。

5結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)艉舵卡在高速大舵角時(shí)，將引起潛艇縱傾和深度將急劇變化，對(duì)航行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，必須及時(shí)采取措施進(jìn)行挽回操縱。高壓氣作為潛艇一種重要的抗沉資源，對(duì)于控制潛艇深度和縱傾有著顯著效果，但是潛艇高壓氣儲(chǔ)量有限，既要合理使用，也要謹(jǐn)慎節(jié)約。為此，對(duì)潛艇不同航速下和艉升降舵卡挽回操縱進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析各挽回措施對(duì)縱傾和深度的控制效果，通過(guò)比較，得出各航速下必須使用高壓氣才能成功挽回的艉舵卡情況，繪制了“舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”供實(shí)際操艇時(shí)參考使用。根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)際操艇經(jīng)驗(yàn)，提出了避免出現(xiàn)危險(xiǎn)舵卡事故的安全航行操艇建議。

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Research of Submarine High Pressure Air Usage Decision During Stern Rudder is Jamming

HU Kun, XU Yi-fan, ZHANG Jian-hua

(Navy Submarine Academy, Qingdao Shandong 266042, China )

Abstract:Based on the mathematical model of the submarine vertical movement, the motion characteristics are analyzed when the submarine steers single rudder and double rudders in different speeds. The retrieve operation when the stern rudder is jamming in different speeds is simulated to summarize the situation that the submarine has to use high pressure air to retrieve the rudder-jamming and put forward high pressure air supply scheme. The figure of using high pressure air to retrieve stern rudder-jamming is drawn for the commander. The simulation results verify that the high pressure air supply scheme is feasible.

Key words:submarine; rudder-jamming; maneuver; high pressure air

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.040

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：武器裝備軍內(nèi)科研項(xiàng)目(HJ-506-2014)

第一作者簡(jiǎn)介：胡坤(1979—)，男，博士，講師

中圖分類號(hào)：U674.7；TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0180-05

修回日期：2015-11-24

研究方向:潛艇操縱性與武器系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)技術(shù)