反潛直升機(jī)吊放聲納纜位穩(wěn)定控制需求分析

屈也頻, 尹大偉

(海軍研究院，上海 200436)

0 引言

反潛直升機(jī)最主要的探測(cè)手段是吊放聲納，通過絞車釋放電纜將聲納換能器——水下分機(jī)放入海水中至選定的深度，主動(dòng)發(fā)射聲脈沖并接收目標(biāo)回波實(shí)現(xiàn)對(duì)水下潛艇的探測(cè)。由于聲波在水中水平傳播的特性，吊放聲納可靠工作的前提是保持聲納水下分機(jī)基本處于垂直狀態(tài)，這樣才能完成有效探測(cè)。

早期的艦載反潛直升機(jī)依靠駕駛員人工保持聲納電纜位置的穩(wěn)定，但在缺少參照物的茫茫大海很難長(zhǎng)時(shí)間工作。1945年4月，美國海軍首次在一架XR-6直升機(jī)上安裝吊放聲納進(jìn)行探潛試驗(yàn)。在美海岸警衛(wèi)隊(duì)海軍中校羅斯·格萊厄姆(Stewart Ross Graham)的回憶文章《狼群和周日喜劇海報(bào)》中，記錄了這次直升機(jī)探潛試驗(yàn)如何借助海面漂浮的周日?qǐng)?bào)紙彩頁作為參照物保持吊放聲納電纜穩(wěn)定的過程，充分說明了在茫茫大海上吊放聲納纜繩自動(dòng)穩(wěn)定功能對(duì)反潛直升機(jī)的重要性。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代艦載反潛直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)均具備聲納穩(wěn)定工作模式，可自動(dòng)保持機(jī)身至海面的聲納干電纜高度和位置穩(wěn)定。纜高控制實(shí)際上是保持直升機(jī)懸停高度，相對(duì)而言較容易實(shí)現(xiàn)[1]。而纜位控制難度相對(duì)大一些。國內(nèi)一些學(xué)者的研究主要側(cè)重于聲納電纜受陣風(fēng)和洋流影響的穩(wěn)定性仿真研究[2,3]，而忽視了聲納絞車機(jī)上安裝和地板機(jī)身開孔設(shè)計(jì)對(duì)纜位控制動(dòng)態(tài)范圍的約束。本文主要分析吊放聲納電纜絞車安裝設(shè)計(jì)對(duì)反潛直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)聲納纜位控制穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上給出絞車安裝設(shè)計(jì)原則以及對(duì)纜位控制動(dòng)態(tài)范圍的基本需求。

1 飛行控制系統(tǒng)聲納纜位控制原理

纜位控制的一般過程為駕駛員操縱直升機(jī)進(jìn)入迎風(fēng)懸停模態(tài)，將相對(duì)海面速度降到0附近；聲納操作員釋放水下分機(jī)入水至設(shè)定深度；當(dāng)聲納電纜在聲納井中處于受海風(fēng)和洋流作用的平衡位置時(shí)，水下分機(jī)基本處于垂直狀態(tài)，此時(shí)駕駛員接通飛行控制系統(tǒng)，進(jìn)入聲納穩(wěn)定工作模式。

一旦直升機(jī)受到海風(fēng)和洋流變化干擾，導(dǎo)致電纜偏離平衡位置時(shí)，飛控系統(tǒng)通過安裝在絞車電纜吊掛點(diǎn)處的角度傳感器獲得纜位角的變化，自動(dòng)調(diào)整和控制直升機(jī)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)，使電纜回到平衡位置。

以某型艦載直升機(jī)為例，其飛行控制系統(tǒng)聲納纜位控制分為俯仰控制和傾斜控制兩個(gè)通道。

圖1 俯仰通道縱向纜位控制

在傾斜控制通道，綜合橫向纜位ψy、直升機(jī)傾斜角、絞車安裝角Δψ和橫向纜位零位，以及橫向加速度等因素，輸出傾斜和積分信號(hào)控制直升機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)橫向纜位(見圖2)。

圖2 傾斜通道橫向纜位控制

2 纜位控制需求和約束分析

2.1 纜位控制動(dòng)態(tài)范圍需求

飛行控制系統(tǒng)在俯仰控制通道上，保持θcable=θref，在傾斜控制通道上，保持ψcable=0。其中θcable、ψcable為電纜實(shí)際位置，θref為直升機(jī)逆風(fēng)懸停時(shí)電纜受恒定風(fēng)速影響后的平衡位置。

圖3 直升機(jī)逆風(fēng)懸停時(shí)電纜位置

為提高纜位控制的魯棒性，并減少飛行控制系統(tǒng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，通常要求纜位角有更大的動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于大多數(shù)安裝在直升機(jī)艙內(nèi)的聲納絞車而言，滿足較大纜位角動(dòng)態(tài)范圍需求，意味著要在直升機(jī)機(jī)身地板開一個(gè)較大的聲納井。但機(jī)身地板開孔尺寸受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)上設(shè)備安裝空間及油箱位置和大小等多種因素約束。特別是直升機(jī)受陣風(fēng)影響產(chǎn)生姿態(tài)變化時(shí)，若聲納井開孔尺寸過小，將導(dǎo)致纜位穩(wěn)定過程中電纜頻繁碰壁，從而造成聲納無法穩(wěn)定探測(cè)。

在圖4中給出了電纜在聲納井中的運(yùn)動(dòng)范圍和相對(duì)關(guān)系。

圖4 聲納井中電纜運(yùn)動(dòng)范圍和相對(duì)關(guān)系

由于飛行控制系統(tǒng)以電纜平衡位置為穩(wěn)定控制基準(zhǔn)，當(dāng)絞車安裝位置設(shè)計(jì)不合適時(shí)，直升機(jī)懸停狀態(tài)下纜位平衡位置將偏離聲納井中心，纜位控制動(dòng)態(tài)范圍將出現(xiàn)嚴(yán)重不對(duì)稱情況，直接影響纜位控制的穩(wěn)定性。

一旦出現(xiàn)較大擾動(dòng)使電纜觸碰聲納井壁的情況(如圖5所示)，纜位穩(wěn)定中心線進(jìn)入聲納井口外的機(jī)身地板內(nèi)。此時(shí)飛行控制系統(tǒng)控制直升機(jī)運(yùn)動(dòng)，試圖將電纜與機(jī)身地板內(nèi)的穩(wěn)定中心線重合，但因電纜被聲納井壁限位，夾角無法消除，結(jié)果將導(dǎo)致直升機(jī)拖曳電纜直至水下分機(jī)傾斜而無法正常工作。

隨著當(dāng)前國內(nèi)居民用電量的增大，生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質(zhì)量水平的不斷增強(qiáng)，也為我國電力行業(yè)的未來發(fā)展提供便利的條件。當(dāng)前國內(nèi)對(duì)用電需求量的提升也使得電力系統(tǒng)擴(kuò)大電網(wǎng)的覆蓋面積。處于這種時(shí)代背景下的電力系統(tǒng)，相關(guān)從業(yè)人員就要不斷增強(qiáng)其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和有效性，進(jìn)而才可以不斷滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)的信息化發(fā)展要求。在本質(zhì)上來看我國經(jīng)濟(jì)體系發(fā)展，人民日常生活和電力能源產(chǎn)生直接聯(lián)系，因此相關(guān)領(lǐng)域人員要有效掌控電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，滿足人民對(duì)于電能日益增長(zhǎng)的使用需求。除此之外，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中對(duì)于信息化技術(shù)的大力應(yīng)用也可以對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行期間的故障問題進(jìn)行有效判斷。

因此，聲納絞車機(jī)上安裝設(shè)計(jì)合理，是確保反潛直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)聲納纜位穩(wěn)定性的重要前提。

2.2 聲納電纜絞車安裝對(duì)纜位的約束分析

以聲納絞車在某型反潛直升機(jī)上的安裝設(shè)計(jì)為例，幾何關(guān)系如圖6所示。

設(shè)聲納電纜轉(zhuǎn)動(dòng)中心高度為H，直升機(jī)機(jī)身地板厚度為h，機(jī)身底部最大開口縱向尺寸為Dmax，則容易得到最大纜位角θmax，如公式(1)。

(1)

圖5 直升機(jī)拖曳聲納電纜狀態(tài)示意圖

圖6 絞車安裝與纜位角靜態(tài)關(guān)系圖

顯然，纜位角的變化范圍主要由機(jī)身底部開口尺寸和電纜轉(zhuǎn)動(dòng)中心高度決定。增大聲納井下口尺寸，降低絞車頭部可增大纜位角控制范圍。

實(shí)際上，由于聲納井開口受機(jī)身結(jié)構(gòu)和空間限制，國外許多反潛直升機(jī)聲納絞車都是盡量降低電纜轉(zhuǎn)動(dòng)中心高度，在一些大中型直升機(jī)上甚至將絞車頭部?jī)A斜一定角度后，直接安裝在機(jī)身地板聲納井開口上。

3 纜位控制動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)與飛行驗(yàn)證

3.1 纜位控制動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)

前面分析了纜位控制需求和靜態(tài)條件下的絞車設(shè)計(jì)約束。在聲納絞車安裝設(shè)計(jì)中還需考慮直升機(jī)懸停時(shí)的姿態(tài)影響。

根據(jù)直升機(jī)的飛行原理，在飛行控制系統(tǒng)保持懸停狀態(tài)時(shí)，直升機(jī)機(jī)身地板始終存在有一定的抬頭和傾斜角。以某型反潛直升機(jī)為例，懸停時(shí)始終存在約2°～3°的抬頭和1°～2°的右傾，加上姿態(tài)陀螺有-2°的安裝角，實(shí)際懸停時(shí)地板右傾有3°～4°。如果按照聲納絞車與機(jī)身地板水平安裝設(shè)計(jì)并使電纜通過聲納井中心，則直升機(jī)懸停時(shí)電纜將明顯偏離聲納井投影中心，縮小纜位控制的動(dòng)態(tài)范圍。

為增加懸停穩(wěn)定性和有利于纜位穩(wěn)定控制，應(yīng)在安裝設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整絞車的前后左右位置，或增加角度調(diào)整墊塊，使典型恒定風(fēng)速下的電纜平衡位置處于聲納井的投影中心附近。

綜合以上因素進(jìn)行聲納絞車安裝設(shè)計(jì)，可以擴(kuò)大纜位控制動(dòng)態(tài)范圍，提高飛行控制系統(tǒng)的聲納纜位穩(wěn)定性和系統(tǒng)魯棒性。

當(dāng)然，在不同恒定風(fēng)速下可以通過纜位偏移校正調(diào)整電纜平衡位置，但合理安裝聲納絞車位置可以減少空中偏移校正操作，盡量避免聲納員通過纜位偏移校正直接操縱直升機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3.2 纜位穩(wěn)定飛行驗(yàn)證

在某型反潛直升機(jī)上完成吊放聲納纜位控制范圍設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7-圖12給出了兩次在不同海域進(jìn)行反潛直升機(jī)聲納探測(cè)飛行試驗(yàn)的結(jié)果，包括飛行控制系統(tǒng)聲納纜位穩(wěn)定狀態(tài)的縱向、橫向纜位曲線和纜位動(dòng)態(tài)軌跡圖，以及直升機(jī)的姿態(tài)變化曲線。

圖7 第一次試飛中縱向纜位穩(wěn)定與直升機(jī)姿態(tài)曲線

從圖中可以看出：

1)圖7、圖8曲線表明，在第一次試飛中，約150s后接通飛行控制系統(tǒng)聲納工作模式，由人工操作直升機(jī)懸停進(jìn)入到聲納纜位自動(dòng)保持狀態(tài)；圖9、圖10曲線表明，在第二次試飛中，約260s后接通飛行控制系統(tǒng)聲納工作模式，由人工操作直升機(jī)懸停進(jìn)入到聲納纜位自動(dòng)保持狀態(tài)。

圖8 第一次試飛中橫向纜位穩(wěn)定與直升機(jī)姿態(tài)曲線

圖9 第一次試飛中聲納井投影面中的纜位軌跡曲線

圖10 第二次試飛中縱向纜位穩(wěn)定與直升機(jī)姿態(tài)曲線

2)在接通聲納工作模式之前，直升機(jī)由人工保持逆風(fēng)懸停，此時(shí)姿態(tài)變化較大，電纜在聲納井中大幅度擺動(dòng)。一旦進(jìn)入聲納纜位自動(dòng)保持狀態(tài)，直升機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定，俯仰角變化基本保持在±2°，傾斜角變化基本上在±1°。電纜明顯處于受控狀態(tài)，其中縱向纜位控制受風(fēng)速變化影響較大，橫向纜位受擾動(dòng)影響相對(duì)較小。

圖11 第二次試飛中橫向纜位穩(wěn)定與直升機(jī)姿態(tài)曲線

圖12 第二次試飛中聲納井投影面中纜位軌跡曲線

3)受陣風(fēng)和不同海域洋流影響，每次懸停時(shí)的纜位穩(wěn)定中心圍繞聲納井投影中心稍有變化，纜位控制精度約為縱向±5°、橫向±3°，實(shí)際穩(wěn)定控制范圍基本上是一個(gè)橢圓形區(qū)域。

4)在第一次試飛中有4次偏移到聲納井前沿并回到穩(wěn)定中心附近的運(yùn)動(dòng)，最大偏移量約為10°。綜合試飛海域存在較大洋流，以及現(xiàn)場(chǎng)觀察到直升機(jī)相對(duì)海上固定基準(zhǔn)存在后側(cè)向運(yùn)動(dòng)等情況分析，這是在纜位穩(wěn)定過程中水下分機(jī)受洋流影響漂離中心后，直升機(jī)通過后向運(yùn)動(dòng)調(diào)整纜位的正常結(jié)果。

4 主要結(jié)論

顯然，吊放聲納電纜絞車安裝和聲納井設(shè)計(jì)直接決定了纜位控制的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)聲納纜位穩(wěn)定性有著重要的影響。設(shè)計(jì)中應(yīng)把握以下原則：

1)絞車安裝設(shè)計(jì)中必須考慮直升機(jī)實(shí)際懸停時(shí)機(jī)身地板的水平姿態(tài)角，使纜位中心處于聲納井投影面的中心，避免產(chǎn)生電纜碰壁造成拖曳聲納水下分機(jī)的現(xiàn)象。

2)應(yīng)盡量降低電纜轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)高度，在減小聲納井設(shè)計(jì)尺寸，不過多占用機(jī)身空間的情況下，擴(kuò)大纜位動(dòng)態(tài)范圍。

3)必須充分考慮陣風(fēng)和洋流的影響，為飛行控制系統(tǒng)至少提供不少于纜位控制精度3倍的動(dòng)態(tài)范圍，以提高系統(tǒng)的魯棒性。從飛行控制系統(tǒng)實(shí)際控制精度和抗陣風(fēng)干擾能力看，在絞車安裝和聲納井設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提供不少于縱向±15°、橫向±9°的纜位動(dòng)態(tài)控制范圍。

5 結(jié)束語

反潛直升機(jī)吊放聲納纜位穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)，不僅僅是飛控系統(tǒng)纜位穩(wěn)定模態(tài)設(shè)計(jì)問題，絞車機(jī)上安裝位置、角度，大范圍的纜位角控制需求，以及電纜的防碰壁設(shè)計(jì)等指標(biāo)均是制約聲納纜位穩(wěn)定性控制效果的重要因素，需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。