矢量泵噴推進(jìn)潛航器回轉(zhuǎn)性能研究

韓 偉，鄧 倪

（1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅省流體機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

0 引 言

隨著船舶動(dòng)力系統(tǒng)的不斷更新以及船舶回轉(zhuǎn)性能、安全性能需求的提高，矢量泵噴推進(jìn)器逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。即使通過設(shè)計(jì)不同形式的船舵也很難解決在低航速下其控制效率大幅降低的問題，而矢量泵噴推進(jìn)器能夠有效地解決傳統(tǒng)船舵控制在低航速下控制效率低的問題[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于矢量泵噴潛航器回轉(zhuǎn)性能的研究主要針對(duì)矢量。Mohseni[2]提出了一種新的水下機(jī)器人低速機(jī)動(dòng)機(jī)制，采用緊湊的脈動(dòng)射流執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)低速機(jī)動(dòng)能力；Geng 等[3]通過雙合成射流執(zhí)行器的同相工作實(shí)現(xiàn)水下航行器的橫向運(yùn)動(dòng)，通過這兩個(gè)執(zhí)行器的異相工作實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)；Chocron 等[4]采用多個(gè)推進(jìn)器組成推力配置矩陣，以合成合適的推進(jìn)系統(tǒng)；Cavallo 等[5]研究了一種新概念、配備三自由度矢量推進(jìn)器的自動(dòng)水下航行器；Kaya等[6]采用不同方向的固定推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的航行；Nawrot[7]探討了許多推力矢量裝置的替代設(shè)計(jì)策略和概念；Liu 等[8]提出了一種帶有矢量推力導(dǎo)管推進(jìn)器的魚雷形狀水下機(jī)器人，并設(shè)計(jì)了矢量推進(jìn)器的控制方案，實(shí)現(xiàn)了在零速或慢速前進(jìn)速度下完成任務(wù)；陳路偉等[1]提出一種采用可動(dòng)矢量噴管的噴水推進(jìn)式水下航行器，可以有效提高機(jī)動(dòng)性；高富東等[9]提出采用多矢量水下推進(jìn)航行器，通過調(diào)整推進(jìn)器的偏轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)航行器的姿態(tài)控制；高雙[10]建立了推力矢量船舶運(yùn)動(dòng)的仿真模型，獲得噴角的改變對(duì)船舶縱向推力損失和轉(zhuǎn)向力矩?fù)p失的影響規(guī)律，為了保證船舶啟動(dòng)過程的安全運(yùn)行，對(duì)船舶轉(zhuǎn)彎過程中的橫傾角度加以控制，以獲得此狀態(tài)時(shí)的噴管轉(zhuǎn)動(dòng)角度；曾薄文[11]利用MMG 分離原理建立了噴水推進(jìn)無人艇的操縱運(yùn)動(dòng)方程，在矢量噴管轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，噴流偏轉(zhuǎn)使得縱向力、轉(zhuǎn)向力矩和速度發(fā)生變化，基于開環(huán)運(yùn)動(dòng)模型，總結(jié)出了噴管偏轉(zhuǎn)對(duì)潛艇航行速度損失的影響規(guī)律。綜合矢量推進(jìn)器以及舵的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使用舵以及矢量噴管轉(zhuǎn)向，能夠在較小舵角及噴管偏角的條件下實(shí)現(xiàn)較大角度的轉(zhuǎn)向，進(jìn)一步提高潛航器機(jī)動(dòng)性。多套控制系統(tǒng)的存在也可以避免單套控制系統(tǒng)失效情況下潛航器失控。

為了改善潛航器的回轉(zhuǎn)性能，本文在傳統(tǒng)船舵控制的基礎(chǔ)上結(jié)合矢量推進(jìn)器控制，通過對(duì)潛航器回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，分析不同控制模式下的回轉(zhuǎn)性能，以驗(yàn)證矢量推進(jìn)器對(duì)潛航器回轉(zhuǎn)性能的影響，以期為潛航器應(yīng)用矢量推進(jìn)器的研究提供一定的參考。

1 潛航器水平面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

潛航器在水下的操縱運(yùn)動(dòng)，在一般情況下可以視為剛體在流體中的空間運(yùn)動(dòng)[12]。潛航器在水中運(yùn)動(dòng)所受到外力大致上可以分為流體動(dòng)力和非流體動(dòng)力兩大類。本文研究潛航器在水中做水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過不同控制裝置的操縱運(yùn)動(dòng)，建立水平面運(yùn)動(dòng)模型并進(jìn)行仿真。

1.1 水平面操縱運(yùn)動(dòng)的一般方程

本文采用國際拖曳水池會(huì)議（International Towing Tank Conference，簡稱為ITTC）推薦的和造船與輪機(jī)工程學(xué)會(huì)（SNAME）術(shù)語公報(bào)[13]的體系，包括兩個(gè)右手系，如圖1 所示：一個(gè)為原點(diǎn)固定在地球上的固定坐標(biāo)系E-ξη；另一個(gè)為原點(diǎn)固定在潛航器上，隨潛航器共同運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系G-xy。

圖1 矢量泵噴推進(jìn)潛航器水平面運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Fig.1 Horizontal motion coordinate system of vector pump jet propulsion submersible

根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理以及相對(duì)于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量定理、動(dòng)量矩定理，推導(dǎo)出潛航器水平面操縱運(yùn)動(dòng)的一般方程：

式中，m為潛航器質(zhì)量，u、v分別為潛航器重心G的航速在x、y方向上的分量，u?、v?為對(duì)應(yīng)的加速度，r為角速度，Iz為潛航器對(duì)隨體坐標(biāo)系Gz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，X、Y分別為潛航器所受外力在x、y方向上的分量，N為外力對(duì)重心G的力矩。

1.2 作用于潛航器的力與力矩

在潛航器做水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，潛航器所受到的非流體動(dòng)力，如浮力、重力等，可以不作考慮，因此，本文只考慮潛航器在水中所受到的流體動(dòng)力。

本文所研究的對(duì)象為艇體-舵-矢量泵噴推進(jìn)器所組成的大系統(tǒng)，假設(shè)潛航器在水下處于無限深廣、靜水的環(huán)境中，此時(shí)，潛航器所受到的流體動(dòng)力只取決于潛航器自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，表示為函數(shù)形式：

式中，F(xiàn)(X,Y,N)為潛航器所受外力與力矩，δr、δ?r分別為船舵的轉(zhuǎn)動(dòng)角以及轉(zhuǎn)舵速度，δn、δ?n分別為矢量噴管的偏轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度，n為泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。

一般情況下，對(duì)泵噴推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力做單獨(dú)處理，記為FT(XT,YT)和NT，如圖2所示：

圖2 矢量泵噴推進(jìn)器的推力分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of thrust of vector pump jet propeller

式中，S為噴管出口中心到潛航器重心的距離。

本文采用矢量螺旋混流式泵噴推進(jìn)器，由螺旋混流式泵以及矢量噴管組成，按比例縮小后的模型泵設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋混流泵設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of screw mixed flow pump

矢量泵噴推進(jìn)器依靠葉輪對(duì)水流進(jìn)行加速增壓，水流通過噴管向后噴射加速對(duì)潛航器產(chǎn)生反作用力，即泵噴推進(jìn)器產(chǎn)生的推力FT，推力的大小等于單位時(shí)間上進(jìn)出推進(jìn)器的水流的動(dòng)量差：

式中，Qm為流經(jīng)泵噴推進(jìn)器的質(zhì)量流量，Vj、Vs分別為矢量泵噴推進(jìn)器進(jìn)出口流速。

本文采用的矢量噴管為收縮噴管，噴管收縮比為κ，根據(jù)連續(xù)方程可得噴管進(jìn)出口速度比為

根據(jù)式（4）和式（5），結(jié)合螺旋混流泵的水力參數(shù)、無量綱參數(shù)，可推導(dǎo)出推力與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系如下[14]：

式中，N0為設(shè)計(jì)軸功率，η0為設(shè)計(jì)水力效率，?為流量的無量綱參數(shù)，b2為葉輪出口寬度，ψ為揚(yáng)程的無量綱參數(shù)，Aj、As分別為矢量泵噴推進(jìn)器進(jìn)出口面積。

根據(jù)式（6）～（7）可以通過相似理論由模型泵推力系數(shù)C計(jì)算出對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸的泵噴推進(jìn)器推力系數(shù)。

忽略船舵和矢量噴管的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，將F投影到運(yùn)動(dòng)系坐標(biāo)軸上，表示為函數(shù)形式：

根據(jù)多元函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開原理，以潛航器做等速直航的平衡狀態(tài)，即u0≠0、v0=r0=u?0=v?0=r?0=δr0=0為基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，忽略二階以上高階項(xiàng)的影響，對(duì)其進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開：

式中，X0、Xu、…、Xuu、…都是水動(dòng)力分量對(duì)潛航器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)在展開點(diǎn)的值，統(tǒng)稱為水動(dòng)力系數(shù)。

1.3 水平面操縱運(yùn)動(dòng)方程

考慮到潛航器的左右對(duì)稱性，忽略比較小的水動(dòng)力系數(shù)，同時(shí)，為了書寫方便，將二階項(xiàng)的系數(shù)1/2!并入對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力系數(shù)中，于是得到水平面操縱運(yùn)動(dòng)非線性方程：

1.4 水平面操縱運(yùn)動(dòng)重心軌跡方程

根據(jù)式（12），在潛航器質(zhì)量、噴管出口中心到潛航器重心的距離、潛航器對(duì)隨體坐標(biāo)系Gz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)已知的情況下，給定潛航器操縱規(guī)律δr(t)、δn(t)，可以求出潛航器的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)u(t)、v(t)、r(t)，記潛航器的首向角為φ，則φ?(t)=r(t)，結(jié)合這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以求出潛航器的重心軌跡方程：

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本文所使用的潛航器模型出自文獻(xiàn)[15]，采用的矢量泵噴推進(jìn)器則是基于課題組所設(shè)計(jì)的螺旋混流式矢量泵噴推進(jìn)器，通過對(duì)不同操縱機(jī)制，即船-舵-推進(jìn)器、船-矢量推進(jìn)器和船-舵-矢量推進(jìn)器三種不同的潛航器控制方法進(jìn)行仿真對(duì)比，分析潛航器的最佳操縱模式。

2.1 低航速下的潛航器回轉(zhuǎn)性能

為了對(duì)比低航速下潛航器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)三種控制方法的回轉(zhuǎn)性能，本文設(shè)置初始航速為1 m/s，設(shè)置舵的偏角、矢量噴管的偏角如表2 所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

表2 三種控制方法下的參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter setting under three control modes

圖3 三種控制方式的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of three control modes

圖3顯示了低航速下船-矢量推進(jìn)器、船-舵-推進(jìn)器和船-舵-矢量推進(jìn)器三種不同的控制方法時(shí)潛航器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果。由圖3（a）潛航器的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑約為131 m，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑約為201 m，船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑約為102 m，使用矢量推進(jìn)器可以有效地減小潛航器的回轉(zhuǎn)半徑，船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑最小。由圖3（b）潛航器的軸向速度可以看出，大角度的矢量噴管偏角對(duì)潛航器的軸向速度影響較大，這與推力矢量的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致軸向推力下降有關(guān)。由圖3（c）潛航器的橫向速度可以看出：船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的橫向速度的穩(wěn)定值最小，為0.164 m/s；而船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的橫向速度與船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的橫向速度的穩(wěn)定值幾乎相等，為0.220 m/s。由圖3（d）潛航器的偏航角速度可以看出：船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的偏航角速度最小，為0.175°/s；船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的偏航角速度最大，為0.272°/s；而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的偏航角速度為0.248°/s。由圖3（e）潛航器的偏航角可以看出：船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的偏航角最小，為197.670 °，潛航器偏航180°需要896 s；船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的偏航角最大，為279.030 °/s，潛航器偏航180°需要601 s；而船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的偏航角為275.593 °/s，潛航器偏航180°需要647 s。使用矢量推進(jìn)器可以有效加快低航速下潛航器的偏航速度，使得低航速下潛航器掉頭時(shí)間縮短4～5 min。

2.2 推進(jìn)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的潛航器回轉(zhuǎn)性能

本節(jié)設(shè)置泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)速為1500 r/min，初始航速為10 m/s，設(shè)置舵的偏角分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，矢量噴管的偏角分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，除直航運(yùn)動(dòng)條件，即舵與矢量噴管偏角均為0°外，對(duì)共80種組合進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)Fig.4 Characteristic parameters of rotary motion at design speed

圖4表示推進(jìn)器在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下不同舵角、矢量噴管偏角時(shí)潛航器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果。由圖4（a）潛航器的回轉(zhuǎn)半徑可以看出，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑在舵角小于33°時(shí)小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑，但當(dāng)舵角大于33°后，船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)半徑更小，這與矢量推進(jìn)器提供的轉(zhuǎn)矩變化率隨噴管偏角的增大而增大相關(guān)，而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑最小，這也表明了使用矢量泵噴推進(jìn)器可以有效減小潛航器的回轉(zhuǎn)半徑。由圖4（b）潛航器的回轉(zhuǎn)周期可以看出，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)周期在舵角小于23°時(shí)小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的回轉(zhuǎn)周期，另一方面，當(dāng)舵角達(dá)到30°后繼續(xù)增大舵角，潛航器的回轉(zhuǎn)周期幾乎不變，而增大噴管偏角則可以減小回轉(zhuǎn)周期。由圖4（c）、圖4（d）潛航器的縱距、正橫距可以看出，在小舵角（噴管偏角）情況下，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的縱距、正橫距小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的縱距、正橫距，但在大舵角（噴管偏角）情況下，船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的縱距、正橫距更小，而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的縱距、正橫距最小。由圖4（e）潛航器的戰(zhàn)術(shù)直徑可以看出，在小舵角（噴管偏角）情況下，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)直徑小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的戰(zhàn)術(shù)直徑，但在大舵角（噴管偏角）情況下，船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)直徑更小，而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)直徑最小?？偟膩碚f，矢量推進(jìn)器的運(yùn)用可以改進(jìn)潛航器的回轉(zhuǎn)性能，船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)性能為最佳。

通過對(duì)圖4中數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，采用rational2D 擬合方法，建立回轉(zhuǎn)半徑Rs、回轉(zhuǎn)周期T、縱距La、正橫距Ld、戰(zhàn)術(shù)直徑DT隨舵角δr、噴管偏角δn變化的數(shù)學(xué)模型:

2.3 控制軸向航速下的潛航器回轉(zhuǎn)性能

本節(jié)設(shè)置初始航速為10 m/s，控制軸向航速為10 m/s，設(shè)置舵的偏角分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，矢量噴管的偏角分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，除直航運(yùn)動(dòng)條件，即舵與矢量噴管偏角均為0°外，對(duì)共80種組合進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 控制軸向航速下回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)Fig.5 Characteristic parameters of rotary motion at controlled axial speed

圖5 表示在控制軸向航速為10 m/s 下不同舵角、矢量噴管偏角時(shí)潛航器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果。由圖5（a）潛航器的回轉(zhuǎn)半徑與圖4（a）對(duì)比可以看出，控制軸向航速（此時(shí)泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速由軸向航速控制器調(diào)節(jié)）時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑與保持泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速（此時(shí)潛航器有軸向航速損失）時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑幾乎相同，可見舵角、矢量噴管偏角的大小才是決定潛航器回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)鍵因素，運(yùn)動(dòng)參數(shù)與泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)速的不同對(duì)回轉(zhuǎn)半徑的影響很小。由圖5（b）潛航器的回轉(zhuǎn)周期可以看出，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)周期在舵角小于37°時(shí)小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的回轉(zhuǎn)周期，而增大舵角或噴管偏角均可以減小回轉(zhuǎn)周期，與圖4（b）對(duì)比可以看出，在小舵角（噴管偏角）情況下，控制軸向航速會(huì)增大回轉(zhuǎn)周期，但在大舵角（噴管偏角）情況下，特別對(duì)于船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)來說，可以大幅度減小潛航器的回轉(zhuǎn)周期。由圖5（c）潛航器的縱距可以看出，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的縱距小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的縱距，而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的縱距最小，與圖4（c）對(duì)比可以看出，對(duì)于船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)，控制軸向航速可以減小縱距；對(duì)于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，在小噴管偏角情況下，控制軸向航速可以減小縱距，但在大噴管偏角情況下，控制軸向航速會(huì)增大縱距；對(duì)于船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，在大舵角、小噴管偏角情況下，控制軸向航速可以減小縱距，但在小舵角、大噴管偏角情況下，控制軸向航速會(huì)增大縱距。由圖5（d）潛航器的正橫距可以看出，在小舵角（噴管偏角）情況下，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的正橫距小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的正橫距，但在大舵角（噴管偏角）情況下，船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的正橫距更小，而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的正橫距最小，與圖4（d）對(duì)比可以看出，對(duì)于船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)，控制軸向航速可以減小正橫距；對(duì)于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，在小噴管偏角情況下，控制軸向航速會(huì)增大正橫距，但在大噴管偏角情況下，控制軸向航速可以減小正橫距；對(duì)于船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，在大舵角、大噴管偏角情況下，控制軸向航速可以減小正橫距，但在小舵角、小噴管偏角情況下，控制軸向航速會(huì)增大正橫距。由圖5（e）潛航器的戰(zhàn)術(shù)直徑可以看出，在小舵角（噴管偏角）情況下，船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)直徑小于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)噴管偏角時(shí)的戰(zhàn)術(shù)直徑，但在大舵角（噴管偏角）情況下，船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)直徑更小，而船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)直徑最小，與圖4（e）對(duì)比可以看出，對(duì)于船-舵-推進(jìn)器系統(tǒng)，控制軸向航速可以減小戰(zhàn)術(shù)直徑，對(duì)于船-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，在小噴管偏角情況下，控制軸向航速會(huì)增大戰(zhàn)術(shù)直徑，但在大噴管偏角情況下，控制軸向航速可以減小戰(zhàn)術(shù)直徑；對(duì)于船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，在大舵角、大噴管偏角情況下，控制軸向航速可以減小戰(zhàn)術(shù)直徑，但在小舵角、小噴管偏角情況下，控制軸向航速會(huì)增大戰(zhàn)術(shù)直徑?？偟膩碚f，對(duì)于船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)，控制軸向航速可以有效提高大舵角（噴管偏角）情況下潛航器的回轉(zhuǎn)性能，以舵與矢量噴管偏角均為40°時(shí)為例，控制軸向航速時(shí)，回轉(zhuǎn)周期由95.99 s減小至54.45 s，縱距由166.5 m 減小至159.4 m，正橫距由70.4 m 減小至37.5 m，戰(zhàn)術(shù)直徑由228.5 m 減小至102.8 m。

通過對(duì)圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，采用rational2D 擬合方法，建立回轉(zhuǎn)半徑Rs、回轉(zhuǎn)周期T、縱距La、正橫距Ld、戰(zhàn)術(shù)直徑DT隨舵角δr、噴管偏角δn變化的數(shù)學(xué)模型:

3 結(jié) 語

本文研究的是船-舵-推進(jìn)器、船-矢量推進(jìn)器和船-舵-矢量推進(jìn)器三種不同的控制方法時(shí)潛航器的回轉(zhuǎn)性能，通過對(duì)低航速、控制泵噴推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、控制潛航器軸向航速三種不同條件下潛航器做水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，證明了矢量推進(jìn)器可以改善潛航器的回轉(zhuǎn)性能，船-舵-矢量推進(jìn)器系統(tǒng)更是可以大幅度提高潛航器的回轉(zhuǎn)性能，另一方面，通過控制潛航器軸向航速可以在以提高能耗為代價(jià)的前提下提高潛航器的回轉(zhuǎn)性能。本研究結(jié)果可以為潛航器的操縱方式提供有價(jià)值的參考。