潜艇方向舵对艉升降舵舵卡的挽回操纵仿真分析

，，

(海军潜艇学院 a.作战指挥系;b.研究生队，山东 青岛 266071)

1 方向舵挽回艉舵卡操纵模型

操纵方向舵对挽回艉升降舵卡舵可起到重要作用，利用方向舵摆满舵使潜艇做回转运动。一方面由于艇运动阻力增大，航速下降，使艉升降舵水动力减小；另一方面由于回转过程中垂直面内运动的耦合作用，潜艇产生艉倾做上浮运动，可以在相当程度上抵抗艉升降舵卡下潜舵引起的艏倾和下潜运动[1]。

潜艇进行空间机动时符合空间六自由度运动方程，方程简化形式如下式[2]：

(1)

式中：m——潜艇质量；

Ixx、Iyy、Izz——潜艇对三坐标轴Gx、Gy、Gz的转动惯量；

u、v、w——潜艇沿三坐标轴Gx、Gy、Gz的运动速度；

p、q、r——潜艇绕三坐标轴Gx、Gy、Gz的旋转角速度。

根据空间运动方程及水动力系数建立潜艇空间运动模型，进行舵卡操纵仿真。

当发生舵卡事故时，应立即压水消除舵卡力矩，并适时注排水消除舵力。舵卡均衡的过程是：根据纵倾角和舵角的大小计算出均衡量；通过艏艉均衡水舱之间的调水消除力矩差；适时通过注排水消除浮力差。潜艇均衡过程定深的运动方程为[3]

(2)

经过推导化简后得到在规定的航速下的舵卡均衡计算公式：

(3)

在挽回过程中，当航速降低到可以控制深度操纵潜艇时，方向舵即可恢复到控制航向的正常操舵方式[1]，此时应及时排除卡舵故障。

2 仿真分析

根据以上模型，利用Matlab软件对某型潜艇舵卡后操纵方向舵挽回舵卡操纵进行仿真分析。仿真条件为：潜艇不同速度下，初始深度50 m，在潜艇正常航行50 s时操纵艉舵以一定的转舵速率到下潜舵满舵，20 s后采取抗沉措施(单独或同时使用艏舵满舵和方向舵满舵或采取减速措施),并且同时采取均衡措施。

2.1 艏上浮舵满舵挽回操纵仿真分析

潜艇航速为4、6、8 kn时，单独使用艏上浮满舵挽回艉舵卡的深度变化见图1。

图1 深度50 m，艏舵挽回艉舵卡深度变化曲线

从仿真结果可以看出，当航速较低时(4、6 kn)，单独使用艏舵满舵可以控制住潜艇的深度变化。但是当潜艇处于中速8 kn时，由于艉舵的舵效比艏舵大很多，潜艇的深度将会随速度的升高而迅速增加，导致艏舵挽回舵卡操纵失败。

2.2 方向舵满舵挽回操纵仿真分析

潜艇航速为4、6、8 kn时，单独使用方向舵满舵挽回艉舵卡的深度变化见图2。

图2 深度50 m，方向舵挽回艉舵卡深度变化曲线

从仿真结果可以看出，当潜艇采取操纵方向舵满舵，此时潜艇航速迅速降低，潜艇速度从4、6、8 kn分别降低到2.5、3.3、4.5 kn左右。

在低速4 kn时，单独使用方向舵挽回艉舵卡，可以很好地控制潜艇深度。当潜艇航速处于6 kn和8 kn时，由于艉舵的舵效比方向舵产生的升力和升力矩大很多，潜艇的深度将会随速度的升高而迅速增加，最大下潜深度83.2 m和 122.2 m，下潜深度比较大，同时出现大的危险纵倾，如果海区深度较浅，将会威胁潜艇安全，导致挽回操纵失败。

通过图1、2可以得出，单独使用方向舵满舵或艏上浮舵满舵，在低速时可以控制潜艇深度，在中高速时控制效果较差。

2.3 “方向舵满舵+艏上浮舵满舵” 挽回操纵仿真分析

航速为4、6、8 kn时，联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”和“方向舵满舵+艏上浮舵满舵+减速(70 s时开始减速至4 kn)”挽回艉舵卡的深度变化见图3。

a) 方向舵满舵+艏上浮舵满舵

b) 方向舵满舵+艏上浮舵满舵+减速图3 深度50 m，中低速时挽回艉舵卡的深度变化曲线

从仿真结果可以看出，联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”挽回舵卡的抗沉措施在航速4、6、8 kn时，深度变化允许的范围都可控制潜艇的下潜深度，最大下潜深度分别为50.0、60.9、84.8 m。采取减速措施后此时最大下潜深度分别为50.0，57.2，76.4 m。

从图3可以看出,联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”的挽回措施，在中低速时，可以很好地控制住潜艇深度，采取减速措施后，控制效果更好。

图4a)、b)为航速10、14、18 kn高速机动时，联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”和“方向舵满舵+艏上浮舵满舵+减速(70 s时开始减速至4 kn)”挽回舵卡的深度控制效果图。

a) 方向舵满舵+艏上浮舵满舵

b) 方向舵满舵+艏上浮舵满舵+减速图4 深度50 m，高速时挽回艉卡舵深度变化曲线图

从仿真结果可以看出，联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”挽回舵卡的抗沉措施在高速机动时，随着航速的增加，10 kn和14 kn时最大下潜深度分别为113.3、197.6 m，同时会出现大的纵倾。18 kn时挽回舵卡操纵基本失败。采取减速措施后最大下潜深度在航速10、14、18 kn时分别为98.0、149.6、213.5 m，同时还会出现大的纵倾。

由图4可以得出，联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”的挽回措施，在高速时，控制效果较差，建议在高速时出现舵卡时，在采取“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”的挽回措施同时果断采取供气或抛弃可弃压载等措施，迅速挽回舵卡事故，保证潜艇安全。

3 结束语

1) 单独使用艏舵和方向舵进行艉舵卡下潜大舵角挽回操纵，在低速4 kn左右控制效果较好，在中高速时基本失效。

2) 联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”的操纵方式进行艉舵卡下潜大舵角挽回操纵，在中低航速时可以很好地控制住潜艇。此时加上减速措施，控制效果更好。

3) 联合使用“方向舵满舵+艏上浮舵满舵”的操纵方式进行艉舵卡大舵角挽回操纵，在高速机动时控制效果较差。此时加上减速措施，控制效果有一定的改善，但是仍然不能满足挽回深度和纵倾的要求。

潜艇在水下发生卡舵故障，将会导致潜艇产生危险纵倾、迅速下潜超越极限深度或碰撞海底的危险，严重影响潜艇和艇员的安全。此时采取“方向舵满舵+艏上浮舵满舵+减速(必要时停车或倒车)”，在中低航速机动时是一种有效的挽回操纵措施，但是在高航速机动进行挽回操纵时，控制效果不理想。在潜艇挽回舵卡过程中，当航速较高，深度变化较大，海底深度浅或出现危险纵倾时，应果断采取供气或抛弃可弃压载等措施，短时间内挽回深度和纵倾，确保潜艇和艇员的安全。

[1] 王文琦.潜艇艉升降舵卡舵事故的抗沉技术[J].舰船科学技术,1998(6)：14-18.

[2] 施生达.潜艇操纵性[M].北京：国防工业出版社,1995.

[3] 徐亦凡.潜艇操纵原理与方法[M].北京:兵器工业出版社,2002.