潜艇尾升降舵卡住时高压气使用需求研究＊

张建华 徐亦凡 刘 洁

（海军潜艇学院研究生2队1） 青岛 266071） （海军潜艇学院作战指挥系2） 青岛 266071）（海军潜艇学院训练部3） 青岛 266071）

升降舵是水下操纵潜艇的主要工具，尤其在速潜、鱼雷（导弹）发射后的机动以及规避敌人的攻击和搜索时，由于航速较高，一旦升降舵被卡住，潜艇极易形成危险纵倾而失去控制［1］.潜艇的首舵或围壳舵，相对于尾舵而言，其距艇体水动力中心的距离较近，操舵产生的力矩较小，因此，发生首舵或围壳舵卡时，总能用操尾升降舵措施来克服其卡舵危害［2］，在研究潜艇舵卡问题时，也因此更加集中关注尾升降舵舵卡的挽回操纵问题［3］.当潜艇发生尾舵卡时，通常采取的应急措施有：减速（停车或倒车）、均衡、操方向舵满舵和操围壳舵满舵，或这几种措施同时使用［4］.为评判高压气在舵卡操纵中使用的必要性，必须进行较全面的尾舵卡挽回操纵仿真实验.仿真时，假设潜艇初始速度4～19 kn，舵卡角度±5～±30°，发生舵卡时间t＝20 s.

1 潜艇垂直面运动数学模型

若高速航行时尾升降舵发生大角度舵卡，则潜艇将会做大纵倾潜浮运动，该运动过程非常复杂，具有比较严重的非线性，因此仿真模型采用垂直面的非线性运动方程［5－6］.

2 尾舵卡上浮舵的挽回操纵仿真

2.1 尾舵卡上浮舵潜艇运动特性

1）潜艇速度4 kn，尾舵分别卡上浮10，15，20，25°和上浮满舵，不采取任何挽救措施，潜艇纵倾和深度变化曲线如图1所示.

图1 速度4 kn，尾舵卡上浮舵不同舵角运动特性

2）潜艇速度分别为4，8，12和16 kn时，尾舵卡上浮舵10°，不采取挽救措施，纵倾和深度变化曲线如图2所示.

图2 不同航速下，尾舵卡上浮舵10°运动特性

2.2 围壳舵下潜满舵挽回

仿真结果表明：4 kn航速下发生尾舵卡上浮舵，当卡舵角度小于等于18°时，操围壳舵下潜满舵可以控制潜艇深度；当卡舵角度增大至19°时，潜艇最终将以8.4°的稳定纵倾角做等速上浮运动.因此，当卡舵角度大于等于19°时，必须综合采取均衡措施，抵消舵卡产生的舵力和舵力矩，同时用围壳舵有效控制潜艇纵倾和深度.

图3 速度4 kn尾舵卡，围壳舵满舵挽回操纵效果

2.3 采用“均衡＋围壳舵操纵”措施挽回

1）潜艇4 kn航速发生尾舵卡上浮舵20，24，28°和上浮满舵，利用均衡系统和围壳舵进行挽回操纵，其纵倾和深度变化曲线如图4所示.

图4 速度4 kn尾舵卡，“围壳舵＋均衡”挽回操纵效果

仿真结果表明：若潜艇速度4 kn时发生尾升降舵卡上浮舵，则通过及时采取正确、合理的均衡措施，能够通过操纵围壳舵达到理想的控制效果，而不需要使用高压气进行吹除.

2）潜艇初始速度分别为8，10，12和14 kn，尾升降舵卡上浮满舵，延迟2 s下令减速，目标速度4 kn，同时围壳舵操下潜满舵实施挽回操纵，向首调水，浮力调整水柜排水，潜艇纵倾和深度变化曲线如图5所示.

仿真结果表明：尾升降舵卡上浮满舵时，若潜艇速度低于12 kn，则通过降速、均衡、围壳舵操下潜满舵的措施可以有效控制潜艇的深度，且最大纵倾角不超过10°；当航速大于等于12 kn时，在控制过程中，潜艇会出现10°以上尾纵倾.

3）潜艇初始速度12 kn发生尾舵卡，舵卡角度分别为上浮28°和29°，挽回措施与2）相同，则潜艇纵倾和深度变化曲线如图6所示.

图5 尾舵卡上浮满舵，“降速＋均衡＋围壳舵下潜满舵”挽回操纵效果

图6 速度12 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋围壳舵下潜满舵”挽回操纵效果

由该仿真结果并结合（2）的结论可知：速度12 kn时，需要使用高压气进行挽回操纵的尾舵卡上浮舵最小舵角为30°.

经过单次循环后，为本次循环返程路径上信息素的迹增量，其值等于符合式（1）的蚂蚁A（组团A）留在该路径上的信息素的迹浓度，即，其中：为符合式（1）的蚂蚁（组团）个数；表示第只蚂蚁在本次循环中留在路径上的信息素的迹浓度，为常量，表示第只蚂蚁经过路径的距离．

4）潜艇速度19 kn发生尾升降舵舵卡，舵卡角度分别为上浮10，11，12和13°，采取“降速＋均衡＋围壳舵下潜满舵”的措施进行挽回，潜艇纵倾和深度变化曲线如图7所示.

图7 速度19 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋围壳舵下潜满舵”挽回操纵效果

与3）类似，由仿真结果可知：潜艇19 kn航速时，需使用高压气进行挽回操纵的尾舵卡上浮舵最小舵角为11°.综合2），3）即可得出以下结论：潜艇在任意航速下尾舵卡上浮舵11°以内，或航速在11 kn以下尾舵卡任意上浮舵角，采取“降速＋均衡＋围壳舵下潜满舵”的措施进行挽回，潜艇都不会出现危险纵倾，且深度变化可控制在允许范围内，不需要使用高压气进行应急吹除.

3 尾舵卡下潜舵的挽回操纵仿真

3.1 围壳舵上浮满舵挽回

潜艇航速4 kn，尾升降舵分别卡下潜17°，18°和19°，用围壳舵上浮满舵保持操纵，潜艇的纵倾和深度变化曲线如图8所示.

图8 速度4 kn尾舵卡，围壳舵满舵挽回操纵效果

仿真结果表明：潜艇速度4 kn，尾舵分别卡下潜舵17°、18°和19°，仅用围壳舵操上浮满舵的措施挽回时，其稳定纵倾角分别为－7.9°，－8.4°和－9.0°.对于深度而言，当卡下潜舵17°时，利用围壳舵可以挽回潜艇深度；卡18°时，操上浮满舵恰可保持定深航行；当尾舵舵卡角度达到19°及其以上时，仅利用围壳舵将无法控制潜艇深度，而必须综合使用其他抗沉措施.

3.2 采用“均衡＋围壳舵操纵”措施挽回

1）潜艇速度4 kn，尾升降舵分别卡下潜20°，24°，28°和下潜满舵，用均衡系统和围壳舵进行挽回操纵，潜艇的纵倾和深度变化曲线如图9所示.

仿真结果表明：潜艇初始速度4 kn情况下发生尾升降舵大角度舵卡，通过采取正确合理的均衡措施后，利用均衡系统和围壳舵可以比较理想地控制潜艇的纵倾和深度，而不需要使用高压气进行挽回.

2）潜艇初始速度分别为10，12和14 kn，尾舵卡下潜满舵，采用“降速＋均衡＋围壳舵上浮满舵”挽回，潜艇纵倾和深度变化曲线如图10所示.

图9 速度4 kn尾舵卡，“围壳舵＋均衡”挽回操纵效果

图10 尾舵卡下潜满舵，“降速＋均衡＋围壳舵上浮满舵”挽回操纵效果

仿真结果表明：潜艇以低于12 kn速度航行时，若尾舵卡下潜满舵，则通过迅速采取“降速＋围壳舵上浮满舵＋均衡”的措施进行挽回，能够控制潜艇深度和纵倾在允许变化范围之内；当航速大于12 kn时，潜艇将在舵卡1 min后达到10°以上危险纵倾，且随着航速的增加，该纵倾角迅速增大.因此，若潜艇初始速度大于12 kn发生尾舵卡下潜满舵，为防止出现危险纵倾，应适时果断向纵倾端主压载水舱供高压气，消除舵卡力矩，挽回纵倾.

3）潜艇初始速度12 kn，尾舵分别卡下潜20°，25°和下潜满舵，采用“降速＋围壳舵上浮满舵＋均衡”的措施进行挽回，纵倾和深度变化曲线如图11所示.

4）潜艇速度19 kn发生尾升降舵舵卡，舵卡角度分别为下潜10°，11°和12°，采取" 降速＋均衡＋围壳舵上浮满舵"的措施进行挽回，潜艇纵倾和深度变化曲线如图12所示.

由假设3）和假设4）的仿真结果可知：潜艇尾舵卡下潜满舵时，需要使用高压气挽回的最低航速为12 kn；当潜艇初始速度19 kn时，需要使用高压气挽回的最小舵角为12°.

图11 速度12 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋围壳舵上浮满舵”挽回操纵效果

图12 速度19 kn尾舵卡，“降速＋均衡＋围壳舵上浮满舵”挽回操纵效果

4 舵卡挽回操纵高压气使用需求图

采用上述仿真方法，分别对潜艇初始速度13～18kn，尾舵卡11°以上各舵角的情况进行仿真，便可以得到潜艇不同航速下所对应的必须使用高压气进行舵卡挽回的最小卡舵角.

若用数字“1”表示必须及时向主压载水舱供高压气进行失事挽回的舵卡情况，“0”表示不需要使用高压气的情况，则可将潜艇各航速下发生尾升降舵卡，高压气使用情况列出（见表1），或绘制成如图13所示“舵卡挽回操纵高压气使用需求图”，以供处置舵卡事故进行挽回操纵时参考，潜艇操纵人员应熟练掌握和运用.

图13 舵卡挽回操纵高压气使用需求图

表1 潜艇尾升降舵卡高压气使用情况

当出现舵卡故障时，通过查表或查图，潜艇操纵人员便立即可知是否应采取供气措施进行挽回.对高压气这一重要抗沉资源，既做到“敢用”，即供气及时，不错过最佳供气时机；也做到“慎用”，即节约高压气，非必须情况不供气，以最大限度地节约高压气的消耗.

5 结 论

1）潜艇低速航行时发生尾舵卡小舵角，仅利用围壳舵即可控制潜艇纵倾和深度.

2）“减速＋均衡＋围壳舵操纵”的措施可以成功挽回潜艇速度低于12 kn时发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）若潜艇航速较高时（15～19kn）发生尾升降舵卡大角度（±20～ ±30°），则必须及时、正确使用高压气进行挽回，同时注意停止供气和解除气压的时机，防止潜艇出现反向危险纵倾，造成新的危险局面.

4）在实际操艇过程中，应尽量避免使用高速、大舵角进行机动.当发生舵卡险情后，应迅速判断危险等级、明确挽救方法、及时采取措施，将危害程度降到最低.

［1］徐亦凡.潜艇操纵原理与方法［M］.北京：兵器工业出版社，2002.

［2］克雷泊勒S L.关于潜艇水平舵卡和舱室进水的安全性以及潜艇操纵界限图的基本原则［C］／／第4届国际潜艇会议论文集，1995.

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

［4］王京齐，张纬康，施生达.潜艇尾操纵面卡住时的挽回操纵研究［J］.哈尔滨工程大学学报，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］施生达.潜艇操纵性［M］.北京：国防工业出版社，1995.