潛艇操縱控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

楊彥濤

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潛艇操縱控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

楊彥濤

(海軍駐武漢461廠軍事代表室，武漢 430084)

介紹了潛艇操縱控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

潛艇 操縱控制

0 引言

潛艇在水下航行時(shí)，是一個(gè)具有六自由度的空間運(yùn)動(dòng)體，其控制手段主要有“主推進(jìn)控制系統(tǒng)”、“由通海閥、通氣閥及高低壓吹除閥等組成的潛浮控制系統(tǒng)”、“由方向舵、艏、艉升降舵構(gòu)成的操舵控制系統(tǒng)”、“由浮力調(diào)整排（注）水裝置、縱傾平衡移水裝置構(gòu)成的均衡系統(tǒng)”等。隨著航速的提高、作戰(zhàn)空間的擴(kuò)大和武器系統(tǒng)的發(fā)展，以往分散布置、獨(dú)立工作，依靠口令協(xié)調(diào)的操縱模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化潛艇和海戰(zhàn)的要求，世界各國(guó)先進(jìn)潛艇都大力發(fā)展裝備集所有控制裝置于一體的“潛艇操縱控制系統(tǒng)”，國(guó)外稱為SCS（Steering Control System），或稱為“潛艇操縱控制中心” SCC（Submarine Control Center），而且自動(dòng)化程度越來(lái)越高，以適應(yīng)不斷提高的潛艇生命力、續(xù)航力、武器發(fā)展的需要。

1 潛艇操縱控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 常規(guī)操縱面潛艇的操艇系統(tǒng)

早在上世紀(jì)六十年代初，美國(guó)就開始了潛艇集中控制系統(tǒng)（即“沙比克”系統(tǒng)）的研究和試驗(yàn)，該系統(tǒng)包括了“航速控制”、“導(dǎo)彈補(bǔ)重控制”、“方向舵和升降舵控制”、“無(wú)航速懸浮控制”、“主壓載（即潛浮系統(tǒng)）控制”以及“均衡（浮力調(diào)整和縱傾平衡）控制”等，是一套完整的潛艇操縱控制中心。從其實(shí)現(xiàn)功能看，其設(shè)計(jì)思想的先進(jìn)性體現(xiàn)在：信息集中處理、實(shí)現(xiàn)單人操縱、提供所需的專用裝置、具備多種操縱方式、注重綜合顯示。

美國(guó)的研究為世界各國(guó)新一代潛艇操縱控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。以法國(guó)為代表的英、意、瑞典等西方各國(guó)都研制成類似的集“車”、“舵”、“水”控制于一體的“集中控制系統(tǒng)”，如法國(guó)的“PIC” 系統(tǒng)及其改進(jìn)型，早已從八十年代開始就裝備了“阿哥斯塔”、“紅寶石”、“蘭寶石”等各型潛艇，而且由“手動(dòng)”、“自動(dòng)”兼顧的設(shè)計(jì)思想，變?yōu)橐浴白詣?dòng)”為主的設(shè)計(jì)和使用思想。美國(guó)先進(jìn)的“狼魚”級(jí)潛艇也大量采用了自動(dòng)化集中控制技術(shù)，其操縱控制設(shè)備的先進(jìn)性和可靠性設(shè)計(jì)上超過(guò)了英、法等國(guó)，思想觀念上有了重大變化，并且設(shè)備的可靠性已得到較好的保證。

1.2 “X”艉操縱面潛艇的操艇系統(tǒng)

二戰(zhàn)后，西歐各國(guó)受有關(guān)條約的限制，以發(fā)展中小型常規(guī)潛艇為主，用于近海防御，故大力開展了常規(guī)潛艇集中控制系統(tǒng)的研制，著重提高自動(dòng)化程度，減少人員編制，其中以瑞典、意大利為代表，其特點(diǎn)是“X”艉操縱面潛艇的自動(dòng)控制?！癤”形艉操縱面（簡(jiǎn)稱X舵）是將原艉部成 “十”字型布置的穩(wěn)定翼連同方向舵和艉升降舵同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)45°布置，而且分成4個(gè)舵葉分別控制，其優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)橫傾控制、有效解決“圍殼舵逆速”和“艉舵超寬”問(wèn)題、降低舵卡造成的危險(xiǎn)等。

瑞典SAAB公司研究和生產(chǎn)“潛艇集中控制系統(tǒng)”已有40年的歷史，主要器件應(yīng)用了航空工業(yè)的成果，從1960年至今完成了五次更新。第一代是單人操縱航向和深度的“聯(lián)合操舵儀”，裝于1960年服役的“DRAKEN”級(jí)潛艇；第二代為改進(jìn)和擴(kuò)展了功能的潛艇“集中控制系統(tǒng)”，增加了縱傾和浮力不均衡量的自動(dòng)解算和主推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速遙控，裝于1965年服役的“DJOORMEN”級(jí)潛艇（A12），這時(shí)已改為X舵；第三代為“SCC-200潛艇集中控制系統(tǒng)”，功能未變，但采用了計(jì)算機(jī)控制，裝于1980年服役的“NAKAN”級(jí)潛艇（A14），為X舵潛艇；第四代為“SCC-200II型潛艇集中控制系統(tǒng)”，采用了二套8086微機(jī)和雙軸速率陀螺儀（檢測(cè)航向和縱傾角速度），并改進(jìn)了軟件，增強(qiáng)了報(bào)警功能，1986年裝于瑞典的四條“VASTERGOTLAND”級(jí)潛艇（A17），1990年向挪威出口，裝備了六條“ULA”級(jí)潛艇，均為X形舵潛艇，定員23人；第五代為“SCC-200III型潛艇集中控制系統(tǒng)”，主要改進(jìn)是采用了CRT屏幕顯示器，裝于澳大利亞SSK-471潛艇。此外，西德209型潛艇，排水量1000噸，也安裝了集中控制系統(tǒng)，人員為31人；意大利為新型212潛艇研制的集中控制系統(tǒng)還具備了航跡自動(dòng)控制功能；荷蘭潛艇的SSCS型控制系統(tǒng)也是將方向舵、升降舵、自動(dòng)均衡、主機(jī)遙控、以及蓄電池工況監(jiān)視等集中起來(lái)，進(jìn)行集中控制。

因此，相對(duì)美國(guó)來(lái)看，西歐常規(guī)型潛艇更重視潛艇操縱控制系統(tǒng)的集中化和自動(dòng)化。

1.3 全分離“十”字艉操縱面潛艇的操艇系統(tǒng)

前蘇聯(lián)對(duì)潛艇操縱控制系統(tǒng)的研究也非常重視，戰(zhàn)后第一代導(dǎo)彈潛艇（31型）上就裝備了機(jī)電式航向和深度穩(wěn)定儀，七十年代出口型“K”級(jí)潛艇（877和636）上就裝備了方向舵和升降舵聯(lián)合操縱的“ПИРИТ”聯(lián)合操舵儀，在以后改進(jìn)的新型“阿莫爾”潛艇及最新出口的潛艇上更換為計(jì)算機(jī)控制的操舵、均衡集中控制系統(tǒng)。

前蘇聯(lián)核潛艇操縱控制系統(tǒng)最突出的是對(duì)“全分離舵潛艇”的自動(dòng)控制。由于“X”形艉操縱面最大的不足是與傳統(tǒng)的操舵習(xí)慣不一致，手動(dòng)操縱方式時(shí)難以掌握，為此，前蘇聯(lián)大型核潛艇采用兩舷舵葉分開工作的圍殼舵、方向舵和艉舵，成為全分離式操縱面潛艇，用獨(dú)立的六套舵機(jī)分別推動(dòng)六個(gè)舵葉，既保留了原“十”形艉操縱面的傳統(tǒng)習(xí)慣，又兼有了“X”形艉操縱面的一些優(yōu)點(diǎn)，資料表明：英國(guó)“機(jī)敏級(jí)”潛艇也采用了分離的艉舵，可控制潛艇橫傾。

俄羅斯所研制的操縱控制裝備具有更為集中、更為自動(dòng)化、更加重視生命力、更加重視低噪聲航行等先進(jìn)的特點(diǎn)。

2 潛艇操縱控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

潛艇操縱控制系統(tǒng)將針對(duì)高航速、低噪聲、大潛深、集成化、自動(dòng)化、模塊化等特點(diǎn)，向著智能化、專家化、可學(xué)習(xí)化、健康預(yù)測(cè)、故障診斷與容錯(cuò)控制等方向發(fā)展，大幅度提升系統(tǒng)的可靠性和可維修性，降低系統(tǒng)噪聲，從而全面提升潛艇的機(jī)動(dòng)性、生命力和戰(zhàn)斗力。

2.1 集中控制和自動(dòng)化控制

新型潛艇的操縱已摒棄了原有的“單機(jī)單控、依靠口令協(xié)調(diào)”的指揮和操艇模式，而將“主推進(jìn)”、“輔助推進(jìn)”、“方向舵和升降舵”、“均衡”、“主壓載水艙”、“補(bǔ)重”、“懸?！?等與潛艇操縱相關(guān)的分系統(tǒng)和設(shè)備集中起來(lái)，實(shí)現(xiàn)集中指揮、集中控制、集中顯示，并與全艇信息化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，做到資源共享，滿足武器發(fā)射時(shí)對(duì)潛艇航速、姿態(tài)、深度及航向控制要求，保證航行、作戰(zhàn)、規(guī)避時(shí)的安全性，并提高指揮員及操作人員的快速反應(yīng)、快速?zèng)Q策和快速執(zhí)行的能力。

2.2 采用新的控制理論

隨著微機(jī)性能的提高和廣泛的應(yīng)用，可以采用新的現(xiàn)代控制理論和濾波技術(shù)，能以盡量少的控制量達(dá)到最優(yōu)的控制質(zhì)量。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)

與全艦其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，做到信息資源共享，操縱指令直接傳遞，可按不同戰(zhàn)術(shù)要求組成更高一級(jí)的系統(tǒng)，如“自動(dòng)航行系統(tǒng)”、“作戰(zhàn)指揮和自動(dòng)操艇聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”等，雖然現(xiàn)代各國(guó)潛艇控制系統(tǒng)沒(méi)有固定的模式和功能，大都是根據(jù)總體設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)要求而定。

2.4 提高硬件和軟件的可靠性

根據(jù)操艇系統(tǒng)的重要性和無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用了多種提高可靠性的手段，如：采用冗余設(shè)計(jì)、多種操縱方式、故障隔離、增強(qiáng)軟件功能、良好的人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)化管理

2.5 操縱控制系統(tǒng)降噪技術(shù)

潛艇噪聲不僅嚴(yán)重危害其“隱蔽性”，關(guān)系到潛艇的攻擊能力和生存能力，還極大影響艇員的工作和休息，操艇系統(tǒng)的噪聲源分析入手，針對(duì)性地開展風(fēng)浪天氣條件下的控制策略及參數(shù)整定研究、低噪聲舵機(jī)及控制系統(tǒng)的研究、無(wú)航速潛艇控制技術(shù)研究等，有效降低噪聲危害。

2.6 潛艇航行安全操縱界限技術(shù)

航行操縱安全性是潛艇操縱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的特性，通過(guò)潛艇航行安全操縱界限圖功能從操縱控制規(guī)則上避免安全性事故發(fā)生，此類措施是歐美先進(jìn)潛艇操縱控制系統(tǒng)必備的安全性設(shè)計(jì)內(nèi)容。在潛艇操縱性確定的條件下，潛艇操縱控制應(yīng)受到一系列規(guī)則的限制，潛深/航速/艉升降舵/縱傾角等狀態(tài)，依據(jù)航行安全、作戰(zhàn)使用要求，相互之間存在一定的約束關(guān)系，繪制成曲線后就形成潛艇航行安全包絡(luò)線，結(jié)合操艇系統(tǒng)配備和能力，嵌入到操舵系統(tǒng)之中，形成操艇的限制圖，在接近或超出操縱安全界限時(shí)能進(jìn)行保護(hù)，獲取報(bào)警、提示及指引信息，避免危險(xiǎn)航行狀態(tài)，抑制事故發(fā)生。

2.7 新型操縱面的控制

為適應(yīng)潛艇操縱性的提高及新型操縱面的發(fā)展，研制新的控制系統(tǒng)，如“X”舵控制、全分離式“十”形舵控制等。

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Analysis of Submarine Steering Control Technology

Yang Yantao

(Naval Representatives Office in No. 461 Factory, Wuhan 430084, China)

U674.76

A

1003-4862（2013）04-0051-03

2012-08-31

楊彥濤（1966-），男，工程碩士，高級(jí)工程師。專業(yè)方向：船舶操縱控制技術(shù)。