海洋拖曳系統(tǒng)對(duì)船舶操縱性能的影響

杜新

摘 要：海洋拖曳系統(tǒng)對(duì)于船舶來說，是必不可少的組成部分。在拖曳系統(tǒng)工作時(shí)，拖曳母船的操縱性能會(huì)受到拖攬張力的影響，所以需要采用相對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)方式和操作控制補(bǔ)償。文章針對(duì)海洋拖曳系統(tǒng)對(duì)船舶操縱性能產(chǎn)生的影響，具體的影響進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：拖曳系統(tǒng)；船舶操縱；對(duì)于性能的影響

拖曳母船、拖曳體以及拖纜是相互之間存在作用的整體。海洋拖曳系統(tǒng)作為一種水下探測裝置無疑是有效的，現(xiàn)在早就已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于海洋監(jiān)測、水聲對(duì)抗和海洋研究等諸多領(lǐng)域之內(nèi)，而且發(fā)揮著越來越不可或缺的作用。由于在拖曳系統(tǒng)工作時(shí)，其張力會(huì)對(duì)于拖曳母船的操作性能有所影響，故此，研究拖曳以及拖曳體對(duì)其拖曳母船操縱性能的影響，對(duì)于船舶在機(jī)動(dòng)時(shí)的操作船舵控制補(bǔ)償和機(jī)動(dòng)方式的選取具有重要作用。

1 船舶操作和拖曳系統(tǒng)的意義

1.1 船舶操縱的意義

所謂船舶操縱，是一種控制船舶能夠在水中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。最早的時(shí)候，操縱船舶的人們使用楫和櫓來推進(jìn)船舶并使之轉(zhuǎn)向。而帆船時(shí)期，船舶依靠風(fēng)力推進(jìn)。在使用船舵操控船舶時(shí)，并不能隨意改變方向或者后退，有著一定的限制。這種狀態(tài)一直維持到了十九世紀(jì)初時(shí)，蒸汽機(jī)輪的出現(xiàn)使船舶操縱進(jìn)入了機(jī)械推進(jìn)時(shí)代。船舶的推進(jìn)效率和倒船能力，自第一艘螺旋槳船在1845年成功橫渡大西洋時(shí)就開始逐漸提高，其船舵的效能也在隨之增加。近代以來，對(duì)于船舶操縱技術(shù)的要求也隨著船舶航速、通航密度以及船舶尺度的增大而日益提高。七十年代初，出現(xiàn)了能夠自身橫移或者原地掉頭的無船舵型港作拖船，以協(xié)助船舶操縱，從而將操縱的效率大大提高。現(xiàn)在船舶的操縱者會(huì)運(yùn)用推進(jìn)器、舵、錨、拖船、纜等，并且按照船舶的操縱性能結(jié)合著水域和風(fēng)等客觀性條件以便保證或者是改變其船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。船舶的操縱系統(tǒng)是一個(gè)大型的系統(tǒng)，主體就是操縱人、船舶以及環(huán)境三個(gè)小系統(tǒng)。如果要用圖表示，我們可以想象有兩個(gè)大小不等的圓形，大的當(dāng)做整體，而里面的小圈分成三個(gè)同等大小空間代表三個(gè)小系統(tǒng)，位于中間最小圈里的是“人”，也是其核心所在。其它也只是起到輔助作用。

1.2 拖曳系統(tǒng)的意義

在二十世紀(jì)的下半葉時(shí)期，是一個(gè)對(duì)海洋資源積極開發(fā)的時(shí)代。人們?yōu)榱四軌颢@取食品資源和工業(yè)原料，多種不同的拖曳裝置的研制與當(dāng)時(shí)在深海和近海的活動(dòng)緊密關(guān)聯(lián)。之后為了能夠?qū)⑸a(chǎn)率以及工作率有效提高，人們還將拖曳裝置應(yīng)用于搜索近海底的拖曳聲納、拖曳觀察儀器、海洋的自動(dòng)拖曳儀器、鋪設(shè)水下電纜的設(shè)備、自動(dòng)拖網(wǎng)系統(tǒng)等等方面。事實(shí)上，現(xiàn)在獲取海中食物的方法是與拖曳技術(shù)至今的發(fā)展改革有著密切關(guān)系的。在最早開發(fā)物質(zhì)資源時(shí)，物質(zhì)資源十分豐富，直接拖網(wǎng)沿著海底進(jìn)行運(yùn)動(dòng)就有收獲。將網(wǎng)子的尺寸加大，而應(yīng)用的導(dǎo)航定位探測魚群以及深海系統(tǒng)拖網(wǎng)捕魚系統(tǒng)都要求將拖曳深度、拖曳速度提升。以這樣不停試驗(yàn)改進(jìn)的方式觀察得到漁網(wǎng)的各方面數(shù)據(jù)，從而加速調(diào)整新漁網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，加快找尋創(chuàng)建先進(jìn)的捕捉海洋生物方式?，F(xiàn)代拖曳系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件具有一定的高效性、復(fù)雜性和可靠性，但是因?yàn)橐恍┮蛩貐s也同時(shí)限制了設(shè)計(jì)方法本應(yīng)有的飛速發(fā)展。大致可分為如下四點(diǎn)主要原因：（1）拖網(wǎng)裝置在波浪上時(shí)的性能參數(shù)；（2）拖纜腐蝕部分的變化；（3）運(yùn)輸船升力平面的攻角變化；（4）拖船沿航線、速度變化方向在機(jī)動(dòng)時(shí)的性能參數(shù)等各方面。

我們?cè)跁簯B(tài)動(dòng)力學(xué)與拖網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)過程中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這樣可以把成本降低、縮短周期，并且在這樣的情況下提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。水下拖曳系統(tǒng)的發(fā)展趨向?yàn)椋簻p少船舶噪聲，降低由水介質(zhì)吸收和混響引起的信號(hào)衰減，改善了求解深度的方法，這種方法考慮了減少在海底拖曳時(shí)的波前變形。

2 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了使建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性更方便被描述，在本文當(dāng)中，一共引入了四個(gè)右手直角坐標(biāo)系。習(xí)慣性坐標(biāo)EMNQ，在水面的任意一個(gè)點(diǎn)選取作為原點(diǎn)E，M軸方向是不定的，不需要定點(diǎn)選擇。但是一旦在選定之后，相對(duì)于地球就是固定的，N軸垂直向下，同時(shí)與Q軸垂直；拖船隨體坐標(biāo)系為Bxbybzb，在原點(diǎn)S位正于船舶的重心處，xs垂直于中縱剖面，以指向右舷為正，xs軸垂直于船舶中的橫剖面，以指向船艏為正，zs軸垂直于水線面，以指向龍骨為正；拖纜局部坐標(biāo)系為Cxcyczc，xc為拖纜的切向方向，yc和zc為拖纜的2個(gè)法向；拖曳體隨體坐標(biāo)系為Bxbybzb，其3個(gè)軸方向的定義與船體隨體坐標(biāo)系一致。

2.1 拖曳船舶母船操縱運(yùn)動(dòng)控制方程

既是所謂船舶中借鑒分離式MMG操縱運(yùn)動(dòng)教學(xué)模式，

式中：R為船體坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣：φ、θ和ψ分別為拖曳體的橫搖角、俯仰角和偏航角；ZU為拖纜頂端拉力在拖曳母船YS軸的分力。將拖纜頂端張力轉(zhuǎn)換到拖船坐標(biāo)系的三個(gè)方向，則拖纜頂端張力產(chǎn)生的力矩可表達(dá)為：Mu=（Ku，Mu，Nu）T=ru×Tu。在這個(gè)公式當(dāng)中，RU為拖纜頂端在拖船坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)：Mu為Zu產(chǎn)生的力矩。

2.2 拖纜運(yùn)動(dòng)的控制方程

拖纜運(yùn)動(dòng)控制方程是采用的有限差分法，假設(shè)拖纜是為圓柱體、細(xì)長而柔性，且拉力隨著時(shí)間變化，根據(jù)拖纜上面的任意一點(diǎn)的力平衡，就可以得到矢量方程式為Y=（T，V1，V2，V3，α，β）T式當(dāng)中：標(biāo)量T 為拖纜張力V1、V2、V3分別為拖纜局部坐標(biāo)系下的3個(gè)速度分量；α、β 為拖纜局部坐標(biāo)與慣性坐標(biāo)之間的方向角。通過推導(dǎo)，拖纜的運(yùn)動(dòng)控制方程可寫成如下的偏微分方程：Mys=Nyt+q，式中：M、N、q為系數(shù)矩陣；t為時(shí)間。

2.3 拖曳體動(dòng)力學(xué)方程式

根據(jù)動(dòng)量和動(dòng)量矩方程，拖曳體的動(dòng)力學(xué)方程可以寫為ME=（τ1，τ2，τ3）T=rE×TE。在槳、舵操縱下的四自由度（縱向、橫向、橫搖、艏向）。

運(yùn)動(dòng)控制方程可寫為：

2π（TE+IP）n·=Q

式中：ms為船舶的質(zhì)量；ξG、ζG為船舶質(zhì)量中心在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；Iξ、Iζ分別為船舶繞ξ 軸和ζ 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；u、v、p、r分別為船舶的縱向速度、橫向速度、橫傾角速度和艏向角速度；X、Y 分別為作用在船舶的外力沿ξ 軸和η 軸方向的分力；K、N 分別為作用于船舶的外力對(duì)ξ 軸和ζ 軸的力矩；下標(biāo)H、R、P和U分別為船體、舵、槳和拖纜頂端；TE、IP分別為主機(jī)軸和螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Q為主機(jī)軸和螺旋槳所受的外力矩（包括水動(dòng)力矩和主機(jī)輸出扭矩）；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

3 海洋拖曳系統(tǒng)對(duì)船舶操作性能的影響

船舶操作性會(huì)直接影響海洋事故的發(fā)生，同時(shí)也會(huì)給海洋環(huán)境造成巨大影響。例如：1912年4月10日，泰坦尼克號(hào)撞上冰山沉沒；1984年的ITTC引用美國的海岸警衛(wèi)隊(duì)的報(bào)告，每年海上失事的船舶達(dá)兩百搜，其中35%都是由于操縱性引起的。拖曳系統(tǒng)能否正常運(yùn)行將直接影響船舶的操作性能。

3.1 拖曳系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律和影響因素

拖曳系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)它的每個(gè)元件如纜索部分、拖曳體等都會(huì)產(chǎn)生決定拖曳載荷的流體動(dòng)力。拖曳載荷可分為靜態(tài)拖曳載荷和瞬態(tài)拖曳載荷，其中靜態(tài)力對(duì)應(yīng)拖曳系統(tǒng)勻速穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，而瞬態(tài)力是在不穩(wěn)定拖曳、以及出現(xiàn)渦流破壞引起的作用在拖曳系統(tǒng)元件上的周期力時(shí)產(chǎn)生的。在流體動(dòng)力和重力作用下拖曳系統(tǒng)可保持相對(duì)的穩(wěn)定。同時(shí)具有波浪載荷所引入的影響和船舶振動(dòng)影響是船舶收放裝置的特征。拖曳系統(tǒng)在波浪上的最大運(yùn)動(dòng)速度超過了傳入的速度。因此在擴(kuò)散波條件下動(dòng)力學(xué)載荷主要取決于收放裝置和拖曳載體在波浪上的相對(duì)移動(dòng)。

3.2 在靜態(tài)水域中拖曳系統(tǒng)對(duì)船舶操縱性的影響

船舶在靜水中勻速直航時(shí)，拖纜在任意點(diǎn)上的拉力可通過對(duì)拉力的積分確定。拖纜拉力是由拖曳速度、拖曳系統(tǒng)的流體動(dòng)力參數(shù)和重量外形參數(shù)、以及拖曳系統(tǒng)平衡狀態(tài)參數(shù)決定的。拖纜的拉力是拖曳系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，它決定了拖曳系統(tǒng)的強(qiáng)度、壽命以及其它主要的操縱特性。發(fā)展和完善拖曳系統(tǒng)是提高施纜強(qiáng)度、降低作用其上的流體動(dòng)力載荷工作密切相關(guān)的。拖曳系統(tǒng)相對(duì)平衡位置偏離很小時(shí)，取消擾動(dòng)力后系統(tǒng)不能回到初始位置。出現(xiàn)上述情況時(shí)，拖曳系統(tǒng)在靜水中恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 在動(dòng)態(tài)海浪的水域中拖曳系統(tǒng)的影響

拖船的擺動(dòng)導(dǎo)致拖纜中出現(xiàn)很大的拉力動(dòng)態(tài)分量，這將限制拖曳速度。波浪中船舶承受多于兩種形式振動(dòng)同時(shí)作用。在安裝測量航行方向上速度的測速儀時(shí)出現(xiàn)的，這或者是垂直和滾轉(zhuǎn)方向的合成振動(dòng)，它稱為橫向振動(dòng)或者是垂直和俯仰方向的合成振動(dòng)，它稱為縱向振動(dòng)（與波浪反向）。在船舶相對(duì)波浪的任意位置上都能出現(xiàn)復(fù)雜的組合振動(dòng)。不同的水文氣象條件下，在世界海洋的大陸架和深海區(qū)域里進(jìn)行測量，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，測量系統(tǒng)載體振動(dòng)強(qiáng)度與測量元件自己振動(dòng)強(qiáng)度間的相互關(guān)系在儀器下潛深度迅速增加時(shí)保持不變。載索和懸掛在載索上的測量儀器在一定條件下能增強(qiáng)擾動(dòng)，這種擾動(dòng)是通過海洋系統(tǒng)載體傳播到測量元件上的，它還將導(dǎo)致水文物理參數(shù)的嚴(yán)重失真。

3.4 選擇合理拖曳系統(tǒng)的重要性

在設(shè)計(jì)拖曳系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)滿足于以下要求：確定研制系統(tǒng)的用途、結(jié)構(gòu)和使用條件。指定的要求常常非常矛盾，即改善一些參數(shù)將導(dǎo)致另一些參數(shù)變壞。對(duì)于海洋開發(fā)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的課題暫時(shí)還沒有得到解決。必須從大量拖曳系統(tǒng)的主要參數(shù)中分離出少量可進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)，但是實(shí)際上拖曳系統(tǒng)許多設(shè)計(jì)參數(shù)的變化區(qū)間是有一定限制的。通常拖曳速度與天線用途和拖曳設(shè)備的能力有關(guān)，拖曳載體的殼體尺寸是由安裝在其上的儀器設(shè)備的輪廓、質(zhì)量決定。拖纜直徑取決于它的強(qiáng)度特性，拖纜長度由拖曳載體的要求深度行程決定，但常常受到加工條件、以及拖船上卷揚(yáng)機(jī)卷盤容積的限制。拖曳系統(tǒng)的各種參數(shù)限制也由拖船在控制程度、收放設(shè)備的布局和運(yùn)營方面的能力確定。選擇合理的拖曳系統(tǒng)，以保證船舶的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

海洋拖曳系統(tǒng)會(huì)在工作時(shí)，影響傳播的操縱性。其主要表現(xiàn)為拖曳系統(tǒng)在靜態(tài)水域和波動(dòng)海浪水域中兩方面所產(chǎn)生的不同影響，在力的相互作用下，海洋拖曳系統(tǒng)對(duì)船舶操縱性的影響也會(huì)呈現(xiàn)出多種形式。拖曳的不穩(wěn)定狀態(tài)將導(dǎo)致大的拖索拉力偏差、拖曳載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)偏差，鑒于渦流端面引起的振動(dòng)現(xiàn)象，拖曳系統(tǒng)將出現(xiàn)危險(xiǎn)，而拖船的擺動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致拖纜中出現(xiàn)很大的拉力動(dòng)態(tài)分量，從而限制拖曳速度。所以保持拖曳的穩(wěn)定性對(duì)保證傳播的安全至關(guān)重要，這就需要我們通過更科學(xué)的科技手段來改善拖曳系統(tǒng)，從而提高船舶的操縱性能，保證航船的順利運(yùn)行，提高安全質(zhì)量。

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