航速對(duì)潛艇操縱性影響分析

彭立程 胡坤 羅向前

（中國(guó)人民解放軍海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266199）

潛艇航速大小及變化速度對(duì)潛艇水下操縱有不同程度的影響。特別是當(dāng)潛艇面臨舵卡、艙室進(jìn)水等緊急情況時(shí)，及時(shí)改變潛艇航速對(duì)于挽回潛艇掉深具有不可替代作用。本文根據(jù)潛艇水下運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和符號(hào)規(guī)則，利用潛艇垂直面操縱運(yùn)動(dòng)方程及模型潛艇參數(shù)建立潛艇水下運(yùn)動(dòng)模型，采用Qt creator編程，對(duì)潛艇水下舵卡、艙室進(jìn)水兩種緊急情況進(jìn)行仿真，并利用Matlab對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行畫圖分析，制定了高速航行尾舵卡下潛舵與微速航行艙室進(jìn)水2種危險(xiǎn)情況的航速使用方案。

1.潛艇運(yùn)動(dòng)模型

1.1 潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)模型

本文采用國(guó)際水池會(huì)議（ITTC）推薦的和造船與輪機(jī)工程學(xué)會(huì)（SNAME）術(shù)語公報(bào)的體系確立坐標(biāo)系和符號(hào)規(guī)則[1]，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系與符號(hào)規(guī)則

坐標(biāo)系采用2種右手坐標(biāo)系：一是固定坐標(biāo)系E-ξηζ（簡(jiǎn)稱“定系”），固定于地球；另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系G-xyz（簡(jiǎn)稱“動(dòng)系”），隨艇一起運(yùn)動(dòng)，各坐標(biāo)軸均按右手系確定。

潛艇在水下航行時(shí)，除了火災(zāi)以外，最大的安全隱患來自舵卡和艙室進(jìn)水兩方面[2]。操艇人員應(yīng)適當(dāng)?shù)拇胧?，如增速、停車減速、倒車和吹除潛艇主壓載水艙等措施挽回潛艇[3]。本文重點(diǎn)對(duì)潛艇進(jìn)行大舵角與中、高速等強(qiáng)機(jī)動(dòng)工況進(jìn)行研究，因此采用垂直面操縱運(yùn)動(dòng)非線性方程式[4]：

式中：m為水下全排水量的潛艇質(zhì)量；u、w為潛艇沿坐標(biāo)軸Gx、Gz的運(yùn)動(dòng)速度；、為潛艇沿坐標(biāo)軸Gx、Gz的運(yùn)動(dòng)加速度；p、q為潛艇繞坐標(biāo)軸Gx、Gy的旋轉(zhuǎn)角速度；、為潛艇繞坐標(biāo)軸Gx、Gy的旋轉(zhuǎn)角加速度；X、Z為潛艇沿著坐標(biāo)軸Gx、Gz的力；M為潛艇沿著坐標(biāo)軸Gy的力矩；Iy為潛艇對(duì)坐標(biāo)軸Gy的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為潛艇的縱傾角；δb、δs為首、尾升降舵舵角；P為潛艇所受重力。

1.2 潛艇艙室進(jìn)水模型

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，潛艇艙室破損進(jìn)水時(shí)，其進(jìn)水流量為：

式中：AF為破口面積（m2）；r為海水比重（取1025 kg/m3）；C為水流經(jīng)破口時(shí)的收縮系數(shù)；Hin為破口處艙內(nèi)外壓頭差（m）；g為重力加速度（9.8m/s2）。

對(duì)Qin積分，得到破損艙室進(jìn)水量：

設(shè)潛艇破損艙距潛艇重心的位置為（x0,z0），則壓頭差Hin的表達(dá)式：

式中：p0為艙室的初始?xì)鈮海ㄈ∫粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）；V0為艙室的初始?xì)怏w容積（m3）；A為艙室平均底面積；H為艙室高度。

則潛艇的損失浮力：

假設(shè)潛艇破損引起的損失浮力ΔP作用于Gi(xGi,yGi,zGi)，由于其方向總是鉛垂，所以在定系中其分量為{0,0,ΔP}，經(jīng)定系到動(dòng)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，ΔP的分量在動(dòng)系的表達(dá)式為：

ΔP對(duì)動(dòng)系原點(diǎn)的力矩為：

2.航速對(duì)潛艇水下操縱運(yùn)動(dòng)影響分析

2.1 潛艇航速劃分及特點(diǎn)

潛艇航行過程中，倒車工況大多使用于緊急情況，進(jìn)車工況大致分為微速區(qū)、低速區(qū)、中速區(qū)和高速區(qū)。各速區(qū)特點(diǎn)如下：

微速區(qū)大多采用主電機(jī)經(jīng)航工作制。由于航速較低，消耗電量較小，較為省電，能有效延長(zhǎng)潛艇水下待機(jī)時(shí)間；螺旋槳轉(zhuǎn)速低，噪音較小，可以有效提高潛艇隱蔽性，適用于潛艇長(zhǎng)時(shí)間隱蔽航行。

低速區(qū)潛艇具有較好的操縱性，在適當(dāng)航速下可以較為準(zhǔn)確計(jì)算潛艇浮力差與力矩差，適用于潛艇下潛后行進(jìn)間均衡以及日常訓(xùn)練操作。

中速區(qū)潛艇具有較高航速與機(jī)動(dòng)性，適用于潛艇水面較長(zhǎng)距離航渡與水下較大強(qiáng)度的機(jī)動(dòng)。

高速區(qū)潛艇航速高，主電機(jī)耗電量大，螺旋槳噪音高，潛艇聽測(cè)能力受限，適用于潛艇緊急規(guī)避攻擊、動(dòng)力抗沉或短時(shí)間長(zhǎng)距離機(jī)動(dòng)。

2.2 潛艇航速對(duì)操舵的影響

潛艇水下航行過程中，通常情況下，用首舵控制深度，尾舵控制縱傾，首、尾舵的作用效果隨航速而變，中、高速主要用尾舵；微速、低速主要用首舵。采用1.1中坐標(biāo)系與公式以及模型潛艇參數(shù)進(jìn)行編程，仿真條件：潛艇初始深度200m，分別在微速、低速、中速、高速條件下，首舵操下潛滿舵，其深度變化曲線如圖2所示；潛艇初始深度200m，分別在微速、低速、中速、高速條件下，尾舵操下潛10°，其深度變化曲線如圖3所示。

圖2 不同航速首舵下潛滿舵深度變化圖

圖3 不同航速尾舵下潛10°深度變化圖

由圖2、圖3可知，潛艇首、尾舵操下潛舵一定舵角時(shí)，潛艇深度變化隨航速增大而增大，并且在中、高航速時(shí)，潛艇在50s～100s便可達(dá)到300m深度，由此可以得到，中、高速區(qū)遭遇舵卡情況時(shí)，尾舵卡對(duì)潛艇安全威脅最大，留給潛艇指揮員的處置時(shí)間非常短，需要迅速做出決策。

2.3 潛艇航速對(duì)均衡的影響

潛艇水下航行過程中，需要及時(shí)采用注（排）水與首尾調(diào)水的方式均衡潛艇。一般來講，微、低速航行時(shí)靜力起主要作用；中、高速航行時(shí)水動(dòng)力起主要作用。當(dāng)潛艇由高速轉(zhuǎn)換到低速時(shí)往往艇重，特別是微速航行，需要及時(shí)補(bǔ)充均衡。

潛艇水下遭遇艙室進(jìn)水情況時(shí)，由于水泵排水速度有限，大多情況下無法抵消艙室進(jìn)水對(duì)潛艇造成的影響，特別是首部艙室進(jìn)水對(duì)潛艇安全航行影響更大。采用公式（2）～（7）建立艙室進(jìn)水模型，仿真條件：潛艇初始深度200m，一艙破損面積0.05m2，進(jìn)水60t后堵漏成功，分別在微速、低速、中速、高速保持不變的情況下，采用操相對(duì)上浮舵并進(jìn)行應(yīng)急吹除中組挽回，其深度變化曲線如圖4所示。

圖4 不同航速下挽回一艙破損深度變化圖

由圖4可知，在微速與低速情況下，潛艇僅利用操舵與高壓氣吹除方式無法挽回潛艇深度；在中速與高速情況下，由于舵效較高，可以有效挽回潛艇深度，且航速越高挽回越迅速。

3.舵卡與艙室進(jìn)水情況下潛艇航速使用方案

由2.2、2.3可知，潛艇中、高速航行過程中，尾舵卡下潛舵較大舵角對(duì)潛艇航行安全影響較大；潛艇微、低速航行過程中，艙室進(jìn)水對(duì)潛艇航行安全影響較大。

3.1 高速航行尾舵卡下潛舵航速使用方案

潛艇高速航行時(shí)，由于水動(dòng)力起主要作用，當(dāng)尾舵卡下潛舵較大舵角時(shí)，會(huì)迅速導(dǎo)致潛艇首傾與深度增大，需立即降速，并采用首舵操上浮滿舵、高壓氣應(yīng)急吹除、均衡等措施挽回。舵卡仿真過程中，只需將舵角設(shè)定為某一值即可。仿真條件：潛艇初始深度200m，高速航行尾舵卡下潛舵20°，分別采用立即停車+吹除首組、立即停車+吹除中組、立即倒車+吹除首組、立即倒車+吹除中組，同時(shí)首舵操上浮滿舵進(jìn)行挽回，其深度變化如圖5所示。

圖5 高速挽回尾舵卡深度變化圖

由圖5可知，潛艇高速航行發(fā)生尾舵卡時(shí)，采用上述4種方案均可有效挽回潛艇掉深，且采用立即倒車+吹除首組方案挽回效果最好。

3.2 微速航行遭遇艙室進(jìn)水航速使用方案

潛艇微速航行時(shí)，由于靜力起主要作用，當(dāng)遭遇艙室進(jìn)水時(shí)，容易造成下潛慣性，若破損位置靠近艇首，還容易造成首傾慣性，需立即增速，并結(jié)合操相對(duì)上浮舵、高壓氣應(yīng)急吹除等措施進(jìn)行挽回。仿真條件：潛艇初始深度200m微速航行，一艙破損面積0.05m2，進(jìn)水60t后堵漏成功，分別采用立即增速、延遲10s增速，同時(shí)操相對(duì)上浮舵進(jìn)行挽回，其深度變化如圖6所示。

圖6 微速挽回艙室進(jìn)水深度變化圖

由圖6可知，潛艇微速航行遭遇艙室進(jìn)水時(shí)，采用上述四種方案均可有效挽回潛艇掉深，且采用立即增速+吹除首組方案挽回效果最好。

4.結(jié)語

本文通過分析影響航速變化快慢的原因、航速劃分及其特點(diǎn)、航速對(duì)操舵及均衡影響，得出以下結(jié)論：潛艇高速航行時(shí)尾舵卡下潛舵對(duì)潛艇航行安全影響較大；潛艇低速航行時(shí)艙室進(jìn)水對(duì)潛艇航行安全影響較大。針對(duì)上述危險(xiǎn)情況迅速改變航速是潛艇挽回掉深的關(guān)鍵，并制定了相應(yīng)挽回方案。