潛體水下強(qiáng)機(jī)動(dòng)損失浮力時(shí)挽回操縱仿真研究

張 平,胡 坤,張建華,王輝波

(海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199)

0 引言

隨著潛體使命任務(wù)的拓展,潛體水下強(qiáng)機(jī)動(dòng)已成常態(tài)。潛體在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,為占領(lǐng)陣位、脫敵或者規(guī)避敵攻擊,通常采用高航速機(jī)動(dòng)、大縱傾變深、大舵角變向,這種高速變深變向的過(guò)程被稱為潛體強(qiáng)機(jī)動(dòng)。潛體在強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中,由于管路破損、固殼破損等原因,會(huì)突發(fā)艙室進(jìn)水險(xiǎn)情,導(dǎo)致潛體發(fā)生大縱傾,引發(fā)潛體深度急劇增大,也稱潛體掉深,嚴(yán)重威脅潛體生命力,利用合理有效操縱手段挽回掉深,對(duì)于保障潛體生命力、戰(zhàn)斗力具有十分重要的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用價(jià)值。研究水下強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中潛體在損失浮力狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)特性及挽回操縱方法,已經(jīng)成為提升潛體履行使命任務(wù)和提高生存能力亟需解決的課題。本文中以某潛體為研究對(duì)象,通過(guò)理論分析、模擬仿真,研究了潛體強(qiáng)機(jī)動(dòng)損失浮力過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性,分析了不同挽回方法對(duì)潛體縱傾、深度等姿態(tài)位置信息的作用效果,分析了潛體水下強(qiáng)機(jī)動(dòng)損失浮力的挽回操縱方法。

1 潛體強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程

由于任務(wù)需求,潛體需在短時(shí)間內(nèi)由某一空間區(qū)域向另一空間區(qū)域展開,展開過(guò)程中潛體以較高航速、較大縱傾進(jìn)行強(qiáng)機(jī)動(dòng)。強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程可以分為3種情況:一是高速變深,二是高速變向,三是在高速變深過(guò)程中同時(shí)變向。高速變深過(guò)程中發(fā)生管路破損會(huì)引發(fā)潛體大幅掉深,特別是首部艙室進(jìn)水會(huì)形成較大首傾,引發(fā)潛體大幅掉深,對(duì)潛體航行安全影響最大,嚴(yán)重威脅潛體生命力。而單純變向過(guò)程僅涉及方向舵的使用,是在同一水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),故該過(guò)程中發(fā)生方向舵卡舵對(duì)于潛體威脅較小。變深同時(shí)變向由于方向舵的使用會(huì)減小潛體縱傾變化,避免潛體形成較大首傾,為此在該過(guò)程中發(fā)生管路破損險(xiǎn)情造成危害也要小于單純變深機(jī)動(dòng)?；谝陨戏治?本文中在挽回方法仿真研究過(guò)程中以潛體變深過(guò)程中首部艙室進(jìn)水為例展開研究。表1給出了潛體強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中航速和縱傾角指標(biāo),航速高于akn,縱傾角大于k°時(shí)即認(rèn)為潛體處于強(qiáng)機(jī)動(dòng)狀態(tài)。

表1 強(qiáng)機(jī)動(dòng)參數(shù)指標(biāo)

2 潛體強(qiáng)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)及控制模型

2.1 艙室進(jìn)水?dāng)?shù)學(xué)模型

潛體管路破損后海水由破損處進(jìn)入潛體艙內(nèi),形成自由射流。破損孔口尺寸與潛體所處深度、潛體長(zhǎng)度相比非常小,所以潛體破損進(jìn)水模型就是流體力學(xué)中的薄壁口出流模型[1]。

由伯努利方程可以得到進(jìn)水速率計(jì)算公式為

(1)

式中:μ表示破損口滯留系數(shù),一般取0.7;SG1表示破口面積;g表示重力加速度;H表示破口處壓頭差,初始值是破口深度。

將進(jìn)水速率積分即可得進(jìn)水量Q:

(2)

2.2 潛體損失浮力運(yùn)動(dòng)模型

本文中采用潛體6自由度強(qiáng)機(jī)動(dòng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,其縱向、垂向、縱傾及輔助數(shù)學(xué)模型如式(3)—式(6)所示[2-4]:

(3)

(W-B)cosθcosφ

(4)

(xGW-xBB)cosθcosφ-(zGW-zBB)sinθ

(5)

(6)

潛體損失浮力掉深時(shí)會(huì)出現(xiàn)攻角較大的情況,運(yùn)動(dòng)模型較定常運(yùn)動(dòng)模型有區(qū)別,本文將水動(dòng)力按泰勒級(jí)數(shù)展開到高階,潛體大攻角水動(dòng)力高階展開的表達(dá)式如下:

(7)

(8)

(9)

2.3 高壓氣吹除主壓載水艙排水模型

潛體艙室進(jìn)水時(shí)使用高壓氣系統(tǒng)吹除主壓載水艙,高壓氣進(jìn)入主壓載水艙后,氣體膨脹會(huì)將水艙內(nèi)主壓載水排出艙外,高壓氣膨脹率即為主壓載水排出速率[6-7]。

假定高壓空氣是理想流體,高壓氣膨脹時(shí)能量方程可寫為

(10)

假設(shè)潛體高壓氣進(jìn)入主壓載水艙后能迅速吹除,此時(shí)主壓載水艙內(nèi)氣體壓力等于出通?？谔幍暮Ｋ畨毫?則有

(11)

式中:P0為實(shí)時(shí)大氣壓強(qiáng);ρw為航行海區(qū)海水密度;hki為第i號(hào)壓載水艙通?？谔幍纳疃?g為重力加速度。

聯(lián)合求解式(10)、式(11),可以得出潛體主壓載水艙氣體體積膨脹率,該值即為高壓空氣吹除潛體主壓載水艙的排水速率

(12)

(13)

式中:xpi為第i號(hào)主壓載水艙的縱向力臂;zpi為第i號(hào)主壓載水艙的垂向力臂;θ為潛體縱傾角;ζ為潛體深度。

對(duì)式(12)進(jìn)行積分,可求得潛體高壓氣吹除主壓載水艙排水量Qi:

(14)

潛體主壓載水艙排水產(chǎn)生的浮力為

ΔW=∑Qiρwg

(15)

力矩為

ΔM=∑Qiρwgli

(16)

式中:li是相應(yīng)主壓載水艙距離潛體重心的長(zhǎng)度,將以上計(jì)算所得浮力及力矩代入式(3)—式(6),即可求得潛體適時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

2.4 升降舵數(shù)學(xué)模型

在潛體水下機(jī)動(dòng)過(guò)程中,將升降舵擺一個(gè)上浮舵或下潛舵時(shí),它會(huì)產(chǎn)生舵力及舵力矩。其表達(dá)式如式(17)、式(18)所示

(17)

(18)

式中:δ為升降舵舵角,從上式可以看出,升降舵角產(chǎn)生的舵力及舵力矩大小與潛體航速的平方成正比,航速越高,升降舵制造縱傾的能力以及產(chǎn)生正浮力的能力越強(qiáng)。

3 仿真結(jié)果與分析

潛體在強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中由于管路破損、固殼破損等原因易引起潛體水下艙室進(jìn)水,進(jìn)水主要通過(guò)通海管路及其附屬閥、填料函等破損引起。同時(shí),水下航行時(shí)2個(gè)及以上艙室同時(shí)發(fā)生管路破損進(jìn)水的情況也比較少見,進(jìn)水多以單個(gè)艙室進(jìn)水為主。因此,考慮單一艙室發(fā)生進(jìn)水事故的情況,進(jìn)水時(shí)間設(shè)定為T秒。根據(jù)潛體水下艙室進(jìn)水?dāng)?shù)學(xué)模型可知,在不同的破損面積下艙室進(jìn)水速率不同,根據(jù)潛體管路實(shí)際情況,對(duì)潛體最大直徑通海管路破損管徑進(jìn)行仿真研究。同樣,不同破損深度導(dǎo)致的潛體艙室進(jìn)水速度也不同,本文以Hm深度作為初始深度進(jìn)行仿真研究,仿真潛體初始航速采取akn。

由于進(jìn)水艙室不同所引起的負(fù)浮力作用點(diǎn)不同,產(chǎn)生的力矩不同,導(dǎo)致不同艙室進(jìn)水所引起的潛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同,其中首部艙室破損進(jìn)水后引起的縱傾力矩較大,易引起潛體大縱傾掉深更具備代表性。因此,在仿真時(shí)選取首部艙室作為對(duì)象進(jìn)行研究。在挽回操縱方法上堅(jiān)持精細(xì)化操縱理念,同時(shí)由于潛體高壓氣儲(chǔ)量有限,實(shí)際工作中在使用高壓氣進(jìn)行挽回操縱時(shí)應(yīng)堅(jiān)持合理使用、節(jié)約使用原則,既控制好高壓氣使用介入時(shí)機(jī),又控制好使用時(shí)間,在車舵能夠挽回潛體姿態(tài)與深度的情況下應(yīng)優(yōu)先使用車舵進(jìn)行操縱,在有限航行深度水域則應(yīng)綜合考慮車舵氣的使用。

采取應(yīng)急操縱方法包括以下3種:

方法A:采取操縱相對(duì)上浮滿舵+增速至bkn。

方法B:操縱相對(duì)上浮滿舵+增速至ckn。

方法C:操縱相對(duì)上浮滿舵+增速至ckn+首組壓載水艙吹除。

以上速度中a為初始航速,3種挽回方法中所采用航速滿足以下關(guān)系:a

以上3種挽回操縱方法,歸納起來(lái)可以分為兩大類,分別采用“車+舵”挽回方法和“車+舵+氣”挽回方法。其中方法A與B采用“車+舵”方法主要針對(duì)潛體高壓氣儲(chǔ)量不足或航行海區(qū)水深較大情況。方法C采用的“車+舵+氣”方法則主要針對(duì)潛體高壓氣儲(chǔ)量足或者航行海區(qū)水深較淺,需要在有限水深范圍內(nèi)挽回潛體情況。通過(guò)對(duì)損失浮力潛體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行分析,研究潛體挽回方法的作用效果并比較其優(yōu)劣。

3.1 采取方法A進(jìn)行挽回操縱研究

仿真初始條件為:潛體航行速度為akn,初始深度H米,最大直徑通海管路破損進(jìn)水,進(jìn)水時(shí)間t秒,總進(jìn)水量為m噸。圖1為采取操升降舵相對(duì)上浮滿舵、增速至bkn方法時(shí)潛體運(yùn)動(dòng)變化曲線。

圖1 操相對(duì)上浮滿舵+增速b kn潛體姿態(tài)變化曲線圖

圖1所示的分別為管路破損采取挽回方法后潛體的深度、航速、雙舵及縱傾變化情況。仿真結(jié)果表明:在航速akn、A艙進(jìn)水m噸情況下,潛體出現(xiàn)較大首傾,深度掉深較快。此時(shí)采用首尾舵操相對(duì)上浮滿舵,增速至bkn方法,可挽回部分首傾,對(duì)于潛體潛體姿態(tài)挽回有一定效果,但是由于A艙進(jìn)水量較大,在該航速下操相對(duì)上浮舵產(chǎn)生的舵力矩不足以制造更大尾傾,舵力無(wú)法承載艙室進(jìn)水量,深度無(wú)法保持,在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大掉深。因此,當(dāng)潛體在該航行狀態(tài)下發(fā)生管路破損進(jìn)水時(shí),操相對(duì)上浮舵結(jié)合增速至bkn的方式無(wú)法挽回潛體掉深及姿態(tài)。

3.2 采取方法B進(jìn)行挽回操縱研究

方案A采用增速至bkn無(wú)法挽回潛體縱傾及掉深。由前面分析可知,首尾升降舵產(chǎn)生的舵力及舵力矩與航速的平方成正比例關(guān)系。為此,在B方案中繼續(xù)提高潛體航速至ckn。圖2潛體初始運(yùn)動(dòng)條件與圖1相同,挽回方法采用方案B。

圖2 操相對(duì)上浮滿舵+增速c kn潛體姿態(tài)變化曲線

圖2仿真結(jié)果表明:增速至ckn后,由相對(duì)上浮舵制造的縱傾角在120 s內(nèi)由0.4增大至1.5,在較高航速下雙舵造縱傾能力明顯提升,潛體掉深由0.64減少至0.44,且有明顯挽回深度趨勢(shì)。以上結(jié)果表明在該損失浮力條件下,繼續(xù)增加潛體航速至ckn后操相對(duì)上浮舵產(chǎn)生舵力及舵力矩能夠挽回艙室進(jìn)水所造成的潛體掉深及首傾。

3.3 采取方法C進(jìn)行挽回操縱研究

潛體挽回過(guò)程中由于受航行海區(qū)水深限制,潛體指揮員希望在較短時(shí)間、盡量小的縱傾及掉深幅度內(nèi)將潛體挽回,潛體最大縱傾不得超過(guò)最大允許縱傾角,掉深深度不得超過(guò)該航行水域最大允許深度。針對(duì)以上限定條件,本文在采用操相對(duì)上浮滿舵、增速至ckn的基礎(chǔ)上,利用高壓氣吹除首組主壓載水艙,通過(guò)對(duì)首組壓載水艙的吹除來(lái)提供額外的尾傾力矩,同時(shí)減小潛體重力,以此來(lái)減小潛體掉深幅度。在實(shí)際工作中由于系統(tǒng)響應(yīng)及人因影響,高壓氣投入使用會(huì)有延遲,一般為10 s左右,本文高壓氣吹除時(shí)機(jī)設(shè)定在損失浮力后10 s,高壓氣供氣時(shí)長(zhǎng)為15 s。

圖3仿真結(jié)果表明:增加吹除首組主壓載水艙方法后,潛體掉深挽回時(shí)間減少至100 s,挽回時(shí)間較方案A、方案B大幅減少。挽回過(guò)程中潛體縱傾增大至2.1,說(shuō)明吹除首組主壓載水艙對(duì)于減小潛體的首傾力矩作用明顯。掉深幅度最大至0.41,且在100 s前后潛體航行深度便恢復(fù)到破損前航行深度。

圖3 操相對(duì)上浮滿舵+增速c kn +首組吹除潛體姿態(tài)變化曲線

由以上仿真可知,綜合使用增速、操相對(duì)上浮舵以及高壓氣吹除主壓載水艙方法,對(duì)于在深度受限水域航行的損失浮力潛體挽回效果較好,能夠在較短時(shí)間、較小掉深幅度內(nèi)將潛體姿態(tài)控制住。

依據(jù)以上3種挽回方法得到的仿真結(jié)果,將潛體掉深幅度、縱傾挽回大小、挽回時(shí)間綜合比較如表2所示。

表2 不同方法挽回值

4 結(jié)論

潛體在水下強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中航速較高,發(fā)生損失浮力時(shí)必然導(dǎo)致潛體短時(shí)間內(nèi)形成大縱傾及大幅度掉深。本文中通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析可總結(jié)歸納以下挽回操縱方法:

1) 潛體在強(qiáng)機(jī)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生損失浮力時(shí)應(yīng)迅速增速,以此來(lái)提高舵效及舵力矩。

2) 不論是在非受限水域還是受限水域,強(qiáng)機(jī)動(dòng)損失浮力時(shí)應(yīng)及早將高壓氣投入使用,挽回潛體縱傾及掉深。

3) 損失浮力時(shí)綜合使用增速、操舵以及使用高壓氣可有效縮短挽回時(shí)間,有效減小潛體掉深幅度,挽回潛體危險(xiǎn)首傾。