胡　坤，徐亦凡，張建華

(海軍潛艇學院,山東 青島 266042)

潛艇升降舵卡時高壓氣使用決策分析

胡坤，徐亦凡，張建華

(海軍潛艇學院,山東 青島 266042)

摘要：在潛艇垂直面運動數(shù)學模型的基礎上，仿真分析潛艇在不同航速下操單舵和操雙舵時的運動特性，對不同航速下的不同艉升降舵舵卡情況進行應急挽回操縱仿真實驗，通過比較，總結出潛艇必須使用高壓氣進行挽回的舵卡情況，提出舵卡時的高壓氣供氣方案，繪制成“艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”；通過對典型舵卡情況進行供氣挽回仿真實驗，驗證供氣方案的可行性。

關鍵詞：潛艇；舵卡；操縱；高壓氣

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升降舵是潛艇航行過程中改變和保持深度、縱傾的最基本、最有效，也是最常用的操艇裝置。在潛艇航行過程中，由于操縱上的錯誤、碰撞、武器爆炸、液壓失靈等原因，可能引起升降舵被卡的應急狀況。此時，潛艇易失去垂直面的操縱性。尤其在速潛、魚雷(導彈)發(fā)射后的機動，以及規(guī)避敵人的攻擊和搜索時，由于航速較高，一旦升降舵被卡住，潛艇極易形成危險縱傾而失去控制[1-2]。在這種緊急狀況下，為確保潛艇的安全和及時恢復潛艇的操縱性，應根據(jù)具體情況，采取有效措施進行應急操縱。為此，通過仿真分析，總結歸納出舵卡時的高壓氣供氣方案，以期為指揮員提供參考。

1潛艇垂直面運動數(shù)學模型

潛艇深度控制系統(tǒng)主要由艇體、升降舵舵機伺服系統(tǒng)和控制器組成，可由圖1所示的多輸入(艏、艉舵角)和多輸出(深度、縱傾角)控制系統(tǒng)框圖表示。

ξ0-給定深度值；ξ-實際深度值；θ0-指定縱傾角；θ-實際縱傾角；Uk-控制器的輸出；δk-舵機系統(tǒng)的輸出值；ω-波浪干擾力(矩)；e1-深度偏差值；e2-縱傾角偏差值圖1　潛艇深度控制系統(tǒng)

針對潛艇的垂直面運動，假設軸向速度為恒值，其他軸向和橫向參數(shù)為零，此時潛艇垂直面運動可以表示為[3-6]

式中：m——潛艇質(zhì)量；

P——靜載荷；

θ——縱傾角；

u,w,q——縱向速度、垂向速度、縱傾角速度；

δb,δs——艏舵舵角、艉舵舵角；

其余帶下標量為潛艇的水動力系數(shù)[7-8]。

2潛艇升降舵操縱特性仿真研究

以式(1)為基礎，采用C#語言編制潛艇垂直面運動操縱仿真平臺，通過仿真，分析模型潛艇分別在不同航速下操單舵和操雙舵時的運動特性。其中，圖2為不同航速下艏舵操上浮舵1°時的縱傾角和深度變化規(guī)律；圖3為不同航速下艉舵操下潛舵1°時的縱傾角和深度變化規(guī)律。

圖2　δb=1°時縱傾、深度變化

圖3　δs=1°時縱傾、深度變化

圖2、3所示的仿真結果表明：

1) 處于無縱傾定深航行的潛艇，當升降舵擺一固定小舵角時，在舵力作用下經(jīng)過一段非定常運動后，潛艇最終將以一定的縱傾角進入定常直線運動狀態(tài),且航速越高，穩(wěn)定縱傾角也越大。

2) 相同航速下條件，艉舵產(chǎn)生的舵力矩比艏舵產(chǎn)生的舵力矩大得多，操艉舵進入定常運動狀態(tài)時的穩(wěn)定縱傾角比操艏舵時大，從而使得潛艇在較大的縱傾角作用下深度變化迅速。因此，在實際操縱潛艇進行變深機動時，可利用艏舵控制深度，利用艉舵控制縱傾。當潛艇由于艙室破損等原因急劇掉深時，應立即增速，并操艉舵上浮舵使?jié)撏а杆佼a(chǎn)生較大的艉傾。

圖4為不同航速條件下操平行上浮舵(δb=1°，δs=1°)時潛艇的縱傾角和深度隨時間變化規(guī)律；圖5為不同航速條件下操相對上浮舵時(δb=1°，δs=-1°)潛艇的縱傾角和深度隨時間變化規(guī)律。

圖4　δb=1°，δs=1°時縱傾、深度變化

圖5　δb=1°，δs=-1°時縱傾、深度變化

圖4、5所示的仿真結果表明：

1) 潛艇操相同舵角的平行上浮(或下潛)舵時，盡管艏艉舵產(chǎn)生的舵力方向一致，卻并不能使?jié)撏Мa(chǎn)生上浮(或下潛)的運動效果，這是由于艉舵的力臂比艏舵長，相同舵角產(chǎn)生的舵力矩遠大于艏舵產(chǎn)生的舵力矩，從而使?jié)撏Мa(chǎn)生艏傾(或艉傾)潛浮運動；要使?jié)撏ё鰺o縱傾或較小縱傾的變深運動，可操平行上浮(或下潛)舵，并使艏舵舵角大于艉舵舵角；

2) 操相對舵具有很強的改變縱傾的能力，因此，當潛艇發(fā)生首部艙室或中部艙室破損的危險情況時，可立即操相對上浮舵抑制潛艇艏傾的形成，同時，適當?shù)聂簝A將有利于潛艇快速上浮，大大增強潛艇的抗沉能力。

3艉升降舵舵卡時高壓氣的使用分析

由上述仿真分析可知，相對于艉舵而言，艏舵距艇體水動力中心的距離較近，操舵產(chǎn)生的力矩較小，對潛艇縱傾的影響不大，而艉舵在操舵時能夠產(chǎn)生較大的舵力矩。相對于艏舵卡來說，艉舵卡對潛艇的航行影響更加危險，潛艇一旦在高速航行的時候發(fā)生艉升降舵被卡大舵角，將造成極其嚴重的后果，極易出現(xiàn)危險縱傾，最終導致潛艇發(fā)生沖出海面或碰撞海底(穿越極限深度)的災難性事故。因此本節(jié)僅針對不同航速下，艉舵卡在不同角度，單操艉升降舵控制潛艇的應急操縱過程進行仿真。

3.1艉舵卡上浮舵的挽回操縱

潛艇初始速度分別為8、10、12和14 kn，仿真時間t=20 s時艉升降舵卡上浮滿舵，22 s時下減速，目標速度4 kn，同時艏舵操下潛滿舵實施挽回操縱，向艏調(diào)水，浮力調(diào)整水柜排水，潛艇縱傾和深度變化見圖6。

圖6　不同航速時艉舵卡上浮滿舵，采用降速、均衡和艏舵控制潛艇的仿真結果

仿真結果表明：艉舵卡上浮滿舵時，若潛艇航速低于12 kn，則通過降速、均衡、艏舵操下潛滿舵的措施可以有效控制潛艇的深度，且縱傾不大于10°；當航速大于12 kn時，由于均衡系統(tǒng)調(diào)水和排水的速率較慢，導致均衡措施未完全起作用前，潛艇在舵卡力作用下會出現(xiàn)10°以上艉縱傾。

潛艇速度18 kn發(fā)生艉升降舵舵卡，舵卡角度分別為上浮10°、11°、12°和13°，延遲2 s采取“降速+均衡+艏舵下潛滿舵”的措施進行挽回，潛艇縱傾和深度變化見圖7。

圖7　速度18 kn，艉舵卡上浮舵，采用降速、均衡和艏舵舵制潛艇的仿真結果

仿真結果表明。潛艇采用最高航速18 kn航行，若艉升降舵卡上浮舵，則舵卡角度小于等于11°時，采取“降速+均衡+艏舵下潛滿舵”的措施可以控制潛艇艉傾在10°以內(nèi)，而不需使用高壓氣進行應急吹除；當舵卡角度大于12°時，將達到10°以上大縱傾，對潛艇安全航行構成嚴重威脅，這時必須及時向艉端主壓載水艙供高壓氣，防止危險縱傾的形成。

采用同樣的方法分別對潛艇初始速度小于18 kn時，艉舵卡不同上浮舵角的情況進行仿真，可以得出模型潛艇在不同航速下，艉舵卡上浮舵不同角度時，高壓氣使用需求情況統(tǒng)計表，見表1。

表1　艉舵卡上浮舵高壓氣使用需求統(tǒng)計表

注：“1”表示必須使用高壓氣挽回；“0”表示不需使用高壓氣。

3.2艉舵卡下潛舵的挽回操縱

潛艇初始速度分別為8、10、12和14 kn，仿真時間t=20 s時艉舵卡下潛滿舵，22 s時下令減速為4 kn，同時艏舵操上浮滿舵實施挽回操縱，向艉調(diào)水，浮力調(diào)整水柜注水，潛艇縱傾和深度變化見圖8。

圖8　不同航速時艉舵卡下潛滿舵，采用降速、均衡和艏舵控制潛艇的仿真結果

仿真結果表明，以低于12 kn速度航行時，若艉舵卡下潛滿舵，則通過迅速采取“降速+艏舵上浮滿舵+均衡”的措施進行挽回，能夠控制潛艇深度和縱傾在允許變化范圍之內(nèi)；當航速大于12 kn時，潛艇將在舵卡1 min后達到10°以上危險縱傾，且隨著航速的增加，該縱傾角將迅速增大。因此，若潛艇艉舵卡下潛滿舵，初始速度在12 kn以上時，為防止?jié)撏С霈F(xiàn)危險縱傾，應適時果斷向縱傾端主壓載水艙供高壓氣，消除舵卡力矩，挽回縱傾。

潛艇初始速度19 kn，艉舵分別卡下潛9°、10°、11°、12°，其他仿真條件同上，采用“降速+艏舵上浮滿舵+均衡”的措施進行挽回，縱傾和深度變化見圖9。

圖9　速度18 kn，艉舵卡上浮舵，采用降速、均衡和艏舵控制潛艇的仿真結果

仿真結果表明：以航速18 kn航行時，若艉舵發(fā)生舵卡故障，采用“降速+艏舵上浮滿舵+均衡”的措施進行挽回，則舵卡角度在12°以上時，在該措施作用下潛艇仍會出現(xiàn)10°以上大縱傾，此時需及時向首組壓載水艙供高壓氣挽回縱傾，并適時停止供氣和解除氣壓，防止?jié)撏С霈F(xiàn)反方向危險縱傾。

采用同樣的方法分別對潛艇初始速度為13～18 kn時，艉舵卡下潛舵11°以上舵角進行仿真，則可以得出模型潛艇在不同航速下，艉舵卡下潛舵不同角度時，高壓氣使用需求統(tǒng)計表，見表2。

表2　艉舵卡下潛舵高壓氣使用需求統(tǒng)計表

4艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求

綜合表1、表2，繪制成圖形，即可得“艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”，如圖3所示。

圖10　艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖

通過表2查得，若潛艇速度13 kn發(fā)生舵卡，則必須使用高壓氣進行挽回的艉舵卡角度為-26°～-30°。下面對舵卡值分別為-26°和-30°的挽回操縱情況進行仿真[9-10]，潛艇縱傾和深度變化如圖11所示：

圖11　速度13 kn，艉舵卡上浮滿舵，利用車、舵、氣和均衡系統(tǒng)控制潛艇

利用艉舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖，潛艇指揮員可以在潛艇發(fā)生艉升降舵卡的危險情況時，快速得出是否應利用高壓氣進行應急吹除的信息。若必須使用高壓氣挽回，則立即果斷供氣吹除，不錯過最佳供氣時機；若不需使用高壓氣挽回，則不采取供氣措施，以最大限度地節(jié)約高壓氣，避免浪費。

5結束語

當艉舵卡在高速大舵角時，將引起潛艇縱傾和深度將急劇變化，對航行安全構成嚴重威脅，必須及時采取措施進行挽回操縱。高壓氣作為潛艇一種重要的抗沉資源，對于控制潛艇深度和縱傾有著顯著效果，但是潛艇高壓氣儲量有限，既要合理使用，也要謹慎節(jié)約。為此，對潛艇不同航速下和艉升降舵卡挽回操縱進行仿真實驗，分析各挽回措施對縱傾和深度的控制效果，通過比較，得出各航速下必須使用高壓氣才能成功挽回的艉舵卡情況，繪制了“舵卡挽回操縱高壓氣使用需求圖”供實際操艇時參考使用。根據(jù)仿真結果和實際操艇經(jīng)驗，提出了避免出現(xiàn)危險舵卡事故的安全航行操艇建議。

參考文獻

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Research of Submarine High Pressure Air Usage Decision During Stern Rudder is Jamming

HU Kun, XU Yi-fan, ZHANG Jian-hua

(Navy Submarine Academy, Qingdao Shandong 266042, China )

Abstract:Based on the mathematical model of the submarine vertical movement, the motion characteristics are analyzed when the submarine steers single rudder and double rudders in different speeds. The retrieve operation when the stern rudder is jamming in different speeds is simulated to summarize the situation that the submarine has to use high pressure air to retrieve the rudder-jamming and put forward high pressure air supply scheme. The figure of using high pressure air to retrieve stern rudder-jamming is drawn for the commander. The simulation results verify that the high pressure air supply scheme is feasible.

Key words:submarine; rudder-jamming; maneuver; high pressure air

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.040

收稿日期：2015-11-06

基金項目：武器裝備軍內(nèi)科研項目(HJ-506-2014)

第一作者簡介：胡坤(1979—)，男，博士，講師

中圖分類號：U674.7；TG156

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0180-05

修回日期：2015-11-24

研究方向:潛艇操縱性與武器系統(tǒng)仿真與實驗技術