捆绑式鱼雷无人平台操纵性能仿真研究

王燕飞 张振山 江 帆

海军工程大学兵器工程系 武汉 430033

捆绑式鱼雷无人平台操纵性能仿真研究

王燕飞 张振山 江 帆

海军工程大学兵器工程系 武汉 430033

基于刚体空间六自由度运动方程，选取水平面Z型操舵机动、垂直面梯形操舵机动和水平面定常回转运动三种典型运动形式，对捆绑式鱼雷无人平台的操纵性能进行研究，仿真结果表明捆绑式鱼雷平台Z型操舵响应周期短，水平面回转半径小，操作性能优于常规设计平台。

捆绑式 鱼雷 操纵 水动力系数

与通用型无人水下航行器相比较，鱼雷无人平台在总体尺度、型线设计和组成部件等方面存在很大差异，故为了保证鱼雷无人平台具有良好的操纵性能，对其进行操纵性能预报是必不可少的。然而，对于具有六个自由度的鱼雷平台而言，在初始设计阶段对其空间运动情况进行精确预报通常是非常困难的，主要原因在于对影响鱼雷平台空间运动状态的非线性项水动力系数，通常需通过模型试验测定，而在尚不具备试验条件的初始设计阶段，只能根据经验公式对部分水动力系数进行估算，因此降低了操纵性能预报结果的精确度。

通过操纵性能预报，可以初步判定鱼雷平台总体布局的可行性，并有针对性地改进操纵面设计，故具有非常重要的意义。

1 捆绑式鱼雷平台系统组成

捆绑式鱼雷平台的组成子系统主要包括鱼雷及固定装置、动力系统、控制舱及舱室设备、电气设备、非耐压壳、舷外装置、全船系统、压载与补充浮力。其中，固定装置主要包括固定带、电爆管、液压扳机开关等。固定带用于固定鱼雷，电爆管用于解除绑定，液压扳机开关用于打开鱼雷扳机。固定装置平时用于固定鱼雷，在接收到发射信号后，能够启动鱼雷并自动解除绑定，使鱼雷得以自由航行。

2 鱼雷无人平台操纵运动方程

本文所采用的坐标系和符号规则引用文献［1］，鱼雷无人平台空间运动方程为标准的刚体运动方程式。

作用于鱼雷平台的外力（矩），表示成矢量形式

式中：FI+FG+FB+FF+FR+FT——惯性力（矩）、重力（矩）、浮力（矩）、非惯性流体动力（矩）、控制器舵力（矩）和螺旋桨推力（矩）。

2．1 流体惯性水动力

根据势流理论，以U表示速度矢量，Ω表示角速度矢量，并采用文献［2］中惯性水动力的张量表达方式，将鱼雷平台所受惯性水动力（矩）表示为

式中：FIj、MIj——流体作用于平台的惯性水动力

和力矩；

λji、λj+3，i、λli、λl+3，i——附加质量张量；εjkl——Ricci符号，

2．2 重力和浮力

重力和浮力在运动坐标系下的6个分量［1］为

式中：m——平台质量；

ρ——海水密度；

▽——平台排水体积；

θ——平台纵倾角；

φ——平台横倾角；

g——重力加速度；

xg、yg、zg——平台重心的横坐标、纵坐标和垂直坐标；

xb、yb、zb——平台浮心的横坐标、纵坐标和垂直坐标。

2．3 非惯性水动力

鱼雷平台所受非惯性水动力可分为线性和非线性两种情况，线性情况仅适用于小舵角和平台运动参数相对于初始状态的偏离很小的情况，通常情况下平台的运动状态不满足线性假设条件，故需考虑非线性的影响。

根据目前常用的表示方法，结合鱼雷平台的外形特征，并参考文献［1，3］中的水动力模型，将非惯性水动力表示为

式中：v——平台的横向速度；

w——平台的垂向速度；

p——平台的横倾角速度；

q——平台的纵倾角速度；

r——平台的回转角速度；

Rt（u）——航行阻力；

其余为平台的水动力系数。

2．4 控制器舵力

鱼雷平台的舵分为水平舵和方向舵，水平舵分为首舵和尾舵，因而可将控制器舵力表示为

式中：δ——方向舵舵角；

δs——尾升降舵舵角；

δb——首升降舵舵角；

其余为平台的水动力系数。

综合式（1）～（4），可以得到鱼雷平台空间运动时所受力及力矩的表达式，代入空间运动方程可得鱼雷平台空间操纵性运动方程。

3 鱼雷平台水动力系数

对于捆绑式鱼雷无人平台，在计算其水动力系数时，将捆绑鱼雷视为附体的一部分，在计算平台整体水动力系数时，取平台主体、平台附体、鱼雷三者水动力系数之和，经计算可得平台主要水动力系数见表1。

表1 捆绑式鱼雷无人平台水动力系数表

4 鱼雷平台操纵性仿真

不失一般性，选取水平面Z型操舵机动、垂直面梯形操舵机动和水平面操舵回转运动三种典型的运动形式进行操纵性能预报。

4．1 水平面Z形操舵机动

以10°／10°操舵机动为例，预报结果见图1。

图1 水平面Z型操舵预报图

4．2 垂直面梯形操舵机动

以操尾下潜舵5°为例，预报结果见图2。

图2 垂直面梯形操舵预报图

4．3 水平面操舵回转运动

以操方向舵35°为例，所得预报结果见图3。

图3 水平面回转运动预报图

5 结论

采用经验公式概略估算水动力系数的方法对平台操纵性能的预报结果反映了平台总体设计的基本状况。相比较而言，捆绑式鱼雷平台的操纵性能要优于常规设计平台，主要表现在Z型操舵的响应周期较短、水平面回转半径较小。这是因为捆绑式鱼雷平台的总体尺寸较小，方向舵的相对尺寸较大，舵效较好［4］。

在进行操纵性预报时，由于主要考虑了平台的线性水动力系数，忽略了非线性水动力项的影响，使预报结果的准确度受到影响。为了提高预报的精确性，需要对非线性水动力系数进行计算，神经网络方法是一种不错的选择［5］。由于影响刚体空间六自由度运动的非线性水动力系数较多，对其逐项进行计算是不经济的，可依据非线性水动力系数对操纵性能影响程度的原则进行取舍［2］，从而可在保证预报精度的基础上，达到简化计算量的目的，这有待进行进一步的研究。

［1］施生达．潜艇操纵性［M］．北京：国防工业出版社，1995：15-50，149-170．

［2］Debabrata Sen．A Study On Sensitivity of Maneuverability Performance on the Hydrodynamic Coefficients for Submerged Bodies［J］．Journal of Ship Research，2000，44（3）：186-196．

［3］中国船舶工业总公司．CB／Z 250-88潜艇操纵性设计计算方法［S］．北京：中国标准出版社，1988：8-12．

［4］王燕飞，张振山，张 萌．鱼雷无人平台初始设计阶段操纵性能预报［J］．舰船科学技术，2006，28（4）：61-63．

［5］唐晓光，刘祖源．基于神经网络的船舶操纵水动力预报［J］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2002，26（1）：25-27．

Research on the manipulation performance forecast of Binding Style Unmanned Torpedo Platform

WANG Yan-fei ZHANG Zhen-shan JIANG Fan
Dept．of Weapon Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033

The system compose of binding style unmanned torpedo platform is summarized．Based on the motion equations of rigid body for six degrees of freedom，three typical maneuvers are chosen to be the objects under study：horizontal zigzag maneuver，vertical trapezoid maneuver and horizontal turning circle maneuver．The simulation results show that the manipulation performance of binding style unmanned torpedo platform is better than that of traditional ones，with shorter response period and smaller radius of gyration．

binding style torpedo manipulation hydrodynamic coefficient

U674

A

1671-7953（2007）02-0111-03

2006-07-17

修回日期2006-10-04

王燕飞（1977—），男，博士生。