潜艇大攻角操纵运动预报

何春荣，赵桥生，马向能

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

潜艇大攻角操纵运动预报

何春荣，赵桥生，马向能

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

舱室破损进水是造成潜艇失事的主要险情之一。文中针对潜艇首部破损进水并采取应急吹除上浮时出现的大攻角运动状态，建立了潜艇大攻角操纵运动数学模型。通过数学模型中有、无考虑大攻角水动力修正的两种形式，对潜艇首部舱室破损进水的挽回操纵进行了仿真预报比较。仿真结果表明，潜艇在大攻角状态下的操纵运动预报，数学模型中考虑了大攻角水动力修正后的预报更加合理。而且，在潜艇舱室破损进水采取应急吹除挽回时，需要重点关注升降舵对纵倾的控制。

潜艇；操纵性；仿真；大攻角

1 引 言

潜艇在水中航行或战斗时，由于破损、碰撞造成舱室进水，也可能因操纵错误引起各舱口、鱼雷发射管进水，或因通海阀件、接头的泄露，引起浮力损失。当发生海损事故后若不及时采取应急措施，潜艇会迅速下沉，而且伴随出现危险纵倾，危及潜艇生命力。而通常采取的挽回措施是应急吹除上浮，并适宜配合使用车、舵挽回。然而，潜艇在应急吹除上浮过程中时常会出现较大攻角，极端状态下攻角甚至会接近90°。此时，在大攻角状态下的潜艇艇体流动严重分离、附体失速，致使潜艇水动力特性与常规机动状态存在显著区别。

国际上对大攻角问题的研究起步较早，几乎与潜艇空间运动的研究同步。俄罗斯在1967年提出了大攻角状态下模型水动力试验的横向雷诺数要求；1999年在伦敦召开的第六届国际潜艇学术会议上，法国国家航天研究院（ONERA）的法尔西[1]将大攻角飞行器操纵性数值计算方法应用到潜艇的运动分析中。而且，ONERA还在风洞中进行了潜艇大攻角模型试验，测量了潜艇在大攻角情形下的力和力矩。试验攻角从-80°至-10°，特征长度的雷诺数为106，试验结果表明潜艇大攻角时漂角对横滚力矩存在显著影响。2002年Bystrom[2]详细展示了瑞典国家哥德堡模型试验水池（SSPA）的模拟潜艇破损进水和吹除挽回模拟技术，并研究了不同潜深和不同破损状态下挽回方法。

国内的研究学者对大攻角水动力问题也做了诸多探索与尝试[3-6]。本文以潜艇大攻角状态下的拘束模型试验为基础，借助潜艇垂直面分离型模型方法[7]修正了潜艇在大攻角状态下的水动力，建立了潜艇大机动数学模型。针对潜艇首部舱室破损进水的应急工况，分别利用数学模型中有、无大攻角水动力修正的两种形式，对吹除首、中组压载水舱的操纵运动进行了仿真预报比较，并对吹除同时操尾舵控制纵倾的挽回过程实施了仿真模拟。

2 潜艇大攻角操纵运动数学模型

2.1 潜艇大机动数学模型的基本形式

本研究采用的潜艇大机动数学模型是以泰勒水池在1967年发布的潜艇六自由标准运动方程为基础，根据大攻角情况下潜艇的受力分析和拘束模型试验结果，适当补充了与大攻角有关的水动力项，同时还考虑了压载水舱应急吹除、破损进水以及舵机的操纵控制规律的模拟。其中操纵运动方程和机理模型包括：

（1）潜艇主体的运动规律，即潜艇大机动数学模型；

（2）各舵操舵角随时间的变化规律，即舵机的操纵控制规律；

（3）螺旋桨转速改变时，转速随时间的变化规律，即螺旋桨转速控制；

（4）舱室破损进水的数学模型；

（5）压载水舱应急吹除控制模型。

其中，在进行潜艇舱室破损进水事故和采取应急挽回措施后的运动模拟时，着重关注潜艇垂直面运动，形成的潜艇大机动数学模型的基本形式如下：

（1）轴向力方程：

（2）垂向力方程：

（3）俯仰力矩方程：

其中，〈〉中的水动力项为补充的与大攻角有关的水动力项，其表达式根据潜艇拘束模型试验结果确定。

2.2 潜艇破损口注水过程模拟

当模拟计算水从破损口灌注时，从破损孔注入的水最初积累在其所在位置的受损舱室内。假设任意时候水面都是水平的，每一舱是个具有合适台阶和一定透水性的圆柱体，则可静态估算每一舱室的水重心。潜艇水密舱壁分成了若干段，每段分成若干舱室。当一个舱室的水位比邻近舱室的舱壁高时，则水流入邻近舱室。

水从破损孔注入潜艇，孔的位置、面积损耗系数是确定的。通过计算表明，在采取挽回措施后，浮到水面或确定挽回失败时，进水量通常远小于耐压舱容量，因此按照自由进水来计算孔的流量qin，如下式所示：

式中：Cn是损耗系数（与破损面积和深度有关，一般取0.65～0.75）；Ac是破损孔的面积；ζc为进水孔内外压差水头，根据至静水面的局部水柱减去内部水柱，得到孔的压力；同时考虑艇纵倾影响，其计算公式描述为：

其中：ζ0为艇体坐标系原点深度（m）；xw为进水孔纵向坐标（m）；hin为舱内水位（m）。

舱内水位变化计算：

式中：S（in）h 破损舱截面积（m2）；Vin破损舱内水的体积（m3）。

因此，由于破损口注水引起的浮力变化为：

2.3 压载水舱应急吹除控制模型

潜艇压载水舱应急气吹除系统[9]是潜艇潜浮系统的重要组成部分，其功能是使潜艇由水下状态上浮至水上巡航状态，包括应急上浮和短路吹除等工作方式。尤其是在应急状况下，该系统是潜艇安全的重要保证。其基本工作原理是：利用储存在高压气瓶里的压缩空气，通过连接到各个压载水舱的管路，将压载水舱里的海水排出，使潜艇获得正浮力而上浮。

假定吹除过程中空气瓶内空气状态参数变化是一致的，排水过程中各压载水舱内排水速率按同样的比例进行，即各水舱同时排水完毕，故可将吹除用的高压气瓶组合并成一个大的高压气瓶，把从气源到主压载水舱的整个管系用一根等效长度为LD、等效直径为D的等截面管路代替，被吹除的所有压载水舱看成一个大的压载水舱，这样建立了应急吹除主压载水舱的简化物理模型。

潜艇主压载水舱吹除模型[2]以Laval喷管理论为基础，分成三部分：压载舱的压力变化和压载水舱排出的水，气瓶内气体以及来至高压气瓶的气流，计算如下所示：

（1）主压载水舱

（2）气瓶内数学模型

（3）质量流计算

以上各式中，气瓶中空气的质量为m，气瓶中空气减少的质量为mt，气瓶中空气的初始质量为m0，气体的质量流量记为w（t），R为气体常数；热容比γ=1.4；h为主压载水舱内通海口处水位；CB表示损失系数，AB为通海口面积；S（h）表示压载水舱的截面积；At是喷嘴的喉部面积；下标0表示初始时刻，下标t，k，B分别表示气瓶，主压载水舱和通海口。

2.4 潜艇大攻角水动力修正方法

潜艇在大攻角状态下，水流处于严重分离状态，作用于艇上的水动力、力矩受攻角影响变化剧烈，而且模型与实艇间附体失速、艇体分离区域等存在着显著的差异，模型试验结果已经无法直接应用于实艇。在航空领域，通常采用大尺度模型、实尺度模型和飞机飞行数据相关分析来实现大迎角的气动特性预报。而在潜艇大攻角状态水动力研究中，借助以艇体（H）、螺旋桨（P）、艉附体（R）和围壳舵（B）各自单独的水动力性能为基础，再加上H、P、R、B相互之间的水动力干扰来描述的潜艇垂直面分离型数学模型，在分析雷诺数对主艇体大攻角状态水动力影响规律、附体失速修正以及干扰因子预报方法的基础上，对模型大机动状态下水动力进行修正，预报获得实艇对应状态的水动力。应用垂直面分离型数学模型预报潜艇水动力方法如图1所示。具体预报方法[3]为：

首先，将模型试验获得的水动力试验结果按照垂直面分离型数学模型形式进行描述，即分离出艇体、附体和螺旋桨单独水动力以及对应的干扰系数；然后分别将艇体、附体和螺旋桨单独水动力和对应的干扰系数经过适当的修正和处理预报到实艇；主要包括：

（1）艇体水动力的影响修正，采用固定转捩技术提高试验数据的精度（提高约3倍的大攻角状态下模型横向雷诺数），减小模型试验雷诺数不足引起的差异，尽量获取潜艇模型湍流分离（T）状态下数据，作为实艇艇体的预报水动力数据。

（2）附体水动力和失速修正。先根据舵剖面翼型、实艇雷诺数和试验模型雷诺数，查阅雷诺数相关分析图谱确定舵法向力系数极值可延伸量ΔCF（）max；再采用一元三次函数将舵法向力系数外延，并补充失速后的数据和确定失速舵角；然后借助一元三次函数外延压力中心系数Cp，并计算舵轴力矩系数，从而获得实艇状态的附体水动力和失速结果。

（3）艇垂直面分离型操纵运动数学模型干扰系数可分为三类，第一类是艇体对附体的干扰系数：γB、lB、γR和 lR；第二类干扰系数为附体对艇体水动力的干扰：tB、aB、tR和 aR、tB、tR；第三类为螺旋桨对水动力的影响k。干扰系数由模型向实艇预报的关系可参考文献[7]。

最后在利用垂直面分离型数学模型和预报获得的实艇的艇体的预报水动力数据、附体水动力和失速结果以及干扰系数合成全附体状态水动力。

3 潜艇大攻角操纵运动预报

潜艇发生舱室破损进水事故时，危险性非常大，特别是在低速航行时首部舱室破损持续进水。此时，大都采取应急吹除的挽回措施。在挽回过程中应满足的指标为：最大纵倾角不超过安全性要求设定值，潜深在安全深度范围内。

假设初始条件为：潜艇已均衡好；处于等速无纵倾定深直航状态；初始舵角为零。在首部舱室破损进水时，吹除首、中组压载水舱，其挽回过程如图2所示，其中可以看出应急上浮过程中攻角大部分时间都处于大攻角状态。仿真结果表明，数学模型中未考虑大攻角水动力修正时，预报获得的航速、纵倾角均小于经过大攻角水动力修正后的结果。而从挽回效果判断可知，采用大攻角水动力修正的数学模型预报时，纵倾角超过最大纵倾角限制要求，其挽回结果是失败的；而水动力未经修正时的预报结果则为挽回成功。因此，在未考虑大攻角水动力修正的数学模型基础上进行潜艇破损进水应急吹除的挽回操纵过程模拟，其结果是偏于危险的。故预报潜艇大攻角机动状态下的操纵运动时，建议采用经过大攻角水动力修正后的数学模型。

从图2的仿真结果可知，在应急吹除上浮过程中，艇的纵倾角超过了潜艇安全性要求。所以在吹除的同时，并增加尾舵操控措施，充分利用尾升降舵来控制纵倾。以考虑大攻角水动力修正的数学模型为基础，对其挽回过程实施了仿真预报，结果如图3所示。从仿真结果可以看出，纵倾角控制在安全性要求的范围内，其挽回措施有效。

4 结 论

潜艇在首部舱室破损进水时，通常采取应急吹除紧急上浮的挽回措施。值得注意的是，潜艇在应急上浮挽回过程中，时常会出现大攻角，即攻角通常都比常规机动时大很多。通过以上仿真计算，我们得出：

（1）潜艇在大攻角状态下的操纵运动预报，数学模型中考虑了大攻角水动力修正后的预报更加合理。因此，在进行潜艇大攻角状态操纵运动预报时，建议采用考虑了大攻角水动力修正的数学模型。

（2）在应急上浮过程中要通过车、舵、气、水之间的联合控制来实施艇的挽回。同时需要合理安排吹除水舱的次序，以缩短潜艇上浮时间和保持适当的纵倾，也要注意升降舵以及均衡系统的使用，充分发挥它们在浮起过程中的姿态调节作用。

[1]Farcy D.Manoeuverability of submarines[C]//Warship’99:Naval Submarine 6.London,UK,1999.

[2]Bystorm L.Simulation of submarine recovery procedures in case of flooding[C]//Warship 2002,Naval Submarines 7.London,UK,2002.

[3]马向能.潜艇大攻角状态下水动力修正方法探讨[R].无锡:中国船舶科学研究中心科技报告,2007.

[4]金 涛,杨 枫,王京齐,龚亚樵.大攻角情况下破损进水潜艇水下机动[J].华中科技大学学报,2008,36(12):79-82.[5]徐世昌,齐力杰,王光辉.潜艇大攻角非稳定运动时的水动力计算方法[J].青岛大学学报,2004,17(1):44-47.

[6]刘正元.潜水器大攻角范围内运动的仿真[J].船舶力学,2005,9(2):54-59.

[7]何春荣,马向能.潜艇垂直面分离型数学模型及其干扰因子分析[J].船舶力学,2009,13(5):697-704.

[8]施生达.潜艇操纵性[M].北京:国防工业出版社,1995.

[9]戴余良.潜艇应急上浮操纵运动分析与控制技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.

Prediction of submarine maneuverability with high angles of attack

HE Chun-rong,ZHAO Qiao-sheng,MA Xiang-neng

(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

One major hazard is flooding,which causes the loss of a submarine.In this paper,a prediction method of submarine motion with high angles of attack is introduced when blowing main ballast.A mathematical model of high maneuver was established,which took into consideration the force and moment items due to high angles of attack.The results of simulation in two different models show that the model of high attack angles is suited for emergency blowing ascent.Also,it is essential to control the trim after emergency blowing by stern planes to reach the surface as quickly as possible.

submarine;maneuverability;simulation;high angle of attack

U664.82

A

1007-7294（2010）04-0340-07

2009-11-30

何春荣（1967－），男，中国船舶科学研究中心研究员。