潜艇操纵控制技术的现状及发展

2013-04-01杨彦涛

船电技术 2013年4期

关键词：方向舵升降舵潜艇

杨彦涛

潜艇操纵控制技术的现状及发展

杨彦涛

(海军驻武汉461厂军事代表室，武汉 430084)

介绍了潜艇操纵控制系统的发展和应用现状，展望了其发展趋势。

潜艇操纵控制

0 引言

潜艇在水下航行时，是一个具有六自由度的空间运动体，其控制手段主要有“主推进控制系统”、“由通海阀、通气阀及高低压吹除阀等组成的潜浮控制系统”、“由方向舵、艏、艉升降舵构成的操舵控制系统”、“由浮力调整排（注）水装置、纵倾平衡移水装置构成的均衡系统”等。随着航速的提高、作战空间的扩大和武器系统的发展，以往分散布置、独立工作，依靠口令协调的操纵模式已远远不能满足现代化潜艇和海战的要求，世界各国先进潜艇都大力发展装备集所有控制装置于一体的“潜艇操纵控制系统”，国外称为SCS（Steering Control System），或称为“潜艇操纵控制中心” SCC（Submarine Control Center），而且自动化程度越来越高，以适应不断提高的潜艇生命力、续航力、武器发展的需要。

1 潜艇操纵控制系统的发展与应用现状

1.1 常规操纵面潜艇的操艇系统

早在上世纪六十年代初，美国就开始了潜艇集中控制系统（即“沙比克”系统）的研究和试验，该系统包括了“航速控制”、“导弹补重控制”、“方向舵和升降舵控制”、“无航速悬浮控制”、“主压载（即潜浮系统）控制”以及“均衡（浮力调整和纵倾平衡）控制”等，是一套完整的潜艇操纵控制中心。从其实现功能看，其设计思想的先进性体现在：信息集中处理、实现单人操纵、提供所需的专用装置、具备多种操纵方式、注重综合显示。

美国的研究为世界各国新一代潜艇操纵控制系统奠定了基础。以法国为代表的英、意、瑞典等西方各国都研制成类似的集“车”、“舵”、“水”控制于一体的“集中控制系统”，如法国的“PIC” 系统及其改进型，早已从八十年代开始就装备了“阿哥斯塔”、“红宝石”、“兰宝石”等各型潜艇，而且由“手动”、“自动”兼顾的设计思想，变为以“自动”为主的设计和使用思想。美国先进的“狼鱼”级潜艇也大量采用了自动化集中控制技术，其操纵控制设备的先进性和可靠性设计上超过了英、法等国，思想观念上有了重大变化，并且设备的可靠性已得到较好的保证。

1.2 “X”艉操纵面潜艇的操艇系统

二战后，西欧各国受有关条约的限制，以发展中小型常规潜艇为主，用于近海防御，故大力开展了常规潜艇集中控制系统的研制，着重提高自动化程度，减少人员编制，其中以瑞典、意大利为代表，其特点是“X”艉操纵面潜艇的自动控制。“X”形艉操纵面（简称X舵）是将原艉部成 “十”字型布置的稳定翼连同方向舵和艉升降舵同时转动45°布置，而且分成4个舵叶分别控制，其优点是：实现横倾控制、有效解决“围壳舵逆速”和“艉舵超宽”问题、降低舵卡造成的危险等。

瑞典SAAB公司研究和生产“潜艇集中控制系统”已有40年的历史，主要器件应用了航空工业的成果，从1960年至今完成了五次更新。第一代是单人操纵航向和深度的“联合操舵仪”，装于1960年服役的“DRAKEN”级潜艇；第二代为改进和扩展了功能的潜艇“集中控制系统”，增加了纵倾和浮力不均衡量的自动解算和主推进电机转速遥控，装于1965年服役的“DJOORMEN”级潜艇（A12），这时已改为X舵；第三代为“SCC-200潜艇集中控制系统”，功能未变，但采用了计算机控制，装于1980年服役的“NAKAN”级潜艇（A14），为X舵潜艇；第四代为“SCC-200II型潜艇集中控制系统”，采用了二套8086微机和双轴速率陀螺仪（检测航向和纵倾角速度），并改进了软件，增强了报警功能，1986年装于瑞典的四条“VASTERGOTLAND”级潜艇（A17），1990年向挪威出口，装备了六条“ULA”级潜艇，均为X形舵潜艇，定员23人；第五代为“SCC-200III型潜艇集中控制系统”，主要改进是采用了CRT屏幕显示器，装于澳大利亚SSK-471潜艇。此外，西德209型潜艇，排水量1000吨，也安装了集中控制系统，人员为31人；意大利为新型212潜艇研制的集中控制系统还具备了航迹自动控制功能；荷兰潜艇的SSCS型控制系统也是将方向舵、升降舵、自动均衡、主机遥控、以及蓄电池工况监视等集中起来，进行集中控制。

因此，相对美国来看，西欧常规型潜艇更重视潜艇操纵控制系统的集中化和自动化。

1.3 全分离“十”字艉操纵面潜艇的操艇系统

前苏联对潜艇操纵控制系统的研究也非常重视，战后第一代导弹潜艇（31型）上就装备了机电式航向和深度稳定仪，七十年代出口型“K”级潜艇（877和636）上就装备了方向舵和升降舵联合操纵的“ПИРИТ”联合操舵仪，在以后改进的新型“阿莫尔”潜艇及最新出口的潜艇上更换为计算机控制的操舵、均衡集中控制系统。

前苏联核潜艇操纵控制系统最突出的是对“全分离舵潜艇”的自动控制。由于“X”形艉操纵面最大的不足是与传统的操舵习惯不一致，手动操纵方式时难以掌握，为此，前苏联大型核潜艇采用两舷舵叶分开工作的围壳舵、方向舵和艉舵，成为全分离式操纵面潜艇，用独立的六套舵机分别推动六个舵叶，既保留了原“十”形艉操纵面的传统习惯，又兼有了“X”形艉操纵面的一些优点，资料表明：英国“机敏级”潜艇也采用了分离的艉舵，可控制潜艇横倾。

俄罗斯所研制的操纵控制装备具有更为集中、更为自动化、更加重视生命力、更加重视低噪声航行等先进的特点。

2 潜艇操纵控制系统的发展趋势

潜艇操纵控制系统将针对高航速、低噪声、大潜深、集成化、自动化、模块化等特点，向着智能化、专家化、可学习化、健康预测、故障诊断与容错控制等方向发展，大幅度提升系统的可靠性和可维修性，降低系统噪声，从而全面提升潜艇的机动性、生命力和战斗力。

2.1 集中控制和自动化控制

新型潜艇的操纵已摒弃了原有的“单机单控、依靠口令协调”的指挥和操艇模式，而将“主推进”、“辅助推进”、“方向舵和升降舵”、“均衡”、“主压载水舱”、“补重”、“悬停” 等与潜艇操纵相关的分系统和设备集中起来，实现集中指挥、集中控制、集中显示，并与全艇信息化系统联网，做到资源共享，满足武器发射时对潜艇航速、姿态、深度及航向控制要求，保证航行、作战、规避时的安全性，并提高指挥员及操作人员的快速反应、快速决策和快速执行的能力。

2.2 采用新的控制理论

随着微机性能的提高和广泛的应用，可以采用新的现代控制理论和滤波技术，能以尽量少的控制量达到最优的控制质量。

2.3 网络化设计

与全舰其他系统联网，做到信息资源共享，操纵指令直接传递，可按不同战术要求组成更高一级的系统，如“自动航行系统”、“作战指挥和自动操艇联网系统”等，虽然现代各国潜艇控制系统没有固定的模式和功能，大都是根据总体设计和作战要求而定。

2.4 提高硬件和软件的可靠性

根据操艇系统的重要性和无故障工作时间长的特点，采用了多种提高可靠性的手段，如：采用冗余设计、多种操纵方式、故障隔离、增强软件功能、良好的人机界面、网络化管理

2.5 操纵控制系统降噪技术

潜艇噪声不仅严重危害其“隐蔽性”，关系到潜艇的攻击能力和生存能力，还极大影响艇员的工作和休息，操艇系统的噪声源分析入手，针对性地开展风浪天气条件下的控制策略及参数整定研究、低噪声舵机及控制系统的研究、无航速潜艇控制技术研究等，有效降低噪声危害。

2.6 潜艇航行安全操纵界限技术

航行操纵安全性是潜艇操纵控制系统设计重点关注的特性，通过潜艇航行安全操纵界限图功能从操纵控制规则上避免安全性事故发生，此类措施是欧美先进潜艇操纵控制系统必备的安全性设计内容。在潜艇操纵性确定的条件下，潜艇操纵控制应受到一系列规则的限制，潜深/航速/艉升降舵/纵倾角等状态，依据航行安全、作战使用要求，相互之间存在一定的约束关系，绘制成曲线后就形成潜艇航行安全包络线，结合操艇系统配备和能力，嵌入到操舵系统之中，形成操艇的限制图，在接近或超出操纵安全界限时能进行保护，获取报警、提示及指引信息，避免危险航行状态，抑制事故发生。