潜艇升降舵卡时高压气使用决策分析

胡　坤，徐亦凡，张建华

(海军潜艇学院,山东 青岛 266042)

潜艇升降舵卡时高压气使用决策分析

胡坤，徐亦凡，张建华

(海军潜艇学院,山东 青岛 266042)

摘要：在潜艇垂直面运动数学模型的基础上，仿真分析潜艇在不同航速下操单舵和操双舵时的运动特性，对不同航速下的不同艉升降舵舵卡情况进行应急挽回操纵仿真实验，通过比较，总结出潜艇必须使用高压气进行挽回的舵卡情况，提出舵卡时的高压气供气方案，绘制成“艉舵卡挽回操纵高压气使用需求图”；通过对典型舵卡情况进行供气挽回仿真实验，验证供气方案的可行性。

关键词：潜艇；舵卡；操纵；高压气

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升降舵是潜艇航行过程中改变和保持深度、纵倾的最基本、最有效，也是最常用的操艇装置。在潜艇航行过程中，由于操纵上的错误、碰撞、武器爆炸、液压失灵等原因，可能引起升降舵被卡的应急状况。此时，潜艇易失去垂直面的操纵性。尤其在速潜、鱼雷(导弹)发射后的机动，以及规避敌人的攻击和搜索时，由于航速较高，一旦升降舵被卡住，潜艇极易形成危险纵倾而失去控制[1-2]。在这种紧急状况下，为确保潜艇的安全和及时恢复潜艇的操纵性，应根据具体情况，采取有效措施进行应急操纵。为此，通过仿真分析，总结归纳出舵卡时的高压气供气方案，以期为指挥员提供参考。

1潜艇垂直面运动数学模型

潜艇深度控制系统主要由艇体、升降舵舵机伺服系统和控制器组成，可由图1所示的多输入(艏、艉舵角)和多输出(深度、纵倾角)控制系统框图表示。

ξ0-给定深度值；ξ-实际深度值；θ0-指定纵倾角；θ-实际纵倾角；Uk-控制器的输出；δk-舵机系统的输出值；ω-波浪干扰力(矩)；e1-深度偏差值；e2-纵倾角偏差值图1　潜艇深度控制系统

针对潜艇的垂直面运动，假设轴向速度为恒值，其他轴向和横向参数为零，此时潜艇垂直面运动可以表示为[3-6]

式中：m——潜艇质量；

P——静载荷；

θ——纵倾角；

u,w,q——纵向速度、垂向速度、纵倾角速度；

δb,δs——艏舵舵角、艉舵舵角；

其余带下标量为潜艇的水动力系数[7-8]。

2潜艇升降舵操纵特性仿真研究

以式(1)为基础，采用C#语言编制潜艇垂直面运动操纵仿真平台，通过仿真，分析模型潜艇分别在不同航速下操单舵和操双舵时的运动特性。其中，图2为不同航速下艏舵操上浮舵1°时的纵倾角和深度变化规律；图3为不同航速下艉舵操下潜舵1°时的纵倾角和深度变化规律。

图2　δb=1°时纵倾、深度变化

图3　δs=1°时纵倾、深度变化

图2、3所示的仿真结果表明：

1) 处于无纵倾定深航行的潜艇，当升降舵摆一固定小舵角时，在舵力作用下经过一段非定常运动后，潜艇最终将以一定的纵倾角进入定常直线运动状态,且航速越高，稳定纵倾角也越大。

2) 相同航速下条件，艉舵产生的舵力矩比艏舵产生的舵力矩大得多，操艉舵进入定常运动状态时的稳定纵倾角比操艏舵时大，从而使得潜艇在较大的纵倾角作用下深度变化迅速。因此，在实际操纵潜艇进行变深机动时，可利用艏舵控制深度，利用艉舵控制纵倾。当潜艇由于舱室破损等原因急剧掉深时，应立即增速，并操艉舵上浮舵使潜艇迅速产生较大的艉倾。

图4为不同航速条件下操平行上浮舵(δb=1°，δs=1°)时潜艇的纵倾角和深度随时间变化规律；图5为不同航速条件下操相对上浮舵时(δb=1°，δs=-1°)潜艇的纵倾角和深度随时间变化规律。

图4　δb=1°，δs=1°时纵倾、深度变化

图5　δb=1°，δs=-1°时纵倾、深度变化

图4、5所示的仿真结果表明：

1) 潜艇操相同舵角的平行上浮(或下潜)舵时，尽管艏艉舵产生的舵力方向一致，却并不能使潜艇产生上浮(或下潜)的运动效果，这是由于艉舵的力臂比艏舵长，相同舵角产生的舵力矩远大于艏舵产生的舵力矩，从而使潜艇产生艏倾(或艉倾)潜浮运动；要使潜艇做无纵倾或较小纵倾的变深运动，可操平行上浮(或下潜)舵，并使艏舵舵角大于艉舵舵角；

2) 操相对舵具有很强的改变纵倾的能力，因此，当潜艇发生首部舱室或中部舱室破损的危险情况时，可立即操相对上浮舵抑制潜艇艏倾的形成，同时，适当的艉倾将有利于潜艇快速上浮，大大增强潜艇的抗沉能力。

3艉升降舵舵卡时高压气的使用分析

由上述仿真分析可知，相对于艉舵而言，艏舵距艇体水动力中心的距离较近，操舵产生的力矩较小，对潜艇纵倾的影响不大，而艉舵在操舵时能够产生较大的舵力矩。相对于艏舵卡来说，艉舵卡对潜艇的航行影响更加危险，潜艇一旦在高速航行的时候发生艉升降舵被卡大舵角，将造成极其严重的后果，极易出现危险纵倾，最终导致潜艇发生冲出海面或碰撞海底(穿越极限深度)的灾难性事故。因此本节仅针对不同航速下，艉舵卡在不同角度，单操艉升降舵控制潜艇的应急操纵过程进行仿真。

3.1艉舵卡上浮舵的挽回操纵

潜艇初始速度分别为8、10、12和14 kn，仿真时间t=20 s时艉升降舵卡上浮满舵，22 s时下减速，目标速度4 kn，同时艏舵操下潜满舵实施挽回操纵，向艏调水，浮力调整水柜排水，潜艇纵倾和深度变化见图6。

图6　不同航速时艉舵卡上浮满舵，采用降速、均衡和艏舵控制潜艇的仿真结果

仿真结果表明：艉舵卡上浮满舵时，若潜艇航速低于12 kn，则通过降速、均衡、艏舵操下潜满舵的措施可以有效控制潜艇的深度，且纵倾不大于10°；当航速大于12 kn时，由于均衡系统调水和排水的速率较慢，导致均衡措施未完全起作用前，潜艇在舵卡力作用下会出现10°以上艉纵倾。

潜艇速度18 kn发生艉升降舵舵卡，舵卡角度分别为上浮10°、11°、12°和13°，延迟2 s采取“降速+均衡+艏舵下潜满舵”的措施进行挽回，潜艇纵倾和深度变化见图7。

图7　速度18 kn，艉舵卡上浮舵，采用降速、均衡和艏舵舵制潜艇的仿真结果

仿真结果表明。潜艇采用最高航速18 kn航行，若艉升降舵卡上浮舵，则舵卡角度小于等于11°时，采取“降速+均衡+艏舵下潜满舵”的措施可以控制潜艇艉倾在10°以内，而不需使用高压气进行应急吹除；当舵卡角度大于12°时，将达到10°以上大纵倾，对潜艇安全航行构成严重威胁，这时必须及时向艉端主压载水舱供高压气，防止危险纵倾的形成。

采用同样的方法分别对潜艇初始速度小于18 kn时，艉舵卡不同上浮舵角的情况进行仿真，可以得出模型潜艇在不同航速下，艉舵卡上浮舵不同角度时，高压气使用需求情况统计表，见表1。

表1　艉舵卡上浮舵高压气使用需求统计表

注：“1”表示必须使用高压气挽回；“0”表示不需使用高压气。

3.2艉舵卡下潜舵的挽回操纵

潜艇初始速度分别为8、10、12和14 kn，仿真时间t=20 s时艉舵卡下潜满舵，22 s时下令减速为4 kn，同时艏舵操上浮满舵实施挽回操纵，向艉调水，浮力调整水柜注水，潜艇纵倾和深度变化见图8。

图8　不同航速时艉舵卡下潜满舵，采用降速、均衡和艏舵控制潜艇的仿真结果

仿真结果表明，以低于12 kn速度航行时，若艉舵卡下潜满舵，则通过迅速采取“降速+艏舵上浮满舵+均衡”的措施进行挽回，能够控制潜艇深度和纵倾在允许变化范围之内；当航速大于12 kn时，潜艇将在舵卡1 min后达到10°以上危险纵倾，且随着航速的增加，该纵倾角将迅速增大。因此，若潜艇艉舵卡下潜满舵，初始速度在12 kn以上时，为防止潜艇出现危险纵倾，应适时果断向纵倾端主压载水舱供高压气，消除舵卡力矩，挽回纵倾。

潜艇初始速度19 kn，艉舵分别卡下潜9°、10°、11°、12°，其他仿真条件同上，采用“降速+艏舵上浮满舵+均衡”的措施进行挽回，纵倾和深度变化见图9。

图9　速度18 kn，艉舵卡上浮舵，采用降速、均衡和艏舵控制潜艇的仿真结果

仿真结果表明：以航速18 kn航行时，若艉舵发生舵卡故障，采用“降速+艏舵上浮满舵+均衡”的措施进行挽回，则舵卡角度在12°以上时，在该措施作用下潜艇仍会出现10°以上大纵倾，此时需及时向首组压载水舱供高压气挽回纵倾，并适时停止供气和解除气压，防止潜艇出现反方向危险纵倾。

采用同样的方法分别对潜艇初始速度为13～18 kn时，艉舵卡下潜舵11°以上舵角进行仿真，则可以得出模型潜艇在不同航速下，艉舵卡下潜舵不同角度时，高压气使用需求统计表，见表2。

表2　艉舵卡下潜舵高压气使用需求统计表

4艉舵卡挽回操纵高压气使用需求

综合表1、表2，绘制成图形，即可得“艉舵卡挽回操纵高压气使用需求图”，如图3所示。

图10　艉舵卡挽回操纵高压气使用需求图

通过表2查得，若潜艇速度13 kn发生舵卡，则必须使用高压气进行挽回的艉舵卡角度为-26°～-30°。下面对舵卡值分别为-26°和-30°的挽回操纵情况进行仿真[9-10]，潜艇纵倾和深度变化如图11所示：

图11　速度13 kn，艉舵卡上浮满舵，利用车、舵、气和均衡系统控制潜艇

利用艉舵卡挽回操纵高压气使用需求图，潜艇指挥员可以在潜艇发生艉升降舵卡的危险情况时，快速得出是否应利用高压气进行应急吹除的信息。若必须使用高压气挽回，则立即果断供气吹除，不错过最佳供气时机；若不需使用高压气挽回，则不采取供气措施，以最大限度地节约高压气，避免浪费。

5结束语

当艉舵卡在高速大舵角时，将引起潜艇纵倾和深度将急剧变化，对航行安全构成严重威胁，必须及时采取措施进行挽回操纵。高压气作为潜艇一种重要的抗沉资源，对于控制潜艇深度和纵倾有着显著效果，但是潜艇高压气储量有限，既要合理使用，也要谨慎节约。为此，对潜艇不同航速下和艉升降舵卡挽回操纵进行仿真实验，分析各挽回措施对纵倾和深度的控制效果，通过比较，得出各航速下必须使用高压气才能成功挽回的艉舵卡情况，绘制了“舵卡挽回操纵高压气使用需求图”供实际操艇时参考使用。根据仿真结果和实际操艇经验，提出了避免出现危险舵卡事故的安全航行操艇建议。

参考文献

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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

基金项目：武器装备军内科研项目(HJ-506-2014)

第一作者简介：胡坤(1979—)，男，博士，讲师

中图分类号：U674.7；TG156

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0180-05

修回日期：2015-11-24

研究方向:潜艇操纵性与武器系统仿真与实验技术