PDF《潜艇尾操纵面卡住时的挽回操纵研究》

第29卷第11期2008年11月 哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University V01.

29№.1l Nov.2008 潜艇尾操纵面卡住时的挽回操纵研究 王京齐,张纬康,施生达 (海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033) 摘要:潜艇在水下以较高速度航行时,如发生尾操纵面卡住事故,将严重影响到潜艇的航行安全.事故发生后,必须立 即采取有效的挽回操纵措施对潜艇进行操纵控制.从潜艇水动力特性的角度}{j发,对潜艇尾操纵面卡住时多种可能挽回 操纵措施的效果进行了分析和仿真计算,通过分析比较,提出了在不同舵卡事故工况下有效的挽同操纵措施.分析、研究 了用于指导潜艇水下安全操纵的潜艇水下操纵安全界限图的组成、绘制方法及使用方法.根据实际操艇经验及理沦研究 成果,对预防潜艇尾舵卡事故的发生、减轻尾舵号事故的危害提出了安全操艇建议. 关键词:潜艇;

舵卡;

挽回操纵;

安全界限罔 中图分类号:U661.338文献标识码:A文章编号:1006-7034(2008)11一1141-06 Effectiveness of recovery maneuvers in case of blockage of a submarine§ tail control planes WANG Jing―qi,ZHANG Wei―kang,SHI Sheng―da (College of Naval Architecture&

Power,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China) Abstract:When a submarine is navigating under water with rather high velocity,the navigational safety will be in potential danger if the tail control planes are blocked.After this phenomenon Occurs,it is necessary for operators to adopt effective recovery maneuvers to regain control of the submarine immediately.Simulations were carried out for the effects of different maneuvers available when a submarine g tail control surfaces were blocked according to the hydrodynamic characteristics of a submarine.The outcomes were reported in this paper.By comparing and analy・ zing the simulation results,the most effective maneuvers in different rudder―blockage cases were pointed out,and a typical maneuvering limitation diagram(MLD)was obtained for rudder―blockage maneuver safety.On the basis of practical navigation experience and current achievements in research,safety control advice WaS put forward in order to help prevent tail rudder-blockage and reduce its dangers. Keywords:submarine;

rudder―blocked;

redemptive maneuver;

maneuvering limitation diagram 潜艇作为一种以水下航行为主的运载器,威胁 其水下航行安全的主要危险,除火灾外,则是在较大 下潜大舵角时,潜艇的下潜深度将急剧增大,且有可 能失控下潜到最大工作深度或极限深度以下,从而 深度上发生艇内进水而丧失浮力或发生较大的操纵 发生艇体压损或触撞海底;

而在航速较高、航行深度 面卡住(即舵卡)事故,导致潜艇的深度、姿态和航 较小(或近水面航行)时发生较大的尾卡上浮舵角, 向失控.理论上讲,潜艇的所有操纵面(尾升降舵、 潜艇将极可能跃出水面,暴露El标,甚至与水面其他 尾方向舵、首舵或围壳舵)都有发生舵卡故障的可 能,但就故障发生后的后果危害严重程度而言,舵卡 故障中最危险的情况是高速时发生尾升降舵卡大舵 角,国外称之为 最严重的可能事故 .当高速、尾卡 收稿日期:2007.12-30. 作者简介:王京齐(1968.),男,副教授,博L研究生.E―mail:wuhan- [email protected]. 船只发生碰撞.潜艇的旨舵或围壳舵,相对于尾舵而 言,其距艇体水动力中心的距离较近,操 矩较小,因此,发生首舵或围壳舵卡时,,

舵产生的力 总能用操尾 升降舵措施来克服其卡舵危害…;

方向舵发生舵卡 故障时,潜艇将作空间螺旋运动(根据航速大小,在 垂向潜艇可能抬首上浮、埋首下潜以及抬首下潜), 且潜深和纵倾呵通过操纵首、尾升降舵加以控制,而 万方数据 哈尔滨工程大学学报 第29卷 航向失控不像潜深和纵倾失控那样直接关系到潜艇 的生死存亡.因此,在研究潜艇的舵卡问题时,人们 更加集中关注尾水平舵卡的挽回操纵问题【2 J. 潜艇的操纵面卡住有很多可能的原因,虽然在 潜艇设计和建造阶段采取了许多措施,以尽量减少 或降低操纵系统故障的原因和后果.很少有潜艇遇 到过非外界影响引起的永久性操纵面卡住.所谓永 久性舵卡,是指即使转换到应急系统也无法恢复舵 的控制的事故.实践表明,液压系统失灵足发生舵卡 的主要原因. 为了全面评价不同挽同操纵措施及其组合对不 同尾舵卡工况(不同初始航速,不同卡舵值)的挽同 操纵效果,进行了较全面的尾舵卡故障工况下的挽 回操纵仿真试验,尾舵卡故障工况中设定初始航速 5~18.5 kn,尾卡值为-1-5.一±300. 仿真试验采用DTNSRDC潜艇六自由度空间运 动方程(1967)为主体、结合大攻角及螺旋桨变负荷 状态下水动力特点的潜艇空间运动方程作为潜艇操 纵运动的数学模型.且经综合论证并结合当前操艇 实践,将用于事故判断和进行挽同决策的挽回滞后 时间取为10 s.

1 挽回操纵措施及其效果分析 理论和实践证明,潜艇发生尾升降舵卡事故后, 可采取的挽回操纵措施包括旧J: 1)停车减速.即自发现并判断尾舵卡故障后, 立即采取措施,使螺旋桨转速/'

t下降,从而使潜艇 航速u减低到有利于使用首(或围壳)舵的航速. 尾升降舵卡事故的危害足作用在舵上的水动力 造成的,所以减速可以减少舵力,使这种危害减轻. 减速是对尾升降舵卡事故实施挽回的首选措施,减 速的目标是使航速降低到有利于首升降舵(围壳 舵)控制的范围内,而并非使潜艇停航. 仿真试验时,在改变车令后螺旋桨转速变化按 照一阶惯性环节来模拟: ,l尸=/'

to・e一|/7+nd・(1一e一'

/7). (1) 式中:7为推力变化时间,s,可取丁=20 s;

凡.为初始 转速,r/s,该值由初始航速决定;

n.为目标转速, r/s,该值由目标航速决定. 对仿真示例而言,当目标航速设定为仉在3―

6 knn.t,相应的螺旋桨目标转速可设定为~在0.50~ 1.0 r/s.停车减速措施对尾升降舵卡故障的挽回效 果仿真计算结果见图1,图2. 由仿真试验的结果可见,停车减速对高速尾卡 下潜舵故障具有很好的挽回效果.

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16 (8)航速变化曲线 (b)潜深变化曲线 T ._e- 晕-、倒鬈禁蝗馨(e)纵倾角变化曲线 (d)螺旋桨转速变化曲线 图l停车减速对尾卡下潜满舵故障的挽回操纵效果 Fig.1 The redemptive maneuver effect of reducing velocity on tail rudder full submergence―blocked 万方数据 第1l期 王京齐,等:潜艇尾操纵面卡住时的挽回操纵研究

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1 (a)航速变化曲线 ? 、-

一、妊娶番(b)潜深变化曲线 (e)纵倾角变化曲线 图2停车减速对尾卡上浮满舵故障的挽回操纵效果 Fig.2 The redemptive maneuver effect of reducing velocity on tail rudder full emergence・・blocked 2)操首(围壳)舵满舵.根据尾舵卡下潜舵或 上浮舵情况,操首(围壳)舵上浮满舵或下潜满舵. 在发生尾升降舵卡事故后,操首(围壳)舵满舵 的作用有3个:抑制深度变化、抑制纵倾角变化、降 低潜艇航速,但根据其水动力特性,操首(围壳)舵 满舵的主要目的为抑制深度变化.由于高速时首 (围壳)舵的操控能力不如尾升降舵,所以在挽回过 程初期首(围壳)舵的挽回作用不大,但在采取减速 措施使航速降低后,首(围壳)舵的作用效果相对增 强.围壳舵的名义满舵值为氐=±250.操首(围壳) 舵满舵措施对尾升降舵卡故障的挽回效果仿真计算 结果见图3. 3)倒车.即自发现并判断尾舵卡故障后,立即 采取措施,使螺旋桨转速n按照公式(1)的变化规 律降至一反向转速.倒车的目的是使潜艇的航速尽 快地降至希望的航速,以便减小尾升降舵卡的危害. 倒车往往是瞬时倒车,当潜艇航速降至目标航速附 近时,改变车令使螺旋桨以一定转速正转.倒车对尾 升降舵卡故障的挽回效果仿真计算结果见图4. : 曼46 鬟意

12 14 (a)航速变化曲线 (b)潜深变化曲线 图3操首(围壳)舵对尾卡下潜满舵故障的挽回操纵效果 Fig.3 The redemptive maneuver effect of full bow rudder Oil tail rudder full submergence-blocked (a)航速变化曲线 (b)潜深变化曲线 图4倒车对尾卡下潜满舵故障的挽回操纵效果 Fig.4 The redemptive maneuver effect of reversing propeller Oil tail rudder full submergence―blocked 4)操方向舵满舵.操方向舵满舵使潜艇回转 万方数据 哈尔滨工程大学学报 第29卷 H于,一方面由于潜艇运动阻力增大,航速下降,使尾 升降舵上有害水动力减小;

另一方面由于回转过程 中产生垂直面内运动的耦合作用,一般潜艇在高速 回转时产生尾倾和上浮运动,可以在相当程度上抵 抗尾卡下潜舵引起的埋首下潜.方向舵的名义满舵 值为6,=4-350.操方向舵满舵对尾升降舵卡故障的 挽回效果仿真计算结果见图5. E 、 隧艇?、-, 、 疆蹩悉(a)航速变化曲线 (b)潜深变化曲线 (c)纵倾角变化曲线 图5操方向舵满舵对尾尽下潜满舵故障的挽回操纵效果 Fig.5 The redemptive maneuver effect of full vertical rudder on tail rudder full submergence―blocked 5)停车+操首(围壳)舵满舵.即自发现并判断 尾舵号故障后,立即同时采取停车减速和操首(围壳)舵满舵措施.停车、操苗'

(围壳)舵满舵对尾升降 舵卡故障的挽回效果仿真计算结果见图6(图中 … 为 停车+操首(围壳)舵满舵 效果值;

… 为 停车+操方向舵满舵 效果值;

一 为 停车+ 操首(围壳)舵满舵+操方向舵满舵 效果值). 6)停车+操方向舵满舵.即自发现并判断尾舵 卡故障后,立即同时采取停车减速和操方向舵满舵 措施.停车、操方向舵满舵对尾升降舵卡故障的挽回 效果仿真计算结果见图6. 7)停车+操首(围壳)舵满舵+操方向舵满舵. 即当中、高速尾卡下潜满舵时,自发现并判断尾舵卡 故障后,立即同时采取停车减速+操围壳舵+操方 向舵措施.停车、操首(围壳)舵满舵、操方向舵满舵 对尾升降舵卡故障的挽同效果仿真计算结果见图6. O 一, 一一10 逵一15 舞一20 星-25 ≤一3() -35 ―40

0 5() =100 、15() 粪獬00 3()()

350 400 (a)航速变化曲线 (b)纵倾角变化曲线 (e)潜深变化曲线 图6停车减速、操首舵满舵、操方向舵满舵组合措施对 尾卡下潜满舵故障的挽回操纵效果比较 Fig.6 The redemptive maneuver effect comparison for composes of reducing velocity,full bow rudder and full vertical rudder on tail rudder full submergence―blocked 8)停车+操首(围壳)舵满舵+首至尾凋水.为 抑制潜艇的首倾,可在停车、操首(围壳)舵的同时, 进行自首至尾的凋水.进行首尾调水操作时的判据 可为:当首纵倾10(t)I>

50时,自首平衡水舱向尾平 衡水舱调水,首纵倾10(t)I≤5.时停止调水,而当潜 艇囚惯性发展到尾倾1 0(t)I>

50时,则进行逆向凋 水.但调水速率较小,因而其作用效果有限.该组合 万方数据 第11期 王京齐,等:潜艇尾操纵面夤住时的挽同操纵研究 措施对尾升降舵卡故障的挽回效果仿真汁算结果见 图7(图中 … 为 停车+操首(围壳)舵满舵 效果 值;

一 为 停车+操fi-(围壳)舵满舵+首尾调 水 效果值;

一 为 停车+操首(围壳)舵满舵+ 首尾凋水+吹除首组压载舱 效果值). 9)停车+操茸(围壳)舵满舵+首至尾调水+ 吹除首组主压载水舱.当中、高速尾卡下潜大舵角 时,采取上述挽回措施后,潜艇的深度变化和纵倾可 能还是很大,为了保证潜艇的安全,对于这类严重危 险的事故,还需要应急吹除首组主压载水舱来快速 产生上浮力和抬首力矩,具体可根据事故情况及艇 上主压载水舱和吹除系统的设置,选择部分或全部 吹除首组主压载水舱.进行首组主压载水舱吹除操 作时的判据:当首尾调水仍不能有效地抑制潜艇纵 倾和深度变化时,当........