X型尾舵潜艇操控与运动关系研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第２期　船海工程　Ｖｏ１．３６　ＮＯ．２　２００７年４月　ＳＨＩＰ＆ｏＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ａｐｒ．２００７　文章编号１６７１．７９５３（２００７）０２—０１００—０４　Ｘ型尾舵潜艇操控与运动关系研究　栾和春林俊兴　海军工程大学船舶与动力学院　武汉４３００３３　摘要在分析潜艇ｘ型舵水动力特性的基础上，建立ｘ型舵与十字型舵操纵力的等效关系，用于指导　潜艇ｘ型舵的初步设计；分析ｘ型潜艇的操控与潜艇运动的关系，用于潜艇ｘ型舵的自动控制装置设计，部　分解决了ｘ型舵自动控制装置相关理论问题。　关键词潜艇Ｘ舵操纵　中图分类号Ｕ６６１．３３　文献标识码Ａ　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｗｉｔｈ　Ｘ—ｒｕｄｄｅｒ　ＬＵＡＮ　Ｈｅ－ｃｈｕｎ　ＬＩＮ　Ｊｕｎ－ｘｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｗｕｈａｎ　４３００３３　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｘ　ｒｕｄｄｅｒ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ　ｒｕｄｄｅｒ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｙ—　ｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｘ　ｒｕｄｄｅｒ　ｏｆ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔＯ　ｇｕｉｄｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘ　ｒｕｄｄｅｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｗｉｔｈ　Ｘ　ｒｕｄｄｅｒ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘ　ｒｕｄｄｅｒ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａ１　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｗｉｔｈ　Ｘ　ｒｕｄｄｅｒ　ｉｓ　ｓｏｌｖｅｄ　ｐａｒｔｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　Ｘ—ｒｕｄｄｅｒ　ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ　为了提高潜艇的操纵性和生命力，我国将在未　来的新型潜艇采用分离式舵。而作为分离式舵的　１　Ｘ型舵与十字型舵等效舵角转换　一种，ｘ型舵　Ｊ越来越受到重视。近年来，欧洲一　数学模型　些潜艇强国在新建的潜艇上陆续采用ｘ型舵，并取　定义产生右横倾的舵角为正舵角，舵号和　得了很好的效果。从６０年代中期至今，瑞典海军　“＋”舵角规定以及受力见图１。　设计和建造的潜艇毫无例外的都采用ｘ型舵；德国　从“２１２”型潜艇开始，所有建造的潜艇都采用ｘ型　岛　舵；荷兰于海军建造的“海象”级潜艇也采用ｘ型　舵；挪威海军的“ＵＬＡ”级常规潜艇也采用ｘ型舵。　＼　各国采用ｘ型舵主要基于以下几点考虑：尾操纵面　不超出艇体边界线；机动性好；消除了十字型舵潜　，　艇回转时存在的艇重尾重现象；提高了舵装置的可　靠性和潜艇的水下抗沉能力。我国也提出未来新　型潜艇上将对我国目前使用的十字型尾舵进行改　＞０　ｊｒ　＞０　进，其中ｘ型舵便是一个主要方向。本文主要是对　Ｘ型舵的操控与潜艇运动关系的定性分析研究。　图１　Ｘ型舵受力图　按照ＩＴＴＣ坐标系的符号规则，操纵Ｘ型舵　收稿日期２００６．０９．０８　修回日期２００６—１０—１１　时，在固联于潜艇的动坐标系Ｇｘｙｚ中产生了一个　作者简介栾和春（１９８１一），男，硕士生。　空间的水动力，以分析ｘ型舵对航向和深度的操　纵效果为目的，故忽略　方向的分力，只考虑它　１００　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｘ型尾舵潜艇操控与运动关系研究——栾和春林俊兴　们在Ｇ３，　平面上的水动力分量Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４。它　由于Ｘ舵是采用４舵独立控制故可以控制　们在　轴和　轴投影的合力　和　为［　］　＝ＹＩ＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４＝一Ｆｌｓｉｎ／？ｌ　—Ｆ２ｓｉｎｐ２＋Ｆ３ｓｉｎｐ３＋Ｆ４ｓｉｎｐ　（１）　乙＝ＺＩ　４－Ｚ２　４－Ｚ３　４－Ｚ４＝Ｆ１ｃｏｓｆｌｌ　一Ｆ２ｃｏｓ￣２一Ｆ３ｃｏｓ／？３＋Ｆ４ＣＯＳ￣４　式中：卢。、卢２、卢３、卢　——舵与Ｙ轴的夹角，取锐角。　取卢　＝卢２＝卢３＝卢４＝４５。时的特例，式（１）化　为　＝一　Ｆｌ（　１）一　Ｆ２（　２）　＋　Ｆ３（　＋　Ｆ４（　（２）　：雩Ｆ１（　一雩Ｆ２（　Ｆ３（　＋　Ｆ４（　式中：　１、　２、　３、　４——ｘ型舵的４个舵的舵角。　对确定的艇型和舵结构，可表示如下　Ｆ（　）＝Ｆ。（　）・　，ｉ＝１，２，３，４　式中：Ｆ。（　）——每度舵角产生的水动力在Ｇ　面上的投影，此时，　以角度为　单位。　因此假设ｘ形舵的　１、　２、　３、　４舵的舵叶　面积相同，并忽略　１、　２、　３、　４舵流场的差别，因　此，可以假设Ｆ。（　）＝ｋ，由式（１）得　：一　尼（　＋　一　３一　）　－　（３）　：　尼（　一　一　３＋　）　再进行对十字形舵的升降舵和方向舵的受力　分析　Ｙ＝ｋ＂１　６＇ｒ　Ｚｚ（４）　：一：是１・是１．　式中：　、　。——十字型舵的方向舵舵角、尾升降　舵舵角；　＞０——左转；　。＞０——下潜。　忽略流场的变化和一些水动力特性，可令　ｋｌ：ｋ；等效　向和　向　Ｙ＝Ｙ—　ｚ：ｚ　（５）　和产生横倾（规定右横倾为正）：　Ｋ＝告Ｆ　（　。）＋ＬＦ２（￣２）＋告Ｆ３（　。）＋导Ｆ４（乱）　Ｋ＝鲁・ｋ（　１十　＋　３＋　４）　从而导出通式　．厅　＝一＿ｖ　ｋ（　ｌ＋　２一　３一　４）　＝一　。≠尼（　１一　２一　３＋　４）　（６）　Ｋ＝詈・ｋ（　ｌ＋　２＋　３＋　４）　式中：Ｋ——横倾力矩；　Ｌ——横倾力臂。　等效关系式建立的意义在于为中间转换机构　建立理论基础，同时，式（６）只是一个通式，比较概　括，很显然可以看出，式（６）有３个方程式，却有４　个未知数　１、　２、　３、　４，可以设想应该是出现这　样的情况：同样的操舵效果会出现多种操舵方式，　这就需要下一步的具体操舵方式的理论计算并从　不同的方面进行比较，从而得出每种运动方式的　最优操舵方式。　２　操舵角与潜艇运动关系分析　潜艇在正常航行工况下舵装置工作正常时，　ｘ舵的常用组合有２４种（其中双舵２０种，四舵４　种）可以满足单平面机动和空间机动的需要当需　要横倾控制时，有６种组合可以选择（其中双舵４　种，四舵２种）。　２．１水平机动　１）水面航行操水平方向的１、２同向舵，锁定　３、４舵，水面航行潜艇外横倾，使用１、２舵可以一定　程度阻止外横倾的产生，并且，３、４舵可能部份露　出水面，舵效低，所以建议水面回转采用该方式。　２）水下航行操水平方向３、４舵，锁定１、２　舵；因为水下航行潜艇内横倾，使用１、２舵会加剧　横倾，用３、４舵可以一定程度阻止内横倾的产生。　具体见表１。　２．２垂直机动　操水平方向相邻反向舵，即１、２反向舵或者　３、４反向舵；因为操垂直方向两舵会产生横倾，且　横倾随航速和舵角的增大而增大，不利于潜艇的　安全，操四舵用舵相对多，速度相对快一些，但不　１０１　维普资讯 http://www.cqvip.com ｘ型尾舵潜艇操控与运动关系研究——栾和春林俊兴　便于操控，如果不是紧急状况，建议采用水平相邻　表２垂直机动与舵角关系及比较　两舵，既可以满足需求，又能提高使用寿命。具体　至　力Ａ　Ｘ舵舵角　优缺点比较　见表２。　表１水平运动与舵角关系及比较　ｓ　＝ｓｚ＞。，　＝戳＝。　泵　答　’建　右　＝旋　戳＜。　＝ｓ　＝。　素　眢　’建　回　艿１　一越＞０，ａ２　ａ３　０和使用水平方向两舵无　８２＝一ａ３＞０，８１＝戳：０明显优点　ｓ　一　一　星票　，　２．３空间机动　反向操对角舵，另一对舵锁定，都不产生横　倾。具体见表３。　２．４横倾控制　同向操对角舵，正常航行不需要横倾控制，特　殊情况下采用，例如：潜艇高速空间机动时，可以　抑制较大横倾，以高速右旋回上浮为例：操１负　舵，３正舵右旋回上浮，舵本身不产生横倾力矩，　潜艇水下转向产生内横倾，此即右横倾，可以操　２，４负舵产生左横倾的力矩，抵消部分右横倾力　矩。具体横倾控制见表４。　ｌ０２　８１＝一８２＞０，ａ３＝８４＝０　用舵少，操控简单，舵　角相对大，液压消耗　ａ３＝一戳＜０，８１＝ａ２＝０　高　８１＝＆＞０，ａ２＝　：０　由方程（６）得有横倾　有右横倾　上浮　产生；且横倾随航速　ａ２：　＜０，８１：３４＝０　和舵角的增大而增　有左横倾　大，建议不采用　赴＝一瓯＜０，　用舵多，操控复杂，舵　８１＝一ａ３＞０　角小，液压消耗低，舵　效高　表３潜艇空间机动与舵角的关系　表４潜艇横倾控制与舵角的关系　ｘ舵舵角　优缺点比较　月　寿　８１＜０，ａ３＜０，ａ２　戳＝０　横　＜０，３４＜０，８１＝８３＝０正常航行不需要横　倾　８１＜０，ａ２＜ｏ，８３＜０，ａ４＜ｏ倾控制，特殊情况下　采用，例如：潜艇高　右　８１＞０，ａ３＞０，ａ２　瓯　０速空间机动时，可以　横　ａ２＞０，瓯＞０，占１　０抑制较大横倾　倾　８１＞０，ａ２＞０，ａ３＞０，＆＞０　３　结论　潜艇正常航行时，使用两舵即可，通常两对舵　交换使用以提高使用寿命。水平机动，水面航行　操１、２同向舵，锁定３、４舵；Ｚｋ下航行操３、４同向　舵，锁定１、２舵；垂直机动，操１、２反向舵或３、４　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第２期　船海工程　ＳＨＩＰ＆０ＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．３６　ＮＯ．２　Ａｐｒ．２００７　２００７年４月　文章编号　１６７１—７９５３（２００７）０２—０１０３—０４　带通型频率选择表面的分析与设计　李颖　张立军　王德禹　２０００３０　上海交通大学海洋工程国家重点实验室　上海摘要采用矢量有限元方法（ＥＢ—ＦＥＭ），利用单个单元和周期性边界条件的独特性质，对无限大频率　选择表面进行仿真，借助于有限元软件ＡＮＳＹＳ，给出了频率选择表面仿真模型的创建方法，并将计算结果与　文献结果进行比较分析，最后对圆环型频率选择表面的设计问题提出圆环单元ＦＳＳ的新设计模型，并探讨该　模型的计算方法。　关键词　矢量有限元方法　频率选择表面中图分类号ＴＮ９７３．３　文献标识码优化设计Ａ　ＡＮＳＹＳ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ＬＩ　Ｙｉｎ　ＺＨＡＮＧ　ＬＩ－ｊ　ｕｎ　ＷＡＮＧ　Ｄｅ－ｙｕ　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｄｇｅ—ｂａｓｅｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＥＢ—ＦＥＭ），３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｕｌｌ—ｗａｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓ（ＦＳＳ）ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｎｉｑｕｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ａ　ｕｎｉｔ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｎｆｉｎｉｔｅ　ＦＳＳｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ＡＮＳＹＳ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｎｅｓ　ｉｎ　ｏｔｈｅｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　ａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ａｌｓｏ　ｄｉｓ—　ｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＳＳ　ｗｉｔｈ　ｒｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｃｅｌｌｓ，ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈｅ　ｎｏｖｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ＦＳＳ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｅｄｇｅ—ｂａｓｅｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ＡＮＳＹＳ　目前，舰船雷达波隐身设计的一项重点是雷　达等观通设备，这些观通设备的特点在于必须发　出或接收电磁波，从而会使通常采用的外形和吸　期阵列结构。与电磁波相互作用产生明显的带阻　（贴片型单元）或带通（孔径型单元）滤波特性。将　其应用于舰船上雷达天线等散射较强的部位（如：　波材料技术难于隐身，为此需采取一些特殊手段。　频率选择表面ＦＳＳ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅ）是　一雷达罩和隐身桅杆）后，大大地降低了舰船的电磁　信号，从而可增强水面舰艇的隐蔽性和生存能力。　对于频率选择表面的分析，迄今已有多种方　种很好的选择，是在导电金属上布满周期性缝　隙或在介质表面上布满周期性金属贴片的二维周　法，本文采用矢量有限元方法，并借助于有限元软　件ＡＮＳＹＳ对带通型ＦＳＳ进行分析与设计。　收稿日期　２００６—０９—３０　修回日期作者简介２００６．１１．１５　李颖（１９７８一），女，硕士生。　１　ＦＳＳ的几何结构及设计参数　图１为无限大、无限薄的二维自由ＦＳＳ的几　反向舵；空间机动，反向操对角舵；横倾控制，同向　操对角舵。主要是对Ｘ型尾舵潜艇舵角与运动　究ｘ型舵潜艇的实际操纵特性和控制理论。　参考文献　关系的定性分析，根据潜艇操纵的安全性，机动性　以及使用寿命和操舵复杂程度等方面考虑，提出　［１］施生达．潜艇操纵性［Ｍ］．北京：国防工业出版社，　１９９５：１０—１１．　优选方案，没有进行模拟仿真运算分析。下一步　打算对ｘ型舵与十字型潜艇在不同航速，深度等　具体情况下模拟仿真运算和性能分析，进一步研　［２］林俊兴．ｘ形舵和十字形舵操纵力等效关系的研究　［Ｊ］．舰船科学技术，２００４（６）：１－２．　１０３