x舵與十字舵操縱特性比較研究

x舵與十字舵操縱特性比較研究

s-s型傾斜錯(cuò)誤角；x型等水平誤差角/。θ—潛艇縱傾角/°m′—無(wú)因次化的潛艇質(zhì)量g—重力加速度h—潛艇穩(wěn)心高度/mR—回轉(zhuǎn)半徑/mL—艇長(zhǎng)/m1尾操縱面布置方式仿真潛艇在水中的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是剛體的三維空間運(yùn)動(dòng).結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的操縱面建筑形式將極大地影響潛艇的運(yùn)動(dòng)特性.而在潛艇操縱面中,尾操縱面的布局和形式對(duì)潛艇的運(yùn)動(dòng)特性起著決定性作用.目前,世界各國(guó)潛艇中尾操縱面主要有兩種布置方式:十字形和X形.就操艇性能來(lái)說(shuō),兩種布置方式各有優(yōu)劣.本文以某型潛艇為例,通過(guò)仿真計(jì)算,對(duì)十字舵與X舵在垂直面和水平面的操縱特性進(jìn)行了綜合比較,得出了一些有益的結(jié)論.2x模式傳統(tǒng)馬來(lái)港出控制尾操縱空間力十字舵潛艇的操縱面可分為方向舵和尾升降舵,且方向舵與尾升降舵呈正交布置.方向舵用于改變或保持潛艇航向,尾升降舵控制潛艇的深度和縱傾.從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō),X舵潛艇不存在方向舵與尾升降舵.其尾操縱面的四個(gè)舵板呈正交布置,舵軸中心線與潛艇的中線面成±45°角.每個(gè)舵板的偏轉(zhuǎn)都能引起潛艇的潛浮與轉(zhuǎn)向.因此,必須采用多個(gè)(一般是四個(gè)或兩個(gè))舵板綜合控制,以改變潛艇航向或深度.由于X型尾操縱面每個(gè)舵板都與艇的縱垂直面成45°角.因此任何一個(gè)舵板偏轉(zhuǎn)后都產(chǎn)生一個(gè)空間力F(如圖1所示),該力可以分解成如下的形式:從上式可以看出,任何一個(gè)舵偏轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生潛浮、轉(zhuǎn)向和橫傾的操縱效應(yīng),因此X舵產(chǎn)生的操縱力是一個(gè)空間力.3差動(dòng)模式轉(zhuǎn)換在給出X舵與十字舵的等效舵角轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型之前,首先對(duì)差動(dòng)舵角加以定義.當(dāng)δ1≠δ3、δ2≠δ4時(shí),稱X舵存在差動(dòng)舵角,并用δ13d表示δ1、δ3之間的差動(dòng)舵角,δ13d=δ3-δ1;δ24d表示δ2、δ4之間的差動(dòng)舵角,δ24d=δ4-δ2.差動(dòng)舵角的正負(fù)號(hào)可規(guī)定為:當(dāng)潛艇可能出現(xiàn)右橫傾時(shí),朝反方向操縱差動(dòng)舵角,減小或克服橫傾力矩,此時(shí)的差動(dòng)舵角規(guī)定為正舵角.由此可知:若δ1為負(fù)舵角,δ3為正舵角,則有δ13d>0,將產(chǎn)生逆時(shí)針的減小橫傾力矩;若δ2為負(fù)舵角,δ4為正舵角,則有δ24d>0,將產(chǎn)生逆時(shí)針的減小橫傾力矩.以下給出X舵與十字舵等效舵角轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型:幾點(diǎn)說(shuō)明:(1)δ1、δ2、δ3、δ4、規(guī)定右舵為正,左舵為負(fù);(2)δs>0,下潛艇,操縱效果為首傾下潛;δs<0,上浮舵,操縱效果為尾傾上浮;(3)δr>0,右舵,操縱效果為使艇右轉(zhuǎn);δr<0,左舵,操縱效果為使艇左轉(zhuǎn).4尾操縱面為x型本文以某型(十字舵)潛艇為研究對(duì)象,并將其尾操縱面改為X型,分別對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算,并對(duì)兩種操縱面在垂直面和水平面的操縱特性進(jìn)行分析比較.4.1不同轉(zhuǎn)速、模式下各水動(dòng)力系數(shù)的仿真對(duì)于靜平衡并經(jīng)良好均衡的潛艇,以此初始狀態(tài)作為基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng),再操縱升降舵,潛艇最終必趨向定常直線潛浮運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)平衡方程式可簡(jiǎn)化為:其中w′=α,給定舵角δs,則可解得:其中帶下標(biāo)的量為潛艇的動(dòng)力系數(shù).將各水動(dòng)力系數(shù)代入式(2)、(3)、(4),可求出其在不同航速、舵角下定常直線潛浮運(yùn)動(dòng)的沖角α、縱傾角θ和潛浮角x.其隨航速變化的曲線見(jiàn)圖2、圖3和圖4.由仿真曲線可以看出:1)潛艇在作定常直線潛浮運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖角與航速無(wú)關(guān),舵角相同時(shí),X舵潛艇的沖角比十字舵潛艇的沖角大.例如,尾升降舵5°時(shí),十字舵的沖角約為-1°,X舵的沖角約為-1.4°.2)縱傾角與潛浮角的大小與航速的平方成正比,又正比于舵力對(duì)有沖角水動(dòng)力中心點(diǎn)的力矩,且縱傾角的方向與力矩方向相同.相同航速、相同舵角的情況下,X舵潛艇的縱傾角與潛浮角比十字舵潛艇的大.4.2升速率與升降波當(dāng)潛艇以速度V按某一潛浮角作定常直線潛浮運(yùn)動(dòng)時(shí),航速在定系(垂直面)中沿鉛垂面方向的分量就是潛艇的潛浮速度,亦叫升速.升速率作為垂直面機(jī)動(dòng)性的一項(xiàng)指標(biāo),對(duì)指揮員操艇具有十分重要的指導(dǎo)性.由圖5可知:為升速率.它表示操縱1°舵角能夠產(chǎn)生的升速變化量.將各水動(dòng)力系數(shù)分別代入式(6),可以計(jì)算出在各航速下尾升降舵(等效尾升降舵)升速率的變化規(guī)律(圖6).由仿真計(jì)算可以看出,相同航速下,X舵等效尾升降舵升速率約為十字舵尾升降舵升速率的1.4倍,這說(shuō)明在垂直面X舵舵效高于十字舵.5不同穩(wěn)定模式階段的水平面運(yùn)動(dòng)仿真潛艇水平面運(yùn)動(dòng)是六自由度運(yùn)動(dòng)方程在水平面上的簡(jiǎn)化,研究潛艇水平面運(yùn)動(dòng)可以了解X舵和十字舵在回轉(zhuǎn)性能和航向機(jī)動(dòng)性上的差異.圖7為航速8節(jié),方向舵角或等效方向舵角為20度時(shí)的水平面運(yùn)動(dòng)軌跡;圖8為航速14節(jié),方向舵角或等效方向舵角為25度時(shí)的水平面運(yùn)動(dòng)軌跡.以不同航速,并采用梯形操舵在不同穩(wěn)定舵角下,X舵、十字舵潛艇水平面運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果見(jiàn)表1.從仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論:1)X舵比十字舵相對(duì)回轉(zhuǎn)半徑下降14%左右,回轉(zhuǎn)周期減小6%左右,回轉(zhuǎn)速率增加6%,X舵的水平面機(jī)動(dòng)性明顯優(yōu)于十字舵.2)X舵的穩(wěn)定橫傾角明顯小于十字舵穩(wěn)定橫傾角,并且X舵幾乎不存在突傾角,這對(duì)潛艇的安全是非常有利的.此外,X舵潛艇還可以通過(guò)差動(dòng)舵進(jìn)一步減小橫傾,在水下高速回轉(zhuǎn)時(shí)可把橫傾控制在安全范圍內(nèi).δr—十字舵垂直舵角;X舵等效