x舵与十字舵操纵特性比较研究

x舵与十字舵操纵特性比较研究

s-s型倾斜错误角；x型等水平误差角/。θ—潜艇纵倾角/°m′—无因次化的潜艇质量g—重力加速度h—潜艇稳心高度/mR—回转半径/mL—艇长/m1尾操纵面布置方式仿真潜艇在水中的运动本质上是刚体的三维空间运动.结构合理、性能优良的操纵面建筑形式将极大地影响潜艇的运动特性.而在潜艇操纵面中,尾操纵面的布局和形式对潜艇的运动特性起着决定性作用.目前,世界各国潜艇中尾操纵面主要有两种布置方式:十字形和X形.就操艇性能来说,两种布置方式各有优劣.本文以某型潜艇为例,通过仿真计算,对十字舵与X舵在垂直面和水平面的操纵特性进行了综合比较,得出了一些有益的结论.2x模式传统马来港出控制尾操纵空间力十字舵潜艇的操纵面可分为方向舵和尾升降舵,且方向舵与尾升降舵呈正交布置.方向舵用于改变或保持潜艇航向,尾升降舵控制潜艇的深度和纵倾.从严格意义上来说,X舵潜艇不存在方向舵与尾升降舵.其尾操纵面的四个舵板呈正交布置,舵轴中心线与潜艇的中线面成±45°角.每个舵板的偏转都能引起潜艇的潜浮与转向.因此,必须采用多个(一般是四个或两个)舵板综合控制,以改变潜艇航向或深度.由于X型尾操纵面每个舵板都与艇的纵垂直面成45°角.因此任何一个舵板偏转后都产生一个空间力F(如图1所示),该力可以分解成如下的形式:从上式可以看出,任何一个舵偏转都会产生潜浮、转向和横倾的操纵效应,因此X舵产生的操纵力是一个空间力.3差动模式转换在给出X舵与十字舵的等效舵角转换数学模型之前,首先对差动舵角加以定义.当δ1≠δ3、δ2≠δ4时,称X舵存在差动舵角,并用δ13d表示δ1、δ3之间的差动舵角,δ13d=δ3-δ1;δ24d表示δ2、δ4之间的差动舵角,δ24d=δ4-δ2.差动舵角的正负号可规定为:当潜艇可能出现右横倾时,朝反方向操纵差动舵角,减小或克服横倾力矩,此时的差动舵角规定为正舵角.由此可知:若δ1为负舵角,δ3为正舵角,则有δ13d>0,将产生逆时针的减小横倾力矩;若δ2为负舵角,δ4为正舵角,则有δ24d>0,将产生逆时针的减小横倾力矩.以下给出X舵与十字舵等效舵角转换的数学模型:几点说明:(1)δ1、δ2、δ3、δ4、规定右舵为正,左舵为负;(2)δs>0,下潜艇,操纵效果为首倾下潜;δs<0,上浮舵,操纵效果为尾倾上浮;(3)δr>0,右舵,操纵效果为使艇右转;δr<0,左舵,操纵效果为使艇左转.4尾操纵面为x型本文以某型(十字舵)潜艇为研究对象,并将其尾操纵面改为X型,分别对其进行了仿真计算,并对两种操纵面在垂直面和水平面的操纵特性进行分析比较.4.1不同转速、模式下各水动力系数的仿真对于静平衡并经良好均衡的潜艇,以此初始状态作为基准运动,再操纵升降舵,潜艇最终必趋向定常直线潜浮运动,其运动平衡方程式可简化为:其中w′=α,给定舵角δs,则可解得:其中带下标的量为潜艇的动力系数.将各水动力系数代入式(2)、(3)、(4),可求出其在不同航速、舵角下定常直线潜浮运动的冲角α、纵倾角θ和潜浮角x.其随航速变化的曲线见图2、图3和图4.由仿真曲线可以看出:1)潜艇在作定常直线潜浮运动时的冲角与航速无关,舵角相同时,X舵潜艇的冲角比十字舵潜艇的冲角大.例如,尾升降舵5°时,十字舵的冲角约为-1°,X舵的冲角约为-1.4°.2)纵倾角与潜浮角的大小与航速的平方成正比,又正比于舵力对有冲角水动力中心点的力矩,且纵倾角的方向与力矩方向相同.相同航速、相同舵角的情况下,X舵潜艇的纵倾角与潜浮角比十字舵潜艇的大.4.2升速率与升降波当潜艇以速度V按某一潜浮角作定常直线潜浮运动时,航速在定系(垂直面)中沿铅垂面方向的分量就是潜艇的潜浮速度,亦叫升速.升速率作为垂直面机动性的一项指标,对指挥员操艇具有十分重要的指导性.由图5可知:为升速率.它表示操纵1°舵角能够产生的升速变化量.将各水动力系数分别代入式(6),可以计算出在各航速下尾升降舵(等效尾升降舵)升速率的变化规律(图6).由仿真计算可以看出,相同航速下,X舵等效尾升降舵升速率约为十字舵尾升降舵升速率的1.4倍,这说明在垂直面X舵舵效高于十字舵.5不同稳定模式阶段的水平面运动仿真潜艇水平面运动是六自由度运动方程在水平面上的简化,研究潜艇水平面运动可以了解X舵和十字舵在回转性能和航向机动性上的差异.图7为航速8节,方向舵角或等效方向舵角为20度时的水平面运动轨迹;图8为航速14节,方向舵角或等效方向舵角为25度时的水平面运动轨迹.以不同航速,并采用梯形操舵在不同稳定舵角下,X舵、十字舵潜艇水平面运动仿真结果见表1.从仿真结果可以得到如下结论:1)X舵比十字舵相对回转半径下降14%左右,回转周期减小6%左右,回转速率增加6%,X舵的水平面机动性明显优于十字舵.2)X舵的稳定横倾角明显小于十字舵稳定横倾角,并且X舵几乎不存在突倾角,这对潜艇的安全是非常有利的.此外,X舵潜艇还可以通过差动舵进一步减小横倾,在水下高速回转时可把横倾控制在安全范围内.δr—十字舵垂直舵角;X舵等效