潜艇操纵运动的舵效仿真研究

　　1　引言

　　第二次世界大战后,特别是自核动力装置应用到潜艇上以来,现代潜艇的总体性能水平有了很大提高。潜艇技术及战术水平的不断提高,必然给潜艇操纵运动的研究提出新的问题和挑战。潜艇的操纵性是指借助其操纵装置来改变或保持潜艇的运动速度、姿态、方向和深度的性能。操纵性是潜艇的重要航海性能,良好的操纵性对于保证潜艇航行安全、充分发挥潜艇的战术技术性能、提高经济性等方面都有着非常重要的意义。

　　对于潜艇的操纵控制而言,建立潜艇操纵运动的数学模型、正确预报潜艇操纵运动的水动力是研究潜艇操纵控制的基础[1]。1967年美国的格特勒(Gertler)和哈根(Hagen)在美国泰勒海军船舶研究发展中心(DTNSRDC)的报告2510中,详细叙述了潜艇操纵运动非线性方程推导过程并且对水动力系数进行了描述[2],并于1970年、1979年先后两次进行了修订。他们发表的潜艇标准方程具有很高的权威性,目前我国潜艇操纵性研究基本以它为标准。从理论上讲,只要知道潜艇操纵运动方程的全部水动力系数,给定潜艇运动初始条件和运动状态,对于任何的操舵以及任何的调节静载都可以通过解算潜艇空间运动标准模型来预报潜艇在海洋空间的运动。但是由于此模型形式复杂,方程中108个水动力系数的取得以及方程的解算都是十分艰巨的工作,因此很有必要在不影响潜艇空间操纵运动主要特性的前提下对方程进行一定的合理简化。

　　2　潜艇操纵运动模型简化和求解

　　在潜艇空间运动的描述中,采用国际水池会议(ITTC)推荐的和造船与轮机工程学会(SNAME)术语公报的体系,包括固定坐标系(简称“定系”)和运动坐标系(简称“动系”)两种右手坐标系[3]。把潜艇视为刚体,从刚体的动量定理和动量矩定理出发,根据牛顿运动定律及流体力学原理对潜艇空间运动进行受力分析,以泰勒级数和微分方程理论作为主要的数学工具,推导出了潜艇空间操纵的六自由度运动方程。

　　本文通过理论分析、实操经验以及实际计算机仿真试验需要,只考虑潜艇操纵方程中起主导作用的水动力系数的影响,并从潜艇对称性入手,根据潜艇外形对称性所产生的受力奇偶性特点,结合潜艇运动特性,对普遍采用的潜艇空间操纵运动方程[4]作如下简化:

　　1)认为潜艇具有良好的均衡系统和浮力调节系统,在潜艇运动描述中,一般将艇体坐标系的原点选择在潜艇对称面内,与潜艇的重心重合,三坐标轴均为艇体的惯性主轴,惯性积为零;并假定在操舵前,潜艇静力与浮力已经均衡好,基准运动达到静平衡,则有:

　　xG=yG=zG=0;W =B =mg