全垫升气垫船四自由度运动仿真

　　1　引言

　　全垫升气垫船是利用高压空气在船底和水面(或地面)间形成气垫,由气垫压力支撑船体重量,从而使船体升高并离开水面(或地面),通过船尾螺旋桨不断向后鼓风,产生反作用力而使船体实现高速航行的现代船舶。气垫是用大功率垫升风机将空气压入船底而形成的,船底周围有柔性的围裙,利用它们将气体围住,限制在船底。由于气垫船不是靠水的浮力,而是靠一定压力的气垫航行,因此具有速度快、良好的两栖性等优点,它可在无道路的草地、沼泽地带、多石滩河面、水面和冰面上航行,在军用和运输、海洋工程等民用方面具有广泛的用途。

　　尽管气垫船有如上优点,但其特殊的结构也带来了稳定性问题。因为气垫船是由静压升力支承的,船体与水面之间的阻力很小,不能像飞机那样利用副翼,舵等使机身倾斜,产生侧向的动升力,利用该动升力的分力实现回转;水下又没有相应的部件,不能像常规船舶那样利用水下部件产生向心力回转;水上部分靠空气来流产生的向心力较小,不能提供足够的向心力,因此,在风浪作用下,如果控制不当,容易造成气垫泄气而导致侧漂或翻船。

　　为了改善气垫船的操控水平,减轻驾驶员的操作负担,降低气垫船的操控难度,并且能使气垫船沿着预定航线航行,尽快到达目的地和减少燃料消耗,就要研究气垫船的控制问题。对气垫船进行控制的前提是必须建立气垫船的操纵性模型,了解气垫船的运动特点,掌握其操纵特性。本文基于牛顿第二定律及刚体运动学理论,建立了气垫船的四自由度运动数学模型,并且对气垫船的操纵运动进行了仿真。

　　2　全垫升气垫船四自由度运动数学模型

　　为了建立气垫船的运动数学模型,作了如下的假设:

　　1)气垫船为刚体;

　　2)船体左右对称;

　　3)船所在的水域流速为零;

　　为了便于定量地描述船舶运动,通常选用下列两种坐标系统:固定坐标系和动坐标系。

　　图1给出了所采用的坐标系统,o0x0y0为固定于地球的坐标系称为固定坐标系,原点取在某一时刻(t =0时)重心的位置;o0x0轴在静水平面内,其方向指向正北方向;船舶中纵剖面与o0x0轴正方向的交角称为首向角。oxy为固定于船体的运动坐标系,坐标原点位于重心,一经选定,它相对于船舶是固定的,随船一起运动;ox轴取为垂直于船舶中横剖面,以指向船首为正;船舶重心的合速度矢量与ox轴正方向的交角称为侧滑角。图1中,ψ为首向角,以o0x0轴至船中纵剖面顺时针旋转时为正;β为侧滑角,由合速度方向至ox轴逆时针旋转时为正;绝对风向角βw以O0x0轴负方向至绝对风速Vw方向顺时针旋转时为正,同样,相对风向角βa以ox轴负方向至相对风速Va方向顺时针旋转时为正。