潜艇X型艉舵故障工况下的操纵策略研究∗

柯砚东 徐荣武 黄 斌

（1.海军工程大学振动与噪声研究所 武汉 430033）（2.船舶振动噪声重点实验室 武汉 430033）（3.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

1 引言

潜艇艉舵远离其水动力中心，较大程度影响潜艇的操纵性。相比十字型艉舵，X型艉舵中单个舵叶能同时产生水平和垂直的操纵力［1］。X型舵的四个舵叶一般由四个独立的作动器来驱动，即使达到单一运动效果也需要多个舵叶综合作用，因此每一种潜艇空间运动效果的实现往往对应了多种操纵方式。

潜艇在航行时遭遇的危险包括火灾、破损进水，以及舵机系统故障引起的姿态、深度、航向失控［2］。理论上潜艇的所有操纵面均有可能发生卡舵危险，但最危险的情况是艉舵发生大舵角卡舵。卡舵造成的航向失控会使潜艇进行空间螺旋运动，但深度的失控直接影响潜艇的生死存亡，所以，卡舵时深度挽回控制更受到人们集中关注［3］。

X型艉舵由于其分离式结构，除了可以控制潜艇深度（纵倾）和航向之外，还可以对潜艇的横倾产生影响［4］。仿真表明，在潜艇以16节航速进行转弯90°时，可将十字舵潜艇 12°的横倾抑制在 4°以内［5］。但是一旦X型艉舵的某个舵叶发生卡舵故障，其引起的横倾姿态失控危险也应该受到关注。

2 X型艉舵操纵模型

X型艉舵模型如图1所示，本文中规定顺时针方向为正向。

图1 X型艉舵模型

为更直观表示随动工况下，潜艇的操纵方式，将潜艇六自由度运动方程中对应的升降舵、方向舵变换为X型艉舵的舵角，可定义X舵施加给潜艇的操纵力为［6］

夏极［7］在对X舵进行单舵旋回仿真后得到的状态参数如表1。

表1 X舵空间旋回状态参数

由表可看出四个舵的舵效成对近似，且1号舵与4号舵的舵效均小于2号舵与3号舵的舵效。用δr、δs和δd表示成等效后潜艇十字型艉舵的方向舵、升降舵和差动舵，结合潜艇的对称性，等效舵角的转换系数也应满足其成对近似的规律［8］。可求得X型艉舵等效成十字型艉舵舵角的表达式为

式中λra、λsa、λda表示潜艇的艉方向舵、艉升降舵和等效差动舵转换到X型艉舵的1号舵与4号舵的系数；λrb、λsb、λdb表示潜艇的艉方向舵、艉升降舵和等效差动舵转换到X型艉舵的2号舵与3号舵的系数。这些系数可由拖曳水池的试验中测定［9］。

在潜艇的运动中，往往需要保持δd=0，来抑制潜艇产生横倾。

3 X型艉舵故障操纵策略

潜艇的舵机系统的故障有卡舵故障、舵机故障、操纵台故障和传感器故障等，本文重点对卡舵和舵机故障进行了分析。

1）单舵故障操纵策略

令∆i(i=1,2,3,4)为第i号舵卡舵时的角度，表2为单舵X型艉舵卡舵时给潜艇带来的影响。

表2 X型艉舵卡舵影响

单个舵发生故障时，需要控制其他舵进行补偿，抵消单个舵产生的空间力和力矩，在低速小舵角卡舵时，还可以在此基础上实现潜艇的运动操纵。因此，卡舵操纵时需要采用与正常随动操纵时不同的操纵模型，以1号舵卡舵分析为例，令δ1=∆1为卡舵时的舵角，此时仍可以由其余三个舵进行操纵。

考虑到舵机卡舵后，舵机动作由随动模式转成人工模式，且由于潜艇此时的机动受限，只考虑潜艇进行垂直面或水平面的机动。

（1）在垂直面上，潜艇的操纵模型应为

（2）水平面上，潜艇的操纵模型应为

2）双舵故障操纵策略

与单舵故障时不同的是，并非所有卡双舵的情况都可以只对潜艇做艉部操纵面的操纵而不借助其他操纵。

令∆i(i=1,2,3,4)为卡舵舵角，当1号舵与4号舵卡舵时，可以采用平衡补偿的策略进行深度保持和抑制横倾，此时潜艇的航向无法保证，此时可推导出以下方程：

若2号舵与3号舵发生卡舵现象时，仅在存在最大的δ1和δ4使等效升降舵δs≥0，以及可以平衡等效差动舵δd=0时，潜艇可不进行其他操作保持安全深度和姿态稳定。

尤其当航速较高时，还应进行操水（艏艉调水或吹除压载）措施的进行挽回［10］。

4 空间运动仿真分析

根据潜艇的操纵性方程，将其中十字型潜艇的操纵力和操纵力矩替换为X型艉舵，并采用美国舰船研究和发展中心公布的标准方程［10］可得到X舵潜艇运动模型［11］。

黄斌［12］等利用微软语言程序编制的X型艉舵空间运动仿真软件，其原理是采用龙格-库塔法求解微分方程，得到较为准确的潜艇运动状态。将设定的卡舵工况和操纵策略作为输入，可以得到潜艇的深度、航向、姿态等运动状态。

1）单舵故障操纵

以适中深度和较高航速下1号舵卡舵15°为例，此时该舵效将造成潜艇下潜和向右回旋的趋势，姿态上会造成潜艇左横倾，利用余下三个舵进行弥补后，还可以进行弱机动调整。

（1）1号舵故障时潜艇的垂直面机动

输入工况为δ1=-15，利用4号舵的舵效对其进行平衡，2号舵和3号舵配合操纵，进行潜艇上浮操纵的仿真结果如下。

图2（a）表示了1号舵在-15°故障时对潜艇实施上浮操纵，其余舵的舵角操纵曲线，其深度变化曲线由图2（b）可以显示，艉舵变深的原理是使潜艇纵倾，图2（c）清楚显示潜艇的纵倾发生了变化，并显示了该操纵策略下横倾姿态十分稳定。

图2 单舵卡舵变深策略及状态变化

（2）1号舵故障时潜艇的水平面机动

输入工况为δ1=15，仅用其余三个舵的操纵进行航向变化的仿真结果如图3。

图3（a）和图3（b）表示了1号舵-15°故障时对潜艇实施右转向操纵时，其余舵的舵角操纵曲线和回旋的趋势，图3（c）显示其纵倾和横倾的姿态同样出现小幅度的变化，能够借助潜艇自身的扶正力矩回归常态。

图3 单舵卡舵回旋策略及状态变化

2）双舵故障操纵

双舵卡舵的情况较为危险，深度和姿态的变化是主要关注的对象，就舵效而言，2号舵和3号舵的卡舵情况最为危险。

（1）1号舵和4号舵大舵角故障潜艇的挽回

输入工况δ1=30和δ4=-30，对2号舵和3号舵操纵来稳定潜艇深度和姿态，其仿真结果如图4。

图4 1号舵和4号舵故障策略及状态

图4（a）表明1号舵和4号舵大舵角故障时，在不使用围壳舵且保持航速的情况下，仅用2号舵和3号舵对已经故障的双舵进行补偿平衡操纵，图4（b）和图4（d）显示潜艇仍会出现缓慢的可控的掉深，其姿态较为平稳。

若加入围壳舵的操纵后的深度曲线如图4（c）所示，掉深趋势得到抑制。

（2）2号舵和3号舵大舵角故障潜艇的挽回

输入工况为δ2=30和δ3=30，仅操纵1号舵和4号舵后，其仿真结果如图5。

图5 2号舵和3号舵故障策略及状态

此工况极为危险，图5（b）和图5（c）表示仅凭艉舵操纵，能保持横倾的稳定，但下潜掉深现象和纵倾变化依旧明显。

若加上围壳舵操纵后，仿真结果如图6。

图6 加入围壳舵操纵的策略及状态

加入围壳舵操纵后，从图6（b）和图6（c）看出此工况的情况稍有缓和，但迅速增加的纵倾角和无法消除的掉深趋势仍然使态势较为危险。此工况下，必须进行停车甚至倒车操纵，并辅以操水操作才能挽回危险态势。

5 结语

本文研究了单舵和双舵故障工况下的操纵策略并分析可能导致的结果后得出以下结论。

1）在单舵故障的情况下，仅操纵艉部其余三个舵，仍可对潜艇进行稳定的空间机动，但由于人工操纵X舵的直观性不够，较优的策略是仅进行单平面的弱机动。

2）非极端情况下的双舵故障，可以通过艉部剩余舵的操纵稳定潜艇深度和姿态，但辅以围壳舵操纵会使状态更平稳。

3）当发生了2号舵和3号舵的大舵角故障，仅操纵剩余两个舵不足以挽回危险态势，仍会发生掉深危险和大角度姿态改变。辅以围壳舵的操纵能减缓掉深和纵倾增大，但仍需对潜艇进行停车或操水操纵。