王燕飛 張振山 江 帆

海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033

捆綁式魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)操縱性能仿真研究

王燕飛 張振山 江 帆

海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033

基于剛體空間六自由度運(yùn)動(dòng)方程，選取水平面Z型操舵機(jī)動(dòng)、垂直面梯形操舵機(jī)動(dòng)和水平面定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三種典型運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)捆綁式魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)的操縱性能進(jìn)行研究，仿真結(jié)果表明捆綁式魚(yú)雷平臺(tái)Z型操舵響應(yīng)周期短，水平面回轉(zhuǎn)半徑小，操作性能優(yōu)于常規(guī)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

捆綁式 魚(yú)雷 操縱 水動(dòng)力系數(shù)

與通用型無(wú)人水下航行器相比較，魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)在總體尺度、型線設(shè)計(jì)和組成部件等方面存在很大差異，故為了保證魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)具有良好的操縱性能，對(duì)其進(jìn)行操縱性能預(yù)報(bào)是必不可少的。然而，對(duì)于具有六個(gè)自由度的魚(yú)雷平臺(tái)而言，在初始設(shè)計(jì)階段對(duì)其空間運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行精確預(yù)報(bào)通常是非常困難的，主要原因在于對(duì)影響魚(yú)雷平臺(tái)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的非線性項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)，通常需通過(guò)模型試驗(yàn)測(cè)定，而在尚不具備試驗(yàn)條件的初始設(shè)計(jì)階段，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)部分水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行估算，因此降低了操縱性能預(yù)報(bào)結(jié)果的精確度。

通過(guò)操縱性能預(yù)報(bào)，可以初步判定魚(yú)雷平臺(tái)總體布局的可行性，并有針對(duì)性地改進(jìn)操縱面設(shè)計(jì)，故具有非常重要的意義。

1 捆綁式魚(yú)雷平臺(tái)系統(tǒng)組成

捆綁式魚(yú)雷平臺(tái)的組成子系統(tǒng)主要包括魚(yú)雷及固定裝置、動(dòng)力系統(tǒng)、控制艙及艙室設(shè)備、電氣設(shè)備、非耐壓殼、舷外裝置、全船系統(tǒng)、壓載與補(bǔ)充浮力。其中，固定裝置主要包括固定帶、電爆管、液壓扳機(jī)開(kāi)關(guān)等。固定帶用于固定魚(yú)雷，電爆管用于解除綁定，液壓扳機(jī)開(kāi)關(guān)用于打開(kāi)魚(yú)雷扳機(jī)。固定裝置平時(shí)用于固定魚(yú)雷，在接收到發(fā)射信號(hào)后，能夠啟動(dòng)魚(yú)雷并自動(dòng)解除綁定，使魚(yú)雷得以自由航行。

2 魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)操縱運(yùn)動(dòng)方程

本文所采用的坐標(biāo)系和符號(hào)規(guī)則引用文獻(xiàn)［1］，魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)空間運(yùn)動(dòng)方程為標(biāo)準(zhǔn)的剛體運(yùn)動(dòng)方程式。

作用于魚(yú)雷平臺(tái)的外力（矩），表示成矢量形式

式中：FI+FG+FB+FF+FR+FT——慣性力（矩）、重力（矩）、浮力（矩）、非慣性流體動(dòng)力（矩）、控制器舵力（矩）和螺旋槳推力（矩）。

2．1 流體慣性水動(dòng)力

根據(jù)勢(shì)流理論，以U表示速度矢量，Ω表示角速度矢量，并采用文獻(xiàn)［2］中慣性水動(dòng)力的張量表達(dá)方式，將魚(yú)雷平臺(tái)所受慣性水動(dòng)力（矩）表示為

式中：FIj、MIj——流體作用于平臺(tái)的慣性水動(dòng)力

和力矩；

λji、λj+3，i、λli、λl+3，i——附加質(zhì)量張量；εjkl——Ricci符號(hào)，

2．2 重力和浮力

重力和浮力在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的6個(gè)分量［1］為

式中：m——平臺(tái)質(zhì)量；

ρ——海水密度；

▽——平臺(tái)排水體積；

θ——平臺(tái)縱傾角；

φ——平臺(tái)橫傾角；

g——重力加速度；

xg、yg、zg——平臺(tái)重心的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)；

xb、yb、zb——平臺(tái)浮心的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)。

2．3 非慣性水動(dòng)力

魚(yú)雷平臺(tái)所受非慣性水動(dòng)力可分為線性和非線性兩種情況，線性情況僅適用于小舵角和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)相對(duì)于初始狀態(tài)的偏離很小的情況，通常情況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不滿足線性假設(shè)條件，故需考慮非線性的影響。

根據(jù)目前常用的表示方法，結(jié)合魚(yú)雷平臺(tái)的外形特征，并參考文獻(xiàn)［1，3］中的水動(dòng)力模型，將非慣性水動(dòng)力表示為

式中：v——平臺(tái)的橫向速度；

w——平臺(tái)的垂向速度；

p——平臺(tái)的橫傾角速度；

q——平臺(tái)的縱傾角速度；

r——平臺(tái)的回轉(zhuǎn)角速度；

Rt（u）——航行阻力；

其余為平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)。

2．4 控制器舵力

魚(yú)雷平臺(tái)的舵分為水平舵和方向舵，水平舵分為首舵和尾舵，因而可將控制器舵力表示為

式中：δ——方向舵舵角；

δs——尾升降舵舵角；

δb——首升降舵舵角；

其余為平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)。

綜合式（1）～（4），可以得到魚(yú)雷平臺(tái)空間運(yùn)動(dòng)時(shí)所受力及力矩的表達(dá)式，代入空間運(yùn)動(dòng)方程可得魚(yú)雷平臺(tái)空間操縱性運(yùn)動(dòng)方程。

3 魚(yú)雷平臺(tái)水動(dòng)力系數(shù)

對(duì)于捆綁式魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)，在計(jì)算其水動(dòng)力系數(shù)時(shí)，將捆綁?mèng)~雷視為附體的一部分，在計(jì)算平臺(tái)整體水動(dòng)力系數(shù)時(shí)，取平臺(tái)主體、平臺(tái)附體、魚(yú)雷三者水動(dòng)力系數(shù)之和，經(jīng)計(jì)算可得平臺(tái)主要水動(dòng)力系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 捆綁式魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)水動(dòng)力系數(shù)表

4 魚(yú)雷平臺(tái)操縱性仿真

不失一般性，選取水平面Z型操舵機(jī)動(dòng)、垂直面梯形操舵機(jī)動(dòng)和水平面操舵回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三種典型的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行操縱性能預(yù)報(bào)。

4．1 水平面Z形操舵機(jī)動(dòng)

以10°／10°操舵機(jī)動(dòng)為例，預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 水平面Z型操舵預(yù)報(bào)圖

4．2 垂直面梯形操舵機(jī)動(dòng)

以操尾下潛舵5°為例，預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 垂直面梯形操舵預(yù)報(bào)圖

4．3 水平面操舵回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

以操方向舵35°為例，所得預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)圖

5 結(jié)論

采用經(jīng)驗(yàn)公式概略估算水動(dòng)力系數(shù)的方法對(duì)平臺(tái)操縱性能的預(yù)報(bào)結(jié)果反映了平臺(tái)總體設(shè)計(jì)的基本狀況。相比較而言，捆綁式魚(yú)雷平臺(tái)的操縱性能要優(yōu)于常規(guī)設(shè)計(jì)平臺(tái)，主要表現(xiàn)在Z型操舵的響應(yīng)周期較短、水平面回轉(zhuǎn)半徑較小。這是因?yàn)槔壥紧~(yú)雷平臺(tái)的總體尺寸較小，方向舵的相對(duì)尺寸較大，舵效較好［4］。

在進(jìn)行操縱性預(yù)報(bào)時(shí)，由于主要考慮了平臺(tái)的線性水動(dòng)力系數(shù)，忽略了非線性水動(dòng)力項(xiàng)的影響，使預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度受到影響。為了提高預(yù)報(bào)的精確性，需要對(duì)非線性水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種不錯(cuò)的選擇［5］。由于影響剛體空間六自由度運(yùn)動(dòng)的非線性水動(dòng)力系數(shù)較多，對(duì)其逐項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算是不經(jīng)濟(jì)的，可依據(jù)非線性水動(dòng)力系數(shù)對(duì)操縱性能影響程度的原則進(jìn)行取舍［2］，從而可在保證預(yù)報(bào)精度的基礎(chǔ)上，達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算量的目的，這有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

［1］施生達(dá)．潛艇操縱性［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995：15-50，149-170．

［2］Debabrata Sen．A Study On Sensitivity of Maneuverability Performance on the Hydrodynamic Coefficients for Submerged Bodies［J］．Journal of Ship Research，2000，44（3）：186-196．

［3］中國(guó)船舶工業(yè)總公司．CB／Z 250-88潛艇操縱性設(shè)計(jì)計(jì)算方法［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988：8-12．

［4］王燕飛，張振山，張 萌．魚(yú)雷無(wú)人平臺(tái)初始設(shè)計(jì)階段操縱性能預(yù)報(bào)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28（4）：61-63．

［5］唐曉光，劉祖源．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶操縱水動(dòng)力預(yù)報(bào)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2002，26（1）：25-27．

Research on the manipulation performance forecast of Binding Style Unmanned Torpedo Platform

WANG Yan-fei ZHANG Zhen-shan JIANG Fan
Dept．of Weapon Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033

The system compose of binding style unmanned torpedo platform is summarized．Based on the motion equations of rigid body for six degrees of freedom，three typical maneuvers are chosen to be the objects under study：horizontal zigzag maneuver，vertical trapezoid maneuver and horizontal turning circle maneuver．The simulation results show that the manipulation performance of binding style unmanned torpedo platform is better than that of traditional ones，with shorter response period and smaller radius of gyration．

binding style torpedo manipulation hydrodynamic coefficient

U674

A

1671-7953（2007）02-0111-03

2006-07-17

修回日期2006-10-04

王燕飛（1977—），男，博士生。