吳小兵，歐陽凌浩

(1.海軍研究院，北京 100161；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

反水雷是最早應(yīng)用無人系統(tǒng)的軍事領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷有各種新型無人系統(tǒng)投入使用，從最初的采用ROV技術(shù)的滅雷具，到目前各類UUV、USV形態(tài)的無人獵、掃雷系統(tǒng)。不同形態(tài)的無人反水雷系統(tǒng)有其特有的應(yīng)用場合，能為海上編隊提供實(shí)時水雷防御能力的無人遙控獵雷系統(tǒng)就是其中特殊的一類。該類裝備兼顧了高海況適應(yīng)能力、遠(yuǎn)距離續(xù)航能力、大深度探測能力、實(shí)時信息回傳能力等特點(diǎn)，采用柴油動力的半潛式航行體拖曳變深聲吶執(zhí)行水雷探測任務(wù)，探測信息則通過無線方式實(shí)時回傳。國外典型裝備如美國的AN/WLD-1遙控獵雷系統(tǒng)[1]、法國DCN公司開發(fā)的“海上衛(wèi)士”FDS3遙控獵雷系統(tǒng)[2](如圖1-2)。

在作業(yè)過程中，半潛式航行體良好的回轉(zhuǎn)機(jī)動性可以確保系統(tǒng)的探測精度和作業(yè)安全，本文以國外典型半潛式航行體作為原型設(shè)計了仿真模型，分析其水平定深回轉(zhuǎn)運(yùn)動，確定控制方案。

1 航行體六自由度運(yùn)動方程組

1.1 坐標(biāo)系

半潛式航行體一般采用回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，可參考魚雷動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型，建立半潛式航行體空間運(yùn)動方程組。體坐標(biāo)系oxyz的原點(diǎn)位于航行體浮心所在橫截面與航行體軸線的交點(diǎn)，x軸沿航行體軸線，指向航行體頭部；y軸位于航行體縱對稱面內(nèi)，垂直x軸，指向上方；z軸垂直oxy平面，按右手法則指向側(cè)向。地面坐標(biāo)系ox0y0z0的原點(diǎn)取初始時刻航行體體坐標(biāo)系的原點(diǎn)在水平面上的投影點(diǎn)，ox0軸沿航行體的縱對稱面與水平面的交線，指向前方，oy0軸鉛垂向上，oz0軸按右手規(guī)則[3]。

體坐標(biāo)系用于建立航行體動力學(xué)方程，地面坐標(biāo)系主要用于確定幾何參數(shù)，地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系之間的夾角確定了航行體的3個姿態(tài)角：俯仰角θ、偏航角ψ及橫滾角φ，體坐標(biāo)系原點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的3個坐標(biāo)x0、y0、z0確定了航行體的空間位置。

地面坐標(biāo)系到體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為上述矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，即

1.2 空間運(yùn)動方程組[4-6]

根據(jù)文獻(xiàn)[4-6]，利用動量和動量矩定理可以在體坐標(biāo)系中建立如下的航行體空間運(yùn)動動力學(xué)方程組：

式中：m為航行體質(zhì)量；vx、vy、vz為速度分量；ωx、ωy、ωz為角速度分量；xc、yc、zc為航行體質(zhì)心在體坐標(biāo)系中位置；xb、yb、zb為航行體浮心在體坐標(biāo)系中位置；G為航行體重力；B為浮力；T為推力；Jxx、Jyy、Jzz為轉(zhuǎn)動慣量分量；X、Y、Z為流體動力主矢量在體坐標(biāo)系中的3個分量，即阻力、升力、側(cè)力；Mx、My、Mz為流體動力主力矩在體坐標(biāo)系中的3個分量，即橫滾力矩、偏航力矩、俯仰力矩。

航行體的空間位置由下式確定：

攻角α、側(cè)滑角β及速度v的定義式：

α=-arctg(vy/vx)

上述各式構(gòu)成了航行體空間運(yùn)動方程組，共含有vx、vy、vz、ωx、ωy、ωz、θ、ψ、φ、x0、y0、z0、α、β、v15個未知量。

2 水平定深回轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真

2.1 仿真工況及初始條件

參照國外典型半潛式航行體設(shè)計如下仿真模型：航行體長6.5 m，采用回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，主體直徑1.0 m，質(zhì)量5 000 kg。半潛式航行器使用柴油機(jī)作為動力，需采用桅桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)排氣?？紤]桅桿高度，航行體的航行深度不大于4 m，初始深度2 m?，F(xiàn)設(shè)定定深回轉(zhuǎn)深度為2.5 m，取航行速度8～16 kn，每4 kn一個計算狀態(tài)。垂直舵角3°～12°，每3°一個計算狀態(tài)，共12個仿真工況。初始姿態(tài)角、流體動力角均為零，前水平舵角為平衡舵角。

表1 水平定深回轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真工況

2.2 控制方法[7-8]

舵功能分配：前水平舵用于平衡，后水平舵用于定深與橫滾控制，后垂直舵為固定舵角?？刂品匠倘缦拢?/p>

定深：δhh=Kyy+Kθθ+Kωzωz

橫滾：δd=Kφφ+Kφxφx

2.3 仿真結(jié)果

圖3-8分別給出了航行體航速8 kn和16 kn及舵角3°～12°下航行體水平面航跡、深度及姿態(tài)角變化曲線。

由仿真結(jié)果可知：

1)其回轉(zhuǎn)半徑隨著垂直舵角的增大而減小，最小回轉(zhuǎn)半徑為26 m，最大回轉(zhuǎn)半徑為103 m。

2)相同垂直舵角條件下，回轉(zhuǎn)半徑對航速不敏感，隨著航速的增大略有增大。

3)航行體定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動過程中，航行深度與航速、垂直舵角成正比關(guān)系，隨二者增大而增大。

4)橫滾角隨航速的增大變化不明顯，隨垂直舵角的增大而增大。

3 結(jié)束語

本文在不同航速和不同垂直舵角下對半潛式航行體的水平定深回轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：半潛式航行體具有良好的回轉(zhuǎn)機(jī)動性能。注意到航速對航行體深度的影響，以及垂直舵角對回轉(zhuǎn)半徑、航行深度及橫滾角的影響，在實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮航行體回轉(zhuǎn)半徑及其姿態(tài)進(jìn)行回轉(zhuǎn)控制。