劉瑞琦,李新飛,韓端鋒,賈定睿,尹蒙

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

極地氣墊破冰/運輸船是一種兼具破冰與運輸功能的新型極地裝備,具有運載能力強、多棲性、航速高等特點[1-2],可為物資及人員轉(zhuǎn)運/極地環(huán)境,監(jiān)測等提供可靠平臺,也可為結(jié)冰內(nèi)河及渤海地區(qū)提供新的破冰裝備,對提高我國極地科考保障能力和完善極地環(huán)境觀測手段具有重要意義。不同于普通氣墊船,極區(qū)氣墊船在覆雪冰層上運動時,由于圍裙與冰面的摩擦阻尼很小,氣墊船在直航和回轉(zhuǎn)操縱時,在側(cè)風的影響下會產(chǎn)生較大的橫漂或側(cè)滑角。同時由于轉(zhuǎn)艏阻尼力很小,嚴重時有可能產(chǎn)生“甩尾”現(xiàn)象,極難操控。而極地地形復雜,冰脊隨處散布[3],在保證極區(qū)氣墊船航行安全前提下,提高快速性及穩(wěn)定性,有必要針對氣墊船的極區(qū)運動特性和控制方法開展研究。

美國相比較重視氣墊船運動學模型及其控制方法技術(shù)的研究工作,Cumming[4]在國際上較早針對全墊升氣墊船氣墊興波特性開展研究,建立了全墊升氣墊船的六自由度運動學和操縱動力學模型;Fein等[5]使用某型50 t氣墊船的海試試驗結(jié)果對氣墊船在海洋環(huán)境中的動力學響應性能進行了分析,包括耐波性能、操縱和控制性能和氣墊興波性能;Kearns[6]針對LCAC氣墊船的登陸過程中進行數(shù)值建模和仿真分析;Fu等[7]根據(jù)LCAC氣墊船等縮尺比1∶6模型的海試試驗數(shù)據(jù),研究了LCAC氣墊船的運動學仿真模型。Cook[8]以英國Griffon Model 1500 TD氣墊船為研究對象,在南極洲上進行了氣墊船模型試驗測試,并分析了氣墊船的極區(qū)運動性能。日本科學家村尾麟一[9]等設計了等縮尺比的模型,并進行了模擬冰面的模型試驗,建立了氣墊船冰面三自由度運動學模型。加拿大學者Murao等[10]研究了極區(qū)側(cè)風條件下氣墊船極易發(fā)生側(cè)滑和甩尾,需要空氣舵和船艏噴氣裝置相結(jié)合以解決側(cè)滑和航向的穩(wěn)定控制。國內(nèi)學者張洪雨[11]和冀楠[12]對全墊升氣墊船的六自由度運動學模型展開研究,分析了圍裙系統(tǒng)的動力學特性和氣墊興波特性,并應用與氣墊船仿真模擬器中。盧軍等[13]研究了全墊升氣墊船的航向穩(wěn)定性。黃國梁等[14]研究了全墊升氣墊船操縱運動研究。付明玉等[15]對氣墊船操縱性能進行了深入的理論分析?？傊?目前由于氣墊船運動極其復雜、控制難度高,或由于技術(shù)保密原因,國外極少公開針對極區(qū)氣墊船運動控制進行研究的文獻和資料。國內(nèi)專家和學者主要是針對常規(guī)氣墊船運動學模型和控制問題開展相關(guān)研究,目前沒有關(guān)于極區(qū)氣墊船運動學模型和極區(qū)操縱控制方法的相關(guān)研究成果,特別是針對具有矢量噴管氣墊船運動控制的相關(guān)研究報道。

本文研究對象是一種具有極地運輸和破冰能力的多功能氣墊船。該氣墊船的主尺度參數(shù)長為12.6 m,寬6 m,滿載排水量18.5 t,主推進裝置為2臺空氣導管螺旋槳,航向控制裝置為2部空氣舵,同時在國內(nèi)氣墊船上首次安裝了2臺船艏矢量噴管,以提高冰面抗側(cè)滑控制能力。本文根據(jù)氣墊船在極區(qū)敷雪冰層上的運動特點和難點,設計一種適合多操縱面的極區(qū)氣墊船的運動控制及多操縱面協(xié)調(diào)分配控制系統(tǒng),分析極區(qū)氣墊船的安全操縱邊界包絡限界,研究極區(qū)氣墊船的軌跡跟蹤導引及控制策略。

1 極區(qū)氣墊船的運動學模型

1.1 氣墊船的運動學模型

描述氣墊船六自由度運動的方程,基于2個基本坐標系：固定于地球的固定坐標系(大地坐標系,通常認為北東坐標系)和固定于船體的運動坐標系(船體力學坐標系),如圖1所示。

圖1 NED坐標系和船體坐標系Fig.1 NED coordinate and body coordinate

大地坐標系也稱北東坐標系NED,采用操縱性習慣用法,坐標系為右手坐標系,ON軸指向北方,OE軸指向東方,OD軸垂直于靜水面,并以垂直向下為正,NOE平面與海平面重合,坐標原點O取t=0時刻船體力學坐標系原點處(或指定地理坐標點)。

船舶本體坐標系oxbybzb(船體坐標系)的原點o取在船體及裝載質(zhì)量的重心位置,oxb軸垂直于舯橫剖面,以指向船艏為正,oyb軸垂直于舯縱剖面,以指向右舷為正,ozb軸與剛性底板平面垂直,以指向船底為正。

本文采用船體坐標系,三自由度坐標系下,北東坐標系下速度與該坐標系下速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(1)

船體坐標系下,若以船體中心為坐標原點,則六自由度運動方程為：

(2)

氣墊船在極區(qū)敷雪冰層上運動時,假設在縱搖、橫搖和垂蕩運動可以忽略,六自由度運動學模型可以進一步簡化為三自由度運動模型：

(3)

其中：

(4)

式中：X∑、Y∑、N∑分別代表縱向力、橫向力、艏搖力矩;下標c、fr、T、No、r分別表示風載荷、冰面摩擦載荷、導管空氣螺旋槳推力、矢量噴管推力、空氣舵操縱力。

1.2 極區(qū)冰面摩擦阻力模型

氣墊船在冰區(qū)航行時,氣墊和圍裙主要受力為冰面發(fā)生變形產(chǎn)生的興波阻力和氣墊圍裙與冰雪表面的摩擦力。其中,冰面興波阻力是指氣墊船在被冰層覆蓋的水域航行時,冰層受移動氣墊壓力影響出現(xiàn)變形引起的[3],本文主要研究氣墊船極地冰區(qū)航行的操縱性,冰層下為陸地,因而冰層不會在氣墊壓力作用下出現(xiàn)變形,可以忽略興波阻力。氣墊船的冰雪面摩擦阻力主要為圍裙與冰面的摩擦力。在極區(qū)環(huán)境下,冰面上通常被堅硬的雪所覆蓋,因而在研究圍裙在冰區(qū)的摩擦力時,實質(zhì)為研究圍裙與堅硬雪層的摩擦阻力。氣墊船在極區(qū)應用時,主要目的是將物資從運輸船轉(zhuǎn)運至科考站,運輸路線相對固定,地表情況主要為被堅硬雪層覆蓋的冰[1],因而冰雪面摩擦阻力為氣墊圍裙與堅硬雪層之間的摩擦力。假定航行過程中,縱傾角度保持不變,則可以認為摩擦阻力與航速無關(guān),則氣墊船摩擦力和力矩計算為：

Xf=CxW,Yf=CyW,Nf=CnWLc

(5)

為了獲得極地氣墊船冰區(qū)摩擦系數(shù)Cx、Cy和Cn,以及其與漂角、墊升高度等參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,參照村尾麟一[9]南極氣墊船模型的冰面摩擦系數(shù)試驗結(jié)果中的冰面摩擦系數(shù),可以得到極地氣墊船冰區(qū)航行的摩擦力,如圖2所示。

圖2 不同側(cè)滑角下的冰面運動阻力Fig.2 Motion resistance on ice surface at different sideslip angles

構(gòu)建的冰面摩擦力仿真模型,設氣墊船漂角(側(cè)滑角)為-180°、-150°、-120°、-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°,輸入冰面摩擦力仿真模型,可以得到氣墊船的摩擦力,如圖2所示。從圖中可以看出不同漂角下的冰面摩擦力曲線和氣動力系數(shù)曲線有相同的趨勢。結(jié)合式(5)可以看出冰面摩擦力只與運動漂角有關(guān),與氣墊船的其他運動參數(shù)無關(guān),固定運動漂角下的冰面摩擦力存在最大值?？v向摩擦力在漂角為0°或180°時最大,橫向摩擦力和艏搖摩擦力矩都在漂角120°附近有最大值。

1.3 極區(qū)風載荷模型

氣墊船的氣動力是通過風洞試驗或者模擬風洞試驗得到的,為了簡化實驗,一般會忽略氣墊泄流空氣動量力和氣墊進氣動量力。模擬風洞試驗得到的不同氣漂角下的氣動力系數(shù)[16],如表1和圖3所示。

表1 不同氣漂角下氣動力系數(shù)Table 1 Aerodynamic coefficients at different drift angles

圖3 不同氣漂角下氣動力系數(shù)Fig.3 Aerodynamic coefficients at different air drift angles

在任意氣漂角下的氣動力系數(shù)都可以根據(jù)表1插值得到。

2 操控系統(tǒng)動力學模型

2.1 推進與駕控系統(tǒng)的安裝布置

極區(qū)氣墊船的推進與操縱系統(tǒng)布置如圖4所示,主要包括：2臺位于船艏的矢量噴管、2臺位于船艉的空氣導管螺旋槳以及2組位于空氣導管螺旋槳后方的空氣舵,這6個裝置構(gòu)成了氣墊船的6個操縱面。

圖4 推進與操縱系統(tǒng)安裝布置Fig.4 The layout of the propulsion and manipulation system

2.2 導管空氣螺旋槳

極區(qū)氣墊船的主推進系統(tǒng)由2臺導管空氣螺旋槳組成,兩側(cè)左右對稱布置。

導管空氣螺旋槳輸出的推力與自身螺距角和轉(zhuǎn)速有關(guān),也與外部的相對風速有關(guān),具體計算公式為：

式中：T1、T2為氣墊船分別受到左、右兩側(cè)空氣槳的力,N;PL、PR為左、右兩側(cè)空氣槳的螺距角,(°);Vax為縱向相對風速,m/s;nL、nR為左、右兩側(cè)空氣槳的轉(zhuǎn)速,r/min。

氣墊船受到空氣槳在xb方向的縱向推力為：

XT=T1+T2

(7)

在yb方向的橫向推力為：

YT=0

(8)

平臺受到的轉(zhuǎn)艏力矩為：

NT=L1y(T1-T2)

(9)

2.3 船艏矢量噴管

艇艏噴管是一個很有利的操縱面,可360°自由旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生各個方向的推力,如圖5所示。噴管由下部的雙頭出口蝸殼供氣,向外噴出高速高壓的氣流產(chǎn)生反作用力來操縱氣墊船。

圖5 平臺艏部矢量噴管Fig.5 Vector nozzle of the hovercraft

氣墊船受到矢量噴管的縱向力：

XNo=TNogcosθM

(10)

氣墊船受到矢量噴管的橫向力：

YNo=TNogsinθM

(11)

氣墊船受到矢量噴管的艏搖力矩：

NNo=XNoyv+YNoxv

(12)

式中：TNo為噴管對氣墊船輸出推力;g為重力加速度;θM噴管旋轉(zhuǎn)角度。

2.4 空氣舵

導管空氣螺旋槳后的氣流噴速遠高于氣墊船的航速,僅需要較小的舵面積就可以滿足操縱性需求,因此槳后空氣舵也是氣墊船的主要操縱面之一。

氣墊船有4個空氣舵,2個為一組,且艇艉左右兩側(cè)各一組,位于空氣槳的正后方,關(guān)于xb軸對稱。

舵力與舵的來流速度Vre、空氣螺旋槳推力及氣墊船相對風速有關(guān)。

若螺旋槳推力Ti≥0：

(13)

若螺旋槳推力Ti<0：

(14)

式中：下標i=1表示左舵,i=2表示右舵,下同;ρa為空氣密度;Vax為沿船舶縱向的風速。一般來說,當螺旋槳推力為負時來流速度Vre很小,可以忽略不計,既Vre=0;Sd為導管面積。

舵的氣動壓Pr(Pa)：

(15)

單側(cè)舵產(chǎn)生的縱向力：

Xri=2PriSdcxi

(16)

式中Sd為單空氣舵面積,m2。

縱向力：

Yri=2PriSdcyi

(17)

艏搖力矩：

(18)

空氣舵的合力：

(19)

3 極區(qū)氣墊船的運動控制方法

3.1 多操縱面氣墊船的運動控制體系

極區(qū)氣墊船在覆雪冰層上高速運動時,由于圍裙與冰面的摩擦阻尼很小,氣墊船在轉(zhuǎn)向操作時,會產(chǎn)生較大的橫漂,嚴重時有可能產(chǎn)生“甩尾”現(xiàn)象,極難控制。在路徑跟蹤過程中,由于側(cè)風的影響,氣墊船容易偏離航向,特別是氣墊船的摩擦阻力極小,氣墊船極易偏離預定軌跡,而極地地形復雜,冰脊隨處散布[3],氣墊船極易發(fā)生不可預測的危險性。

為了增加氣墊船的極區(qū)操縱性,在船艏兩舷增加有2臺矢量噴管,這樣極區(qū)氣墊船有6個操縱面,分別是2臺空氣導管螺旋槳、2組空氣舵和2臺船艏矢量噴管,這是一種典型的多操縱面矢量控制系統(tǒng)。氣墊船在低速操縱時,由于2組空氣舵舵效較低,無法輸出有效舵力,導致船艉沒有相應的操縱力,這樣極區(qū)氣墊船又是一種典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)。對于這樣一種具有多操縱面的欠驅(qū)動系統(tǒng),很難用傳統(tǒng)的過驅(qū)動推力分配方法去解決多操縱面的推力分配問題,特別是對于具有空氣舵這樣的操縱面的運動控制系統(tǒng)。

目前,一些氣墊船設計已經(jīng)證明,合理安裝和使用矢量操縱面(例如艏噴管)可以提高氣墊船的機動性,因此有必探明矢量操縱面的設計和使用思路。為了實現(xiàn)這樣一種具有多操縱面的欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制分配,并降低控制分配的設計難度,本文提出了如下幾種設計方法。

1)2臺空氣螺旋槳同步控制,以減少一個操縱面。

2)2組空氣舵(4片舵葉)同步控制,以減少一個操縱面。

3)2臺矢量噴管同步控制,以減少一個操縱面。

這樣具有6個操縱面的氣墊船,簡化成一個具有3個操縱面的運動控制系統(tǒng)。氣墊船在極區(qū)運動操縱過程中,為了保證高速性和安全性,氣墊船在控制航速時,還需要同時控制航向,并抑制出現(xiàn)過大的側(cè)滑角。為此本文提出了如下控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：

1)整個氣墊船運動系統(tǒng)分為3個控制回路,分別是航速控制回路、航向控制回路和側(cè)滑運動控制回路。

2)將2臺空氣螺旋槳分配給航速控制回路,實現(xiàn)縱向速度的實時控制。

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3)將2組空氣舵分配給航向控制回路,實現(xiàn)船舶艏向角的實時控制。

4)將2臺船艏矢量噴管分配給側(cè)滑控制回路,實現(xiàn)船舶側(cè)滑運動的實時控制。

氣墊船的運動控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 氣墊船的運動控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of motion control system for air cushion platform

整個氣墊船控制系統(tǒng)由航速自動控制回路、航向角自動控制回路和側(cè)滑運動控制回路組成。首先設定氣墊船的期望值,控制器根據(jù)期望值與船舶傳感器反饋的狀態(tài)和運動信息的偏差分別計算出主推進器螺距角、舵角以及矢量噴管方位角,然后輸入相應的推進器,產(chǎn)生的力作用在氣墊船上,使氣墊船以期望航速、航向和側(cè)滑角航行。

3.2 極區(qū)氣墊船的路徑導引方法

視線導引法通過在2個路徑點連接線段上尋找一個視向?qū)бc(LOS)來實現(xiàn)氣墊船路徑導引。把從氣墊船當前的位置點到視向?qū)бc的連線向量定義為LOS向量,該向量與北東坐標系的夾角ψd為目標航向角。

路徑導引方式采用視向?qū)б蛄糠?LOS vector)[17],視向?qū)б蛄亢蜌鈮|船本體坐標系中縱軸xb軸平行。

圖7 直線段路徑跟蹤算法Fig.7 Straight line path tracking algorithm

氣墊船規(guī)劃路徑由航跡點P(k)=(Nk,Ek)構(gòu)成,在t時刻氣墊船在北東坐標系下的位置坐標為Pt=(Nt,Et)。以坐標Pt為圓心,以R為視向半徑畫圓,該圓與直線路徑PkPk+1的交點之一(離Pk+1最近的點)作為視向點Plos=(Nlos,Elos)。

從圖7可以看出,有：

χd=ψd+β

(20)

氣墊船理論軌跡角滿足：

(21)

期望航向角為：

ψd=atan 2(Elos-Et,Nlos-Nt)

(22)

航向角誤差為：

(23)

視向?qū)бc的北東位置Plos=(Nlos,Elos)滿足：

(Nlos-Nt)2+(Elos-Et)2=R2

(24)

(25)

可以求出極區(qū)氣臺直線導引過程中的視線導引點Plos=(Nlos,Elos)。

船舶側(cè)滑角為：

(26)

航向角誤差為：

(27)

4 極區(qū)運動操縱與控制仿真分析

4.1 極區(qū)冰面運動特性分析

1)有側(cè)風條件下的直航運動特性。

側(cè)風條件下,氣墊船初始縱向速度為10 kn,初始艏向角為0°,空氣導管螺距角為6°。打開航向控制器。設定氣墊船期望艏向角為0°,風向角為-40°(西北方向),風速分別為3、4、5 m/s,分析該狀態(tài)下,氣墊船在不同風速下的直航運動特性如圖8。

圖8 氣墊船在不同風速下的直航運動特性Fig.8 Direct sailing motion characteristics of hovercraft under different wind speeds

圖8分別為無側(cè)滑控制不同風速下氣墊船航跡、航向、航速、側(cè)滑角變化。分析可知,有側(cè)風情況下,即使有航向自動控制功能,氣墊船可以保證航向趨近穩(wěn)定,但氣墊船仍然容易發(fā)生側(cè)滑,且風速越大,對航速影響越大,產(chǎn)生的側(cè)滑角也越大,對氣墊船的航向安全會產(chǎn)生較大影響。

2)無風條件下的低速回轉(zhuǎn)特性。

設置風速為0 m /s,初始航速6 kn,螺距角為4°,舵角分別為10°、15°、20°,噴管方位角為0°,進行氣墊船回轉(zhuǎn)仿真。氣墊船運動過程的各運動參數(shù)如圖9所示。

圖9 無風條件下的氣墊船低速回轉(zhuǎn)特性Fig.9 Low speed rotation characteristics of hovercraft under calm conditions

圖9為無風無側(cè)滑控制條件下,不同風速下氣墊船低速回轉(zhuǎn)航跡、航速、艏向角變化、側(cè)滑角變化。分析可知,無風條件下,氣墊船即使在低速回轉(zhuǎn),也極易發(fā)生側(cè)滑和甩尾等情況,甚至導致危險的“陀螺”運動狀態(tài),氣墊船失控,且舵角越大,相應側(cè)滑角越大,回轉(zhuǎn)半徑越小,回轉(zhuǎn)速率越慢,也容易失控。

4.2 極區(qū)有風條件下的路徑跟蹤控制仿真

設置風速為3 m /s,風向角為-40°(西北方向),氣墊船初始位置為北東坐標系原點,初始艏向角為0°,初始航速為0 kn。路徑導引模塊設置：目標點坐標Pk+1=(3 000 m,3 000 m),導引點坐標Pk=(100 m,100 m),打開航向控制器和側(cè)滑控制器,仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 氣墊船路徑跟蹤仿真運動特性Fig.10 Motion characteristics of hovercraft path tracking simulation

氣墊船路徑跟蹤仿真軌跡如圖10(a)所示,設置導引點坐標(100 m,100 m),在從起點到導引點階段由于受到風速影響,其軌跡成非線性曲線狀,從導引點到終點階段氣墊船軌跡近似為直線,且與期望的軌跡路徑近似重合,實際終點處(2 996 m,2 996 m)與期望終點(3 000 m,3 000 m)的誤差也小于1%。

氣墊船路徑跟蹤仿真過程航速如圖10(b)所示,在從起點到導引點階段航速變化受風速影響為非線性先增速再減速的過程。從導引點到終點階段氣墊船航速變化分為加速段、勻速段和減速段部分,最后航速近似為零,保證氣墊船在終點處停下來。仿真過程中氣墊船艏向角變化如圖10(c)所示,側(cè)滑角變化如圖10(d)所示。由圖可知,在起點到導引點階段,艏向角近似線性增加到85°左右,過了導引點之后艏向角逐漸減小至約45°,即導引點到終點路徑的夾角,并持續(xù)保持在45度上下,到最后終點處達到約50°。而側(cè)滑角在起點到導引點階段逐漸增大至約23°,之后除小幅擺動外,逐漸減小到保持0°左右。

根據(jù)圖10可知,有側(cè)風條件時,加上航向自動控制功能和側(cè)滑角控制功能,可以使氣墊船基本保持直線路徑跟蹤。路徑跟蹤誤差小于1%。

4.3 極區(qū)有風條件下的直航抗側(cè)風能力分析

側(cè)風條件下,氣墊船初始縱向速度為10 m/s,初始艏向角為0°,空氣螺旋槳在額定轉(zhuǎn)速1 357 r/min下運行。打開縱向航速控制器、航向控制器和側(cè)滑控制器(側(cè)滑控制器參數(shù)：kpv=0.2,kiv=0.01,kdv=0)。設定氣墊船期望艏向角為0°,期望速度10 m/s,風向角為-40°(西北方向),風速分別為3、4、5 m/s,分析在3個控制器同步工作下,氣墊船在不同風速下保持航向、航速以及避免側(cè)滑的性能。氣墊船運動過程的各運動參數(shù)如圖11所示。

圖11 不同風速下氣墊船運動參數(shù)曲線Fig.11 Variations of motion parameters of hovercraft under different wind speeds

艏向角在不同風速下的變化曲線如圖11(a)所示。風幅值越大,氣墊船航向角偏移越大,當風速為5 m/s時,氣墊船航向角最大偏移約為9°。在航向控制器的調(diào)節(jié)下,氣墊船航向角都趨近于零,實現(xiàn)了5 m/s風速下航向角的保持。

側(cè)滑角的變化曲線如圖11(b)所示。風速越大,側(cè)滑角越大,當風速為5 m/s時,氣墊船側(cè)滑角最大約為6°。在側(cè)滑控制器的調(diào)節(jié)下,氣墊船側(cè)滑角都趨近于0,不再產(chǎn)生側(cè)滑。不同風速下的航跡曲線如圖11(c)所示,氣墊船因產(chǎn)生側(cè)滑,航跡向東向(E)偏移。當風速為5 m/s時最大偏移距離約為140 m,但在航向控制器和側(cè)滑控制器的作用下及時調(diào)節(jié)航向且抑制側(cè)滑,使氣墊船趨勢保持向正北方向前進。航速圖如圖11 (d)所示,在初始階段受到風速影響,縱向速度迅速降低。當風速為5m/s時,縱向速度下降最低至約8.3 m/s,然后在航速控制器調(diào)節(jié)下逐漸維持至接近期望速度10 m/s。舵和矢量噴管的響應如圖11(e)和(f)所示。隨著風速的增加,舵和矢量噴管的角度逐漸增加,且最大值都沒有超過輸出極限。當風速為5 m/s時,舵角度最大值約為5.3°,最終穩(wěn)定在3.3°;矢量噴管的最大角度約為-50°。在存在側(cè)風干擾時,為了實現(xiàn)航向保持,可以通過調(diào)節(jié)空氣舵來保持航向的穩(wěn)定性;為了實現(xiàn)側(cè)滑運動和側(cè)滑角的抑制,需要通過船艏矢量噴管的旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)氣墊船側(cè)滑運動的調(diào)節(jié)。當風速達到5 m/s時,氣墊船的側(cè)滑角穩(wěn)定住以后,船艏矢量噴管的角度小于90°,滿足氣墊船使用條件的設計要求。

在不同風向角下(絕對風向角),調(diào)節(jié)風速大小,對氣墊船的抗側(cè)風能力進行仿真。通過多次仿真,可以得到在氣墊船在0°～180°風向角下能夠抵抗的最大風速,如表2所示。由于氣墊船左右舷對稱,所以-180°～0°風向角下的抗側(cè)風能力與0°～180°風向角相同。

表2 不同風向角下抗側(cè)風能力Table 2 Crosswind resistance under different wind directions

圖12為不同風向角下能抵抗的最大風速,在風向角從0°～90°所能抵抗最大風速逐漸減小,90°以后到160°左右逐漸增大,當超過170°以后船抵抗風速增為最大值。即抵抗橫向側(cè)風能力最弱,當超過一定角度后,船為順風狀態(tài),此時側(cè)風對船的側(cè)滑影響可忽略不計。

圖12 不同風向角下極區(qū)氣墊船抗側(cè)風能力Fig.12 Anti crosswind capability of polar region hovercraft under different wind direction angles

5 結(jié)論

1)建立了極區(qū)氣墊船的敷雪冰層上的運動學模型,可知極區(qū)氣墊船在極區(qū)有風條件下直航和回轉(zhuǎn)運動,極易發(fā)生側(cè)滑和甩尾運動,甚至失去控制,為了保證氣墊船的可操縱性和安全性,不但需要控制航速和航向,還需要同時控制側(cè)滑角速度。

2)本文所提出的一種多操縱面極區(qū)氣墊船控制體系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了極區(qū)氣墊船的多操縱面協(xié)調(diào)分配控制,可在在極區(qū)有風條件下控制縱向運動速度時,可同時的控制氣墊船的航向,并同時較好地抑制了側(cè)滑運動。

3)在極區(qū)有風條件和有側(cè)滑角控制時,對極區(qū)氣墊船直航時的抗側(cè)風運動特性進行了仿真分析,得出了極區(qū)氣墊船抗側(cè)風的能力曲線。