施生达-潜艇操纵性PDF

AUV UUV ROV控制系统设计经典参考书籍,施生达-潜艇操纵性PDF带书签版不缺页153338的容筒介本书讲述潜艇操纵性的基本理论和方法着重分析和闻明潜艇操纵运动的数学模型、平面运动稳定性和机动性的规律、特征参数和计算方法,介绍水动力系数的估算方法操纵性试验方法、操纵性标准和操纵面设计原理。本书可作为高等院校船舶专业的教材,也可供有关专业研究生和潜艇设计、建造科研人员及潜艇操纵、管理人员参考。目录主要符号●◆·命音是西息自··4·;··日命··音罪◆·绪论····。春昏。鲁§0-1潜艇操纵性的基本概念…§0-2坐标系、基本假设和操纵运动主要参数第一章潜艇操纵性平面运动方程式·卡,···15§1-1平面操纵运动的一般方程§1-2作用于潜艇的流体动力一般表示式………………………………………………………19§1-3作用于潜艇的惯性类水动力……………………………………3§1-4潜艇所受的粘性类水动力……命垂自鲁晶鲁●29§1-5水平面操纵运动方程式…器d鲁●非·····非…………4281-6垂直面操纵运动方程式…………………………………"""…§1-7潜艇重心运动轨迹方程式49第二章潜艇的运动稳定性§2-1运动稳定性的一般概念········‘···非节·········51§2-2·运动稳定性的一般知识看·看音号◆b53S2-3垂直面直航稳定性57§2-4水平面直航运动稳定性………………,…………66§2-5定常回转运动的稳定性∴,………4…………………………71§2-6°潜艇的航向和深度控制稳定性73第三章垂直面的定常直线运动和深度机动性…………78§3-1等速直线定深运动的平衡和操纵规律∴…………………………78§3-2定常直线潜浮运动和升速率与逆速§3-3转向和倒车对定深运动的影响…………………………………………………………………99§3-4垂直面的深度机动性曹b器b●·自音曲自章………………104§3-5垂直面的近水面操纵性………………118第四章潜艇水平面的回转运动和航向机动性125§4-]水平面的回转运动…………………………s………………12534-2根据线性响应方程式求解回转运动……………134§4-3Z形操舵机动和K、T指数的确定………………145第五章·空间运动方程…………·章………149§5-1潜艇六自由度运动的一般方程式…………·普音圈··§5-2空间运动的受力表达式…···.···鲁辛是··中,百··日身·自昏··哥152§5-3潜艇六自由度空门间运动方程式··“…···········.··…159§5-4空间定常螺旋运动……………………………………………………170§5-5特殊情况的操纵性…Ⅵ第六章水动力系数的估算…182§6-1附加质量的估算…………………………………………………………………83§6-2速度导数和舵角导数的近似计算………………………………………18886-3角速度导数的近似计算192§6-4耦合水动力系数的近似计算和艇型的水动力特性…………………………………………194§6-5数例…辛专画●●。善b。●垂p.。鲁音命非非b自自都“。垂静·b节甲普1·tp自号mp●●甲平曹。中自中…203第七章操纵性试验酯d由●曲………………207氵7-1实艇操纵性试验…4酯4『自直有4节·………207§7-2潜艇自由自航船模试验…………命·.·····“····………………216§7-3拘束船模试验a…220§7-4潜艇操纵模拟器229第八章潜艇操纵面的设计…§8-1潜艇操纵性的要求和标准…232S8-2操纵面的水动力特性……………………………………………D。·非§8-3操纵面面积的确定………………“·44···‘·44·4····4···S84操纵面的建筑形式和布置……bbd····M非妯b。非b‘·。·晋垂日。音·,·………………250附录附录一无因次物理量定义………………257附录二两类坐乔系和符号的比较………259参考文献…n"“264主要符号E-y5固定于地球的固定坐标系(定系)G-xyz固联于潜艇的运动坐标系(动系)V潜艇重心处的航速n、”,l—航速v在G-xy坐标系上的投影。分刑称为纵向速度横向速度、垂向速度s潜艇转动的角速度p、q——角速度在O-x坐标系上的投影。分别称为横倾角速度、纵倾角速度、回转(或偏航)角速度F——水动力中心点(或中性点)水动力合力F、FD—升力阻力F——作用于潜艇上的力x、Y、Z——力F在Gy坐标系上的投影。分别称为纵向力横向力和垂向力M——作用于潜艇的力矩K、M、N——力矩M在Gy坐标系上的投影。分别称为横倾力矩及舵效指数纵倾力矩、偏航力矩P6、y—潜艇的姿态角:横倾角、织倾角、首向角On、yn—超越纵倾角超越首向角、x—航迹(航速)角、潜浮角a、B—攻角(冲角)漂角6、③、d、O,,舵角方向舵舵角首升降舵舵角尾升降舵舵角、围壳舵舵角D-—螺旋桨直径、回转直径B,、D、D一定常回转半径定常回转直径战术直径n、xr、Kr—螺旋桨转速推力、无因次推力系数L、H-—艇长艇高B——艇宽、浮力C—浮心临界点(或逆速点、潜浮点)、阻力系数P,M,一重力静载,静载力矩G、5、、—重心、重心在固定坐标系的纵坐标、横坐标铅垂坐标卩、V4-容积排水量、水下全排水量∫(或L/V3)—艇体修长度4—潜艇质量g—重力加速度p水密度h—-潜艇稳心高I、Ⅰ2、J、I:—潜艇的转动惯量、对动系(r、G,Gz轴的转动惯量附加质量、附加质量系数S、S、S灬、S-—方向舵面积、首升降舵面积、尾升降舵面积、围壳舵面积h、"g水平稳定翼面积、垂直稳定翼面积SMr、Sngr-—水平尾鳍面积、垂直尾鳍面积A——翼的展弦比、特征方程的根C;、CB、CH——垂直面稳定性衡准数、水平面稳定性衡准数、定常回转稳定性衡准数T—稳定性指数、时间常数l、Kw垂直面的静不稳定系数、动稳定性系数lg、Km—水平面的静不稳定系数、动稳定性系数l、l、l-—无因次的纵倾力臂、回转阻尼力臂、扶正力矩相对力臂C5(或C/C)—临界阻尼系数、阻尼比(La、Ln;lm、lm;l、le、l)——距离(尾、首升降舵舵力作用点Sb到艇重心G的距离;点s、b到艇的水动力中心点F的距离;临界点C到点F、的距离临界点C在x方向的坐标、枢心点在重心G前的坐标Va、V、V升速、逆速、尾升降舵逆速初转期、初始转首纵倾角加速度参数初始转首首向角加速度参数—振荡频率、固有频率、操舵频率、频率比(=ω,/o)FRT-—自由自航船模试验ORT—一斜航试验RAT-—旋臂试验PMM VPMM、 LAHPMM—平面运动机构、垂直面平面运动机构、大振幅水平面平面运动机构绪论§0-1潜艇操纵性的基本概念操纵性的含义在潜艇航行过程中,如潜望镜深度或水下内燃机工作状态、实施鱼雷攻击或发射导弹,操艇者总是力求使潜艇以一定的航速、规定的姿态、深度和航向运动,确保航行安全,以便安全有效地使用武器;而当在預定航线上发现障碍物或险情、攻击敌人后或遭敌人攻击,为了避碰、摆脱敌人,操艇者又要使潜艇迅速地改变航速、姿态、深度或航向。把操艇者所采取的操作,称为对潜艇的操纵或称控制;潜艇在运动上对操艇者的操纵作出响应的能丿称为潜艇的操纵性简言之,潜艇操纵性是指潜艇借助其操纵装置来改变或保持艇的运动速度姿态、方向和深度的性能。它包含以下重要性能:运动稳定性——潜艇保持一定航行状态(如航向、纵倾及深度等)的性能;机动性——潜艇改变航行状态(如航向、纵倾及深度等)的性能惯性(或制动)特性——推进器工况发生改变(停车或倒车)舵保持岺舵角时的潜艇运动特性。所以,当潜艇具有良好的操纵性时,能根据操艇者的要求,既能方便、稳定地保持航向、深度和航速,又能迅速改变航向、深度和航速,准确地执行各种机动。操纵性是潜艇的重要航海性能。对于保证航行安全、充分发挥艇的战术技术性能、占据有利阵位、发扬火力打击敌人和规避敌人武器的攻击,以及提高经济性,都有非常重要的意义。第二次世界大战后,潜艇技术取得了突破性的进展,特别是现代潜艇所具有的水下高航速,使潜艇的运动幅度大,而其允许活动的水深大约只是艇长的3~5倍,潜艇必须在相对狭窄的垂直通道内安全航行,既不能超出极限深度,也不能不适时宜地浮出水面,因此高速潜艇必须具备优良的操纵性。从航行安全看,统计资料表明,战后30年来(1945~1975年)国外常规潜艇发生事故62起,沉艇21艘,其中碰撞事故占35.5%,搁浅和进水事故占13%;从』954~1990年的30多年中,国外核潜艇发生事故136起,沉艇13艘,失落于海底的反应堆10多座、核武器50余枚,居事故榜首的还是碰撞,占21.4%。可见,潜艇的海上事故,将造成巨大经济损失和战斗力的重大损伤,纵观潜艇的海上事故的原因,其主要是碰撞触底进水等操纵性方面的原因[2,3]。此外,由于现代潜艇具有强大的攻击能力,尤其是弹道导弹核动力潜艇是一个国家核威慑力量的重要组成部分,促使反潜武器日益精良,为此对潜艇的机动性,特别是空间机动的性能提出了更高的要求,操纵性与稳性、快速性和低噪声、大深度组成了现代潜艇最重要的五大总体性能。运动稳定性和机动性在概念上是对立的。对操艇来说,就是稳要稳得住,动要动得快,个要“保持”,一个要“改变”,因此二者是互相矛盾的,它们对立统一于潜艇操纵性之中。所谓良好的操纵性,是指潜艇应是运动稳定的,并具有尽量好的机动性,这正是现代潜艇设计师面临的重要课题潜艇航行状态的保持或改变都是对操纵装置不断操纵的结果。潜艇在水中航行时,艇体上所受的水动力受艇形影响很大,但由于艇体本身不能实施航行操纵,如果没有操纵装置的作用,潜艇就不能自动改变航向、深度而按所需的航线运动。一般把潜艇在操纵装置控制下的艇的运动称为“操纵运动”,以便与耐波性中因风浪的扰动而产生的潜艇摇荡运动相区别。潜艇操纵装置的车(主机)、升降舵(亦称水平舵,分首升降舵和居升降舵,简称首舵、尾舵。首舵又有首端首舵与指挥台围壳首舵(简称围壳舵))、方向舵〔亦称垂直舵),各种水舱和高、中低压气,以及可弃固体压载,对单桨艇有时还设置侧向推力器(即侧推装置)等,通常简称为“车、舵、气、水”。它们的作用都是提供一个使艇转向变深的力。在本课程的研究中,主要是指舵力和静载(由潜艇的实际重力、浮力构成)作用下的运动特性实际上,除了艇体和舵以外,对潜艇的操纵还包括多个环节的复杂操纵系统,如图01所示。目前,把控制潜艇的运动姿态漂浮状态和航行工况的装置设备管系及相关的工程软件等有机组成的功能系统称为操艇系统包括航行驾驶、均衡潜浮、离华码头和系船等分系统。例如,对于航向(或深度)的调整是这样进行的实际航向实际深度航向误差指令航向深度误岩驾驶员指令能角航手和/卖标涤度实航向显示器指令深度或白动驾驶仪机实际蛇角图0-1潜艇操纵系统方框图指挥员(或操艇者)根据需要的航向(指令航向)和实际航向(由罗经显示)的差别发出指令舵角,舵手根据命令操动舵轮(或按键盘),给出舵角指令,舵机按此指令转动舵,同时将实际舵角值送到舵角显示器上,供指挥员了解。舵的偏转使舵和艇体产生水动力,形成转船力矩,使艇改变航向(或航迹),并把实际航向送到显示器与要求的航向比较,指挥员再根据二者的差别,考虑发出新的指令,直到实际航向和要求的航向一致为止。当采用自动操舵时,上述比较航向误差和发出指令舵角的任务则由自动驾驶仪代替操艇者执行,并将航向和深度进行集中控制(见图0-2)。现代潜艇所釆用的“集中控制操舵仪”,把操纵升降舵、方向舵和均衡澘艇集中为一个自动化的操纵系统,对潜艇的航向、深度、纵倾角、浮力调整、纵倾力矩的均衡等进行自动控制,对车令的发送、侧推装置进行遥控。在正常情况下,可由一名艇员操作,既能实现自动定深、定向航行和协调地空间机动,又能自动地保持良好的动平衡状态,大大提高了操艇质量,增强了潜艇的机动能力。同时,潜艇的潜浮则由“潜浮集中操纵台”进行集中控制和集中显示,实现潜艇航行状态转换的控制和显示,实现水下动力抗沉的控制和显示等功能由上可知整个潜艇操纵系统是由艇体、舵、舵机、操艇人员(或集中控制操舵仪,含自68◆s9种P1213(a)驶员方位深度速皮记录控制台口回转率口纵倾角口纵倾事横倾角水平舵角航向和探度机械操舵系统控制系纯/纵倾和调整系统濬無艇的流体动力外界情况图2潜艇的集中控制系统(a)船控操纵台;(b)集中操纵系统框图1速度控制器,2—导弹补重控制面板;3一潜艇开口指示器:4-潜艇快速响应显示器;5-操纵方式工况指示器;6-警报器;7-数字读数器;8应急显示器;9-悬浮控制器;10-纵倾控制器;11-压载控制器12-自动船控控制器,13垂直舵应急控制器:14-辅玏船把控制器;15一通信控制器;16-电视方位控制器。