潛深對(duì)半潛器附加質(zhì)量影響分析＊

張光法

（海軍駐宜昌地區(qū)軍事代表室 宜昌 443003）

1 引言

遙控獵雷系統(tǒng)是反水雷系統(tǒng)無人化的重要組成部分，如美國(guó)的 AN／WLD-1（V）1系統(tǒng)（如圖1）和加拿大的Sea-Keeper遙控獵雷系統(tǒng)（如圖2），主要由一個(gè)柴油機(jī)推進(jìn)的半潛器和水下拖曳系統(tǒng)組成。半潛器航行于半潛狀態(tài)，通過艦上遙控設(shè)備控制航行，可根據(jù)需要航行在不同的深度。半潛器的航跡精度直接影響到探測(cè)與定位的精度，而半潛器的水動(dòng)力系數(shù)又直接決定了其操控性能，因此本文以加拿大的“海豚”半潛器為原型，對(duì)潛深對(duì)其附加質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。

圖1 AN／WLD－1（V）1的半潛式航行器

圖2 SEEKEEPER水下拖曳系統(tǒng)

2 計(jì)算方法

附加質(zhì)量可以通俗地理解為物體做搖蕩運(yùn)動(dòng)所帶動(dòng)的一部分水運(yùn)動(dòng)，該部分水的質(zhì)量可看作附加質(zhì)量，也稱為附連質(zhì)量。由勢(shì)流理論，附加質(zhì)量是由于物體做搖蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，這屬于輻射問題，因此從輻射問題開始來討論附加質(zhì)量。輻射問題即為流場(chǎng)中不存在入射波，只考慮物體在靜水自由面上作強(qiáng)迫搖蕩時(shí)的流體動(dòng)力影響問題。

2.1 輻射問題定解條件

取直角坐標(biāo)系o－xyz，oxy面位于靜水面，oz垂直向上，ox軸指向航行體平動(dòng)的方向。當(dāng)物體在靜水自由面附近作搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，流場(chǎng)中一階非定常速度勢(shì)的定解條件為2Φ（x，y，z；t）＝0， 流體域中

其中：（n1，n2，n3）＝n，n為物面單位法向量，指向物體內(nèi)部；（n4，n5，n6）＝r×n，r為點(diǎn)相對(duì)應(yīng)重心的矢徑。

此外還要滿足一定的遠(yuǎn)方外傳條件。

上面式子是在與物體一起平動(dòng)的坐標(biāo)系中表達(dá)的，其中U為物體前進(jìn)的速度，ηj為物體搖蕩運(yùn)動(dòng)的廣義位移，相應(yīng)的在求解上述定解問題時(shí)把速度勢(shì)也進(jìn)行分解，并采用格林函數(shù)法求解。

2.2 附加質(zhì)量

物體在自由面上搖蕩時(shí)受到流體的反作用力或力矩，它們?cè)诟髯鴺?biāo)軸上的分量可由流體壓力在相應(yīng)的坐標(biāo)軸上的投影并沿瞬時(shí)濕表面積分得到。由線性的伯努利方程可得壓力為

前面已經(jīng)提到一階速度勢(shì)Φ可以分解為

這里為物體搖蕩的圓頻率，下標(biāo)j＝1，2…，6表示搖蕩運(yùn)動(dòng)的模態(tài)；ˉηj為第j各運(yùn)動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)的幅值，φj為相應(yīng)第j模態(tài)的單位（規(guī)范化）速度勢(shì)，可以采用格林函數(shù)求得。上式對(duì)時(shí)間求偏導(dǎo)，可得：

由于物體作微幅搖蕩運(yùn)動(dòng)，瞬時(shí)濕表面和平均濕表面差是一階小量，這樣壓力在該小量的之差面上積分所得力為高階小量，所以流體壓力只須將一階壓力沿平均濕表面積分即可：

定義：

其中μjk稱為附加質(zhì)量，λjk為附加阻尼。

3 仿真計(jì)算

3.1 仿真初始條件

潛深：2.5m，3.0m，3.5m，4.0m；航速：10kn；俯仰角：0°；橫滾角：0°。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果見圖3～圖8。

圖3 潛深對(duì)μ11影響

圖4 潛深對(duì)μ22影響

圖6 潛深對(duì)μ44影響

圖7 潛深對(duì)μ55影響

圖8 潛深對(duì)μ66影響

4 結(jié)語

由計(jì)算結(jié)果可以看出潛深對(duì)不同的附加質(zhì)量影響不一，具體的說：隨著潛深的增加，縱向附加質(zhì)量μ11與垂向附加質(zhì)量μ33減??；而隨著潛深的增加，橫向附加質(zhì)量μ22與橫搖附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量μ44增加；潛深對(duì)縱傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量μ55和首搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量μ66影響不大。

本文通過對(duì)不同潛深下的半潛器附加質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，分析潛深對(duì)半潛器附加質(zhì)量的影響，可作為半潛器操控性能計(jì)算的基礎(chǔ)。

［1］趙治平，艾艷輝.國(guó)外反水雷裝備及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［C］.中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)水中兵器學(xué)術(shù)委員會(huì)反水雷兵器學(xué)組發(fā)展思路研討會(huì)，2005.

［2］傅金祝.國(guó)外水雷與反水雷［C］.中船重工第七一〇研究所，2005.

［3］黃景泉，張宇文.魚雷流體力學(xué)［M］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

［4］劉旭東，郭東，白正勤.利用尺寸特性的水面目標(biāo)性質(zhì)識(shí)別［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（12）.

［5］王孝福，尚雅玲，張賢彪.基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的引信安全系統(tǒng)控制電路［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（2）.

［6］嚴(yán)衛(wèi)生.魚雷航行力學(xué)［M］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.