潛艇操縱性自航模試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成

陳東賓

（海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山 316000）

0 引 言

模型試驗(yàn)是目前研究潛艇操縱性的主要手段，而模型試驗(yàn)又分為自航模試驗(yàn)和拘束模試驗(yàn)兩種。其中自航模試驗(yàn)在研究潛艇耦合水動力導(dǎo)數(shù)和大機(jī)動性條件下的操縱性具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

真正的潛艇自航模技術(shù)開發(fā)較晚。1957年，日本首先采用長5 m、重2 t的潛艇自航模，在神戶港進(jìn)行垂直面操縱性試驗(yàn)；1968年，法國巴黎水池在圣德羅茲灣進(jìn)行了海上潛艇自航模試驗(yàn)，試驗(yàn)用的潛艇模型長6.3 m，分段組裝并采用“程控+遙控”的方式進(jìn)行操縱；1994年，英國水下防御技術(shù)展覽會上展出英國國防研究局研制的無人駕駛潛艇研究模型長4.5 m，潛深可達(dá)25 m。美國海軍在1960年曾用“拖辮子”的方式（即由水下潛艇自航模指揮臺圍殼伸出一根天線，或天線上帶小球作為水下接受遙控信號的接受裝置）開展自航模水下機(jī)動試驗(yàn)；到1978年，研制了洛杉磯級首艇的自航模型，長約9.5 m，采用鋁合金殼體；1985年和1997年，為了驗(yàn)證“海狼”級潛艇和“弗吉尼亞”級潛艇的設(shè)計(jì)，在極其保密的情況下又分別研制了1∶4的大尺度自航模 LSV-1“科卡尼號”和 1∶3.4 的 LSV-2“卡特斯羅特號”，該船長度和排水量分別為27.43 m、168 t和33.8 m、205 t。

在潛艇自航模試驗(yàn)展開過程中，最重要是需滿足試驗(yàn)要求的潛艇模型的加工?；谠囼?yàn)要求，模型應(yīng)具備浮力、縱傾力矩的調(diào)整能力和螺旋槳調(diào)速能力，并且需要在模型上裝載可棄壓載?；谧院焦δ艿膶?shí)現(xiàn)，模型應(yīng)具備電力系統(tǒng)（包括直流、交流），自動控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與岸基設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)。為了方便在岸上檢測潛艇的航行軌跡，還應(yīng)添加水聲定位系統(tǒng)。下面分別就自航模各個系統(tǒng)的組成進(jìn)行闡述。

1 自航模模型整體構(gòu)造

自航模型設(shè)計(jì)完全模仿某型潛艇的線型和特性，由殼體、內(nèi)膽框架、艏結(jié)構(gòu)、艉結(jié)構(gòu)以及圍殼組件等組合而成。模型的制作借鑒了魚雷的先進(jìn)結(jié)構(gòu)形式和加工工藝的要求，其殼體為純鋼制結(jié)構(gòu)，由5個分段構(gòu)成，除艏部和艉部分段，其他3個分段的底部都安裝有導(dǎo)軌，方便內(nèi)膽框架的裝配。內(nèi)膽框架是艇內(nèi)設(shè)備的主要載體，基本上所有的設(shè)備都固定在該框架上。艇艏分段為了加強(qiáng)安全性能由雙層殼體組成，艇艉分段上安裝了艉舵系統(tǒng)、主電機(jī)及艉軸水密部件。模型指揮臺圍殼采用鋼性塑料制作，內(nèi)部用于安放長波接收機(jī)，并且在圍殼頂蓋通過水密螺栓連接外接天線。該潛艇模型結(jié)構(gòu)突出的優(yōu)點(diǎn)是水密性能好、接口結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、定位準(zhǔn)確，同時為了便于試驗(yàn)狀態(tài)的調(diào)試以及設(shè)備的檢查維修，拆卸也比較簡單。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自航模總布置示意圖

2 自航模各功能系統(tǒng)構(gòu)造

自航模內(nèi)的各種設(shè)備較多，從實(shí)現(xiàn)其自動航行的功能角度分類，可以分為電力系統(tǒng)（包括直流和交流）、自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)、運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、與岸基設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)以及水聲定位系統(tǒng)。以上各系統(tǒng)的組成以及之間相互關(guān)系參見下頁圖2。

下面就其中的通訊系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)予以說明。

2.1 長波遙控系統(tǒng)

潛艇自航模型在進(jìn)行水下各種運(yùn)動性能測試和實(shí)驗(yàn)時，均處于潛航狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行潛航時的各種操控，操控的指令由通信系統(tǒng)來傳輸。遙控系統(tǒng)是否可靠有效和實(shí)時性的好壞直接關(guān)系到自航模能否正常潛航、潛航時的安全性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性［1］。

圖2 自航模功能系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

要使系統(tǒng)具備上述性能，水下無線電通信是其研制的一個難點(diǎn)。無線電通信技術(shù)的原理在于:導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會產(chǎn)生無線電波［2］。利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)制可將信息加載于無線電波之上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收信端，電波引起的電磁場變化又會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。通過解調(diào)將信息從電流變化中提取出來，即可實(shí)現(xiàn)信息傳遞［3］。因此，模型采取以無線電長波為載體的長波無線遙控系統(tǒng)來完成潛航時的遙控，該系統(tǒng)由便攜式可移動手持遙控器、陸基短波發(fā)射機(jī)、陸基長波大功率發(fā)射機(jī)、艇載長波接收機(jī)、艇載短波接收機(jī)、譯碼與驅(qū)動、短波/長波收發(fā)天線等部分組成。如圖3所示。

圖3 長波無線遙控系統(tǒng)組成

2.2 自航模水聲軌跡定位系統(tǒng)

由于自航模水下試驗(yàn)無法從水面進(jìn)行觀測，一些傳統(tǒng)的定位方法如激光法、鏡面反射法等已不再適用［4］。然而，為了解自航模在水下的運(yùn)行狀況、確保其航行安全，必須實(shí)時了解自航模的位置和深度。這是自航模水下試驗(yàn)的一個關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前一個比較經(jīng)濟(jì)適用的方法是采用水聲方法對自航模在水下的位置進(jìn)行定位［5］。建立自航模運(yùn)動區(qū)域的坐標(biāo)系，由自航模通過水聲換能器發(fā)射水聲信號，再由固定于已知坐標(biāo)位置的水聲換能器接受該信號，并傳入后續(xù)設(shè)備對該信號進(jìn)行分析處理，運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠?jì)算最終得到自航模在該坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。具體工作原理如圖4所示。

圖4 水聲定位系統(tǒng)工作原理

2.3 艇載控制系統(tǒng)

操縱系統(tǒng)由艇載嵌入式計(jì)算機(jī)、I/O接口卡、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、控制信號轉(zhuǎn)換電路、反饋信號形成電路、反饋信號接收電路、傳感信號形成電路、小舵機(jī)開關(guān)信號形成電路等部分組成。其信息流程框圖如圖5所示。

圖5 操縱系統(tǒng)信號流程圖

反饋信號接收電路用來接收有關(guān)自航模運(yùn)行的主推電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向、姿態(tài)、艇內(nèi)積水與否等反饋信息，其信息流向是單向的。

伺服電機(jī)驅(qū)動電路接收來自I/O接口卡的伺服電機(jī)驅(qū)動信號，直接驅(qū)動控制潛艇各個舵的伺服電機(jī)以控制舵角。

壓力信號、內(nèi)部濕度信號、三個陀螺（縱傾陀螺、橫傾陀螺和航向陀螺）信號等信息則由傳感器通過傳感器電路進(jìn)入信號采集器送至計(jì)算機(jī)。

作為輔助控制的小舵機(jī)可以接收岸上傳來的操縱信號，小舵機(jī)根據(jù)操縱信號執(zhí)行的開關(guān)動作，形成開關(guān)信號送入計(jì)算機(jī)，各開關(guān)信號控制與其對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)動作。

作為整個操控系統(tǒng)的信息交流、存儲、控制中心，艇載嵌入式計(jì)算機(jī)可以通過無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)與岸基計(jì)算機(jī)的信息交流，并按照指令要求完成各種動作。

3 自航模系統(tǒng)存在問題

通過自航模試驗(yàn)，反映出潛艇自航模目前仍存在一些問題，集中表現(xiàn)在:

（1）缺乏模塊化設(shè)計(jì)模型的手段。目前自航模的設(shè)計(jì)，大量依靠工人的加工經(jīng)驗(yàn)，會導(dǎo)致模型在調(diào)整浮態(tài)和重力分布難以滿足實(shí)艇動力要求，不僅會影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，還會導(dǎo)致由于不能滿足相似規(guī)律而出現(xiàn)不合理的試驗(yàn)結(jié)果。這一問題需要進(jìn)一步研究。

（2）缺乏有效的方法采集潛艇自航模的速度信號。潛艇自航模屬于低速運(yùn)動體，其慣性較大，一般的振動速度傳感器不能有效測量其實(shí)時速度。若通過水聲定位系統(tǒng)來差分其速度，而水聲定位系統(tǒng)定位誤差在分米級、采樣頻率為每秒一次、該方法測量得到的結(jié)果誤差與模型的運(yùn)動速度在同一個量級，也不可行。因此，一種切實(shí)可行且有效的模型速度測量系統(tǒng)亟待開發(fā)。

（3）在大機(jī)動條件下，由于模型周圍流場湍流邊界層的影響，水聲信號會出現(xiàn)暫時失效的現(xiàn)象，這與水聲發(fā)射頭的布放位置和形式有關(guān)，需要進(jìn)一步研究其中關(guān)系，以克服水聲信號暫時消失的問題。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種已用于試驗(yàn)的潛艇自航模試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，并著重介紹了其中的長波遙控、水聲定位和自動控制子系統(tǒng)。通過實(shí)際的測試證明了自航模試驗(yàn)技術(shù)的可行性，取得的試驗(yàn)結(jié)果對潛艇操縱性的研究有一定的指導(dǎo)意義，也為持續(xù)發(fā)展?jié)撏ё院侥Ｔ囼?yàn)技術(shù)開拓了廣闊前景。

［1］畢毅，王波，李和平.水下自航模模型無線長波遙控系統(tǒng)［J］.船舶工程，2002，（6）:72-74.

［2］沃特A.D.甚低頻無線電工程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1973:22-48.

［3］沈琪琪，朱德生.短波通信［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1989:31-56.

［4］王波，畢毅，李和平.水聲式軌跡實(shí)時測量系統(tǒng)［J］.船舶工程，2003，25（2）:53-55.

［5］Coates R.Underwater Acoustic Communication［M］.USA:Sea Technology，1994:41-47.