國外大比例潛艇模型試驗研究

劉治學(xué)，宋 楊，楊清軒，劉 洋

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

國外大比例潛艇模型試驗研究

劉治學(xué)1，宋 楊2，楊清軒2，劉 洋2

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

采用大比例潛艇模型進行試驗測試可有效評估、預(yù)測潛艇戰(zhàn)技性能，從而推進潛艇研制工作。與實艇試驗相比，大比例潛艇模型試驗具有低成本、無人員安全風(fēng)險等突出優(yōu)點。本文將研究國外大比例潛艇模型試驗情況，分析未來潛艇大比例模型試驗發(fā)展趨勢。

大比例潛艇模型；試驗

0 引 言

隨著潛艇使用成本越來越高，國外日漸青睞通過低成本的大比例潛艇模型試驗研究潛艇等水中兵器，大比例潛艇模型試驗將得到更廣泛的應(yīng)用。其中美國、英國和德國等潛艇技術(shù)強國在大比例潛艇模型試驗上有著豐富經(jīng)驗，試驗理念先進，下面對美、英、德3國大比例潛艇模型情況進行研究。

1 美國大比例潛艇模型試驗情況

歷史上美國首個大比例潛艇模型是“坎盧普斯”號（Kamloops），該模型于1967年交付龐多雷河湖（Lake Pend Oreille）試驗場，該試驗場屬于美國海軍海上系統(tǒng)司令部下屬的聲學(xué)研究支隊（ARD）。

“坎盧普斯”號為“鱘魚”級核潛艇的1/4比例縮比模型，是一個可自由上升的無動力潛艇模型，可以用來測試潛艇的艇體、首部、尾部和指揮臺圍殼的目標(biāo)強度涂層，以及進行玻璃鋼（GRP）聲吶導(dǎo)流罩設(shè)計、流噪聲的內(nèi)部處理、主壓載艙進水孔設(shè)計、首部平面密封設(shè)計、隔音板設(shè)計、魚雷管艙蓋密封設(shè)計等內(nèi)容。由于“坎盧普斯”號潛艇縮比模型試驗有力的推進了裝備研制工作，美國海軍又相繼設(shè)計并制造了LSV-Ⅰ，LSV-II比例潛艇模型。

LSV系列潛艇模型主要用于測試潛艇的輻射噪聲、設(shè)計推進器、預(yù)測操縱和流體力學(xué)性能、測試新的設(shè)計改進，如新的指揮臺圍殼設(shè)計等，實現(xiàn)并推進新技術(shù)在現(xiàn)役潛艇和新潛艇上的應(yīng)用[1]。

1）LSV-I的基本情況

LSV-I“紅大麻花魚”號（Kokanee）是“海狼”級潛艇的1/4縮比模型，采用電池動力，可自主航行，長27.43 m（90 in）、寬3.05 m（10 in）、排水量168 t，電池重量約25 t，于1987年11月交付給位于北愛達荷州的龐多雷河湖試驗場。

LSV-I是“海狼”級潛艇的縮比模型，該模型主要

LSV-I主要用于評估“海狼”級潛艇的推進器配置，以及潛艇在高速航行情況下的隱身性能研究。此外，該模型還用來評估“弗吉尼亞”級潛艇的推進器和其他相關(guān)技術(shù)。

LSV-I耐壓殼體的前端裝備1 524組蓄電池，為推進電機（1 440組）和相關(guān)儀器設(shè)備（84組）提供電力，耐壓殼體的尾部安裝各種儀器設(shè)備，如制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制設(shè)備，以及艇上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ODAS）的信號處理器和記錄設(shè)備。此外，尾部艙室包含1臺3 000馬力的推進電機、軸承、螺旋槳軸。

2）LSV-II的基本情況

LSV-II“卡斯羅特”號（Cutthroat）是“弗吉尼亞”級潛艇的1/3.4縮比模型，長33.83 m（111 in）、寬3.05 m（10 in）、排水量205 t，1999年開始設(shè)計建造，2002年7月23日下水服役，設(shè)計建造成本約為5 000萬美元。

LSV-II用于改善“弗吉尼亞”級潛艇在隱身、水動力、水聲、推進等方面的設(shè)計，以及支持現(xiàn)役和未來攻擊型核潛艇的技術(shù)植入。其中潛艇的操縱和電力推進技術(shù)研究是2項最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)領(lǐng)域。此外，還可以通過對LSV-II進行改裝，來優(yōu)化潛艇指揮臺圍殼的形狀和其他參數(shù)，以改善潛艇的操縱性，或用來評估潛艇的操作程序。例如在不對潛艇和艇員造成損害的前提下，確定潛艇在極高航速下的最大許可的方向舵偏角。

與LSV-I相比，LSV-II在結(jié)構(gòu)配置、安靜性、操縱等方面都有了重大的改進。LSV-II采取模塊化的設(shè)計思想，可以提供計劃好的單獨結(jié)構(gòu)點，便于重新配置結(jié)構(gòu)。

LSV-II在水動力學(xué)和潛艇操縱研究方面具有更多的優(yōu)勢，在自主航行過程中，利用全船控制計算機（SCC）控制其他微處理器的操作，包括電池和環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)（BEMS）。

LSV-II與LSV-Ⅰ一樣都采用閥控鉛酸電池。為了能夠?qū)崿F(xiàn)更加安靜、具有更加良好的操縱性能的測試平臺，LSV-II采取了先進的電驅(qū)動技術(shù)，以及最新的永磁推進電機，裝備1臺3 000馬力的永磁推進電機，以及先進的電子電機控制器，并且可以利用額外的發(fā)電機控制模塊將其擴展到6 000馬力。此外，LSV-II在指揮臺圍殼、控制面等關(guān)鍵部位都安裝了相應(yīng)的傳感器，利用高速數(shù)據(jù)傳感器可以改善水動力試驗性能，自動駕駛與制導(dǎo)和導(dǎo)航控制系統(tǒng)都采用了最先進的技術(shù)成果。

LSV-II的比例相比LSV-I增加了29%，這樣可以改善全比例結(jié)構(gòu)的真實度，提高測試結(jié)果的可靠性。LSV-II的艇上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能也有了較大幅度的提高，數(shù)據(jù)通道增加了1倍，由256個增加到了512個，并且已經(jīng)升級到1 536個記錄通道，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的形式。

3）LSV試驗情況

從1988年LSV-Ⅰ開始服役之后，截止到2002年，LSV-Ⅰ有641 d進行了航行，每天的航行至少成功完成一次試驗。由于所處試驗場冬季不結(jié)冰，LSV可以全年進行試驗。不過受天氣環(huán)境所限和模型自身問題，LSV-Ⅰ亦多次出現(xiàn)了故障并導(dǎo)致測試中斷。例如在2001年，LSV-Ⅰ由于出現(xiàn)軸密封問題影響了試驗使用；2002年的1–5月，由于風(fēng)速超過了5 m/h的限制需求，導(dǎo)致計劃為期21 d 的試驗被迫取消。總之截止到2002年，LSV-Ⅰ平均每年完成航行52次，成功完成1 821次測試，平均每次航行完成2.8次試驗。

此外，根據(jù)美國海軍預(yù)算透露的消息，最近幾年，基于“先進潛艇技術(shù)研究項目”的研究需求，LSV每年都會完成多次試驗，例如：2003年完成12次聲學(xué)試驗，2004年完成17次LSV-Ⅰ航行試驗和6次LSV-II航行試驗，2005年完成6次LSV-II航行試驗[2]。

通過分析1998–2013年LSV所進行的試驗情況（或計劃），可以發(fā)現(xiàn)LSV的試驗主要集中以下6個方面：總體性能測試、流體力學(xué)、聲隱身、推進器研究、指揮臺圍殼研究、操縱與控制。具體情況如圖3所示。

LSV模型試驗主要具有以下幾個特點：

1）潛艇聲隱身試驗、流體動力學(xué)、操縱與控制試驗研究，特別是流體噪聲試驗貫穿于LSV測試的始終，一直是其中的研究重點；

2）推進器研究是LSV的另外一個突出重點，包括“海狼”級潛艇和“弗吉尼亞”級潛艇的推進器研究，以及推進器局部的改進研究；

3）指揮臺圍殼測試成為LSV測試的一個亮點，既包括“海狼”級和“弗吉尼亞”級潛艇現(xiàn)在使用的鋼制指揮臺圍殼，也包括先進指揮臺圍殼的測試工作；

4）持續(xù)不斷的對LSV進行技術(shù)更新，特別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的升級更新，保障設(shè)計工作的良好進行。

2 英國大比例潛艇模型試驗情況

英國在大比例潛艇模型試驗上有著近百年的發(fā)展歷程，早在20世紀20年代英國就研發(fā)了全尺寸大比例潛艇模型HMS X-1，該模型長約6.4 m，主要由3個圓柱形輕鋼板構(gòu)成耐壓艇體，并裝有電池和推進電機等動力系統(tǒng)。該模型于樸茨茅斯造船廠進行潛艇水面和水下航行試驗，為英國二戰(zhàn)時期潛艇裝備發(fā)展作出重要貢獻。

冷戰(zhàn)時期，英國于1960年研發(fā)了HMS Valiant大比例潛艇模型用于核潛艇研制工作，該模型裝有大量傳感器設(shè)備，能較全面的收集潛艇航行數(shù)據(jù)，但由于該模型采用拖曳式動力方式。為更好模擬潛艇航態(tài)，英國又研發(fā)了SRM-I和SRM-II兩型大比例潛艇模型，目前這兩型潛艇模型仍在參與試驗工作[3]。

1）SRM-I基本情況

SRM-I大比例潛艇模型由英國奎奈蒂克公司下屬的Haslar流體動力試驗中心于80年代研制，該模型耐壓殼體由鋁材料制成，并用玻璃增強塑料（GRP）包裹艇體。SRM-I型模型采用遠程控制以及半自動操作方式，額定潛深為30 m。該模型主要特點包括機動性好，可模擬多種潛艇航態(tài)；運行時間長，可持續(xù)航行40 min；可在試驗水池深度范圍內(nèi)模擬潛艇深潛試驗。

SRM-I潛艇模型最初采用航行感應(yīng)器收集模型航行數(shù)據(jù)信息，目前已升級為環(huán)形激光陀螺儀（RLG），以更準確的記錄模型水下航行俯仰、滾動等航態(tài)數(shù)據(jù)，SRM-I潛艇模型具體結(jié)構(gòu)配置如圖6所示。

試驗任務(wù)上，在90年代SRM-I潛艇模型主要用于模擬“特拉法加”級核潛艇進行航行試驗。英國潛艇科研單位通過模型試驗發(fā)現(xiàn)潛艇操作算法缺陷，并對“特拉法加”級核潛艇控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

2000年后，法國和西班牙、挪威和瑞典等歐洲國家掀起常規(guī)潛艇裝備聯(lián)合研制的熱潮，SRM-I潛艇模型被用于模擬常規(guī)潛艇淺海、沿岸環(huán)境航行試驗，并于2005年完成潛艇轉(zhuǎn)彎機動與流體影響測試工作，隨后又于2009年開展?jié)撏型尾舵機動測試。2014年受韓國大宇公司委托，英國奎奈蒂克（QinetiQ）公司將SRM-I潛艇模型用于“張保皋”級常規(guī)潛艇（韓國基于德國209型潛艇研制）模擬測試工作。

2）SRM-II基本情況

SRM-II潛艇模型由奎奈蒂克公司研制，該模型外觀與SRM-I潛艇模型相似，但在模型設(shè)計和構(gòu)造方面存在較大差異。SRM-II采用模塊空間框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)便于更換模型內(nèi)部各型設(shè)備。而SRM-I潛艇模型采用內(nèi)置大部分設(shè)備的大型耐壓艇體結(jié)構(gòu)，不利于模型內(nèi)部設(shè)備的更換。

SRM-II潛艇模型光纖陀螺、推進電機等設(shè)備采用了商用現(xiàn)成產(chǎn)品，降低了研制成本。此外與SRM-I潛艇模型不同，SRM-II潛艇模型還裝有2個壓載缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別位于艇首和艇尾，氣缸容量為10 L。機動能力上，SRM-II潛艇模型具有垂向、縱向、橫向三維機動調(diào)整系統(tǒng)，進一步提升潛艇模型機動能力，可更精確地模擬潛艇航態(tài)。

SRM-II潛艇模型已于2014年交付Haslar流體動力試驗中心，并模擬“前衛(wèi)”級彈道導(dǎo)彈核潛艇以及英國下一代彈道導(dǎo)彈核潛艇進行相關(guān)試驗、測試工作[4]。

3）英國大比例潛艇模型未來發(fā)展計劃

大比例潛艇模型因其低成本、試驗便捷、安全性好等多種優(yōu)點受到英國水中兵器研制單位的重視。英國奎奈蒂克公司認為未來大比例潛艇模型將向高自主性、智能化、強化數(shù)據(jù)收集及分析能力等方向發(fā)展。同時鑒于目前發(fā)展迅速的無人潛航器與大比例潛艇模型有一定共通性，可通過吸取無人潛航器先進技術(shù)快速提升大比例潛艇模型性能，減少模型試驗中投放與回收次數(shù)，延長模型測試時間和效率。

奎奈蒂克公司提出未來大比例潛艇模型將具備以下特點，可精確預(yù)置、規(guī)劃模型航跡及機動動作，模型進行自主航行無需實時操作；具有自動避險能力，當(dāng)測試環(huán)境或航行動作超出模型安全范圍時將自動終止測試航行并進行規(guī)避；模型可自動且實時分析測試數(shù)據(jù)，減少岸上科研人員工作量及工作時間；模型任務(wù)程序編碼無需上岸更改，科研人員可在模型試驗中更新程序，并可使模型持續(xù)進行測試任務(wù)。

3 德國大比例潛艇模型試驗情況

德國是常規(guī)潛艇技術(shù)強國，重視潛艇裝備測試驗證技術(shù)發(fā)展。2008年德國蒂森克虜伯公司和漢堡大學(xué)聯(lián)合開展利用低速風(fēng)洞執(zhí)行潛艇模型測試的技術(shù)研發(fā)工作，與水池測量潛艇模型方式相比，風(fēng)洞測量具有占用空間小、數(shù)據(jù)收集便利、模型持續(xù)試驗時間長、利于模擬潛艇水下航態(tài)、無需維持試驗水池設(shè)施等優(yōu)點，目前德國已完成214型潛艇模型風(fēng)洞試驗工作。

1）214型潛艇模型基本情況

214型潛艇模型尺寸與實艇比例為1∶15，主要由艇首、模型內(nèi)部艙、指揮臺圍殼、艇尾四部分組成。模型內(nèi)部艙主要由鋁材料制成，外部結(jié)構(gòu)主要采用強化塑料包裹，模型整體重量較輕，小于100 kg。模型由8根固定長度電纜連接到運動模擬器上，可模擬潛艇機動航態(tài)并測量模型所受流體動力。

模型運動模擬器由8個滑塊組成，滑塊分別位于測試風(fēng)洞內(nèi)鋁框架前后端軌道上并可獨立移動，模型位于鋁框架內(nèi)中心位置，通過滑塊控制進行6維動態(tài)移動，電纜則將測量數(shù)據(jù)傳輸至試驗中心[5]。

經(jīng)過試驗驗證，風(fēng)洞測量214型潛艇模型可有效模擬潛艇水下平移、滾動、組合旋轉(zhuǎn)等航行方式，蒂森克虜伯公司通過風(fēng)洞測量方式成功測得214型潛艇X尾舵尾流場系數(shù)。2014年9月，214型潛艇模型開展小型高速單軸螺旋槳實驗項目，目前已成功測得螺旋槳軸向量和力矩等性能參數(shù)。

2）214性潛艇模型試驗情況

214性潛艇模型試驗風(fēng)洞測試段尺寸長為5.5 m、寬3 m、高2 m，試驗風(fēng)速可達35 m/s。模型試驗數(shù)據(jù)測量采用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)，粒子圖像測速系統(tǒng)由雙脈沖激光器，2個CCD攝像機和一個柱面透鏡組成。系統(tǒng)全部安裝在風(fēng)洞側(cè)面的可移動的光學(xué)組件上。在測量之前，粒子圖像測速系統(tǒng)必須進行校準和圖像處理，在確認獲取校準目標(biāo)三維風(fēng)速矢量圖像后開始試驗。

風(fēng)洞測試大比例潛艇模型與水池測試相比具有鮮明的特點，其中優(yōu)點包括：模型不受動力、重新定位等限制，可長時間持續(xù)試驗；測量數(shù)據(jù)易于捕捉、分辨率高，便于試驗成果統(tǒng)計分析；模型狀態(tài)調(diào)整便利，試驗靈活度高；實驗設(shè)施占用空間小、維護和試驗費用少，具有顯著的成本效益。

風(fēng)洞試驗存在的不足主要包括以下幾點：風(fēng)洞無法模擬潛艇水面及淺水航態(tài)條件，只能進行潛艇模型深水航行試驗；風(fēng)洞測量對測量風(fēng)力、力矩的設(shè)計，校準精度要求很高，技術(shù)難度大；風(fēng)洞測試環(huán)境對潛艇模型較為苛刻（例如模型螺旋槳轉(zhuǎn)速將高達6 000 r/min），潛艇模型各部件須具有較高可靠性和強度，避免試驗中損壞。

風(fēng)洞測試未來發(fā)展上，蒂森克虜伯公司計劃對粒子圖像測速系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)多角度測量；潛艇模型小型化，減少測量死角。從而進一步提高潛艇模型風(fēng)洞測量數(shù)據(jù)的準確性和分辨率，提升試驗成果質(zhì)量。

4 結(jié) 語

通過分析國外大比例模型研制、試驗的基本情況，可以得到如下啟示：

1）確定合適的模型比例，提高研制和測試的可承受性

模型比例的大小對整個項目的成本費用、試驗測試的最終結(jié)果可靠性和可用性都有較大的影響。其中美國LSV模型的1/4比例是于20世紀80年代所確定的，主要是基于當(dāng)時的流體力學(xué)研究基礎(chǔ)。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實驗室流體動力學(xué)分部的主管曾于2007年指出，根據(jù)目前流體動力學(xué)的發(fā)展情況，可以采取的1/8比例模型，甚至更小的比例模型來完成試驗，使得設(shè)計建造成本更低、速度更快、完成試驗更多。NAVSEA 073R大比例模型主管則認為，1/8比例模型更加適合操縱性試驗，但是推進器噪聲和水聲測試則必須進行LSV（例如1/4）或者更大比例的試驗，以獲得準確結(jié)果。

根據(jù)美國目前積累的經(jīng)驗分析，1/4比例是目前實現(xiàn)潛艇性能預(yù)測設(shè)計較為理想的比例，特別是進行推進器噪聲和水動力噪聲測試。不過，隨著計算機技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，特別是風(fēng)洞、流體噪聲模擬器等模型試驗新方式的應(yīng)用，未來潛艇模型比例將向小型化發(fā)展，其中德國就采用1∶15較小尺寸模型進行試驗，但在水池模擬試驗方式上，大比例模型仍不可代替。

2）基于潛艇試驗測試的特點與需求，確定各系統(tǒng)的配置和能力

根據(jù)國外在大比例潛艇模型試驗上的經(jīng)驗，潛艇模型在測試潛艇聲學(xué)性能、推進器性能、操縱性能等方面可以發(fā)揮重要的作用，因此在選擇動力系統(tǒng)配置方面，需要密切考慮試驗的需要。例如在選擇動力推進系統(tǒng)時，選擇電池和電力推進系統(tǒng)可以降低模型的自身噪聲，對于測試水動力噪聲、推進器噪聲等具有較小的干擾，測試結(jié)果更加可靠。

此外，基于水下無人系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在軟件系統(tǒng)、傳感器、動力系統(tǒng)等方面，可以選擇COTS產(chǎn)品與技術(shù)，以及采取模塊化的設(shè)計思路，這樣可以不斷的提高潛艇模型的技術(shù)性能，還可以降低設(shè)計建造、日常維護、試驗測試等相關(guān)成本。

3）選擇合理的試驗方式，提高測試效率、降低測試成本

潛艇的試驗測試是復(fù)雜的項目工程，需要持續(xù)的不斷進行測試，潛艇模型所需完成的試驗數(shù)量和種類非常多，因此可發(fā)展風(fēng)洞試驗等新模型試驗方式，并根據(jù)不同試驗方式特點合理安排，如對大比例模型進行水池試驗測試潛艇水面性能，對較小比例模型進行風(fēng)洞試驗測試潛艇水下性能等。最大程度提升模型試驗效率和精確度，降低試驗成本。

[1]DAVID M FOX. Small subs provide big payoffs for submarine stealth. http://www.navy.mil/navydata/cnoln87/usw/issue_11/submarine_stealth.html.

[2]Thyssen Krupp Marine Systems Gmbh. Submarine model tests in the wind tunnel at TUHH[R]. Germany: Underwater Defense,2014.

[3]MNRCHANT P, KIMBER N. The development of free manoeuvring submarine models for hydrodynamic research[R].Netherlands: Qineti Q L td, 2015.

[4]ROB RUTTEN, NEVESLOU B. Submarine design methods,investigdting set based design[R]. Netherlands: Underwater Defense, 2015.

[5]ZAGHI, GDUBBIOSO. Free running manoeurving prediction of a submarine by CFD[R]. Italy: Nation Research Council,2015.

Research on foreign free manoeuvring submarine models experiment

LIU Zhi-xue1, SONG Yang2, YANG Qing-xuan2, LIU Yang2
(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China)

Experiments with free manoeuvring submarine models can effectively predict and evaluate submarine performance, Promote the development of submarine projects. Compared with the submarine experiment, free manoeuvring submarine models experiment has the advantages of safer and lower cost. This article waill study the situation of foreign free manoeuvring submarine models experiment, analyze the future development trend of free manoeuvring submarine models experiment.

free manoeuvring submarine models；experiment

TP29

A

1672 – 7649(2017)09 – 0194 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.039

2017 – 06 – 15

劉治學(xué)(1984 – )，男，工程師，主要從事管理科學(xué)與工程研究。是從外形結(jié)構(gòu)、主要艇體結(jié)構(gòu)上模仿“海狼”級。由于耐壓殼體內(nèi)部的零部件配置對潛艇的聲信號特征具有較小的影響，因此，LSV-I的內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置與“海狼”級潛艇相比差別較大，僅僅安裝用來控制動力分配、壓載、冷卻和通風(fēng)、操舵和下潛所需的相關(guān)系統(tǒng)，以及滿足動力推進需求的電池、電動機和推進器。LSV-I是完全自主型的潛艇模型，一旦給定命令，可以完成所要求的所有作業(yè)，包括深度和航行控制、故障識別與響應(yīng)等。