潜艇低噪声安静操纵控制技术研究.doc

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潜艇低噪声安静操纵控制技术研究
王京齐1 朱春景2 杨卫东3 施生达1
（1 海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033；2 海军驻南京地区航天机电系统代表室 南京 210003；3 海军92337部队，辽宁 大连 116023）

摘 要：声隐身性能是现代潜艇重要的性能指标之一。为了提高潜艇的声隐身性能，除对潜艇主要噪声源进行减振降噪处理外，还需要在潜艇实际使用中应用相应的低噪声安静操艇技术。从潜艇使用出发，对潜艇噪声组成及特性进行了分析。分析、研究了潜艇操艇控制系统的噪声特性，在此基础上对潜艇低噪声操艇技术进行了探讨。结论对提高潜艇的隐蔽性具有一定指导意义，对新一代安静型潜艇的研制提供参考。
关键词：潜艇；低噪声；操纵；控制技术
中图分类号：U674.76；TB533.2 文献标识码：A 文章编号：
Study on submarine’s low-noise quite maneuver control technology
WANG Jing-qi，SHI Sheng-da，ZHANG Wei-kang
(College of Naval Architecture & Power，Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)
Abstract: The acoustic covertness capability is one of the important performances of modern submarine. For improving the submarine’s acoustics covertness capability, in addition to absorb vibration or lower noise of the main noise sources, need to apply the low-noise maneuver control technique in submarine’s practical operation. From the point of view of this, Analysis submarine’s noise compositions and its specific property are carried out in this paper. By analyzing and researching the noise feature of submarine’s maneuver control system, the practical low-noise quite maneuver control technology is established. The conclusions can supply guide to improve covertness capability of submarine and can provide useful reference for designing new generation silence submarines.
Key words: submarine；low-noise；maneuver；control technology

潜艇的主要优势在于能够进行水下隐蔽作战，隐蔽性是关系潜艇作战成败的首要因素。潜艇的噪声小、声目标强度低，潜艇的声隐身性能就好，潜艇的隐蔽性就相对较好。实践表明，隐蔽性是潜艇实现“隐蔽自己，先敌发现，先敌攻击”要求的重要基础。
由于声波是迄今为止唯一可在海水介质中有效远距离传递信息的载体，水声探测是当前探潜的主要手段，因此，潜艇的噪声水平和声目标强度是潜艇隐身性能的主要标志。潜艇噪声水平和声目标强度的降低，不仅可减小被敌发现的距离，缩短敌鱼雷声导作用距离，而且改善了本身声纳工作环境，提高探敌的距离。但是，现有减振降噪技术，都是针对与潜艇的三大噪声源相关的设备、装置、艇体外部特征来治理的。事实上，同
一装置的操纵系统，不同的使用方式、不同的操纵控制，潜艇的噪声水平是很不一样的。

收稿日期：
基金项目：国防重点基金项目（6140514）.
作者简介：王京齐（1968-），男，副教授，博士，E-mail:wuhanwangjingqi
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低噪声安静操纵控制技术是研究潜艇的操艇系统不同操纵控制对潜艇噪声的影响及规律，操艇系统使用过程中的减振降噪是实现潜艇低噪安静型的重要操纵控制技术。
1潜艇噪声组成及特性
潜艇噪声包括在空气介质中产生的空气噪声，在水介质中产生的水噪声。潜艇水噪声又分为潜艇的辐射噪声和自噪声。
潜艇辐射噪声是由潜艇上的机械运转和潜艇运动产生并辐射到水中的噪声。辐射噪声由离开潜艇一定距离的水听器所接收，是被动声探测装置的“信息源”，它把潜艇的存在暴露给对方，是破坏潜艇隐身性能的主要因素。辐射噪声是表征潜艇隐蔽性的重要指标之一，用以评价被敌发现和遭受水中兵器攻击的危险性。
潜艇自噪声是安装在潜艇某部位上的全向水听器接收到的、由于本艇自身动力装置、设备等的工作和潜艇运动所引起的水中噪声。自噪声是由潜艇自身因素决定的参数，是潜艇上安装的声纳及水声设备的干扰源之一，是艇载主、被动声纳背景噪声的一部分，它严重限制声纳对目标的探测能力。
潜艇的噪声（不论辐射噪声还是自噪声）通常认为由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三部分迭加而成。
1.1 机械噪声
机械噪声是由潜艇上的各种机械设备、管路系统产生的噪声。潜艇上机械设备繁多，包括用于使潜艇航行的主机（如柴油机、主电机、汽轮机、经航电机等）及其配套的推进装置（如轴系等）以及各种辅助机械。这些机械在运动过程中产生振动，通过底座或支架传递到船体，激励船体振动并向水中辐射噪声声波。此外，舱室空气噪声激励艇体振动产生水下噪声，通海管路中的流体脉动也向水中辐射噪声。机械设备产生的噪声，往往含有系统转动频率及其谐波分量的窄带信号。
机械设备产生的噪声是潜艇低速巡航时最主要的噪声源。控制和减小潜艇机械噪声是潜艇实现安静化的重要环节。
1.2 螺旋桨噪声
螺旋桨噪声是桨在非均匀流场中旋转运动产生的噪声，包括螺旋桨空化噪声、螺旋桨旋转和桨叶振动等所产生的噪声。
理论研究与试验研究结果表明，螺旋桨的空泡现象是螺旋桨噪声的主要原因，因此，要降低螺旋桨噪声应尽力预防或减轻螺旋桨的空化现象发生。而螺旋桨的激振力引起船体振动，在于螺旋桨工作在不均匀的三向伴流场。因此减小螺旋桨诱导激振力根本方法是改善伴流分布，使之尽可能均匀。实践表明，这一措施最有效，因为伴流场的不均匀性乃是螺旋桨桨叶上不定常流现象的根源。
1.3 水动力噪声
水动力噪声是由不规则起伏的海水作用于航行潜艇所产生的噪声。该噪声包括流噪声，水流作用于潜艇空腔、板和附体、突出体而引起的振动产生的噪声，以及艇体与附体的空化噪声等。
研究表明，机械噪声和螺旋桨噪声构成主要的辐射噪声，而水动力噪声对自噪声影响较大。
使螺旋桨开始空化的航速，称为临界航速。当航速达到临界航速后，螺旋桨空泡噪声将成为主要噪声源，特别是高频段噪声是以螺旋桨的噪声为主。低频噪声（在低速航行时）是以机械噪声为主要噪声源。
1.4 平稳噪声与非平稳噪声
当潜艇作等速直线定深航行时，潜艇的噪声基本上是平稳的，其特性不随时间变化；当潜艇减速、加速、转向、变深及改变运动状态时，潜艇的噪声是非平稳的。这种瞬态噪声是在短促时间内出现的辐射噪声，对潜艇而言是由：
——潜艇内部的舱室、耐压及非耐压壳体上附着物的碰撞；
——鱼雷发射管盖板的启闭；
——机械设备（舵机、各种泵、空压机等）的突然启动或运转状态的改变；
——艇内人员走动、喊话等变动工况引起的。
瞬态辐射噪声中蕴含着许多瞬态特征，给水下目标的远程探测识别提供了信息。因此，对操艇过程中的潜艇噪声控制来说，控制潜艇噪声的瞬态特性是十分重要的。
潜艇平稳噪声中含有周期和非周期的确定性信号成份及随机信号成份[1]。对于确定性信号，可用离散的正弦函数来表示，对随机信号用概率密度函数来取值。当潜艇等速直线定深航行时，潜艇噪声可看成为各态历经的平稳随机过程，整个平稳随机过程的统计特性，与每个样本的统计特性相同，“时间平均”等于“系统平均”，一个样本函数就能反映整个随机过程的特性。
2 潜艇操艇控制系统的噪声特性
潜艇操纵控制系统（简称操艇系统）包括操舵分系统、均衡分系统、潜浮分系统、悬停分系统、离靠码头和系船分系统等五个分系统。从潜艇的使用来看，影响潜艇总体噪声的主要是操舵、均衡和悬停分系统，操舵、均衡、悬停保持深度及悬停工况改变，液压系统将产生气穴现象及液压冲击、振动及节流噪声，并通过艇体辐射，严重影响潜艇的隐蔽性。
2.1 操舵产生噪声的原因
舵装置主要由舵和液压装置组成。
操舵产生噪声的原因可分成直接原因和间接原因两方面，并具有如下特点：
2.1.1 直接来源－液压装置
舵装置的操舵工况属于脉冲作用。操舵时，液压系统管道中流通的液体，由于使用方式的变化，如阀门的启闭会产生气穴现象及液压冲击，引起液压装置的振动和噪声。
（1）气穴现象
在流动的液体中，由于压力降低而产生气泡的现象，称为气穴现象。液压油液中总是以混入或溶解形式含有一定量的空气，油液中所含空气体积的百分数称为它的含气量。气穴产生后，油液的流动特性变坏，特别是当带有气泡的液压油液被带到下游高压区域时，气穴的体积将急剧缩小或溃灭，产生局部真空，其周围的液体将以高速流向原来气穴占有的空间，这一过程是在瞬间完成的，从而产生局部液压冲击，使局部压力和温度迅速升高，引起强烈的振动和噪声。
液压系统中产生气穴现象，根本原因在于液压系统中的压力过度降低，使压力低于空气分离压力。因此，在液压系统使用中必须正确使用液压泵和油箱，保持一定的油压，保证全艇液压系统经常充满油，防止空气进入系统，改善液压系统的工作性能。
（2）液压冲击
液压系统中，当管道中的阀门突然关闭或开启时，如操舵换向时，液压管内液体压力发生急剧交替升降的波动过程称为液压冲击。当液压系统产生液压冲击时，瞬时的压力峰值有时比正常压力要大好几倍，可能造成管道和液压组件的损坏，并导致系统的振动和冲击噪音。液压冲击可发生在下列两类典型工况：
a. 液体流速突变引起的直接和间接液压冲击；
b. 运动部件制动产生的液压冲击
此外，液压系统中某些组件的动作不够灵敏，例如当系统压力突然升高，但溢流阀响应慢，没有迅速打开，产生压力超调，也引起液压冲击。
因此，在液压系统的设计中应考虑到缓冲液压的冲击，减小液压冲击的压力峰值，如限制管道中液体的流速、缩短管道的长度、采用弹性连接管、设置液压蓄能器，减少液压冲击的影响。从管理使用来看，在潜艇低噪声航行状态时，主要采取下列两类措施[2-6]：
a. 酌情延长执行组件的换向时间，并要缓慢关闭、开启阀门，以降低阀门的启闭速度；
b. 减少阀门启闭的频率，不可频繁、快速、突然开关阀门。
2.1.2 间接来源－舵的偏转引起流场的扰动，产生水动力噪声
操舵使潜艇机动时，影响潜艇尾流的决定性因素是舵角、艇的水平漂角或垂向的攻角及转舵速率和频率。它们使艇体尾部及操纵面上产生涡流，导致桨盘处速度波动[7]。
由于舵的操纵能力与航速成正比，低速时舵的操纵能力弱，而且逼近尾升降舵的逆速点（2~3kn左右），为了保持定深直航运动或定向变深运动需操纵较大的舵角，才能保持规定的运动状态。同时，在低速区，螺旋桨和其它声源的水噪声影响远不够显着，操舵引起的机械噪声和水动力噪声是潜艇水下噪声的主要成份。随着航速增大，螺旋桨噪声、机械噪声及其它水动力噪声成为主要噪声源。随着航速增大，舵的操纵能力迅速增强，为了保障操艇安全，只允许使用较小的舵角。
因此，要求隐蔽航行时，必须保证以尽量小的舵角、尽量少的转舵次数、尽量慢的变化频率来控制潜艇的运动状态。
2.2 均衡产生噪声的原因
均衡系统由浮力调整系统和纵倾平衡系统组成。均衡系统主要由水舱、疏水泵、电液球阀及水、气管路组成。
潜艇的均衡操纵，用主疏水泵和舱底泵进行浮力调整水舱的排水，调整水舱注水为自流形式。首、尾纵倾平衡水舱间的移水采用气压方式。因此，均衡操纵主要涉及管路系统的振动噪声控制。
管路系统的振动噪声的主要激励源是泵和阀。泵是振动、流噪声与空气噪声的激励源[5]，其振动能量流的传播途径为：第一通道是泵的支承结构，第二通道是与泵相连的管路系统，第三通道是泵周围的空气介质。管路系统的振动能量流沿管壁与管内流体介质传递，通过管路弹性吊挂件传递到船体，或由通海口辐射。经三个通道的传递导致水下噪声。
阀的快速开关、泵的启动与停止，使管道内的定常流动突然变化，引起所谓“水锤”现象，引起冲击振动，与液压系统类似。
因此，均衡操纵过程产生的噪声问题，与转舵操纵过程液压系统产生的噪声问题在实质上是一致的。
3 潜艇低噪声操艇技术
3.1 低噪声操艇的主要操纵控制规律
从实际操纵来看，低噪声操舵与常规操舵、自动操舵与手动人工操纵，都具有相同的基本操纵规则、相同的基本控制参数，主要区别在于操纵控制参数的取值以及转换控制点的取值及其实现的时间特性。对低噪声操艇来说，其特别要求是尽量减少对螺旋桨上游尾流场的扰动。
（1）尾升降舵角、方向舵角应采用小舵角。本限制要求变深机动时的指令纵倾角及回转角速度限制为某个小的量值，以有利于减小对尾部流场的扰动；
（2）定深直航运动的保持及变深机动时，多用围壳舵或中舵，少用尾升降舵。本限制也是着眼于围壳舵相对尾升降舵对潜艇尾流场的扰动较小；
（3）转舵速率要小。文献〔8〕要求转舵速率小于。该限制减少了在操舵开始及结束时的转舵效应（液压的启闭影响），减小液压系统中液体流动强度。转舵速率的提高将导致潜艇机动过程辐射噪声的增大；
（4）为了使稳态运动（定常运动）时的涡流幅度较小，潜艇的尾舵角及潜艇的漂角或攻角应加以限制[5]；
（5）以尽量少的转舵次数，尽量慢的转舵变化率来控制潜艇的运动，以便减少扰动、减小扰动的强度。理论研究表明，频繁操舵将引起液压冲击和舵装置的振动噪声，通过艇体向外辐射，严重时可超过主机低速工作时所造成的辐射噪声。
（6）改变本艇噪声脉冲的周期性时间特性。考虑到在给定的航向、深度和纵倾下，潜艇噪声脉冲的周期性时间特性是确定的，可能有利于敌人发现潜艇及分类。为纠正航向及深度的偏差，可作必要的不规则操舵，来改变潜艇噪声脉冲的周期性。
总之，要减少操舵系统使用过程中对总体噪声影响，可：在保证必要的稳定精度和机动要求的前提下，尽量减小转舵角、降低转舵速度、减少转舵换向次数及其变化、控制适当的艇体姿态（较小的纵倾角、攻角或漂角）、少用或不用大舵角、多用围壳舵（或中舵）少用尾升降舵、少用相对舵多用平行舵，保证尾部流场的顺畅。
3.2 典型机动的低噪声操艇技术简述
（1）等速定深直航前进运动的保持
等速定深直航机动时，操纵的目的是保持定深并保持航向，尤其是保持航行深度。为了实现安静隐蔽航行的目的，根据上述低噪声控制规律，相应的操艇策略可以是：
a. 主要用围壳舵或中舵或平行舵的小舵角保持深度；
b. 在战术机动允许的条件下，适当放宽航行深度的精度要求；
（2）等速定深转向运动的操纵
水下隐蔽航行时，若必须进行转向机动，相应的操艇策略可以是：
a. 选择在安全深度以下水层转向，并选用较低的转向航速；
b. 采用较小的方向舵角；
c. 少用两对升降舵，尽量使用围壳舵。
（3）定向变深机动的操纵
水下隐蔽航行时，若必须进行定向变深机动，相应的操艇策略可以是：
a. 变深机动应是缓慢的；
b. 应选用较低的变深机动航速；
c. 采用较小的指令纵倾角，缓慢地进行平行潜浮；
d. 采用较小的升降舵角。
3.3 用自动均衡代替人工均衡方式，并采用低噪声均衡控制技术
（1）尽量减少均衡操作，消除或减少产生不均衡量的因素。在隐蔽航行时，减少在一段时间内的艇上变动载荷的消耗与代换，控制舱底水的排放。根据海区水文特点，少变深或不变深，少变速或不变速（尤其在低速区减速），少变向或不变向。
（2）适当扩大不均衡的容许值，降低不均衡量的启动灵敏度。不均衡量的容许值，由不均衡量的启动值决定。启动值小，灵敏度高，补充均衡频繁，不利于降噪。
在工作深度，低速区航行时，应适当修正均衡启动值，确定不同工况下采用不同的均衡控制策略。扩大不均衡的容许值，增大启动值，适当放宽航行深度与纵倾的稳定精度要求。
3.4 采用“单个运动”操纵规律
“单个运动”驾驶规律是指仅用单个舵、较小舵角时不频繁操舵的缓慢操纵运动[7]。不包括首、尾升降舵联合使用方式，尤其不包括采用相对舵的潜浮运动，也不包括同时使用方向舵、升降舵的复杂机动。“单个运动”驾驶规律也不包括操舵与补充均衡的“舵、水”联合操纵控制方式。
在“单个运动”操纵规律下，减少操舵系统的机械噪声，限制了在稳定航速下的漂角、攻角和尾舵角，从而减少对螺旋桨来流的扰动，将使潜艇处于较安静的隐蔽航行状态。
4 结论
（1）潜艇低噪声安静操纵控制技术，对提高潜艇使用的隐蔽性、发挥潜艇的作战能力，具有重要的现实意义。
（2）潜艇低噪声操纵控制技术主要涉及转舵与均衡的操纵，以及潜艇航行工况转变（由低速增速，由悬停开车航行等）时引起的液压冲击、气穴，扰动螺旋桨盘面处及艇艏声纳平台区的流场，导致机械振动噪声与水动力噪声的重要改变。
（3）潜艇隐蔽航行时的低噪声操艇工况通常是指低速、等速定深运动（主要是直航）状态。
（4）潜艇低噪声操纵控制的基本规则是减少声源和控制声的传播。
（5）潜艇的低噪声操纵控制，将降低潜艇的机动性能，延长机动的过渡过程，降低运动状态的稳定精度。在安静性高于机动性要求的当代，上述付出的代价是必须的，也应该是可以接受的。
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