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凌的潜艇博客

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从另类走向流行的X舵  

2009-10-30 08:00:35|  分类: 潜艇科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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从另类走向流行的潜艇X舵 - 小马 - LostAngel的潜艇博客

                 采用X舵的德国的212A型AIP混合动力潜艇

   X舵是指四个尾舵呈X型正交布置,舵轴中心线与艇纵中对称面呈一定夹角的分离式尾舵。与常见的十字舵相比,X舵造型独特,公开的资料又少,大家对其了解不多,所以总给人一种神秘感。加之X舵早期仅在荷兰、瑞典的几型常规潜艇上使用,使用范围小装备的潜艇也少,与随处可见的十字舵相比也就显得较为另类。但近年来X舵在新型潜艇中的流行速度却非常快,如澳大利亚的科林斯级、以色列的海豚级、瑞典于1996年服役的哥特兰级、德国在2003年建成的212A型、日本2005年投入现役的苍龙,乃至法国正在建造的梭子鱼级核潜艇,都无一例外的采用了X舵。X舵被这六型潜艇采用,说明这种独特的潜艇尾操纵面,在世界范围内的流行趋势已越来越火。那么到底是什么样的特性,让X舵完成了从另类到流行的华丽转变?又是什么样的性能优势,让更多的潜艇建造国接受了这种独特的尾操纵面呢?

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              船台上偏转一定舵角的212A型的X尾舵,从舵板偏转角度看212A的X舵为全动舵设计

  本文将从X舵的操纵性、安全性、静音性等角度出发,通过与十字舵的对比,详细阐释X舵的性能特点及其优缺利弊,并揭开X舵流行的主要原因。

一、X舵在操纵性上的优势:舵效高,机动性好。

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 上图为 一定航速、固定舵角下,十字舵潜艇与X舵潜艇舵效比较,X舵潜艇的机动性能优势是突出的。

   X舵的四个舵面布置在潜艇尾部的对角线上,舵面可取得最大展长,舵操纵面的操纵能力和效率高。加上X舵每个舵的摆动都能在水平面和垂直面产生操纵力,所以X舵的舵效要比十字舵高出近42%左右。以水平回转为例,X舵要比十字舵回转半径小14%左右,回转周期减小6%,回转速率增加6%。这意味着在航速相同、舵角相同的情况下,装备X舵的潜艇纵倾角和深度变化率要更大,在各种航速下的垂直面和水平面机动性上也均比十字舵优秀。 

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                    下潜中的海象级潜艇,尾部X舵舵板偏转到下潜状态

   对于一艘潜艇而言,拥有良好的水下机动性,有着非常重要的意义。因为在潜艇攻击过程中,良好的机动性可以帮助潜艇快速占领射击阵位,达到先敌攻击的战术要求,大大提高潜艇的攻击成功率。而在潜艇面临敌方反潜威胁中,更小的水平回转半径,更大的变深性能,都能帮助潜艇提高规避率,增强潜艇的生存能力。特别是在面对敌鱼雷攻击中,X舵潜艇可以利用较小的回转半径结合更大的变深速率,做出水平和垂直面结合的大机动动作,帮助潜艇快速脱离鱼雷声纳跟踪锥角,摆脱敌鱼雷的跟踪追击。所以,X舵与传统的十字舵相比,在攻击能力、规避能力上的优势也非常突出。而同样的潜艇,在装备X舵后在水下战术性能上显然会比装备十字舵更优异。

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从212A型潜艇正后方拍摄图片,可以清晰的观察到该型艇的X尾舵细节,上方露

出了处于收放状态的绿色拖曳线列阵声纳。

二、X舵在静音性上的优势。

1、低速下操舵频率低,操舵噪音小。

   根据以往经验表明,装备十字舵等舵效低的潜艇,在低速下为保持艇位需要频繁的操纵尾舵,由于舵装置具有连续工作的特点,采用电磁换向阀的舵装置噪声就会有明显的提高。同时,舵机液压装置和液压阀件开关所产生的液压噪声,舵机机械联接装置和机械部件产生的振动噪声,也会在低速时从降低的螺旋桨噪音中脱颖而出,形成较为明显的噪音源。X舵因为舵效高操纵性好,易于保持或者改变潜艇在各种航速下的运动状态,所以降低了操舵频率,减小了潜艇低速下的操舵噪音,对于改善潜艇低速下的静音水平有较大帮助。

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    荷兰海象级潜艇的左侧X舵顶端还作为拖曳线列阵拖带装置使用

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             工作人员正在为海象级潜艇进行拖曳线列声纳的拖带安置工作。

2、操舵时对桨盘面入流干涉少。

   X舵与螺旋桨盘面的距离可以比十字舵大些,可以降低操舵后流场对螺旋桨的干扰,改善螺旋桨盘面入流的均匀性。这有利于提高螺旋桨的推进效率,降低螺旋桨的工作噪音,对于提高潜艇航速和改善潜艇静音性能有益。

3、舵板声散射效果好,尾附体反射强度低。

   X舵的舵板一般以45度角布置,在面临敌主动声纳探测时,X舵的舵板可以提高入射声波散射率,削弱潜艇尾舵这一强反射区域的声反射强度,改善整艇的隐蔽性。目前各国为了克服安静型潜艇的威胁,越来越重视主动声纳的装备和发展。安静型潜艇在采用了X舵后,对于应对将来反潜平台装备技术更先进的主动声纳这一有力挑战,也有着非常深远的意义。

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                                                   212A的X舵

三、X舵在安全性上的优势。

1、横向不超宽、垂向不超基线。

  十字舵要提高舵效就必须增大舵板面积,这使得水平舵超出艇体的最大宽度,下方向舵则超出潜艇基线。当潜艇离靠码头、多艇并靠或者在潜艇座沉海底、坐墩船坞时容易让尾舵受损。而X舵在保证舵效的前提下,可以做到横向尺度不超宽、垂向尺度不突出基线,显著提高了潜艇在进行相关操作时的安全性。也降低了潜艇在进港停泊和进坞维修时的后勤压力,提高了潜艇在浅水海域进行坐沉海底等动作时的机动性。

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                                                    停泊码头的212A

2、横倾角小,无突倾角,操纵安全性高。

    X舵的稳定横倾角小,几乎没有突倾角,在大速度回转时可以通过差动舵进一步控制整艇的横倾。所以X舵的稳定横倾角明显小于十字舵,可以实现无纵倾定深回转。这对于X舵潜艇在水下航行时,特别是高速回转时保证潜艇的横倾平衡十分有利。也很大程度得提高了潜艇高速机动下的安全性。另外,X舵潜艇纵倾角的过渡时间比十字舵短,振荡幅值也比十字舵小,这对帮助潜艇舵信人员提高操舵正确率,改善潜艇操纵安全性都有较大好处。

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鉴于X舵优良的性能,自苍龙级开始日本后续的AIP潜艇很有可能都将放弃十字舵,而用X型尾操纵面代替。

 

3、卡舵时安全冗余高,发生卡舵后安全性能好。

   潜艇尾舵发生卡舵现象,是造成潜艇水下失事的重要原因之一。十字舵潜艇在高速航行时,一旦发生卡舵现象,特别是尾水平舵出现卡舵,容易使潜艇在短时内超深(超出极限深度),或者让潜艇在高速上浮中与水面物体撞击,从而造成严重的安全事故。而X舵的四个尾操纵面都可以独立转动,并都有操纵潜艇垂直、水平面机动的能力,这就提高了X舵潜艇发生卡舵时的安全冗余。比如当X舵发生单舵卡时,还有三个舵可以控制潜艇的航向,对潜艇的安全性影响不大。当发生概率极低的双舵卡时,舵信人员可通过操纵反向舵面产生与卡舵舵面相反的力和力矩,实现潜艇的直线定深航行,避免潜艇出现高速超深的现象,保证潜艇在安全深度和安全范围内可控航行。只有当X舵的三个舵面同时发生卡舵,X舵才会彻底失效,但这样的失效概率只有十字舵失效率的三次幂,在实际情况中基本不会发生,几乎可以忽略不计。所以,与十字舵相比X舵的安全冗余高,发生卡舵时的失效概率低,在安全性上的优势非常突出。 从另类走向流行的X舵 - 小马 - LostAngel的潜艇博客                              

                                              日本2900型潜艇的X舵

四、X舵在其他方面的优势。

1、阻力系数低

   在国内的相关研究中发现,无论是在RNG - kε、S - kω还是SST - kω瑞流模型下,X舵的总阻力系数都要比十字舵低。作为潜艇主要的附体,阻力系数的下降能改善整艇的水下快速性,所以在吨位相同线型和动力水平接近的条件下,潜艇使用X舵比使用十字舵更能改善潜艇的快速性。

从另类走向流行的X舵 - 小马 - LostAngel的潜艇博客                                                                                       荷兰海象常规潜艇

2、标准化、系统化能力强

   X舵的四套舵装置和舵板都相同,在设计时一套设备图纸即可满足要求,建造时相同的四套舵板和装置也为降低建造时间,降低建造成本提供了条件。而十字舵上下垂直舵板往往不对称,在尺度和结构上也会存在差异,所以在设计和建造的标准化、系统化上X舵的优势明显。   从另类走向流行的X舵 - 小马 - LostAngel的潜艇博客

                                   拆卸了舵板的正进行整修的荷兰海象级潜艇     

        当然,X舵的性能虽然非常优异,但也存在一些不可忽视的缺陷。在总结了X舵的优点后,我们也有必要再来了解一下X舵的一些弊端,以加深对这种独特的潜艇尾操纵面的认识。

                                     

五、X舵的缺陷

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                                          X舵控制潜艇机动动作的原理图

   X舵的每个舵板都有各有一套传动装置,整个舵系统的复杂程度很高。四个舵板必须在集中控制操纵系统的管理下才能正常工作,对操纵系统的计算机化、自动化提出了很高的要求。而一旦X舵的操纵系统失灵,改为备份手操后,舵信人员需要同时手控四个尾舵(或者锁住其中的两个舵)和一个首舵,并在高度调谐下才能完成操舵工作。且不说艇上找不出这么多舵信人员来,这样高的手操难度在现实情况中也是行不通的,所以X舵对操纵系统的可靠性要求非常苛刻。美国1959年在AGSS-569大青花鱼号上首度试验了X舵后,对其综合性能和操纵性的评价很好,但是后期并没有在国内的潜艇上推广应用,就是出于对X舵系统可靠性的顾虑。因为在上世纪五六十年代,计算机化的自动操纵系统刚开始起步,在可靠性和安全性上都有很多不足,美国海军固然对X舵的性能非常欣赏,但也不得不考虑X舵手操备份难的重大弊端。所以,X舵虽然是美国人创造的,但美国人在权衡利弊后还是舍弃了这种独特的尾操纵面。也正是X舵对操纵系统自动化的高要求和严苛条件,让大部分潜艇建造国放弃了这种优秀的尾操纵面。从这个层面讲X舵对自动化操纵系统依赖性高,手操备份可行性低的弊端,是造成这种充满个性的尾舵,在很长时间内只能局限在小范围内流行的主要原因。

                                  从另类走向流行的X舵 - 小马 - LostAngel的潜艇博客

               X舵的鼻祖装在美国AGSS569大青花鱼号上试验用的X型尾操纵面

六、从另类到流行的背后

1、早期仅局限于瑞典、荷兰两国的原因。

    X舵因为一些重要缺陷,被大部分潜艇建造国舍弃,但却在部分欧洲国家大量使用。如瑞典就在A12、A14海怪、A17西约特兰、A19哥特兰等级潜艇上都坚持使用了X舵。荷兰在海象级上采用了X舵以后,也准备在后续的海鳝级新型潜艇(后停止)上继续采用。这两个国家没有附和当时的流行趋势,而独独挑选了被美国人放弃的X尾舵,确实有点离经叛道。但从这两个国家的工业水平和作战需求分析一下,我们就能理解瑞典和荷兰做出的选择。首先,瑞典和荷兰虽然国家小,但是在工业自动化上的实力很强,潜艇操纵系统自动化的起步早水平高。X舵对自动化操纵系统依赖度高,可靠性要求苛刻的问题,这两个国家完全有能力解决。其次,瑞典和荷兰的潜艇部队,都需要在波罗的海等沿海多岛屿的浅海海域活动。X舵潜艇的机动性好,在座沉海底等动作中尾附体也不容易损坏,有利于浅海地区较小深度内的作战机动。X舵潜艇还能避免十字舵潜艇在小深度海域卡舵后,造成潜艇撞击海底等较为严重的安全事故,非常符合这两个国家海军的作战需求。几方面因素综合,X舵在这两个国家受到欢迎也就在情理之中了。

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                                      改装了X型操纵面的AGSS569大青花鱼号

2、新时期下X舵走向流行的必然因素

   随着现代科技的发展,潜艇操纵系统的计算机化、自动化在几十年间得到了长足的发展。潜艇自动操纵系统的普及率已经很高,操纵系统的可靠性、安全性也已比较完善。这都为X舵的推广运用提供了良好的基础。加上目前X舵与十字舵等效舵角转换装置的运用,X舵操纵系统失灵后转为备份人操工作,可以等效于十字舵手动操纵,X舵原有的手动操纵难的问题也已解决。这样,X舵固有的两大弊端都已经被彻底革除,而X舵优秀的综合性能却日渐显现出来,X舵从另类走向流行也就成了必然。当前,在传统的X舵使用国家外,又有了德国、日本、法国三个老牌潜艇建造国的加入。法国还开创了在6000吨级大型核潜艇上使用X舵的先例,将X舵的使用范围推广到了大型核动力潜艇范畴内。于是,在当今潜艇操纵系统高度自动化的背景下,X舵最终跳出了欧洲几个国家的小圈子,一跃成为世界大舞台上的时髦货,从当初特立独行的另类角色,彻底变成了世界流行的闪亮明星。

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法国新建的梭子鱼级攻击核潜艇采用X尾舵,预示X尾操纵面开始向吨位大速度快的核潜艇领域迈进。

七、未来X舵的发展趋势

   可以发现国际上自上世纪90年代至今新研发的潜艇,采用X舵的比例很高,美国和英国等固守传统十字舵的国家也都在进行X舵装艇项目的可行性研究。根据美国公布的一些前沿性艇体方案看,美国核动力潜艇在远期发展计划中,采用X型操纵面的可能性很大。因此,X舵是一种代表潜艇尾舵未来发展方向的先进尾操纵面型式,体现着未来潜艇尾舵型式的发展趋势。鉴于这种情况,为缩小我国潜艇与国际先进水平的差距,并改善和提高我国常规潜艇的机动性、安全性、静音性能,扩大我国潜艇部队在周边大陆架浅水区域的作战能力。我国也必须跟上国际研发的步伐,加大对X操纵面的研发力度,为将来新型潜艇特别是新型AIP混合动力潜艇,早日装备性能优异的X舵打下坚实有力的基础。 

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本文参考了以下文献:

1、船海工程《潜艇X型尾操纵面的操纵特性》,作者:海军工程大学与船舶动力学院王亚奇;海军工程大学电子工程学院李亚楠。

2、中国造船《潜艇X舵发展概况及其操纵控制特性分析》,作者:海军工程大学兵器新技术应用研究所胡坤、王树宗;海军潜艇学院徐亦凡。

3、江苏科技大学学报《具有不同尾翼形式潜艇的阻力数值模拟与分析》,作者:江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 杨培青 管义锋

4、船舶物资与市场《潜艇X舵小议》作者:中船重工707所九江分部 王淑瑛

5、《潜艇操纵隐身技术探讨》作者:中船重工707所九江分部 黄健鹰

  

    

    

 

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