海洋拖曳系统对船舶操纵性能的影响

摘 要：海洋拖曳系统对于船舶来说，是必不可少的组成部分。在拖曳系统工作时，拖曳母船的操纵性能会受到拖揽张力的影响，所以需要采用相对应的机动方式和操作控制补偿。文章针对海洋拖曳系统对船舶操纵性能产生的影响，具体的影响进行探讨。

关键词：拖曳系统；船舶操纵；对于性能的影响

拖曳母船、拖曳体以及拖缆是相互之间存在作用的整体。海洋拖曳系统作为一种水下探测装置无疑是有效的，现在早就已经广泛地应用于海洋监测、水声对抗和海洋研究等诸多领域之内，而且发挥着越来越不可或缺的作用。由于在拖曳系统工作时，其张力会对于拖曳母船的操作性能有所影响，故此，研究拖曳以及拖曳体对其拖曳母船操纵性能的影响，对于船舶在机动时的操作船舵控制补偿和机动方式的选取具有重要作用。

1 船舶操作和拖曳系统的意义

1.1 船舶操纵的意义

所谓船舶操纵，是一种控制船舶能够在水中进行运动的技术。最早的时候，操纵船舶的人们使用楫和橹来推进船舶并使之转向。而帆船时期，船舶依靠风力推进。在使用船舵操控船舶时，并不能随意改变方向或者后退，有着一定的限制。这种状态一直维持到了十九世纪初时，蒸汽机轮的出现使船舶操纵进入了机械推进时代。船舶的推进效率和倒船能力，自第一艘螺旋桨船在1845年成功横渡大西洋时就开始逐渐提高，其船舵的效能也在随之增加。近代以来，对于船舶操纵技术的要求也随着船舶航速、通航密度以及船舶尺度的增大而日益提高。七十年代初，出现了能够自身横移或者原地掉头的无船舵型港作拖船，以协助船舶操纵，从而将操纵的效率大大提高。现在船舶的操纵者会运用推进器、舵、锚、拖船、缆等，并且按照船舶的操纵性能结合着水域和风等客观性条件以便保证或者是改变其船舶的运动状态。船舶的操纵系统是一个大型的系统，主体就是操纵人、船舶以及环境三个小系统。如果要用图表示，我们可以想象有两个大小不等的圆形，大的当做整体，而里面的小圈分成三个同等大小空间代表三个小系统，位于中间最小圈里的是“人”，也是其核心所在。其它也只是起到辅助作用。

我们在暂态动力学与拖网稳态的基础过程中进行创新设计，这样可以把成本降低、缩短周期，并且在这样的情况下提高设计质量。水下拖曳系统的发展趋向为：减少船舶噪声，降低由水介质吸收和混响引起的信号衰减，改善了求解深度的方法，这种方法考虑了减少在海底拖曳时的波前变形。

2 建立系统的数学模型

为了使建立系统的运动模型和系统的运动特性更方便被描述，在本文当中，一共引入了四个右手直角坐标系。习惯性坐标EMNQ，在水面的任意一个点选取作为原点E，M轴方向是不定的，不需要定点选择。但是一旦在选定之后，相对于地球就是固定的，N轴垂直向下，同时与Q轴垂直；拖船随体坐标系为Bxbybzb，在原点S位正于船舶的重心处，xs垂直于中纵剖面，以指向右舷为正，xs轴垂直于船舶中的横剖面，以指向船艏为正，zs轴垂直于水线面，以指向龙骨为正；拖缆局部坐标系为Cxcyczc，xc为拖缆的切向方向，yc和zc为拖缆的2个法向；拖曳体随体坐标系为Bxbybzb，其3个轴方向的定义与船体随体坐标系一致。

2.1 拖曳船舶母船操纵运动控制方程

既是所谓船舶中借鉴分离式MMG操纵运动教学模式，

式中：R为船体坐标系与惯性坐标系之间的旋转矩阵：φ、θ和ψ分别为拖曳体的横摇角、俯仰角和偏航角；ZU为拖缆顶端拉力在拖曳母船YS轴的分力。将拖缆顶端张力转换到拖船坐标系的三个方向，则拖缆顶端张力产生的力矩可表达为：Mu=（Ku，Mu，Nu）T=ru×Tu。在这个公式当中，RU为拖缆顶端在拖船坐标系下的位置坐标：Mu为Zu产生的力矩。

2.2 拖缆运动的控制方程

2.3 拖曳体动力学方程式

运动控制方程可写为：

2π（TE+IP）n・=Q

式中：ms为船舶的质量；ξG、ζG为船舶质量中心在船体坐标系下的坐标；Iξ、Iζ分别为船舶绕ξ 轴和ζ 轴的转动惯量；u、v、p、r分别为船舶的纵向速度、横向速度、横倾角速度和艏向角速度；X、Y 分别为作用在船舶的外力沿ξ 轴和η 轴方向的分力；K、N 分别为作用于船舶的外力对ξ 轴和ζ 轴的力矩；下标H、R、P和U分别为船体、舵、桨和拖缆顶端；TE、IP分别为主机轴和螺旋桨的转动惯量；Q为主机轴和螺旋桨所受的外力矩（包括水动力矩和主机输出扭矩）；n为螺旋桨转速。 3 海洋拖曳系统对船舶操作性能的影响

3.1 拖曳系统运行的规律和影响因素

拖曳系统运动时它的每个元件如缆索部分、拖曳体等都会产生决定拖曳载荷的流体动力。拖曳载荷可分为静态拖曳载荷和瞬态拖曳载荷，其中静态力对应拖曳系统匀速稳定运动，而瞬态力是在不稳定拖曳、以及出现涡流破坏引起的作用在拖曳系统元件上的周期力时产生的。在流体动力和重力作用下拖曳系统可保持相对的稳定。同时具有波浪载荷所引入的影响和船舶振动影响是船舶收放装置的特征。拖曳系统在波浪上的最大运动速度超过了传入的速度。因此在扩散波条件下动力学载荷主要取决于收放装置和拖曳载体在波浪上的相对移动。

3.2 在静态水域中拖曳系统对船舶操纵性的影响

船舶在静水中匀速直航时，拖缆在任意点上的拉力可通过对拉力的积分确定。拖缆拉力是由拖曳速度、拖曳系统的流体动力参数和重量外形参数、以及拖曳系统平衡状态参数决定的。拖缆的拉力是拖曳系统的重要参数之一，它决定了拖曳系统的强度、寿命以及其它主要的操纵特性。发展和完善拖曳系统是提高施缆强度、降低作用其上的流体动力载荷工作密切相关的。拖曳系统相对平衡位置偏离很小时，取消扰动力后系统不能回到初始位置。出现上述情况时，拖曳系统在静水中恒速运动时可能出现不稳定状态。

3.3 在动态海浪的水域中拖曳系统的影响

拖船的摆动导致拖缆中出现很大的拉力动态分量，这将限制拖曳速度。波浪中船舶承受多于两种形式振动同时作用。在安装测量航行方向上速度的测速仪时出现的，这或者是垂直和滚转方向的合成振动，它称为横向振动或者是垂直和俯仰方向的合成振动，它称为纵向振动（与波浪反向）。在船舶相对波浪的任意位置上都能出现复杂的组合振动。不同的水文气象条件下，在世界海洋的大陆架和深海区域里进行测量，对测量结果进行统计发现，测量系统载体振动强度与测量元件自己振动强度间的相互关系在仪器下潜深度迅速增加时保持不变。载索和悬挂在载索上的测量仪器在一定条件下能增强扰动，这种扰动是通过海洋系统载体传播到测量元件上的，它还将导致水文物理参数的严重失真。

3.4 选择合理拖曳系统的重要性

在设计拖曳系统时，应满足于以下要求：确定研制系统的用途、结构和使用条件。指定的要求常常非常矛盾，即改善一些参数将导致另一些参数变坏。对于海洋开发设备的优化设计方面的课题暂时还没有得到解决。必须从大量拖曳系统的主要参数中分离出少量可进行优化的参数，但是实际上拖曳系统许多设计参数的变化区间是有一定限制的。通常拖曳速度与天线用途和拖曳设备的能力有关，拖曳载体的壳体尺寸是由安装在其上的仪器设备的轮廓、质量决定。拖缆直径取决于它的强度特性，拖缆长度由拖曳载体的要求深度行程决定，但常常受到加工条件、以及拖船上卷扬机卷盘容积的限制。拖曳系统的各种参数限制也由拖船在控制程度、收放设备的布局和运营方面的能力确定。选择合理的拖曳系统，以保证船舶的稳定性。

4 结束语

海洋拖曳系统会在工作时，影响传播的操纵性。其主要表现为拖曳系统在静态水域和波动海浪水域中两方面所产生的不同影响，在力的相互作用下，海洋拖曳系统对船舶操纵性的影响也会呈现出多种形式。拖曳的不稳定状态将导致大的拖索拉力偏差、拖曳载体运动参数偏差，鉴于涡流端面引起的振动现象，拖曳系统将出现危险，而拖船的摆动也会导致拖缆中出现很大的拉力动态分量，从而限制拖曳速度。所以保持拖曳的稳定性对保证传播的安全至关重要，这就需要我们通过更科学的科技手段来改善拖曳系统，从而提高船舶的操纵性能，保证航船的顺利运行，提高安全质量。

参考文献