2017, Vol. 39
2. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101
2. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China
随着潜艇使用成本越来越高，国外日渐青睐通过低成本的大比例潜艇模型试验研究潜艇等水中兵器，大比例潜艇模型试验将得到更广泛的应用。其中美国、英国和德国等潜艇技术强国在大比例潜艇模型试验上有着丰富经验，试验理念先进，下面对美、英、德3国大比例潜艇模型情况进行研究。
1 美国大比例潜艇模型试验情况历史上美国首个大比例潜艇模型是“坎卢普斯”号（Kamloops），该模型于1967年交付庞多雷河湖（Lake Pend Oreille）试验场，该试验场属于美国海军海上系统司令部下属的声学研究支队（ARD）。
“坎卢普斯”号为“鲟鱼”级核潜艇的1/4比例缩比模型，是一个可自由上升的无动力潜艇模型，可以用来测试潜艇的艇体、首部、尾部和指挥台围壳的目标强度涂层，以及进行玻璃钢（GRP）声呐导流罩设计、流噪声的内部处理、主压载舱进水孔设计、首部平面密封设计、隔音板设计、鱼雷管舱盖密封设计等内容。由于“坎卢普斯”号潜艇缩比模型试验有力的推进了装备研制工作，美国海军又相继设计并制造了LSV-Ⅰ，LSV-II比例潜艇模型。
LSV系列潜艇模型主要用于测试潜艇的辐射噪声、设计推进器、预测操纵和流体力学性能、测试新的设计改进，如新的指挥台围壳设计等，实现并推进新技术在现役潜艇和新潜艇上的应用[1]。
1）LSV-I的基本情况
LSV-I“红大麻花鱼”号（Kokanee）是“海狼”级潜艇的1/4缩比模型，采用电池动力，可自主航行，长27.43 m（90 in）、宽3.05 m（10 in）、排水量168 t，电池重量约25 t，于1987年11月交付给位于北爱达荷州的庞多雷河湖试验场。
LSV-I是“海狼”级潜艇的缩比模型，该模型主要是从外形结构、主要艇体结构上模仿“海狼”级。由于耐压壳体内部的零部件配置对潜艇的声信号特征具有较小的影响，因此，LSV-I的内部结构配置与“海狼”级潜艇相比差别较大，仅仅安装用来控制动力分配、压载、冷却和通风、操舵和下潜所需的相关系统，以及满足动力推进需求的电池、电动机和推进器。LSV-I是完全自主型的潜艇模型，一旦给定命令，可以完成所要求的所有作业，包括深度和航行控制、故障识别与响应等。
LSV-I主要用于评估“海狼”级潜艇的推进器配置，以及潜艇在高速航行情况下的隐身性能研究。此外，该模型还用来评估“弗吉尼亚”级潜艇的推进器和其他相关技术。
LSV-I耐压壳体的前端装备1 524组蓄电池，为推进电机（1 440组）和相关仪器设备（84组）提供电力，耐压壳体的尾部安装各种仪器设备，如制导、导航和控制设备，以及艇上数据采集系统（ODAS）的信号处理器和记录设备。此外，尾部舱室包含1台3 000马力的推进电机、轴承、螺旋桨轴。
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图 1 LSV-I进行水面操作 Fig. 1 LSV-1 experiment |
2）LSV-II的基本情况
LSV-II“卡斯罗特”号（Cutthroat）是“弗吉尼亚”级潜艇的1/3.4缩比模型，长33.83 m（111 in）、宽3.05 m（10 in）、排水量205 t，1999年开始设计建造，2002年7月23日下水服役，设计建造成本约为5 000万美元。
LSV-II用于改善“弗吉尼亚”级潜艇在隐身、水动力、水声、推进等方面的设计，以及支持现役和未来攻击型核潜艇的技术植入。其中潜艇的操纵和电力推进技术研究是2项最有发展潜力的技术领域。此外，还可以通过对LSV-II进行改装，来优化潜艇指挥台围壳的形状和其他参数，以改善潜艇的操纵性，或用来评估潜艇的操作程序。例如在不对潜艇和艇员造成损害的前提下，确定潜艇在极高航速下的最大许可的方向舵偏角。
与LSV-I相比，LSV-II在结构配置、安静性、操纵等方面都有了重大的改进。LSV-II采取模块化的设计思想，可以提供计划好的单独结构点，便于重新配置结构。
LSV-II在水动力学和潜艇操纵研究方面具有更多的优势，在自主航行过程中，利用全船控制计算机（SCC）控制其他微处理器的操作，包括电池和环境监视系统（BEMS）。
LSV-II与LSV-Ⅰ一样都采用阀控铅酸电池。为了能够实现更加安静、具有更加良好的操纵性能的测试平台，LSV-II采取了先进的电驱动技术，以及最新的永磁推进电机，装备1台3 000马力的永磁推进电机，以及先进的电子电机控制器，并且可以利用额外的发电机控制模块将其扩展到6 000马力。此外，LSV-II在指挥台围壳、控制面等关键部位都安装了相应的传感器，利用高速数据传感器可以改善水动力试验性能，自动驾驶与制导和导航控制系统都采用了最先进的技术成果。
LSV-II的比例相比LSV-I增加了29%，这样可以改善全比例结构的真实度，提高测试结果的可靠性。LSV-II的艇上数据采集系统的功能也有了较大幅度的提高，数据通道增加了1倍，由256个增加到了512个，并且已经升级到1 536个记录通道，并将模拟信号转换成数字信号的形式。
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图 2 试验车间中的LSV-II Fig. 2 LSV-1 in the experiment shop |
3）LSV试验情况
从1988年LSV-Ⅰ开始服役之后，截止到2002年，LSV-Ⅰ有641 d进行了航行，每天的航行至少成功完成一次试验。由于所处试验场冬季不结冰，LSV可以全年进行试验。不过受天气环境所限和模型自身问题，LSV-Ⅰ亦多次出现了故障并导致测试中断。例如在2001年，LSV-Ⅰ由于出现轴密封问题影响了试验使用；2002年的1–5月，由于风速超过了5 m/h的限制需求，导致计划为期21 d 的试验被迫取消。总之截止到2002年，LSV-Ⅰ平均每年完成航行52次，成功完成1 821次测试，平均每次航行完成2.8次试验。
此外，根据美国海军预算透露的消息，最近几年，基于“先进潜艇技术研究项目”的研究需求，LSV每年都会完成多次试验，例如：2003年完成12次声学试验，2004年完成17次LSV-Ⅰ航行试验和6次LSV-II航行试验，2005年完成6次LSV-II航行试验[2]。
通过分析1998–2013年LSV所进行的试验情况（或计划），可以发现LSV的试验主要集中以下6个方面：总体性能测试、流体力学、声隐身、推进器研究、指挥台围壳研究、操纵与控制。具体情况如图3所示。
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图 3 LSV试验情况 Fig. 3 LSV experiment situation |
LSV模型试验主要具有以下几个特点：
1）潜艇声隐身试验、流体动力学、操纵与控制试验研究，特别是流体噪声试验贯穿于LSV测试的始终，一直是其中的研究重点；
2）推进器研究是LSV的另外一个突出重点，包括“海狼”级潜艇和“弗吉尼亚”级潜艇的推进器研究，以及推进器局部的改进研究；
3）指挥台围壳测试成为LSV测试的一个亮点，既包括“海狼”级和“弗吉尼亚”级潜艇现在使用的钢制指挥台围壳，也包括先进指挥台围壳的测试工作；
4）持续不断的对LSV进行技术更新，特别是数据采集系统的升级更新，保障设计工作的良好进行。
2 英国大比例潜艇模型试验情况英国在大比例潜艇模型试验上有着近百年的发展历程，早在20世纪20年代英国就研发了全尺寸大比例潜艇模型HMS X-1，该模型长约6.4 m，主要由3个圆柱形轻钢板构成耐压艇体，并装有电池和推进电机等动力系统。该模型于朴茨茅斯造船厂进行潜艇水面和水下航行试验，为英国二战时期潜艇装备发展作出重要贡献。
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图 4 英国首个大比例潜艇模型HMS X-1 Fig. 4 UK’s first Free manoeuvring submarine models |
冷战时期，英国于1960年研发了HMS Valiant大比例潜艇模型用于核潜艇研制工作，该模型装有大量传感器设备，能较全面的收集潜艇航行数据，但由于该模型采用拖曳式动力方式。为更好模拟潜艇航态，英国又研发了SRM-I和SRM-II两型大比例潜艇模型，目前这两型潜艇模型仍在参与试验工作[3]。
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图 5 HMS Valiant大比例潜艇模型 Fig. 5 FMM for HMS Valiant showing components within the model |
1）SRM-I基本情况
SRM-I大比例潜艇模型由英国奎奈蒂克公司下属的Haslar流体动力试验中心于80年代研制，该模型耐压壳体由铝材料制成，并用玻璃增强塑料（GRP）包裹艇体。SRM-I型模型采用远程控制以及半自动操作方式，额定潜深为30 m。该模型主要特点包括机动性好，可模拟多种潜艇航态；运行时间长，可持续航行40 min；可在试验水池深度范围内模拟潜艇深潜试验。
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图 6 SRM-I型大比例潜艇模型耐压壳体 Fig. 6 The SRM-I pressure hull |
SRM-I潜艇模型最初采用航行感应器收集模型航行数据信息，目前已升级为环形激光陀螺仪（RLG），以更准确的记录模型水下航行俯仰、滚动等航态数据，SRM-I潜艇模型具体结构配置如图6所示。
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图 7 SRM-I型大比例潜艇模型结构 Fig. 7 The SRM-I layout |
试验任务上，在90年代SRM-I潜艇模型主要用于模拟“特拉法加”级核潜艇进行航行试验。英国潜艇科研单位通过模型试验发现潜艇操作算法缺陷，并对“特拉法加”级核潜艇控制系统进行了优化。
2000年后，法国和西班牙、挪威和瑞典等欧洲国家掀起常规潜艇装备联合研制的热潮，SRM-I潜艇模型被用于模拟常规潜艇浅海、沿岸环境航行试验，并于2005年完成潜艇转弯机动与流体影响测试工作，随后又于2009年开展潜艇X型尾舵机动测试。2014年受韩国大宇公司委托，英国奎奈蒂克（QinetiQ）公司将SRM-I潜艇模型用于“张保皋”级常规潜艇（韩国基于德国209型潜艇研制）模拟测试工作。
2）SRM-II基本情况
SRM-II潜艇模型由奎奈蒂克公司研制，该模型外观与SRM-I潜艇模型相似，但在模型设计和构造方面存在较大差异。SRM-II采用模块空间框架结构，该结构便于更换模型内部各型设备。而SRM-I潜艇模型采用内置大部分设备的大型耐压艇体结构，不利于模型内部设备的更换。
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图 8 SRM-II潜艇模型结构构造 Fig. 8 The SRM-II layout |
SRM-II潜艇模型光纤陀螺、推进电机等设备采用了商用现成产品，降低了研制成本。此外与SRM-I潜艇模型不同，SRM-II潜艇模型还装有2个压载缸系统，该系统分别位于艇首和艇尾，气缸容量为10 L。机动能力上，SRM-II潜艇模型具有垂向、纵向、横向三维机动调整系统，进一步提升潜艇模型机动能力，可更精确地模拟潜艇航态。
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图 9 SRM-II潜艇模型的镇流器和整流系统 Fig. 9 The SRM-II’s ballast and trim system |
SRM-II潜艇模型已于2014年交付Haslar流体动力试验中心，并模拟“前卫”级弹道导弹核潜艇以及英国下一代弹道导弹核潜艇进行相关试验、测试工作[4]。
3）英国大比例潜艇模型未来发展计划
大比例潜艇模型因其低成本、试验便捷、安全性好等多种优点受到英国水中兵器研制单位的重视。英国奎奈蒂克公司认为未来大比例潜艇模型将向高自主性、智能化、强化数据收集及分析能力等方向发展。同时鉴于目前发展迅速的无人潜航器与大比例潜艇模型有一定共通性，可通过吸取无人潜航器先进技术快速提升大比例潜艇模型性能，减少模型试验中投放与回收次数，延长模型测试时间和效率。
奎奈蒂克公司提出未来大比例潜艇模型将具备以下特点，可精确预置、规划模型航迹及机动动作，模型进行自主航行无需实时操作；具有自动避险能力，当测试环境或航行动作超出模型安全范围时将自动终止测试航行并进行规避；模型可自动且实时分析测试数据，减少岸上科研人员工作量及工作时间；模型任务程序编码无需上岸更改，科研人员可在模型试验中更新程序，并可使模型持续进行测试任务。
3 德国大比例潜艇模型试验情况德国是常规潜艇技术强国，重视潜艇装备测试验证技术发展。2008年德国蒂森克虏伯公司和汉堡大学联合开展利用低速风洞执行潜艇模型测试的技术研发工作，与水池测量潜艇模型方式相比，风洞测量具有占用空间小、数据收集便利、模型持续试验时间长、利于模拟潜艇水下航态、无需维持试验水池设施等优点，目前德国已完成214型潜艇模型风洞试验工作。
1）214型潜艇模型基本情况
214型潜艇模型尺寸与实艇比例为1∶15，主要由艇首、模型内部舱、指挥台围壳、艇尾四部分组成。模型内部舱主要由铝材料制成，外部结构主要采用强化塑料包裹，模型整体重量较轻，小于100 kg。模型由8根固定长度电缆连接到运动模拟器上，可模拟潜艇机动航态并测量模型所受流体动力。
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图 10 214型潜艇模型和结构图 Fig. 10 Model (HDW Class 214 Submarine) |
模型运动模拟器由8个滑块组成，滑块分别位于测试风洞内铝框架前后端轨道上并可独立移动，模型位于铝框架内中心位置，通过滑块控制进行6维动态移动，电缆则将测量数据传输至试验中心[5]。
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图 11 运动模拟器 Fig. 11 Motion simulator |
经过试验验证，风洞测量214型潜艇模型可有效模拟潜艇水下平移、滚动、组合旋转等航行方式，蒂森克虏伯公司通过风洞测量方式成功测得214型潜艇X尾舵尾流场系数。2014年9月，214型潜艇模型开展小型高速单轴螺旋桨实验项目，目前已成功测得螺旋桨轴向量和力矩等性能参数。
2）214性潜艇模型试验情况
214性潜艇模型试验风洞测试段尺寸长为5.5 m、宽3 m、高2 m，试验风速可达35 m/s。模型试验数据测量采用粒子图像测速（PIV）技术，粒子图像测速系统由双脉冲激光器，2个CCD摄像机和一个柱面透镜组成。系统全部安装在风洞侧面的可移动的光学组件上。在测量之前，粒子图像测速系统必须进行校准和图像处理，在确认获取校准目标三维风速矢量图像后开始试验。
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图 12 低速风洞测试系统 Fig. 12 Layout of the low-speed wind tunnel at TUHH |
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图 13 粒子图像测速系统 Fig. 13 PIV-system, seen from the inside of the tunnel |
风洞测试大比例潜艇模型与水池测试相比具有鲜明的特点，其中优点包括：模型不受动力、重新定位等限制，可长时间持续试验；测量数据易于捕捉、分辨率高，便于试验成果统计分析；模型状态调整便利，试验灵活度高；实验设施占用空间小、维护和试验费用少，具有显著的成本效益。
风洞试验存在的不足主要包括以下几点：风洞无法模拟潜艇水面及浅水航态条件，只能进行潜艇模型深水航行试验；风洞测量对测量风力、力矩的设计，校准精度要求很高，技术难度大；风洞测试环境对潜艇模型较为苛刻（例如模型螺旋桨转速将高达6 000 r/min），潜艇模型各部件须具有较高可靠性和强度，避免试验中损坏。
风洞测试未来发展上，蒂森克虏伯公司计划对粒子图像测速系统进行改进，实现多角度测量；潜艇模型小型化，减少测量死角。从而进一步提高潜艇模型风洞测量数据的准确性和分辨率，提升试验成果质量。
4 结 语通过分析国外大比例模型研制、试验的基本情况，可以得到如下启示：
1）确定合适的模型比例，提高研制和测试的可承受性
模型比例的大小对整个项目的成本费用、试验测试的最终结果可靠性和可用性都有较大的影响。其中美国LSV模型的1/4比例是于20世纪80年代所确定的，主要是基于当时的流体力学研究基础。美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室流体动力学分部的主管曾于2007年指出，根据目前流体动力学的发展情况，可以采取的1/8比例模型，甚至更小的比例模型来完成试验，使得设计建造成本更低、速度更快、完成试验更多。NAVSEA 073R大比例模型主管则认为，1/8比例模型更加适合操纵性试验，但是推进器噪声和水声测试则必须进行LSV（例如1/4）或者更大比例的试验，以获得准确结果。
根据美国目前积累的经验分析，1/4比例是目前实现潜艇性能预测设计较为理想的比例，特别是进行推进器噪声和水动力噪声测试。不过，随着计算机技术、虚拟仿真技术等技术的发展，特别是风洞、流体噪声模拟器等模型试验新方式的应用，未来潜艇模型比例将向小型化发展，其中德国就采用1∶15较小尺寸模型进行试验，但在水池模拟试验方式上，大比例模型仍不可代替。
2）基于潜艇试验测试的特点与需求，确定各系统的配置和能力
根据国外在大比例潜艇模型试验上的经验，潜艇模型在测试潜艇声学性能、推进器性能、操纵性能等方面可以发挥重要的作用，因此在选择动力系统配置方面，需要密切考虑试验的需要。例如在选择动力推进系统时，选择电池和电力推进系统可以降低模型的自身噪声，对于测试水动力噪声、推进器噪声等具有较小的干扰，测试结果更加可靠。
此外，基于水下无人系统技术的不断发展，在软件系统、传感器、动力系统等方面，可以选择COTS产品与技术，以及采取模块化的设计思路，这样可以不断的提高潜艇模型的技术性能，还可以降低设计建造、日常维护、试验测试等相关成本。
3）选择合理的试验方式，提高测试效率、降低测试成本
潜艇的试验测试是复杂的项目工程，需要持续的不断进行测试，潜艇模型所需完成的试验数量和种类非常多，因此可发展风洞试验等新模型试验方式，并根据不同试验方式特点合理安排，如对大比例模型进行水池试验测试潜艇水面性能，对较小比例模型进行风洞试验测试潜艇水下性能等。最大程度提升模型试验效率和精确度，降低试验成本。
| [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. |