美国\"胜利\"号水声监听船(T-AGOS 19)

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美国海军第一艘大型小水线面双体船型(SWATH)水声监听船的设计于1986年完成,被命名"胜利"(Victorious)号,代号为T-AGOS 19。该船适航性极佳,可在冬季高纬度恶劣天气条件下低速航行,自由操纵。胜利级共4艘船(代号从T-AGOS 19到T-AGOS 22),均由位于路易斯安纳州(Louisiana)阿米利亚(Amelia)城的麦克德莫特(McDermett Marine)船厂制造,并于1991年8月至1993年7月交付海军使用。该级船安装了范围广泛的中央数据采集系统(CDAS),用以支持耐波性,船舶运动,水动力,结构以及声学试验。根据海军总工程师要求,该级第1艘"胜利"号分别于1991/1992年之冬,在北大西洋,于1992/1993之冬,在北太平洋进行了大量试验,并于1993年4月以在夏威夷的标准试验而告结束。经过试验,产生了大量试验数据,证明"胜利"号是一艘耐波性极好的船,可以在7级海况下,允许工作人员在计算机工作站中很舒适地工作,是一艘在"任何时间、任何海况都可航行的船"。

1概述
  1986年,美国海军的第一艘大型SWATH船的设计宣告完成,该项设计满足了在冬季里,较舒适地执行在北大西洋和北太平洋中进行拖曳阵探测器监视系统任务的需要。"胜利"号是该级4艘SWATH船的第一艘,主要用于在任何季节中,能够从高北纬度两洋海域采集、处理以及传输拖曳阵探测器监视系统(SURTASS)声学数据。要使该船能够在6级或7级海况下完成各项任务,需满足下列船舶运动标准:纵摇3度,横摇8度,垂直加速度0.4g,横向加速度0.2g。
            表1"胜利"号主要性能指标
   船长             71.5米
   船宽             28.5米
   吃水             7.6米
   最大航速           16.3节
   服务航速           9.6节
   拖曳航速           3节
   排水量
    (满载)           3396吨
    (空载)           2677吨
   动力装置           柴油-电力推进  2轴
                  卡特皮勒3512TA型柴油机4台
                  持续功率4000KW
                  通用电气公司GE电机2台
                  输出功率2390KW
   首推力器           2×441KW 全向
   主要电子设备         导航雷达2部
                  UQQ2型 拖曳阵列监视声呐1部
                  WSC-6型数据链 1套
   操纵性
    无限制(全航向)       6级海况
    单方向最佳航向       7级海况
   耐波性            8级海况以上
   有效载荷(任务设备)      130吨
   任务空间面积         1400平方英尺
   住宿间            总计38间
   冰区加强           C级

 

试验程序范围
  T-AGOS 19试验程序范围很广泛,早在1990年,便成立了一支试验队,并给与它超常的自主权力,进行所有的试验。一项完整的试验计划由海军海上系统司令部与海军水上战斗中心联合制订。这项试验计划,提供了试验的重点以及明确了三个基本目标:
  ·确定设计与实际航行范围
  ·确定该船所能满足的最高要求
  ·搜集用于确定SWATH技术基础和分析设计方法的数据
  为了解决试验的各个技术问题,便设计了一系列测试条件及测量方法。
详细的试验项目如下:
  --动力
  --静水力性能
  --航行性能
  --偏航率
  --战术直径
  --耐波性及结构载荷(八角形)
  --大浪中的操纵性
  --大浪中的战术半径
  --大浪中的航行性能
  --高海况下的SURTASS基阵处理
  --声学试验
  为了完成试验项目限定的工作,该船被布署在适合操纵的区域,进行为期6个星期的试验。这包括3个大浪试验阶段,其中第一个阶段发生于试验程序的早期。这个试验舒适与艰辛各占一半,执行任务的船员在耐心地等待7级海况的出现。在第一次大浪试验中遇到了6级海况,得到了许多耐波性数据,船员及操作人员对该船的表现表示满意。
  试验需要长期的数据采集,为此配备了在试验程序中完成长期数据采集的仪器与人员。由于特定的试验期间内很少有极端的天气条件,因此长期的试验监控可以满足所要求的极端天气条件。至今大约采集了6G的试验数据,而且,24G的连续数据也在传递,任务操作及其他操作的过程中得以记录,36项快速浏览数据概览在试验期间已经完成,试验报告用作参考。声学试验是试验计划的一部分,并由试验仪器来支撑。
3中心数据采集系统(CDAS)
  使用了两个基本的数据采集系统。一个系统进行结构系统测量,而另一个则处理船舶运动、船舶系统以及耐波系统的环境测量。这些系统被被置于同一个工作间,并共享共用的信息。耐波系统将在船上使用3-5年,而结构系统的一个重要部分已于1993年4月被拆走。中央数据采集系统CDAS已经应用到配置头两年的连接系统中。而当前配置的系统也能充分满足附加的长期程序目标。
  CDAS的非技术部分,声学数据采集系统在进行声学跟踪试验中使用了"中心系统"方法及CDAS的连接盒及电缆。图3给出了CDAS的方框图以及"中心概念"。
   

3.1耐波系统
  CDAS是用微软PBASIC 7.1编写的菜单系统。计算机驻留软件包括操作、维护和文件系统以及数据文件和辅助任务运行软件。数据采集与数据存贮均有两种模式。采集可以是人工离散式操作,或以固定的运行时间和固定的间隔自动进行。简化的存贮模式(SMR运行)对于每个通道的最小、最大,标准偏移和平均值等摘要信息的运行,可节省2分钟的时间。当使用"DATACOG"后,除SMR摘要信息外,所有数据点的存贮使用可任意进行。在自动模式下,便可混合使用SMR与DATALOG方式。
  耐波数据采集系统由95个模拟输入通道及5个数据输入通道组成,需注意的是浪高与周期是用2个78K浪高传感器记录的。1个传感器安装于船首,1个传感器安装于船尾,这些传感器效率很好,而SWATH船的几何形状也特别适合它们的使用。
  正如图4所示,使用了三台计算机,一台作为主采集计算机,第二台用于数据分析,第三台计算机,只有中央处理器置于设备间,向驾驶台传输数据,并从驾驶台接收数据。试验中在驾驶台显示实时数据是相当有用的。使用驾驶台上的阴极射线管显示及键盘,试验者便可实时地选择查看数据通道,并将数据输入主采集计算机中。由于可能使用任何系统作为主数据采集计算机,固有的系统冗余可使停机时间最小化,一部200瓦的备用电源可以保证任何运行都不会丢失数据。

  

  模拟信号调节是通过程序过滤器及放大器的通道比进行的。调节的信号被传输到双重模拟--数字转换器,被数字化后,传到主接插板。数字化的信号由CDAS采集并分析,主接插板用户诊断并选择传输信号到界面接线板,置于独立放大器的界面接线板可以为其它用户提供并行数据采集的功能。
  外部精确时钟、摩托罗拉全球定位系统(GPS)、多普勒速度计程仪、过滤器、军用GPS均接收为数字信号,并由中央处理器进行处理。这些计算机置于试验仪表装备间中,一部计算机通过RS-232连接与采集计算机相连,其它的作为备份。由GPS及速度计程仪系统采集的数字信号在这些设备中转换成模拟信号并输出至过滤盒。CDAS采集计算机以及接插板的其他潜在用户均可以使用这些通道。在选择的情况下,数字数据形式是保留的,并直接送至CDAS采集计算机。一个短距调制解调器提供所需的RS-232数据。
  精确时钟通过采集系统提供时间同步。军用与商用GPS数据用于跟踪与操纵测量,多普勒测速仪用于在操纵期间决定风与洋流的效果。每一次运行都要检查一次过滤器,以保证正确的数据调节。
  与CDAS采集程序相应的文件结构有利于系统操作,错误修正,以及试验后的分析。文件由包括通道名称,标准,信号瞬时率等配置文件,以及描述信息的试验日记文件所构成,每一个运行都与下列文件相关:配置文件(包括用户评论的测试文件)、以前定义的数据文件以及每两分钟运行的最小分析统计的概述文件。
3.2结构系统
  结构系统由不同信号瞬时率的三个模块组成。第一个模块由97个应变吃水电桥,16块加速度表,以及7个选择的耐波性系统通道组成。这个模块在试验中以每秒40个信号的速度采集数据。第二个模块由32个通道构成,这些通道记录了风浪作用于支柱,下体,湿甲板以及基阵舷外支架等船体结构产生的反应。这个模块以每秒2016信号的速度采集数据。第三个模块从5英尺18英寸的压力测量板采集数据,这个压力测量板是通过与加拿大政府的技术交流得到的,这个模块以每秒20000信号的速度采集数据。模块2与模块3以自动方式操作,不断地采集数据,但只记录那些超过用户限定标准的数据。当超过给定标准时,模块便从达到限定标准前0.5秒开始,记录持续5秒钟的数据,因而,只是有关的历史数据得以采集。采集数据并以数字形式记录,大大减少了分析时间,节省了费用。
3.3快速浏览
  船上耐波性及结构数据分析包括所有通道及平均值,最大值,最小值的近实时计算。检查结果以确保运行中未达到结构极限,从而证明传感器与数据的质量。在进行下一次运行时将前一次运行的数据作备份,以确保数据的完整性。这样便可快速地保证质量,试验数据内容是CDAS系统的一个重要方面。使用"快速浏览"结果,试验人员便可立即知道极限条件或重复前一次条件的要求。试验指挥也可对试验项目作出调整,以便进一步研究不可预见情况。
3.4船上分析及质量保证
  由CDAS进行的所有耐波性及选择结构通道的实时显示及分析包括:最大值、最小值、平均值、标准偏移值的概括;相对于时间或其它通道的数据通道图形显示;跟踪图标;诊断图标;变化时间及尺寸选择;记时打印机以及稳态条件的确认。后运行分析包括上面的完整性、差异处、数字过滤、剪辑、数据显示、计算通道的产生与显示、强制性的谐波振荡分析、用户评论输入标态、后运行注释,以及以光谱与谐波直方图图形输出的动力光谱。
  耐波性CDAS程序中有适度的自动数据质量控制,当发现错误时,错误文件中便记录一条信息。为了提供后运行记录及分析能力,这个文件在数据采集阶段也可在后台工作,而且,在屏幕的右上角有一个指示器警示操作者有一个潜在的错误被发现。
  在数据采集中,方便持续的扫描耐波性数据通道,便可以发现不正确的数据。这个能力是通过使用6个通道,"快速绘图"形式实现的,通过快速绘图,操作人员可以对所有通道进行快速、自动的可视性扫描。操作人员可以在不打断采集过程的情况下,控制扫描的速度与间隔。在数字信号处理器处理不工作设备或丢失的信号时,便可分别进行错误检查。
4海军海上系统司令部(NAVSEA)的舰船运动标准
  T-AGOS 19的设计是提供一个稳定平台,它能够在冬季里,在高纬度不利天气条件下,以相对慢的速度进行拖曳SURTASS基阵,并将船体运动减到很少。因此设计中强调了耐波性与船体运动,制作分析模型以及拖曳体,以便预测耐波性。
4.1操纵性
  单体船与新型的SWATH船的操纵性的预测均使用海军海上系统司令部舰船运动标准。图5给出了单体船与SWATH船设计时的预测操纵性与作为北大西洋冬季大风浪中的一个函数。图6提供了两类船的操纵性百分比与冬季北大西洋中所有波浪分布下,以任务速度航行的相对航向这一个函数的比较。从这项预测不难看出,SWATH的操纵性在正横波中相当高,这一点远离于NAVSEA运动标准。

 

4.2船舶运动
  1993年2月在北太平洋耐波性试验后的试验中,测量的耐波数据便减少了,正如图7、图8所示,3节数据展示了T-AGOS 19在7级海况中的良好耐波性,测量的耐波性大体上与预计的3节相吻合。
  随着船速增加,船舶的可操作性在7级海况的正横波中也随之增加,而纵摇则有所减少,图9及图10为船速在9节条件下的数据。图11显示了在5级海况,航速9节时,T-AGOS 19与T-AGOS 1类(单体船)的船舶运动减少的百分比,最为重要的是,T-AGOS 19的纵摇与横摇周期变长,分别为18秒与16秒。

  
  减少大量的耐波性数据的工作正在进行中。应用NAVSEA耐波标准设计SWATH船要进行研究,认为SWATH船的标准应精确至包括纵摇率及横摇率等因素。
4.3拖曳阵探测器监视系统(SURTASS)基阵运用
  在北大西洋与北太平洋的SURTASS基阵运用试验中,很显然。"胜利"号监听船上的基阵回收远远优于相应的T-AGOS单体船的基阵回收,基阵运营平台非常稳定,大约高出水面5.5米,尾板的几何形状为,船外支架与船形的角度允许基阵自然地布置于绞车之上。
  两个基阵运营人员可以在SWATH船上轻松地工作(其中一个人为备用人员)。而在单体船上却需三个人付出艰苦的努力。在SWATH船上的操作是干爽的,且无很高的加速度,而单体船上,甲板上常溅满海水,在4级海况下一般船舶就有剧烈运动。而"胜利"号在6级海况下可以轻松地回收大量数据。
5船舶性能
  T-AGOS 19的"静水力试验"于1991年9月在巴哈马(Bahama)的美国海军大西洋水下武器试验与鉴定中心(U.S.Navg AUTEC)的试验水域中进行。这些初始试验证明了该船的基本控制参数,如:速度、操舵、吃水以及纵倾等都是合格的。在这个过程中,该船研制单位更加熟悉了监控,以及影响船吃水、纵倾及横倾变化的方法。静水操作能够得到静水力变化曲线,也可以测量到控制水面设置中的水动力变化的影响。例如:图12便为探索船纵倾变化作为轴速上"鸭"式水翼角度的一个函数一系列操作。这些基本的性能数据提供了随后进行的大风浪中试验的必要资料。


5.1前进速度
  轴速与船速在静水中的关系曲线如图13所示。测量结果为往复1英里运行2次的平均值,并配以1英里的支柱用以检查定位与流速的变化。数据由CDAS中央数据采集系统采集,使用全球定位系统(GPS)对船的位置进行跟踪。试验也用来决定船速与助推器的关系。当两个441KW功率的船首助推器全力运行时,在不使用主推进器的情况下,船舶仍能以5.4节的速度前进。
5.2高海况下的前进速度
  船舶在高海况下的性能,是用GPS信号来测量的,在各种海况下,船舶按八角形运行(每个支柱大约1小时),此时GPS便获得船底部的速度。图14给出了9节时测量结果,它包括风效与水流速潮流等。正如图14所示,T-AGOS 19可以在低于7级海况的条件下逆浪保持设计速度。
  低速操作也有类似的趋势。在5级海况,船尾有风的情况下,T-AGOS 19螺旋桨空转,还可顺风以4.5节的航速前进。在桨慢慢反向转动,或"鸭"式水翼完全升起时,速度便落回到任务速度3节。

5.3单桨操纵
  当以单桨推进时,需要大约3度的小舵角来保持航向,如图15所示。小的差动"鸭"式水翼装置在单桨推进时,对于减小所需舵角非常有效。
5.4偏航率与转向直径
  T-AGOS 19具有非常规的舵系统、舵与"鸭"式水翼以V形角安装于两船内侧。偏航是表面控制力与水流变化而作用于船体与支柱力的结果。
由于螺旋桨尾流不流向舵,因而T-AGOS的偏航率便受船速的影响。正如图16所示,船的偏航率是舵角与船速的函数。
  T-AGOS 19的附加表面,使得船很容易转向。"鸭"式水翼角以及舵角的使用可以减小战术操纵的转向半径及所需时间,并可以在高海况任务速度下保持航向。"鸭"式水翼对于纵倾或高速时的转向非常有效。图17显示了T-AGOS 19船作360度角转向的网络能力,也表明了速度的影响以及高速“鸭"式水翼装置的良好作用。

 

   船首助推器可以改善低速操纵性能,随着船速的增加,由船首助推器造成的偏航率便可减小。船首助推器在航速3节时,对于转向很有效,但在更高速度时,则失效了,如图18所示。

5.5航向稳定性
  大风浪中保持航向的试验在北太平洋分两个阶段进行:第一阶段为1992年的11月7日至24日,第二阶段为从1992年12月30日至1993年1月25日。试验以八角模式进行。第一阶段,在6级海况下,根据无拖曳的航速3节和9节航行,或有基阵拖曳时,以3节和4节航速航行时的波浪来选定不同的角度进行试验;第二阶段,在5、6、7级海况,根据无拖曳以3、6、9节航速航行时的波浪选定航行角度进行试验。一些试验是在定位状态(零航速),即彻底的静水中进行,或以1节航速倒向行驶,来回收SURTASS基阵。
  通过决定进行试验期间船舶偏离平均航向±5度的时间百分比可以对船的航向保持能力进行测量。以航速3节航行时,在所有海况及最恶劣尾舷浪及横舷浪中的迎浪航行船舶的航向保持能力最佳。不同的助推器与不同"鸭"式水翼的结合使用,能够更好地增进航向保持。舰首助推器能够帮助低速航向保持,执行任务时,使用舰首助推器可以降低SURTASS基阵的性能。提高船速可以增强航向保持。在以6节乃至9节航速航行时,只需很小的控制力便可达到最小的偏移。


5.6耐波性
  "胜利"号的大风浪试验在北大西洋中进行。1992年1月15日至18日先进行大风浪试运转试验,1992年11月22日至2月期间,在北太平洋进行了补充的试验工作。耐波性试验是在5、6、7级海况下,以普通航速3节(基阵拖曳速度)航行和9节航速航行时波浪的不同而选定不同航行角度进行的。在基阵拖曳操作,双向航向,以及实验区域的一些传输过程中也进行一些试验。分析这些数据,以获得统计参数,如重要值(高值1/3的平均值)、平均值、运动的标准偏移等。而且,基于船舶运动的试验数据进行了动力频谱密度的分析。可遇航向动力频谱测量与相应的Bretschneider动力频谱密度在6级海况的比较见图19。这个图样比较说明了测量的浪频谱与试验模型频谱的相互作用。


5.7全功率后退,回转性
  T-GAOS 19为美国海军使用的第一艘大型SWATH船,该船具有许多与单体船不同的特性,已准备操作人员的指南手册。
  对于操作人员最有意义的便是船在紧急状况下全功率后退的能力。如图20所示,舰首助推器和"鸭"式水翼可以用来减少紧急停车距离。由于船舶是以有限的功率航行的,操作人员不可能在短时间内使得船首助推器进行工作,然而,通过定位"鸭"式水翼,船由舰首引起纵倾,停车距离便可无需增加功率负载而减少。
  在高纬度的冬季,为对落水或在甲板上浸湿的人员进行救助,有必要进行一系列的试验,以对传统的Williamson回转和全功率后退回转进行比较。
  全功率后退回转具有很多优越性:
  --船的伸距减少了,船员的视线开阔了;
  --回转过程中,船的横倾和偏航减少了;
  --回到初始位置所需时间减少了。
  全功率后退回转必须在甲板人员清洁螺旋桨后才可进行。
6总结
6.1程序所带来的成就
  T-AGOS 19试验是所完成的最为广泛,最为复杂的水面舰艇试验。随着舰船研究水平的发展,还有一系列与其相关的成果。
  ·TSK浪高传感器(舰首与船尾)减少了在高海况中使用浪高浮标的必要性。在一些情况下,要布置浮标,并进行共点测量,但TSK传感器却更精确、便捷。
  ·使用全球定位系统(GPS),包括军用与商用不同的接收器,便可以在任何操作站绘制精确的位置坐标。海上定位的大风浪试验是离不开GPS的。美国海岸警备队D GPS将进一步加强这项功能。
  ·开发了"箱式"(Suitcase)的船舶运动系统(SMS)。一个人便可携带SMS,并可独立查询船运动情况并获取数据,系统可以打印数据,并向船长报告,当使用DDG 52时,便可给船长一份初步的试验报告。
  ·基于个人计算机的用户交互使用的驾驶台监视器,使得所有船舶操作人员均可参与数据采集过程。操作人员的知识与SWATH研究人员的知识的结合可以提高数据质量,并加速操作人员对该船特性的认识。
  ·促进了NAVSEA监督者,CDNSWC研究人员,SPAWAR任务提出者与MSC舰船操作人员的工作关系。这种关系在下列工作得到了回报:在诊断船舶问题获取试验数据时;在执行任务期间对船性能测量时;在获取上级领导对船性能答复时。
  ·一种新型雷达浪高和浪频谱传感器可以作为开发程序的一部分获取试验数据。传感器可以实时确认大量海浪条件,并向驾驶台及船舶电力系统展示。
  ·具备在短时间内搜集、加工、存贮模拟数据及数字数据。特别是数字船舶定位(GPS)速度(多普勒)信号,能够从50多个通道接收各类传感器类型模拟数据,如应变轨距、压力传感器、转数记数器以及潮流回路传输等。
  ·数据采集系统包括船上安装的3000多对扭曲屏蔽。海军为了安装数据采集系统而对结构、HVAC、电力及管道作些变动。这项共同的努力得到了USCG及美国船检ABS的批准。这是海军第一次在安装数据采集系统时,要征得ABS的同意。
  ·船员及试验员借助于计算机辅助系统(CAD)工作,不明显的线路变化或配置变化时,CAD均会加以记录。
  ·CDAS系统产生复杂的船舶系统性能数据并加以分析,反馈给船舶采集管理者(PMS-383)以及该船制造商(McDermatt),允许他们按照造船合同条款加以调整及修正。
  以上所列反映了可以看得见的成就。这些成就的重要性以及其他更详细的情况便可在美国阿利·伯克级驱逐舰DDG51号,以及类似舰船上安装下一代CDAS系统所表现出来。这个纤维光学系统使得船员可以接收和分析船舶运动、浪高、浪花,以及执行诸如直升机起降,高速航行方向选择和水下补给等的影响。
6.2试验结论
  航速--T-AGOS 19船可以在不同航向保持速度。这个能力对未来海军舰艇很有影响,在恶劣条件下,船舶可以保持速度这一特性便可提供作战的优势。
6.3 生存能力
  SWATH的几何形状使得船体有横向构件和水平分舱,该船的上体、支柱及下体在特定情况下可以容纳大量伤员。T-AGOS 19有两个独立分开的推进器,并在舵差很小时推进船。舵也是分开,可以独立使用的。若两个推进器与舵均失效,则船仍可使用船首助推器和"鸭"式水翼继续操作。
6.4适航性
  该船出色耐波性提供了非凡的可操纵性,这意味着在高海况下,不会降低重要的任务完成能力。有趣的一点是,该船诱发了船员在高海况下的旺盛的精力和出色的工作。SWATH的适航性能大大提高了船员战斗力及舷外工作的能力。
6.5操作性
  该船在7级海况下有很好的操作性。操作性是指:船员保持正常航行(如:正常厨房操作)的能力、执行任务的能力、不晕船、在计算机上舒适工作的能力,以及保持速度的能力。这些能力的增加就是操作性好。也使得人们认识到单体船可操作性的局限性。在7级海况下,舒适地完成任务,而没有降低完成任何任务的质量,只有SWATH船才能做到。
6.6低速操纵性
  T-AGOS 19满足了高标准操纵要求。由于该船的可操作性相对单体船提高了,而对该船在高海况下的低速操纵性能要求也增加了,在5米浪高,40多节的风速下,布置或回收基阵已成为可能。进行这样的操作,要求船舶在大风巨浪环境下,以2到4节的速度良好地操作。由于该船的受风面积大,T-AGOS 19要使用大马力。若船速4节或更高,或助推器与"鸭"式水翼结合使用,便无需使用此方法。
6.7船舶性能总结
  T-AGOS 19的成功可以反映在下面一段话中,这是由美国"胜利"号船第一任船长Ballard所述,Ballard船长写道:
  "胜利"号的运动与舒适同我指挥过的任何单体船相比,正如高速公路上的劳斯莱斯车(Rolls Royce)与公路上的大篷车差别一样--"胜利"号船就是劳斯莱斯车(Rolls Royce)."
美国海军第一艘大型小水线面双体船型(SWATH)水声监听船的设计于1986年完成,被命名"胜利"(Victorious)号,代号为T-AGOS 19。该船适航性极佳,可在冬季高纬度恶劣天气条件下低速航行,自由操纵。胜利级共4艘船(代号从T-AGOS 19到T-AGOS 22),均由位于路易斯安纳州(Louisiana)阿米利亚(Amelia)城的麦克德莫特(McDermett Marine)船厂制造,并于1991年8月至1993年7月交付海军使用。该级船安装了范围广泛的中央数据采集系统(CDAS),用以支持耐波性,船舶运动,水动力,结构以及声学试验。根据海军总工程师要求,该级第1艘"胜利"号分别于1991/1992年之冬,在北大西洋,于1992/1993之冬,在北太平洋进行了大量试验,并于1993年4月以在夏威夷的标准试验而告结束。经过试验,产生了大量试验数据,证明"胜利"号是一艘耐波性极好的船,可以在7级海况下,允许工作人员在计算机工作站中很舒适地工作,是一艘在"任何时间、任何海况都可航行的船"。

1概述
  1986年,美国海军的第一艘大型SWATH船的设计宣告完成,该项设计满足了在冬季里,较舒适地执行在北大西洋和北太平洋中进行拖曳阵探测器监视系统任务的需要。"胜利"号是该级4艘SWATH船的第一艘,主要用于在任何季节中,能够从高北纬度两洋海域采集、处理以及传输拖曳阵探测器监视系统(SURTASS)声学数据。要使该船能够在6级或7级海况下完成各项任务,需满足下列船舶运动标准:纵摇3度,横摇8度,垂直加速度0.4g,横向加速度0.2g。
            表1"胜利"号主要性能指标
   船长             71.5米
   船宽             28.5米
   吃水             7.6米
   最大航速           16.3节
   服务航速           9.6节
   拖曳航速           3节
   排水量
    (满载)           3396吨
    (空载)           2677吨
   动力装置           柴油-电力推进  2轴
                  卡特皮勒3512TA型柴油机4台
                  持续功率4000KW
                  通用电气公司GE电机2台
                  输出功率2390KW
   首推力器           2×441KW 全向
   主要电子设备         导航雷达2部
                  UQQ2型 拖曳阵列监视声呐1部
                  WSC-6型数据链 1套
   操纵性
    无限制(全航向)       6级海况
    单方向最佳航向       7级海况
   耐波性            8级海况以上
   有效载荷(任务设备)      130吨
   任务空间面积         1400平方英尺
   住宿间            总计38间
   冰区加强           C级

 

试验程序范围
  T-AGOS 19试验程序范围很广泛,早在1990年,便成立了一支试验队,并给与它超常的自主权力,进行所有的试验。一项完整的试验计划由海军海上系统司令部与海军水上战斗中心联合制订。这项试验计划,提供了试验的重点以及明确了三个基本目标:
  ·确定设计与实际航行范围
  ·确定该船所能满足的最高要求
  ·搜集用于确定SWATH技术基础和分析设计方法的数据
  为了解决试验的各个技术问题,便设计了一系列测试条件及测量方法。
详细的试验项目如下:
  --动力
  --静水力性能
  --航行性能
  --偏航率
  --战术直径
  --耐波性及结构载荷(八角形)
  --大浪中的操纵性
  --大浪中的战术半径
  --大浪中的航行性能
  --高海况下的SURTASS基阵处理
  --声学试验
  为了完成试验项目限定的工作,该船被布署在适合操纵的区域,进行为期6个星期的试验。这包括3个大浪试验阶段,其中第一个阶段发生于试验程序的早期。这个试验舒适与艰辛各占一半,执行任务的船员在耐心地等待7级海况的出现。在第一次大浪试验中遇到了6级海况,得到了许多耐波性数据,船员及操作人员对该船的表现表示满意。
  试验需要长期的数据采集,为此配备了在试验程序中完成长期数据采集的仪器与人员。由于特定的试验期间内很少有极端的天气条件,因此长期的试验监控可以满足所要求的极端天气条件。至今大约采集了6G的试验数据,而且,24G的连续数据也在传递,任务操作及其他操作的过程中得以记录,36项快速浏览数据概览在试验期间已经完成,试验报告用作参考。声学试验是试验计划的一部分,并由试验仪器来支撑。
3中心数据采集系统(CDAS)
  使用了两个基本的数据采集系统。一个系统进行结构系统测量,而另一个则处理船舶运动、船舶系统以及耐波系统的环境测量。这些系统被被置于同一个工作间,并共享共用的信息。耐波系统将在船上使用3-5年,而结构系统的一个重要部分已于1993年4月被拆走。中央数据采集系统CDAS已经应用到配置头两年的连接系统中。而当前配置的系统也能充分满足附加的长期程序目标。
  CDAS的非技术部分,声学数据采集系统在进行声学跟踪试验中使用了"中心系统"方法及CDAS的连接盒及电缆。图3给出了CDAS的方框图以及"中心概念"。
   

3.1耐波系统
  CDAS是用微软PBASIC 7.1编写的菜单系统。计算机驻留软件包括操作、维护和文件系统以及数据文件和辅助任务运行软件。数据采集与数据存贮均有两种模式。采集可以是人工离散式操作,或以固定的运行时间和固定的间隔自动进行。简化的存贮模式(SMR运行)对于每个通道的最小、最大,标准偏移和平均值等摘要信息的运行,可节省2分钟的时间。当使用"DATACOG"后,除SMR摘要信息外,所有数据点的存贮使用可任意进行。在自动模式下,便可混合使用SMR与DATALOG方式。
  耐波数据采集系统由95个模拟输入通道及5个数据输入通道组成,需注意的是浪高与周期是用2个78K浪高传感器记录的。1个传感器安装于船首,1个传感器安装于船尾,这些传感器效率很好,而SWATH船的几何形状也特别适合它们的使用。
  正如图4所示,使用了三台计算机,一台作为主采集计算机,第二台用于数据分析,第三台计算机,只有中央处理器置于设备间,向驾驶台传输数据,并从驾驶台接收数据。试验中在驾驶台显示实时数据是相当有用的。使用驾驶台上的阴极射线管显示及键盘,试验者便可实时地选择查看数据通道,并将数据输入主采集计算机中。由于可能使用任何系统作为主数据采集计算机,固有的系统冗余可使停机时间最小化,一部200瓦的备用电源可以保证任何运行都不会丢失数据。

  

  模拟信号调节是通过程序过滤器及放大器的通道比进行的。调节的信号被传输到双重模拟--数字转换器,被数字化后,传到主接插板。数字化的信号由CDAS采集并分析,主接插板用户诊断并选择传输信号到界面接线板,置于独立放大器的界面接线板可以为其它用户提供并行数据采集的功能。
  外部精确时钟、摩托罗拉全球定位系统(GPS)、多普勒速度计程仪、过滤器、军用GPS均接收为数字信号,并由中央处理器进行处理。这些计算机置于试验仪表装备间中,一部计算机通过RS-232连接与采集计算机相连,其它的作为备份。由GPS及速度计程仪系统采集的数字信号在这些设备中转换成模拟信号并输出至过滤盒。CDAS采集计算机以及接插板的其他潜在用户均可以使用这些通道。在选择的情况下,数字数据形式是保留的,并直接送至CDAS采集计算机。一个短距调制解调器提供所需的RS-232数据。
  精确时钟通过采集系统提供时间同步。军用与商用GPS数据用于跟踪与操纵测量,多普勒测速仪用于在操纵期间决定风与洋流的效果。每一次运行都要检查一次过滤器,以保证正确的数据调节。
  与CDAS采集程序相应的文件结构有利于系统操作,错误修正,以及试验后的分析。文件由包括通道名称,标准,信号瞬时率等配置文件,以及描述信息的试验日记文件所构成,每一个运行都与下列文件相关:配置文件(包括用户评论的测试文件)、以前定义的数据文件以及每两分钟运行的最小分析统计的概述文件。
3.2结构系统
  结构系统由不同信号瞬时率的三个模块组成。第一个模块由97个应变吃水电桥,16块加速度表,以及7个选择的耐波性系统通道组成。这个模块在试验中以每秒40个信号的速度采集数据。第二个模块由32个通道构成,这些通道记录了风浪作用于支柱,下体,湿甲板以及基阵舷外支架等船体结构产生的反应。这个模块以每秒2016信号的速度采集数据。第三个模块从5英尺18英寸的压力测量板采集数据,这个压力测量板是通过与加拿大政府的技术交流得到的,这个模块以每秒20000信号的速度采集数据。模块2与模块3以自动方式操作,不断地采集数据,但只记录那些超过用户限定标准的数据。当超过给定标准时,模块便从达到限定标准前0.5秒开始,记录持续5秒钟的数据,因而,只是有关的历史数据得以采集。采集数据并以数字形式记录,大大减少了分析时间,节省了费用。
3.3快速浏览
  船上耐波性及结构数据分析包括所有通道及平均值,最大值,最小值的近实时计算。检查结果以确保运行中未达到结构极限,从而证明传感器与数据的质量。在进行下一次运行时将前一次运行的数据作备份,以确保数据的完整性。这样便可快速地保证质量,试验数据内容是CDAS系统的一个重要方面。使用"快速浏览"结果,试验人员便可立即知道极限条件或重复前一次条件的要求。试验指挥也可对试验项目作出调整,以便进一步研究不可预见情况。
3.4船上分析及质量保证
  由CDAS进行的所有耐波性及选择结构通道的实时显示及分析包括:最大值、最小值、平均值、标准偏移值的概括;相对于时间或其它通道的数据通道图形显示;跟踪图标;诊断图标;变化时间及尺寸选择;记时打印机以及稳态条件的确认。后运行分析包括上面的完整性、差异处、数字过滤、剪辑、数据显示、计算通道的产生与显示、强制性的谐波振荡分析、用户评论输入标态、后运行注释,以及以光谱与谐波直方图图形输出的动力光谱。
  耐波性CDAS程序中有适度的自动数据质量控制,当发现错误时,错误文件中便记录一条信息。为了提供后运行记录及分析能力,这个文件在数据采集阶段也可在后台工作,而且,在屏幕的右上角有一个指示器警示操作者有一个潜在的错误被发现。
  在数据采集中,方便持续的扫描耐波性数据通道,便可以发现不正确的数据。这个能力是通过使用6个通道,"快速绘图"形式实现的,通过快速绘图,操作人员可以对所有通道进行快速、自动的可视性扫描。操作人员可以在不打断采集过程的情况下,控制扫描的速度与间隔。在数字信号处理器处理不工作设备或丢失的信号时,便可分别进行错误检查。
4海军海上系统司令部(NAVSEA)的舰船运动标准
  T-AGOS 19的设计是提供一个稳定平台,它能够在冬季里,在高纬度不利天气条件下,以相对慢的速度进行拖曳SURTASS基阵,并将船体运动减到很少。因此设计中强调了耐波性与船体运动,制作分析模型以及拖曳体,以便预测耐波性。
4.1操纵性
  单体船与新型的SWATH船的操纵性的预测均使用海军海上系统司令部舰船运动标准。图5给出了单体船与SWATH船设计时的预测操纵性与作为北大西洋冬季大风浪中的一个函数。图6提供了两类船的操纵性百分比与冬季北大西洋中所有波浪分布下,以任务速度航行的相对航向这一个函数的比较。从这项预测不难看出,SWATH的操纵性在正横波中相当高,这一点远离于NAVSEA运动标准。

 

4.2船舶运动
  1993年2月在北太平洋耐波性试验后的试验中,测量的耐波数据便减少了,正如图7、图8所示,3节数据展示了T-AGOS 19在7级海况中的良好耐波性,测量的耐波性大体上与预计的3节相吻合。
  随着船速增加,船舶的可操作性在7级海况的正横波中也随之增加,而纵摇则有所减少,图9及图10为船速在9节条件下的数据。图11显示了在5级海况,航速9节时,T-AGOS 19与T-AGOS 1类(单体船)的船舶运动减少的百分比,最为重要的是,T-AGOS 19的纵摇与横摇周期变长,分别为18秒与16秒。

  
  减少大量的耐波性数据的工作正在进行中。应用NAVSEA耐波标准设计SWATH船要进行研究,认为SWATH船的标准应精确至包括纵摇率及横摇率等因素。
4.3拖曳阵探测器监视系统(SURTASS)基阵运用
  在北大西洋与北太平洋的SURTASS基阵运用试验中,很显然。"胜利"号监听船上的基阵回收远远优于相应的T-AGOS单体船的基阵回收,基阵运营平台非常稳定,大约高出水面5.5米,尾板的几何形状为,船外支架与船形的角度允许基阵自然地布置于绞车之上。
  两个基阵运营人员可以在SWATH船上轻松地工作(其中一个人为备用人员)。而在单体船上却需三个人付出艰苦的努力。在SWATH船上的操作是干爽的,且无很高的加速度,而单体船上,甲板上常溅满海水,在4级海况下一般船舶就有剧烈运动。而"胜利"号在6级海况下可以轻松地回收大量数据。
5船舶性能
  T-AGOS 19的"静水力试验"于1991年9月在巴哈马(Bahama)的美国海军大西洋水下武器试验与鉴定中心(U.S.Navg AUTEC)的试验水域中进行。这些初始试验证明了该船的基本控制参数,如:速度、操舵、吃水以及纵倾等都是合格的。在这个过程中,该船研制单位更加熟悉了监控,以及影响船吃水、纵倾及横倾变化的方法。静水操作能够得到静水力变化曲线,也可以测量到控制水面设置中的水动力变化的影响。例如:图12便为探索船纵倾变化作为轴速上"鸭"式水翼角度的一个函数一系列操作。这些基本的性能数据提供了随后进行的大风浪中试验的必要资料。


5.1前进速度
  轴速与船速在静水中的关系曲线如图13所示。测量结果为往复1英里运行2次的平均值,并配以1英里的支柱用以检查定位与流速的变化。数据由CDAS中央数据采集系统采集,使用全球定位系统(GPS)对船的位置进行跟踪。试验也用来决定船速与助推器的关系。当两个441KW功率的船首助推器全力运行时,在不使用主推进器的情况下,船舶仍能以5.4节的速度前进。
5.2高海况下的前进速度
  船舶在高海况下的性能,是用GPS信号来测量的,在各种海况下,船舶按八角形运行(每个支柱大约1小时),此时GPS便获得船底部的速度。图14给出了9节时测量结果,它包括风效与水流速潮流等。正如图14所示,T-AGOS 19可以在低于7级海况的条件下逆浪保持设计速度。
  低速操作也有类似的趋势。在5级海况,船尾有风的情况下,T-AGOS 19螺旋桨空转,还可顺风以4.5节的航速前进。在桨慢慢反向转动,或"鸭"式水翼完全升起时,速度便落回到任务速度3节。

5.3单桨操纵
  当以单桨推进时,需要大约3度的小舵角来保持航向,如图15所示。小的差动"鸭"式水翼装置在单桨推进时,对于减小所需舵角非常有效。
5.4偏航率与转向直径
  T-AGOS 19具有非常规的舵系统、舵与"鸭"式水翼以V形角安装于两船内侧。偏航是表面控制力与水流变化而作用于船体与支柱力的结果。
由于螺旋桨尾流不流向舵,因而T-AGOS的偏航率便受船速的影响。正如图16所示,船的偏航率是舵角与船速的函数。
  T-AGOS 19的附加表面,使得船很容易转向。"鸭"式水翼角以及舵角的使用可以减小战术操纵的转向半径及所需时间,并可以在高海况任务速度下保持航向。"鸭"式水翼对于纵倾或高速时的转向非常有效。图17显示了T-AGOS 19船作360度角转向的网络能力,也表明了速度的影响以及高速“鸭"式水翼装置的良好作用。

 

   船首助推器可以改善低速操纵性能,随着船速的增加,由船首助推器造成的偏航率便可减小。船首助推器在航速3节时,对于转向很有效,但在更高速度时,则失效了,如图18所示。

5.5航向稳定性
  大风浪中保持航向的试验在北太平洋分两个阶段进行:第一阶段为1992年的11月7日至24日,第二阶段为从1992年12月30日至1993年1月25日。试验以八角模式进行。第一阶段,在6级海况下,根据无拖曳的航速3节和9节航行,或有基阵拖曳时,以3节和4节航速航行时的波浪来选定不同的角度进行试验;第二阶段,在5、6、7级海况,根据无拖曳以3、6、9节航速航行时的波浪选定航行角度进行试验。一些试验是在定位状态(零航速),即彻底的静水中进行,或以1节航速倒向行驶,来回收SURTASS基阵。
  通过决定进行试验期间船舶偏离平均航向±5度的时间百分比可以对船的航向保持能力进行测量。以航速3节航行时,在所有海况及最恶劣尾舷浪及横舷浪中的迎浪航行船舶的航向保持能力最佳。不同的助推器与不同"鸭"式水翼的结合使用,能够更好地增进航向保持。舰首助推器能够帮助低速航向保持,执行任务时,使用舰首助推器可以降低SURTASS基阵的性能。提高船速可以增强航向保持。在以6节乃至9节航速航行时,只需很小的控制力便可达到最小的偏移。


5.6耐波性
  "胜利"号的大风浪试验在北大西洋中进行。1992年1月15日至18日先进行大风浪试运转试验,1992年11月22日至2月期间,在北太平洋进行了补充的试验工作。耐波性试验是在5、6、7级海况下,以普通航速3节(基阵拖曳速度)航行和9节航速航行时波浪的不同而选定不同航行角度进行的。在基阵拖曳操作,双向航向,以及实验区域的一些传输过程中也进行一些试验。分析这些数据,以获得统计参数,如重要值(高值1/3的平均值)、平均值、运动的标准偏移等。而且,基于船舶运动的试验数据进行了动力频谱密度的分析。可遇航向动力频谱测量与相应的Bretschneider动力频谱密度在6级海况的比较见图19。这个图样比较说明了测量的浪频谱与试验模型频谱的相互作用。


5.7全功率后退,回转性
  T-GAOS 19为美国海军使用的第一艘大型SWATH船,该船具有许多与单体船不同的特性,已准备操作人员的指南手册。
  对于操作人员最有意义的便是船在紧急状况下全功率后退的能力。如图20所示,舰首助推器和"鸭"式水翼可以用来减少紧急停车距离。由于船舶是以有限的功率航行的,操作人员不可能在短时间内使得船首助推器进行工作,然而,通过定位"鸭"式水翼,船由舰首引起纵倾,停车距离便可无需增加功率负载而减少。
  在高纬度的冬季,为对落水或在甲板上浸湿的人员进行救助,有必要进行一系列的试验,以对传统的Williamson回转和全功率后退回转进行比较。
  全功率后退回转具有很多优越性:
  --船的伸距减少了,船员的视线开阔了;
  --回转过程中,船的横倾和偏航减少了;
  --回到初始位置所需时间减少了。
  全功率后退回转必须在甲板人员清洁螺旋桨后才可进行。
6总结
6.1程序所带来的成就
  T-AGOS 19试验是所完成的最为广泛,最为复杂的水面舰艇试验。随着舰船研究水平的发展,还有一系列与其相关的成果。
  ·TSK浪高传感器(舰首与船尾)减少了在高海况中使用浪高浮标的必要性。在一些情况下,要布置浮标,并进行共点测量,但TSK传感器却更精确、便捷。
  ·使用全球定位系统(GPS),包括军用与商用不同的接收器,便可以在任何操作站绘制精确的位置坐标。海上定位的大风浪试验是离不开GPS的。美国海岸警备队D GPS将进一步加强这项功能。
  ·开发了"箱式"(Suitcase)的船舶运动系统(SMS)。一个人便可携带SMS,并可独立查询船运动情况并获取数据,系统可以打印数据,并向船长报告,当使用DDG 52时,便可给船长一份初步的试验报告。
  ·基于个人计算机的用户交互使用的驾驶台监视器,使得所有船舶操作人员均可参与数据采集过程。操作人员的知识与SWATH研究人员的知识的结合可以提高数据质量,并加速操作人员对该船特性的认识。
  ·促进了NAVSEA监督者,CDNSWC研究人员,SPAWAR任务提出者与MSC舰船操作人员的工作关系。这种关系在下列工作得到了回报:在诊断船舶问题获取试验数据时;在执行任务期间对船性能测量时;在获取上级领导对船性能答复时。
  ·一种新型雷达浪高和浪频谱传感器可以作为开发程序的一部分获取试验数据。传感器可以实时确认大量海浪条件,并向驾驶台及船舶电力系统展示。
  ·具备在短时间内搜集、加工、存贮模拟数据及数字数据。特别是数字船舶定位(GPS)速度(多普勒)信号,能够从50多个通道接收各类传感器类型模拟数据,如应变轨距、压力传感器、转数记数器以及潮流回路传输等。
  ·数据采集系统包括船上安装的3000多对扭曲屏蔽。海军为了安装数据采集系统而对结构、HVAC、电力及管道作些变动。这项共同的努力得到了USCG及美国船检ABS的批准。这是海军第一次在安装数据采集系统时,要征得ABS的同意。
  ·船员及试验员借助于计算机辅助系统(CAD)工作,不明显的线路变化或配置变化时,CAD均会加以记录。
  ·CDAS系统产生复杂的船舶系统性能数据并加以分析,反馈给船舶采集管理者(PMS-383)以及该船制造商(McDermatt),允许他们按照造船合同条款加以调整及修正。
  以上所列反映了可以看得见的成就。这些成就的重要性以及其他更详细的情况便可在美国阿利·伯克级驱逐舰DDG51号,以及类似舰船上安装下一代CDAS系统所表现出来。这个纤维光学系统使得船员可以接收和分析船舶运动、浪高、浪花,以及执行诸如直升机起降,高速航行方向选择和水下补给等的影响。
6.2试验结论
  航速--T-AGOS 19船可以在不同航向保持速度。这个能力对未来海军舰艇很有影响,在恶劣条件下,船舶可以保持速度这一特性便可提供作战的优势。
6.3 生存能力
  SWATH的几何形状使得船体有横向构件和水平分舱,该船的上体、支柱及下体在特定情况下可以容纳大量伤员。T-AGOS 19有两个独立分开的推进器,并在舵差很小时推进船。舵也是分开,可以独立使用的。若两个推进器与舵均失效,则船仍可使用船首助推器和"鸭"式水翼继续操作。
6.4适航性
  该船出色耐波性提供了非凡的可操纵性,这意味着在高海况下,不会降低重要的任务完成能力。有趣的一点是,该船诱发了船员在高海况下的旺盛的精力和出色的工作。SWATH的适航性能大大提高了船员战斗力及舷外工作的能力。
6.5操作性
  该船在7级海况下有很好的操作性。操作性是指:船员保持正常航行(如:正常厨房操作)的能力、执行任务的能力、不晕船、在计算机上舒适工作的能力,以及保持速度的能力。这些能力的增加就是操作性好。也使得人们认识到单体船可操作性的局限性。在7级海况下,舒适地完成任务,而没有降低完成任何任务的质量,只有SWATH船才能做到。
6.6低速操纵性
  T-AGOS 19满足了高标准操纵要求。由于该船的可操作性相对单体船提高了,而对该船在高海况下的低速操纵性能要求也增加了,在5米浪高,40多节的风速下,布置或回收基阵已成为可能。进行这样的操作,要求船舶在大风巨浪环境下,以2到4节的速度良好地操作。由于该船的受风面积大,T-AGOS 19要使用大马力。若船速4节或更高,或助推器与"鸭"式水翼结合使用,便无需使用此方法。
6.7船舶性能总结
  T-AGOS 19的成功可以反映在下面一段话中,这是由美国"胜利"号船第一任船长Ballard所述,Ballard船长写道:
  "胜利"号的运动与舒适同我指挥过的任何单体船相比,正如高速公路上的劳斯莱斯车(Rolls Royce)与公路上的大篷车差别一样--"胜利"号船就是劳斯莱斯车(Rolls Royce)."
恩·#好·  不知道我们有没有啊·
我们的一律都叫海洋考察船
这个东东很还优!