3. 船舶推进器配置与推力模型
推力分配的第一步不是算法，而是“认识执行机构”。DP系统最终只能通过各推进器产生合力与合力矩，因此必须先把每台推进器的能力边界、几何位置和响应特性描述清楚。本节围绕三类常见推进器——全回转推进器（Azimuth Thruster）、隧道推进器（Tunnel Thruster）和主推进器（Main Propulsion，含可调桨与舵）——建立推力-角度-功率关系模型，并讨论推力损失与交互影响。
一、三类推进器的能力差异
全回转推进器的推力方向可在0°～360°内连续改变，是DP最灵活的执行机构。其输出可分解为纵向分量与横向分量：设推力大小为 T，方位角为 α（以船艏方向为0°，顺时针为正），则纵向分量 Tx=Tcosα，横向分量 Ty=Tsinα。它既能提供大推力，又能提供回转力矩，但存在“死角”问题：当推力方向指向船体结构或与其他推进器尾流对冲时，实际有效推力显著下降。
隧道推进器安装在船体横向隧道内，推力方向固定为横向（左舷或右舷），只能提供横向力与回转力矩，不能提供纵向力。其推力随船速增加而迅速衰减，在航速较高时几乎失效，因此主要用于低速DP工况与靠泊作业。
主推进器通常为可调螺距桨（CPP）或定距桨加舵，主要提供纵向推力，舵角可产生一定横向力。其特点是功率大、效率高，但横向能力有限，且舵力与航速强相关，在零航速时舵效几乎为零。
二、推力-角度-功率关系模型
对全回转推进器，工程上常用“推力-转速-功率”曲线描述其能力。以某型功率 Pmax=2500 kW 的全回转推进器为例（示例参数，非实测）：在额定转速下最大推力约 400 kN，推力与转速近似呈二次关系 T=k·n2，功率与转速近似呈三次关系 P=c·n3。因此当推力降至50%时，功率约降至12.5%，这一非线性关系对功率分配优化至关重要。
角度维度上，全回转推进器在任意方位角下的最大推力并不相同。受船体伴流、桨前整流和结构遮挡影响，某些角度区间（如指向船体中部或与其他推进器尾流交汇的方向）会出现推力折减。建模时可用“角度-推力折减系数”表描述：例如0°（正车）折减系数1.0，90°（正横）0.92，180°（倒车）0.85，270°（另一侧正横）0.92。实际系数应通过推力测试或CFD获得，示例值仅用于说明建模方法。
隧道推进器的模型相对简单：推力方向固定，大小与转速平方成正比，但需引入“船速衰减因子” f(V)，随航速增加而下降。主推进器则需同时建模桨推力与舵侧向力，舵力近似与航速平方和舵角正弦成正比。
三、推力损失与交互影响
推力损失是DP推力分配中最容易被低估的环节。常见来源有四类：
- 尾流对冲损失：当两台全回转推进器的推力方向相互指向时，射流相互干扰，有效推力可下降10%～30%。分配算法应对此类角度组合施加惩罚项。
- 船体遮挡损失：推力方向指向船体结构时，桨前吸入受限，折减系数随角度变化，需在角度-推力表中体现。
- 船速相关损失：隧道推进器在航速超过约3～4节后推力急剧下降；舵力在零航速时几乎为零。DP工况虽以低速为主，但动力定位与航迹保持切换时不可忽略。
- 功率饱和与交互约束：多台推进器同时满负荷时，电站功率可能不足，需在分配中引入功率上限约束，避免“推力指令可行但功率不可行”。
工程上处理交互影响的实用做法是建立“推进器对”折减矩阵：对每一对可能相互干扰的推进器，根据其角度组合查表得到折减系数，再在优化目标中乘以该系数。例如AT1与AT2在角度差接近180°且推力方向相对时，折减系数取0.75；角度差小于60°时取0.95。该矩阵可通过水池试验或CFD批量计算获得，示例数值仅用于说明结构。
四、建模落地要点
把上述关系落到代码或配置中，通常需要为每台推进器定义一张能力表，字段包括：推进器编号、类型、安装位置（x, y）、最大推力、最大功率、角度范围与步长、角度-折减系数表、船速衰减曲线。推力分配求解器读取这些表后，才能在满足合力与合力矩需求的同时，避开高损失角度组合并遵守功率约束。
一个可执行的检查顺序是：先确认坐标系与角度正方向定义一致；再核对每台推进器的最大推力是否与功率曲线匹配；然后验证折减矩阵在典型角度组合下的合理性；最后用一组已知合力需求反算分配结果，检查是否出现明显违反物理直觉的角度选择。若出现，优先检查折减系数与功率约束是否被正确加载。
本节建立的推力-角度-功率模型，是后续推力分配优化与推力损失补偿的基础。模型越贴近真实执行机构，分配结果才越可信。