破損潛艇成功挽回的相對吹除量規律性的研究

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(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

潛艇處于潛航狀態下發生艙室進水事故時，可采用多種應急操縱挽回措施，采用高壓氣吹除潛艇主壓載水艙獲得浮力以保證潛艇的安全是一種有效的措施。

文中所提出的相對吹除量(P)的概念，即在采用吹除的挽回措施時，能保證潛艇安全上浮的B(停止吹除時產生的浮力)與F(停止吹除時艙室進水所產生的負浮力)之比值。本文將通過建立計算模型、仿真計算、比較計算參數變化對結果的影響來分析相對吹除量P是否存在臨界值(Pc)及其規律性的研究問題，以及不同的初始深度、不同進水方式對PC的規律性的影響。

在20世紀90年代中期，船總某研究所在對某型潛艇水下動力抗沉試驗研究總結報告中曾提出過相對吹除量的概念并對其規律性進行了初步研究，根據模型試驗結果總結了相對吹除量的規律性。作為整個報告的一部分，其對相對吹除量僅研究了一種工況(一艙破損，持續進水)。目前，國內對這個課題的研究很少，因此，對潛艇相對吹除量的研究具有重要意義。

1 潛艇艙室進水情況下應急操縱的數學模型

1.1 潛艇運動基本方程

以DTNSRDC的潛艇六自由度空間運動方程作為操縱運動的基本數學模型，補充了大攻角引起的若干水動力項，建立了考慮大攻角情況的潛艇六自由度空間運動模型[1-4]。

1.2 水動力系數

潛艇運動水動力系數是通過拘束船模的大攻角及螺旋槳變負荷水動力試驗確定的[1]。

1.3 艙室進水模型

計算結果表明對各種艙室進水事故，在采取挽回措施后到浮到水面或確定挽回失敗時的進水量都遠小于耐壓艙室容量。因此，發生艙室進水事故時的進水量用自由進水的公式計算：

ρ——海水密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

S——進水孔面積，m2；

μ——流量系數，μ取0.5；

ζ——進水孔的深度，m。ζ=ζ0-xwsinθ,ζ≥0

xw——進水孔位置的縱向坐標，m。

1.4 吹除主壓載水艙產生浮力的數學模型

吹除主壓載水艙產生的浮力為：

其中主壓載水艙的壓力變化率為：

式中：At——噴嘴的噴口面積；

C——閥系數，0≤C≤1；

k——等熵常數，取k=1.4；

mb——壓載水艙的空氣質量，kg；

mf——氣瓶中的氣體質量，kg；

mf0——氣瓶中的初始氣體質量，kg；

pa——大氣壓力，101 023 N/m2；

pb——壓載水艙的瞬時壓力，N/m2；

pf0——氣瓶中的初始壓力，N/m2；

pf——氣瓶中的壓力，N/m2；

pw——瞬時環境壓力，N/m2；

R——氣體常數287.1，N·m/(kg·K)；

Tb——壓載水艙的溫度，K；

Tf0——氣瓶中的初始溫度，K；

Tf——氣瓶的溫度，K；

Vb——壓載水艙的氣體體積，m3；

vh——壓載水排出速度，m/s。

z——潛艇的瞬時深度，m；

ρ——海水的密度，1 025 kg/m3；

ρf——氣瓶中的氣體密度，kg/m3；

2 仿真計算

2.1 計算條件設定

2.1.1 初始狀態設定

事故發生前，潛艇處于等速無縱傾定深直航狀態。具體取：

初始速度 4.0 kn;

初始舵角 方向舵角δr0≈0；

初始首(圍殼舵)、尾(升降舵)舵角為δb0≈±5°，δs0≈0°；

初始縱傾角θ0≈0°；

初始橫傾角φ0≈0°。

2.1.2 挽回條件設定

潛艇成功挽回操縱的衡準參數必須同時滿足下面條件：

深度變化 ΔHmax=max(H(t)-H0)≤100 m

最大深度H(t)max=H0+ΔHmax≤Hmax

式中：Hmax——潛艇極限下潛深度，取值為300 m；

ΔHmax——最大深度改變量，m；

H0——初始航行深度，m；

H(t)——挽回過程中潛艇的深度函數，m；

H(t)max——挽回過程中潛艇的最大深度，m。

2.1.3 破損進水及吹除方式設定

本文只計算首部Ⅰ艙進水情況。進水為在潛艇所處海水靜壓下的自然流動，都在正常航行10 s后發生：

1) 短時間內能夠將艇體破口封堵或破損管路包扎完畢，進水情況可等效為瞬時指定噸數進水影響。

2) 進水源無法封堵或進行有效控制，進水情況可等效為指定破口面積持續進水影響。

吹除首部主壓載水艙，吹除開始時機選擇在進水發生20 s后動作。

2.2 計算結果

通過對初始條件和吹除方式的設定，用計算機仿真計算得到數據見表1、表2，各工況綜合比較見圖1。

表1 首部Ⅰ艙瞬時進水

注：表中各進水情況在達到＊標注深度時，挽回過程中H(t)max已超過潛艇極限下潛深度Hmax。

表2 首部Ⅰ艙持續進水

注：表中各進水情況在達到＊標注深度時，挽回過程中H(t)max已超過潛艇極限下潛深度Hmax。

圖1 Ⅰ艙進水的Pc-H曲

2.3 結果分析

從計算的結果中可以得出：相對吹除量的臨界值(Pc)在不同的進水方式下是具有很強的規律性，但規律性表現不同，即在瞬時進水的情況下Pc的數值不隨深度和進水量的變化而變化，基本上收斂于數值0.9；在持續進水的情況下Pc的數值隨深度變化而變化，其數值變化近似為深度的一維線性函數，而不同的破口面積的Pc-H曲線近似平行(即各Pc曲線斜率近似相等)，根據計算結果回歸后該函數近似為：

Pcon=-8.251 5×10-3H-1.289Ln(S)-2.997 3

式中：Pcon——潛艇持續進水情況的相對吹除量的臨界值；

H——潛艇初始深度，m；

S——破口面積，m2。

特別地，當破口面積較大(S>0.03 m2)時，如短時間內可以成功封堵破口，則可以按瞬時進水情況計算；如不能成功封堵，則艙室將在較短時間內全部浸沒，而當破口面積S≥0.5 m2時，艙室全浸時間在15 s之內，故此時僅采用吹除的方式是無法成功挽回潛艇的，必須同時采用多種挽回措施，因此得出的回歸函數在此情況下也就不適用了。

3 結論

因吹除的過程是受潛艇所處的深度、破口面積、潛艇浮態、航速及主氣瓶壓力和主壓載水艙壓力等諸多因素影響，應急吹除的過程是很難進行量化的，也不可能通過直接觀測主壓載水艙內的水位變化來確定排水量和所產生的浮力。同時，應急吹除也不是吹除的時間越長越好，在很多情況下并不適宜采用對主壓載水艙的全部吹除，這主要是考慮到對潛艇的戰術要求，而且潛艇上浮的速度過快會導致潛艇的結構損傷，此外，全部吹除會對潛艇的浮態產生不利影響，危及人員和裝備的安全。因此，為了確定能夠保證潛艇安全的最低吹除時間tmin必須尋求一種可量化的方式并對其規律性進行研究。

Pc是一個衡量潛艇在應急吹除過程中能否保證成功挽回的臨界值，由于其具有很強的規律性，通過導出Pc與潛艇初始深度H、破口面積S的函數關系，同時由于P是與吹除時間t構成單調函數關系，且Pc對應于tmin，因此可由Pc推導出最低吹除時間tmin，就可以為潛艇指揮操縱人員在潛艇應急吹除操縱時的決策提供依據，即在知道潛艇初始深度和近似的破口面積的情況下可以直接得出最低吹除時間tmin，具有為實戰和訓練提供理論依據的現實意義。

本文僅計算了首部Ⅰ艙的進水情況，并沒有列舉出其他艙室的計算數據，同時，初始航速和潛艇浮態對于相對吹除量的計算也是有一定影響的，但進一步計算的工作量將非常大，其他工況的P-H關系近似于Ⅰ艙的規律性，只是隨初始參數不同，數值有所變化，其規律性還可以作進一步的研究。

[1] 金 濤.潛艇在艙室進水條件下的應急操縱[R].武漢：海軍工程大學,2007.

[2] 刑繼峰,林俊興,戴余良.潛艇操縱[M].武漢:海軍工程大學出版社,2003.

[3] 浦金云.艦艇生命力論證[M].武漢:海軍工程學院出版社,1991.

[4] 袁贛南,趙 琳,劉 鷹.潛艇損管應急操縱的運動仿真[J].船舶工程,1998，49(4)：22-24.