高壓氣在潛艇自浮操縱中的使用研究*

劉常波 王 建 丁風雷

(海軍潛艇學院作戰指揮系 青島 266071)

1 引言

潛艇在海上航行或作戰中,無論其處于水面或水下狀態,都有可能因遭敵攻擊、碰撞而引起艙室破損進水。潛艇水下發生破損時,當海面情況不允許上浮,則需要繼續停留在水下抗沉。當破損位置在艙室中上部,且海區水深不大于最大可浮深度時,就應當考慮潛坐海底。在潛艇潛坐海底進行自浮時,主要是用高壓氣吹除主壓載水艙的水來提供上浮力和扶正力矩,以達到使潛艇從海底浮出水面的目的。

本文針對潛艇自浮方法進行研究,分析了高壓氣在自浮時的使用原則,闡述了高壓氣需求量的計算方法和高壓氣使用預案的制定。

2 高壓氣量的計算

潛艇高壓氣貯存量的計算公式[1]:

式中:n為氣瓶數;v為每個氣瓶容積;p為氣瓶工作壓力。

實際上對高壓氣貯存量和需要量的表示方法,既不用氣體的體積為單位,也不用氣體的壓力為單位來表示,而是用高壓氣體積的百分數來表示。因此,上式的計算結果不適用。

計算高壓氣貯存量的百分數采用的方法有兩類:

第一類:精確計算,有兩種方法:第一種是用式(1)的計算結果除以a(a為所有氣瓶貯存量為1%時氣體的體積);

第二種是用式(2)、(3)進行計算。

式中:Ni為每組氣瓶的數目;ni為氣瓶的組數;pping高壓氣平均儲量;A0為高壓氣儲量的百分比。

精確計算和近似估算方法的主要區別是:前者按照各組氣瓶的數目進行計算,故比較精確;后者不考慮每組氣瓶數目的不同,只按照氣瓶的組數進行計算,故存在誤差。在潛艇日常工作和戰備訓練等情況下,一般都使用近似估算的方法,因為這種方法,運算簡便,結果基本可靠。

3 潛艇自浮時高壓氣的需求量

潛艇自浮時,使用高壓氣主要解決以下三個方面的問題:

1)向破損艙供氣堵漏,將進水限制在破口的上邊緣。

2)向相鄰艙室供氣支頂艙壁,防止進水在艇內蔓延。

3)向主壓載水艙供氣排水,平衡潛艇消除負浮力和縱傾力矩。

對于潛艇抗沉時高壓氣需要量的估算,可以使用計算法和查圖法來進行。下面分別進行說明[2]。

第一種方法:計算法

當潛艇水下發生破損進水后,如果需要供氣艙室的容積和潛艇所處的失事深度已知,則抗沉時高壓氣需要量(A)的計算公式如下:

要特別注意的是,當運用上述公式具體計算不同抗沉措施的高壓氣需要量時,一定要針對具體情況,作具體的分析,否則就會發生差錯。具體情況如下:

1)求向破損艙室供氣堵塞破口的高壓氣需要量(A堵):

2)求向鄰艙供氣支頂艙壁的高壓氣需要量(A支):

3)求向主壓載水艙供氣平衡潛艇的高壓氣需要量(A平):

4)求抗沉時總共需要的高壓氣量(A總):

表中:υ為支頂艙室的容積(m3);υq為破洞上邊緣以上艙室容積(m3);υz為主壓載水艙容積(m3);pcb為艙壁的耐壓強度(大氣壓);pH為潛艇所處失事深度相對應的水壓力(PH=H/10,每10m水深為1個大氣壓);α為全部高壓氣貯存量1%時的高壓氣體積,是常數;1為常數,為海面的空氣壓力(大氣壓)。

第二種方法:查圖法

查圖法共有 2種:一種是查《抗沉高壓氣算圖》,將查得的上述3項高壓氣需要量相加,得出總需要量;另一種是通過查《艙室抗沉高壓氣需要量曲線圖》。直接得出抗沉所需總的高壓氣量。

計算法和查圖法都大概給出了抗沉時高壓氣的需要量,但其中還有很多因素未考慮到,是不完善的,如破損艙的進水速度與放氣速度的影響、克服潛艇的下潛慣性而多消耗的高壓氣量、氣排中間組水艙使艇自力上浮所耗高壓氣量以及氣瓶內高壓氣本身最后的無效部分等。這2種方法都存在局限性大、結果不準和計算時間長等缺點。因此,以理論為依據,通過建立數學模型,對其進行仿真可迅速、準確地得到所需高壓氣總量以及其它方面的信息。

4 計算舉例與仿真

潛艇高壓氣的儲量并不能百分百的利用,其中有一部分是不能用的,我們稱為失效部分。

因此,在制訂抗沉高壓氣使用方案時,應該從潛艇破損時高壓氣貯存量中,將這部分失效氣體扣除掉。因此,從保證潛艇的安全出發,在確定抗沉高壓氣使用方案時,應留安全系數(ε),這個安全系數一般取20%～25%。所以自浮時高壓氣需要量的總計算公式如下:

4.1 計算舉例

已知某潛艇在水下一艙右舷破損進水,破洞高度 h洞=2.0m,進水量 υ水=52m,失事深度 H失=80m,海底深度 H底=100m,高壓氣儲量 A0=85%。則潛艇從100m實施自浮所需要的高壓氣量:

5)校核艇上浮時高壓氣的需要量。因為高壓氣總量A0=85%,自浮時高壓氣需求總量為:

所以艇上高壓氣儲量可以將潛艇從100m的海底浮起。

4.2 仿真

對上述例子進行仿真如圖1所示。

由圖1可得:高壓氣需要量為:A總+ε=72.1%＜85%(取ε=20%)。從而為海底自浮時高壓氣使用預案的制定提供了依據,驗證了平衡浮起方案的可行性。

圖1 自浮方案效果圖

5 結語

高壓氣在潛艇潛坐海底后實施自浮中起著至關重要的作用,但是其使用也是受限制的,如儲量有限、使用時機等,所以我們必須在實施自浮前做好高壓氣使用預案,確定其儲量能否保證潛艇順利浮起。

[1]張建華,徐亦凡.潛艇高壓氣使用[J].四川兵工學報,2009(9)

[2]徐亦凡.潛艇操縱原理與方法[M].北京:兵器工業出版社,139～141

[3]施生達.潛艇操縱控制規律的研究[J].海軍工程大學學報,1989(3)

[4]劉常波,張洪星.基于VSS的潛艇升降舵自動控制設計與實現[J].船海工程,2009(1)

[5]劉常波,張洪星.卡爾曼濾波在潛艇垂直面運動控制器設計中的應用[J].艦船科學技術,2009(4)