潛艇應(yīng)急挽回過程中的安全界限研究

李其修，劉 輝，吳向君，李志輝

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

潛艇艙室進(jìn)水情況下安全性研究的目的是要解決3個方面的問題:一是根據(jù)潛艇的系統(tǒng)和設(shè)備能夠承受的空間姿態(tài)和最大潛深來設(shè)定潛艇挽回過程中的特殊要求［1］;二是通過建立潛艇應(yīng)急挽回操縱運動模型研究潛艇不同艙室進(jìn)水事故情況下的挽回操縱運動特性，確定最有效的挽回操縱措施［2］;三是根據(jù)潛艇挽回過程中的特殊要求和運動特性，制定出不同挽回操縱措施情況下能夠成功挽回潛艇艙室進(jìn)水事故的安全深度和安全速度范圍，為潛艇操縱人員制定艙室進(jìn)水事故挽回方案提供依據(jù)［3－4］。

潛艇應(yīng)急挽回操縱安全界限圖是潛艇在不同深度和不同航速情況下能夠安全航行和安全操縱的界限。安全界限圖由不同的安全限制線組合而成，進(jìn)水情況下的安全限制線就是潛艇在不同深度和不同航速下發(fā)生艙室進(jìn)水事故通過不同挽回措施能夠成功挽回的深度和速度界限［5］。

本文通過對某型潛艇首部、中部和尾部等不同部位破損進(jìn)水情況下的大量數(shù)值仿真計算和分析研究，確定了采取操首尾舵、增速和操首尾舵以及吹除壓載水艙等不同挽回方式情況下潛艇的進(jìn)水安全限制線，為潛艇操縱人員提供具體的指導(dǎo)和建議。

1 潛艇應(yīng)急挽回成功判據(jù)

根據(jù)潛艇應(yīng)急挽回操縱運動的特性，潛艇挽回過程中不能出現(xiàn)危險的空間姿態(tài)，不得超過制定的最大縱傾和橫滾角度，并且當(dāng)潛艇回到水面后必須保持有足夠的儲備浮力［6］。對于本文研究的某型潛艇，成功挽回操縱的衡準(zhǔn)參數(shù)必須同時滿足下面條件:

1)深度變化

潛艇挽回過程中的最大深度改變量ΔHmax指潛艇發(fā)生艙室進(jìn)水事故后最大允許下潛的深度，就是潛艇挽回過程中的最大下潛深度與事故發(fā)生時潛艇深度的距離。

2)最大安全縱傾

潛艇挽回過程最大安全縱傾θmax是指防止?jié)撏в捎诳v傾過大而引起的危險，如潛艇推進(jìn)裝置的損壞造成潛艇動力永久喪失或某些主要設(shè)備的損傷，挽回過程中還必須考慮大縱傾所能承受的時間。

3)最大安全橫傾

潛艇挽回過程中的最大安全橫傾φmax是指防止?jié)撏в捎跈M傾過大對潛艇安全性帶來的危險。

4)最大深度

最大安全深度H(t)是指潛艇正常機動時所允許的最大下潛深度，在大深度情況下主要取決于耐壓殼體的結(jié)構(gòu)強度和有關(guān)的安全系數(shù)，在小深度情況下主要取決于潛艇離海底的最小允許距離。

5)垂直上浮速度

垂直上浮速度Vceta是指潛艇機動過程中所允許的最大上浮速度，上浮速度過大會使?jié)撏タ刂疲?］。

式中:H0為初始航行深度;H(t)為挽回過程中潛艇的最大深度;ΔHmax為最大深度改變量;為挽回過程中潛艇的最大縱傾角;為挽回過程中潛艇的最大橫傾角。

2 潛艇不同部位進(jìn)水應(yīng)急挽回操縱安全界限圖

通過分析潛艇艙室進(jìn)水事故特點，對潛艇艙室進(jìn)水情況下的應(yīng)急挽回運動進(jìn)行大量仿真研究，確定潛艇不同事故深度、不同事故航速下，采取不同挽回方式下能夠成功挽回的安全界限，并通過潛艇操縱運動安全界限圖給潛艇操縱人員遇到不同事故采取的處理程序提供合理的理論指導(dǎo)，為操縱人員采取準(zhǔn)確的操縱挽回方案提供合理化建議。不同部位進(jìn)水應(yīng)急挽回的仿真條件如表1所示。

表1 潛艇艙室進(jìn)水應(yīng)急挽回仿真條件Tab.1 The simulation condition of emergency recovery under flooded compartment

2.1 首部艙室進(jìn)水情況下的安全界限限制線

2.1.1 采取操縱潛艇首尾舵挽回方式的限制線

當(dāng)潛艇首部Ⅰ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后采取操縱潛艇首尾舵方式來挽回潛艇，根據(jù)表1中的條件對100 mm和150 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定了2種情況下的深度和速度限制線。限制線左側(cè)表示進(jìn)水限制區(qū)，潛艇在此范圍內(nèi)發(fā)生進(jìn)水事故僅通過操縱首尾舵挽回措施是無法挽回的。從圖1的限制線可以看出，隨著潛艇事故深度增加，成功挽回對事故航速的要求也越來越高;潛艇破損面積越大，成功挽回對事故航速的要求也越高。例如潛艇100 m發(fā)生艙室進(jìn)水事故，100 mm直徑的破口通過操縱首尾舵成功挽回需要事故時具有高于10 kn航速，150 mm直徑破口需要高于13.5 kn的航速，深度超過220 m時即使?jié)撏俸叫幸矡o法挽回，這對于正常航行的潛艇是很難做到的。

2.1.2 采取增速和操縱潛艇首尾舵挽回方式的限制線

圖1 首部艙室進(jìn)水時采取操舵方式成功挽回的潛艇航速和深度限制線Fig.1 The limit line between speed and depth by steering rudder under flooded compartment

當(dāng)潛艇首部Ⅰ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后采取增速和操縱潛艇首尾舵措施來挽回潛艇，根據(jù)表1中的條件對潛艇進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定深度和速度限制線。從圖2可以看出，事故航速越低，增速挽回措施效果越明顯。與不采取增速挽回措施的挽回效果相比，事故航速低于12 kn時，通過增速潛艇能夠挽回的深度遠(yuǎn)大于未采取增速措施的深度;事故航速超過12 kn時，增速的效果不明顯，深度超過200 m時即使?jié)撏俸叫幸膊荒艹晒ν旎亍?/p>

圖2 首部艙室進(jìn)水時采取操舵和增速方式成功挽回的航速和潛深限制線Fig.2 The limit line between speed and depth by rudder and accelerating under flooded compartment

2.1.3 采取吹除首部主壓載水艙挽回方式的限制線

當(dāng)潛艇首部Ⅰ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后采取吹除首部主壓載水艙挽回措施來挽回潛艇，由于150 m事故深度以下吹除壓載水艙20 s潛艇基本都可以挽回，因此通過對潛艇150 m～300 m不同潛深和0～10 kn不同航速下的100 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定不同事故航速下潛艇事故深度和吹除時間限制線。從圖3可以看出，事故航速越高，相同事故深度成功挽回所需要的吹除時間越短。由于潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)的限制，當(dāng)吹除時間超過120 s，高壓氣吹除能力基本喪失，當(dāng)航速低于2 kn的潛艇，事故深度超過230 m潛艇則無法通過吹除挽回。

圖3 不同航速下采用吹除首部壓載水艙方式成功挽回的潛深和吹除時間限制線Fig.3 The limit line between blowing time and depth by blowing ballast tanks under different speed

2.2 中部艙室進(jìn)水情況下的操縱安全界限限制線

2.2.1 采取操縱潛艇首尾舵挽回方式的限制線

當(dāng)潛艇中部Ⅳ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后采取操縱潛艇首尾舵措施來挽回潛艇，根據(jù)表1中條件對100 mm和150 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定了不同破口直徑情況下的深度和速度限制線。隨著潛艇事故深度增加和破損面積增大，成功挽回對事故航速的要求越高。通過圖4和圖1比較可以看出，相同條件下中部艙室進(jìn)水成功挽回所需要的事故航速低于首部艙室進(jìn)水需要的事故航速。

圖4 中部艙室進(jìn)水時采取操舵方式成功挽回的航速和潛深限制線Fig.4 The limit line between speed and depth by steering rudder under flooded compartment

2.2.2 采取增速和操縱潛艇首尾舵挽回方式的限制線

若潛艇中部Ⅳ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后采取增速和操縱潛艇首尾舵措施來挽回潛艇，由于事故深度小于150 m，通過增速和操縱首尾舵潛艇基本都可以成功挽回，因此對潛艇150～300 m不同潛深和0～18.5 kn不同航速下的150 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定了深度和速度限制線。從圖5可以看出，潛艇全速航行時，事故深度小于280 m都可以成功挽回，相同條件下中部艙室進(jìn)水成功挽回比首部艙室進(jìn)水容易。

圖5 中部艙室進(jìn)水時采取操舵和增速方式成功挽回的航速和潛深限制線限制線Fig.5 The limit line between speed and depth by rudder and accelerating under flooded compartment

2.2.3 采取吹除中部主壓載水艙挽回方式的限制線

若潛艇中部Ⅳ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后采取吹除中部主壓載水艙挽回措施來挽回潛艇，通過對潛艇150～300 m不同潛深和0～8 kn不同航速下的100 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定了不同事故航速下潛艇事故深度和吹除時間限制線。從圖6可以看出，相同事故深度下，事故航速越大，吹除壓載水艙的時間要求越短，如當(dāng)事故深度200 m，事故航速2 kn的潛艇成功挽回需要吹除60 s，而事故航速8 kn的潛艇只需吹除30 s。通過比較圖6和圖3可知，相同條件下潛艇中部艙室進(jìn)水成功挽回需要吹除壓載水艙的時間少于首部艙室進(jìn)水成功挽回所需時間。

2.3 尾部艙室進(jìn)水情況下的操縱安全界限限制線

2.3.1 采取操縱潛艇首尾舵挽回方式的限制線

由于尾部Ⅶ艙進(jìn)水后，螺旋槳受損停轉(zhuǎn)，動力喪失，潛艇航速下降，無法采取增速措施。若潛艇尾部艙室進(jìn)水事故后10 s采取操縱潛艇首尾舵措施來挽回潛艇，同時潛艇停車，通過對潛艇50～300 m不同潛深和0～18.5 kn不同航速下的100 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定了深度和速度限制線。從圖7可以看出，當(dāng)事故深度大于120 m，即使?jié)撏鹿是叭俸剿偻ㄟ^操縱首尾舵也不能成功挽回。與首部和中部艙室進(jìn)水相比，相同條件下潛艇成功挽回對事故航速的要求越高。

圖6 不同航速下采用吹除舯部壓載水艙方式成功挽回的潛深和吹除時間限制線Fig.6 The limit line between blowing time and depth by blowing ballast tanks under different speed

圖7 尾部艙室進(jìn)水時采取操舵方式成功挽回的航速和潛深限制線Fig.7 The limit line between speed and depth by steering rudder under flooded compartment

2.3.2 采取吹除尾部和中部主壓載水艙挽回方式的限制線

通過對尾部Ⅳ艙進(jìn)水情況下的挽回效果進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采取吹除壓載水艙措施挽回潛艇時，僅僅吹除尾部壓載水艙潛艇很難挽回，具體原因是僅僅吹除尾部壓載水艙潛艇很難保持一個上浮傾角，吹除時間越長越明顯，挽回過程中潛艇通常處于首傾狀態(tài)很不利于成功挽回，而同時吹除尾部和中部壓載水艙潛艇不僅能獲得正浮力，并且能提供給潛艇一個合適的上浮傾角。若潛艇尾部Ⅳ艙發(fā)生艙室進(jìn)水事故后10 s螺旋槳停轉(zhuǎn)潛艇停車，20 s采取同時吹除尾部和中部主壓載水艙挽回措施來挽回潛艇，通過對潛艇100～300 m不同潛深和0～8 kn不同航速下的100 mm直徑破口的進(jìn)水事故進(jìn)行挽回，確定了不同事故航速下潛艇事故深度和吹除時間限制線。從圖8可以看出，事故航速越大，相同事故深度需要同時吹除尾部和中部壓載水艙的時間越短，如當(dāng)事故深度200 m，事故航速2 kn的潛艇成功挽回需要吹除23 s，而事故航速8 kn的潛艇只需吹除14 s。與首部和中部艙室進(jìn)水事故相比，成功挽回對事故航速的要求更高，尾部艙室進(jìn)水在低航速下基本只能通過吹除壓載水艙挽回措施才能成功挽回。

圖8 不同航速下采用吹除尾部和中部壓載水艙方式成功挽回的潛深和吹除時間限制線Fig.8 The limit line between blowing time and depth by blowing ballast tanks under different speed

3 結(jié)語

通過對首部Ⅰ艙、中部Ⅳ艙和尾部Ⅶ艙不同部位進(jìn)水采用操首尾舵、增速和操首尾舵以及吹除壓載水艙等標(biāo)準(zhǔn)挽回操縱措施克服艙室進(jìn)水事故的能力進(jìn)行模擬仿真，當(dāng)不采取吹除措施時，確定了不同破損方式下的事故深度和事故航速進(jìn)水限制線;當(dāng)采取吹除措施時，確定了不同事故航速時不同事故潛深成功挽回所需要吹除相應(yīng)壓載水艙的時間。限制線的影響因素很多，如破口大小、事故反應(yīng)時間、高壓氣吹除能力等，通過本文幾條限制線的確定可以得出以下結(jié)論:

1)僅僅采取操縱首尾舵的挽回措施，相同條件下成功挽回對事故航速的要求很高，正常航行的潛艇很難滿足;

2)當(dāng)采取增速挽回措施時，低速航行的潛艇通過操縱首尾舵也能成功挽回，因此增速是提高首尾舵操縱效果的重要因素;

3)當(dāng)采取吹除壓載水艙挽回措施時，由于高壓氣吹除系統(tǒng)的吹除能力限制，大深度下的潛艇吹除時間要求過長，由于挽回后期壓載水艙中氣體劇烈膨脹，潛艇通常以很大的上浮速度和橫傾出水;

4)潛艇事故深度越大，事故航速越低，潛艇越難克服艙室進(jìn)水事故，通過操縱首尾相對上浮舵克服負(fù)浮力的能力有限，此時必須吹除相應(yīng)的壓載水艙克服進(jìn)水產(chǎn)生的負(fù)浮力，因此大深度低航速通常是艙室進(jìn)水事故深度和速度的限制范圍。

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