潛艇懸停水艙排注水控制方式比較

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(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

懸停是潛艇水下停泊的重要方式之一，通常是指潛艇水下航行狀態(tài)停車后，經(jīng)準確均衡，利用專用水艙的注、排水(不操舵)，實現(xiàn)潛艇無航速下深度控制的操艇方式[1]。潛艇懸停水艙的排注水控制有多種方式，不同的控制方式各有優(yōu)劣。本文將對潛艇懸停水艙不同的排注水控制方式進行比較研究，采用綜合評價的方式，分析不同控制方式的特點，在定性分析與定量計算的基礎(chǔ)上提出最為合理的懸停水艙排注水控制方式。

1 懸停水艙的注排水控制方式

潛艇水下懸停，是通過懸停水艙的注排水，改變潛艇的水下受力情況，保持受力平衡，從而實現(xiàn)潛艇水下零航速或者極低航速下的深度控制。根據(jù)不同的排注水動力，可分為三種控制方式：氣排注、泵排自注和泵排注[2]。

1.1 氣排注

氣排注控制方式以美國“海狼”級潛艇的懸?？刂葡到y(tǒng)為參考。氣排注控制方式采用兩個懸停水艙(1號和2號)，利用中壓空氣控制系統(tǒng)使水艙與舷外形成一定的壓差Δp，從而實現(xiàn)水艙的注排水?；竟ぷ髟砣缦拢撼跏紶顟B(tài)時，1號水艙壓力低于舷外海水壓力Δp，用于注水；2號水艙壓力高于舷外海水壓力Δp，用于排水。當1號水艙注滿或者2號水艙排空時，利用氣壓控制系統(tǒng)改變兩水艙與舷外海水的壓力差，實現(xiàn)其功能互換。

1.2 泵排自注

泵排自注控制方式設(shè)置兩個懸停水艙(1號和2號)[3]，容積為9 m3×2，兩水艙通過管路連接，利用懸停水艙供、排氣系統(tǒng)，使懸停水艙壓力低于舷外海水壓力Δp。當懸停水艙需要注水時，海水由于壓差Δp從舷外自動注入懸停水艙；懸停水艙排水時，1號懸停水艙的海水經(jīng)管路系統(tǒng)通過懸停水泵排出舷外。管路系統(tǒng)在懸停水泵的出口設(shè)有回流管路，通過海水流量自動調(diào)節(jié)閥、電液球閥可將海水回流到2號懸停水艙。懸停水泵一直運轉(zhuǎn)，通過海水流量自動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回水流量來控制系統(tǒng)排水流量，當不需排水時，懸停水泵抽出的海水全部經(jīng)回流管路返回2號懸停水艙。

1.3 泵排注

泵排注控制方式設(shè)置一個懸停水艙，利用懸停水泵管路和氣壓調(diào)節(jié)回路實現(xiàn)懸停水艙的排注水控制。系統(tǒng)利用壓縮空氣使水艙壓力和舷外海水壓力保持基本一致，懸?？刂婆_根據(jù)指令深度與實際深度的偏差以一定的控制規(guī)律計算出注排水量或注排水速度(流量)，啟動、停止懸停水泵并控制相關(guān)閥件的啟閉，控制懸停水艙排注水。

2 不同控制方式分析比較

2.1 噪聲源分析

隱蔽性對于潛艇至關(guān)重要，因此噪聲水平是衡量潛艇裝置系統(tǒng)的一項重要性能指標。潛艇懸?？刂葡到y(tǒng)工作時，噪聲主要來自于氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和排注水管路。

根據(jù)三種懸停水艙注排水控制方式的基本原理可知，三種控制方式所采取的氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理基本相同，輸出壓力分別為氣排注控制方式p±Δp，泵排自注控制方式p-Δp，泵排注控制方式p，在采取相同的降噪措施下，三種控制方式下氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噪聲水平相當。

相對于其它噪聲源，海水管路的振動噪聲一直沒有得到有效的控制，成為困擾潛艇降噪的一道難題。管路的振動噪聲大體可以分為兩類：機械噪聲和水動力噪聲[4-5]。

氣排注控制方式下懸停水艙和舷外通過管路和閥件連接，整個管路無水泵；泵排自注控制方式下懸停水艙和舷外通過管路、水泵(持續(xù)工作)和閥件連接；泵排注控制方式下懸停水艙和舷外通過管路、水泵(間歇工作)和閥件連接。因此，氣排注時海水管路的噪聲主要包括閥件工作引起的振動噪聲，閥件引起的管路壓力脈動引起的噪聲；泵排自注時的噪聲主要包括泵和閥件工作引起的振動噪聲，泵和閥件引起管路流量脈動，進而引起壓力脈動，產(chǎn)生振動噪聲，其中泵是產(chǎn)生壓力脈動的主要因素；泵排注時的噪聲主要包括泵啟動、停止以及運轉(zhuǎn)引起的振動噪聲，閥件工作引起的振動噪聲，泵和閥件引起管路流量脈動，進而引起壓力脈動，產(chǎn)生振動噪聲。

2.2 高壓氣體消耗量

潛艇攜帶高壓氣體是有限的，因此懸停水艙排水時的高壓氣體消耗量也是選擇注排水控制方式的影響因素。參照文獻[6]中高壓氣體計算方法，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，設(shè)氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中氣體近似為等溫變化，則等溫狀態(tài)過程方程式為

pV=C

(1)

則：

p1V1=p2V2

(2)

(3)

式中：V1——排水體積；

V2——高壓氣體消耗量；

p1——懸停水艙壓力；

p2——高壓氣體壓力。

以高壓氣體壓力p2為24.5 MPa，懸停深度h為50～300 m，懸停過程總排水量V1為9 m3，壓差Δp為0.2 MPa進行計算，結(jié)果見表1、2。

表1 不同懸停深度下水艙壓力

表2 不同懸停深度下高壓氣體消耗量

通過表1可知，在相同條件下三種控制方式的高壓氣體消耗量都隨懸停深度的增大呈線性增大，并且三種控制方式下消耗量的差值基本保持不變。

2.3 艙室氣壓增量

當懸停水艙注水時，無論采用何種注排水控制方式，為了維持水艙壓力的穩(wěn)定，系統(tǒng)都會向潛艇艙室內(nèi)排入空氣，從而引起艙室內(nèi)部氣壓升高。由于采用不同的控制方式的懸停系統(tǒng)向艙室中排入的空氣壓力不同，從而引起的艙室氣壓增量也不同。同樣將排氣過程近似為等溫變化，等溫狀態(tài)過程方程式為

p3V3+p4V4=p5V4

(4)

(5)

艙室氣壓增量為

(6)

式中：V3——排入艙室空氣體積；

V4——潛艇艙室空間總體積；

p3——注水時懸停水艙壓力；

p4——初始艙室壓力；

p5——排氣后艙室壓力。

根據(jù)氣注排控制方式的原理可知，懸停水艙由排水轉(zhuǎn)換為注水時，水艙氣壓由p+Δp變?yōu)閜-Δp，注水過程中將壓力為p-Δp的空氣排入艙室之中，整個過程等效為將壓力為p+Δp的空氣排入艙室之中。

以懸停深度h為50～300 m，懸停過程向艙室排氣總量V3為9 m3，艙室空間總體積V4為1 000 m3，壓差Δp為0.2 MPa進行計算，結(jié)果見表3。

表3 不同懸停深度艙室氣壓增量 Pa

由表3可知，隨著懸停水深的增加，艙室氣壓增量增大，不同的控制方式下增量差值減?。凰钤?00 m以上時，不同的控制方式下艙室氣壓增量相差較大，其中氣排注最大，泵排自注最??；水深超過100 m之后，不同的控制方式下艙室氣壓增量相當；水深300 m時，三種控制方式下的艙室氣壓增量均不超過0.03個大氣壓，在人體承受范圍之內(nèi)。

2.4 能耗

潛艇水下航行時的能量由蓄電池提供，蓄電池一次充電的電量是有限的，因此能耗水平也是比較不同注排水控制方式的重要方面。潛艇懸停系統(tǒng)注排水的動力是系統(tǒng)的主要能耗來源。見表4。

表4 不同控制方式注排水動力源

在不計閥件啟閉消耗能量的情況下，氣排注的注排水不需要消耗艇上電源，泵排注僅在注排水時泵要消耗艇上電源，泵排自注雖然在注水時動力來自壓差，但是在整個懸停過程中泵一直處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此能耗最高。

3 結(jié)論

由于不用設(shè)置懸停水泵，氣排注相較于其它兩種控制方式在噪聲水平方面具有明顯優(yōu)勢；理論上，三種控制方式在高壓空氣消耗量、艙室氣壓增量兩個方面性能相當。但是在進行深度穩(wěn)定控制時，多數(shù)情況下注排水量較小，且注水、排水交替進行，若系統(tǒng)允許有一定的氣壓偏差，則懸停控制時，多數(shù)情況下泵排自注和泵排注兩種控制方式下既不需要消耗空氣也不會向艙室排放空氣，因此泵排自注和泵排注兩種控制方式在高壓空氣消耗量、艙室氣壓增量兩個方面具有一定優(yōu)勢；在不計閥件啟閉消耗能量的情況下，三種控制方式的能耗水平由低到高依次為：氣排注、泵排注、泵排自注。

因此，在潛艇日益重視減振降噪的情況下，付出一定量的多余高壓氣體消耗量與艙室氣壓增量是可以接受的，通過以上比較研究，認為潛艇的懸停水艙選擇能耗及噪聲最低的氣排注控制方式最為合理。

[1] 俞科云，戴余良，施生達.潛艇水下懸停運動控制仿真研究[J].中國艦船研究，2010，5(2)：18-21.

[2] 潘國良.潛艇水下懸停運動的操縱控制研究[D].南京：東南大學，2005.

[3] 趙秀娟.潛艇懸?？刂圃囼炏到y(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[4] 程廣福，張文平，柳貢民，等.船舶水管路噪聲及其控制研究[J].噪聲與振動控制，2003(6)：31-34.

[5] 郭 濤.管路的流致振動及噪聲研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[6] 張宏偉，丁淑華，王曉鳴，等.小型水下自航行器自沉浮裝置設(shè)計與研究[J].海洋技術(shù),2008,27(1):1-3.