潛艇艙室破損時的定深操縱運動仿真分析

丁風雷，張建華，王順杰

(海軍潛艇學院，山東 青島266042)

潛艇艙室破損時的定深操縱運動仿真分析

丁風雷，張建華，王順杰

(海軍潛艇學院，山東 青島266042)

潛艇水下發生艙室破損事故后，操縱潛艇使其在某一較淺深度定深航行是一種非常重要的動力抗沉手段，對保持潛艇的水下隱蔽性意義重大。基于潛艇垂直面運動非線性方程，對潛艇首、中、尾部艙室分別發生破損時的定深操縱運動進行仿真，分析潛艇在上浮及保持深度過程中的運動特性，并提出相應的高壓氣應急使用方法。

潛艇;艙室破損;定深航行;高壓氣

0 引言

潛艇以其良好的隱蔽性和強大的突擊威力，已成為各國海軍重點發展的武器裝備之一。然而，各式各樣的探潛器材和攻潛武器也在不斷地發展更新。未來海戰場上，潛艇在水下作戰過程中，很可能會受到魚雷或其他武器的攻擊而導致艙室破損進水，且由于海面存在敵情，潛艇不能上浮至水面進行損害管制，而只能控制其在既不會被敵方兵力目力發現，又不會與水面船只發生碰撞危險的最小可航行深度保持定深航行。因此，研究潛艇在破損情況下的定深操縱運動特性以及操縱控制方法則顯得尤為必要。

1 潛艇操縱運動數學模型

潛艇艙室破損后，進水將導致垂向上力的平衡關系被破壞，從而產生負浮力使潛艇下沉。隨著進水量的增多，下沉速度還將迅速變大。因此，當潛艇水下發生破損進水事故時，首要任務為損管堵漏，同時還應采取有效措施使潛艇獲得垂直向上的力，令其達到新的受力平衡。產生該力的方法主要為操舵產生的舵力以及高壓氣吹除主壓載水艙所產生的正浮力。

1.1 潛艇空間運動數學模型

潛艇應急上浮過程中，其運動規律表現出較強的非線性，因此需采用垂直面上的非線性運動方程［1］以精確地描述潛艇的應急上浮運動規律。其中，所采用的坐標系和符號意義見文獻［2］和文獻［3］。

1.2 高壓氣吹除系統數學模型

1.2.1 高壓氣吹除系統工作原理

高壓氣吹除系統是潛艇應急起浮系統的重要組成部分，包括正常吹除、應急吹除和短路吹除等工作方式。其基本工作原理是利用儲存在高壓氣瓶里的壓縮空氣，通過連接到各個壓載水艙管路，將壓載水艙里海水排出，使潛艇獲得正浮力而上浮。本文將目標潛艇上用于吹除的高壓氣瓶等效成一個大高壓氣瓶，管系等效成一個管路［4］。

1.2.2 主壓載水艙供氣吹除數學模型

高壓氣吹除主壓載水艙的理論數學模型可表征如下［5］：

式中：各子式分別為高壓氣瓶氣體流量、氣瓶氣體等熵流動、壓載水艙中氣體體積變化、壓載水艙水位變化和壓載水艙絕熱膨脹方程;mB為流入壓載水艙中高壓氣的質量;K=1.4;R=187 J/(kg·K);F(h)為壓載水艙面積函數;μ為通海閥流量系數;P0為水艙外背壓。

2 仿真分析

在定深控制過程中，應把握好車、舵、氣之間的密切配合，努力控制潛艇快速、平穩地上浮至預定深度。為防止頻繁操舵暴露潛艇，升降舵可采用自動控制工作方式［6］。

仿真條件：潛艇正常裝載，初始速度4 kn，初始深度100 m，海區水深600 m，選擇定深航行的目標深度為50 m，假設破損發生后120 s堵漏完畢，挽回過程中升降舵為自動工作方式。

2.1 首部艙室破損

1)潛艇Ⅰ艙破損，破損面積0.01 m2。采取措施為：增速至12 kn，向首組主壓載水艙供氣，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖1所示。

2)潛艇Ⅰ艙破損同時2號主壓載水艙破損，Ⅰ艙破損面積0.01 m2。采取措施為：增速至12 kn，向1號主壓載水艙供氣，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖2所示。

圖1 潛艇Ⅰ艙破損0.01 m2時的定深控制仿真曲線Fig.1 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅠis broken with a hole of 0.01m2

比較圖1和圖2可知，由于在相同時間內，單獨吹除1號主壓載水艙可以產生比吹除首組主壓載水艙更大的尾傾力矩，因此，若潛艇Ⅰ艙破損，則僅向1號主壓載水艙供氣能夠比同時向首組主壓載水艙供氣更快地到達目標深度，其縱傾也更容易保持。

2.2 中部艙室破損

1)潛艇Ⅲ艙破損，破損面積為0.03 m2。采取措施為：增速至12 kn，向4，5，6，7號主壓載水艙供氣，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖3所示。

圖3 潛艇Ⅲ艙破損0.03 m2時的定深控制仿真曲線Fig.3 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅢis broken with a hole of 0.03 m2

2)潛艇Ⅳ艙破損，破損面積為0.03 m2。采取措施為：增速至12 kn，向4，5，6，7號主壓載水艙供氣，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖4所示。

比較圖3和圖4結果顯示，潛艇中部艙室破損，如果能迅速組織損管控制住進水，則通過向4，5，6，7號主壓載水艙供高壓氣，平衡進水產生的負浮力，在PID自動舵的作用下可以使潛艇平穩上浮至目標深度并進行定深控制。且由于Ⅲ艙和Ⅳ艙距離船重心較近，在上浮至目標深度的過程中均不會產生大的縱傾。

2.3 尾部艙室破損

1)潛艇Ⅴ艙破損，破損面積為0.03 m2。采取措施為：增速至12 kn，向6，7，8號主壓載水艙供氣，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖5所示。

圖4 潛艇Ⅳ艙破損0.03 m2時的定深控制仿真曲線Fig.4 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅣis broken with a hole of 0.03 m2

圖5 潛艇Ⅴ艙破損0.03 m2時的定深控制仿真曲線Fig.5 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅤis broken with a hole of 0.03 m2

2)潛艇Ⅶ艙破損，破損面積為0.03 m2。采取措施為：增速至12 kn，向7，8，9，10號主壓載水艙供氣，潛艇縱傾和深度變化曲線如圖6所示。

圖6 潛艇Ⅶ艙破損0.03 m2時的定深控制仿真曲線Fig.6 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅦis broken with a hole of 0.03 m2

圖5與圖6的仿真結果表明：潛艇尾部艙室發生破損時，若破損面積較小，則采取上述措施控制潛艇定深航行，能夠取得較好的控制效果。其中，由于Ⅶ艙凈容積較小，在假設前提下，僅需60 s左右時間海水即可將艙室注滿。因此，為減小損失，在上浮至目標深度的過程中，可視情向艙室內釋放一定量的高壓氣，造成反壓力以減少進水，同時還應向其臨艙供一定量高壓氣以支頂隔板。

3 結語

通過對不同艙室破損進水后的定深控制運動特性進行仿真分析，可得到如下結論：

1)若潛艇艙室破損面積較小，則均可以采用自動舵和高壓氣控制潛艇在預定深度定深航行;

2)在以定深航行為目標的抗沉過程中，高壓氣的作用主要是均衡進水產生的負浮力以及不平衡力矩，而不是與應急浮起時一樣，為了提供使艇快速上浮的正浮力;

3)形成有利尾傾，同樣有助于潛艇快速上浮至目標深度，但在向首部主壓載水艙供氣產生尾傾力矩時，供氣量不宜過多，否則潛艇將無法在預定深度保持定深航行。

［1］徐亦凡．潛艇操縱原理與方法［M］．北京：兵器工業出版社，2002．

XU Yi-fan．Controlling principle and method of submarine［M］．Beijing：Weapon Industry Press，2002．

［2］施生達．潛艇操縱性［M］．北京：國防工業出版社，1995．

SHI Sheng-da．Controlling properties of submarine［M］．Beijing：National Defense Industry Press，1995．

［3］劉輝，浦金云，金濤，等．破損潛艇應急起浮操縱控制研究［J］．海軍工程大學學報，2009，21(1)：97 －100．

LIU Hui，PU Jin-yun，JIN Tao，et al．Maneuver and control of flooded submarine emergency surfacing［J］．Journal of Naval University of Engineering，2009，21(1)：97 －100．

［4］BYSTROM L．Submarine recovery in case of flooding［J］．Sspa Highlights，2003(3)：6 －8．

［5］劉輝，浦金云，金濤．潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統模型研究［J］．艦船科學技術，2010，32(9)：26 －30．

LIU Hui，PU Jin-yun，JIN Tao．Research on system model of high pressure air blowing submarine's main ballast tanks［J］．Ship Science and Technology，2010，32(9)：26 －30．

［6］郝英澤，胡坤，劉百順．潛艇水下破損定深操縱方法仿真研究［J］．船海工程，2010，39(2)：111 －113．

HAO Ying-ze，HU Kun，LIU Bai-shun．Simulation research aboutunderwaterdamaged submarine's manipulative method in fixed depth［J］．Ship and Ocean Engineering，2010，39(2)：111－113．

The simulation and analysis of the fixed-depth motion when submarine's cabin damaged

DING Feng-lei，ZHANG Jian-hua，WANG Shun-jie
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China)

Controlling submarine to navigate at a fixed-shallower depth is one of important dynamic anti-sinking measures when the cabin of submarine is broken，and it has great significance to keeping the underwater covertness of the submarine．Based on nonlinear equations of submarine in vertical-plane movement，fixed-depth controlling motion of submarine with the fore cabin，the middle cabin or the stern cabin respectively broken is simulated．The motion characteristics of submarine in the process of floating and depth keeping are analyzed，and the corresponding emergency using measures of high-pressure gas are given．

submarine;cabin broken;fixed-depth navigation;high-pressure gas

U674．76

A

1672－7649(2014)06－0038－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.007

2013－10－16;

2014－03－28

丁風雷(1973－)，男，碩士，講師，主要從事潛艇操縱與運動仿真方面的教學與研究。