新型潛艇逃生艙概念設計

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(海軍工程大學 艦船工程系， 武漢 430033)

新型潛艇逃生艙概念設計

焦玉超，肖昌潤

(海軍工程大學 艦船工程系， 武漢 430033)

對設計的新型逃生艙選型進行論證，針對新型逃生艙外形特點，對其裝艇位置進行選擇。同時設計新型逃生艙離艇發射裝置。基于總體適配性、尺寸要素及設計指標要求，確定新型逃生艙的各系統構成，根據各系統構成尺寸的大小及其布置地位進行總布置設計。

新型逃生艙；裝艇方案；概念設計

目前已服役的逃生艙普遍存在救援人數少，釋放離艇易受到失事潛艇狀態影響等缺點，給潛艇救援帶來諸多困擾，且在保證艇員安全性上存在不足[1]。為此設計一種新型潛艇逃生艙，選取球柱結合式的耐壓殼，并對內部設備進行合理布置，有效增大逃生艙內部容積，允許逃生艙容納更多艇員，使全員逃生或大部分艇員逃生成為可能。此外針對逃生艙設計一種新型離艇釋放裝置，使逃生艙離艇過程安全可靠，降低因潛艇受損造成逃生艙無法離艇的幾率。

1 逃生艙選型

目前，包含逃生艙及載人潛器在內的深潛裝備結構形式主要包含球形、圓柱形、橢球形及球柱組合等形式，而最主要的是球形、圓柱形，或者其組合形式。3種最常用的結構形式對比見表1。

球形表現最好，且具有最佳的質量-排水量比，但球形結構內部空間利用率較低且不便于內部艙室布置，所以球形結構形式適合作為大深度載人潛水器的耐壓殼形式。而圓柱形相較于球形具備內部空間利用率高、內部艙室容易布置的優點，但是結構穩定性相對較低，所以圓柱形結構形式為提升逃生艙救援人數提供了可能，但同時要解決強度及穩定性的問題[3]。國外裝備的逃生艙結構形式及一些基本性能對比見表2。

目前，國外已知的潛艇逃生艙均采用球形結構形式，這顯示出球形耐壓殼具有很好的應用成熟度。但潛艇逃生艙屬于一次性救援設備，一旦釋放離艇就無法再次返回進行救援，這就對逃生艙的單次最大救援人數提出了更高要求。當前各主要潛艇大國所裝備的潛艇艇員均多于100人，而上述救援能力最大的德國209級救生球的救援人數僅為40人，這就意味著只有少部分人能進入逃生艙，這顯然不符合全員或大部分艇員逃生的需求。而如果繼續加大球形逃生艙內徑，將會對潛艇結構產生較大影響，因此，球形逃生艙救援能力提升的空間極為有限。為解決上述問題，美國提出了一種新型逃生艙概念，如圖1所示。

表1 不同型式耐壓殼對比[2]

表2 國外逃生艙的結構型式及基本性能

圖1 美國新型脫險艙概念示意

該型逃生艙采用圓柱與球相結合的結構形式，其直徑為3.2 m，最大裝載人數為85人。相比于現有球形逃生艙，其裝載人數大為提升，基本滿足大部分艇員的逃生需求。

本文提出的新型逃生艙的概念以提升逃生艙救援能力為首要目標，因此借鑒美國新概念逃生艙，采用圓柱與球體相結合的結構形式。這樣的結構形式雖然會帶來強度及穩定性上的不足，但可以通過合理的結構布置進行解決，而裝載能力的大大提升是設計的重點。新型逃生艙示意于圖2。

圖2 新型逃生艙示意

2 逃生艙離艇釋放及裝艇位置方案

2.1 離艇釋放方案

新型逃生艙由于采用圓柱與球體相結合的結構形式，且結構體積增大，無法借鑒目前較為成熟的逃生艙裝艇方案。需要對逃生艙的裝艇方案進行重新設計。

基于新型逃生艙的結構形式，參考潛艇彈道導彈裝艇及發射方式，提出將逃生艙放置于導彈發射筒內并豎直彈射釋放離艇的方案[4]。如圖3所示，對導彈發射筒重新進行設計使其同時具備釋放逃生艙的能力。由于逃生艙豎直釋放，且自身無動力，為保持逃生艙上浮過程中姿態穩定，要盡量降低逃生艙重心，使其具備較大的初穩心高，這樣能保證逃生艙具備較好的水下穩性。因為逃生艙結構尺度較長，并且難以預測潛艇發生事故時的姿態，因此重心較低的逃生艙如果僅依靠自身浮力釋放離艇,就很可能導致卡在發射筒中。為解決釋放過程中可能出現的卡頓問題，在進行發射筒設計時，在底部安裝高壓氣囊，發射瞬間高壓氣囊迅速充入高壓氣體而膨脹，逃生艙則利用氣囊的膨脹完成釋放離艇。

圖3 逃生艙釋放裝置概念示意

2.2 裝艇位置方案

逃生艙的裝艇位置必須考慮發生事故時艇員的通達性，同時潛艇艙壁的設置也將對其位置產生影響，因此提高艇員生存率會加大逃生艙布置難度。俄羅斯奧斯卡級潛艇的逃生艙布置就是一個典型的例子。如圖4，只有艙室2中的幸存者才能確保進入逃生艙內，“庫爾斯克”號發生的事故證明上述逃生艙布置存在致命缺陷。此外，由于與魚雷爆炸點非常接近，造成了逃生艙的結構破壞并有大量海水涌入其內部。為提高逃生艙的生存力及可通達性，俄羅斯學者在2002年的國際造船業會議上提出了改進系統。將潛艇分成2塊救援區域，每塊救援區裝備1個逃生艙，且每個逃生艙由1個防爆密封膠囊進行保護，防止潛艇故障對其產生破壞。雖然這項改進提高了逃生艙的生存力及可通達性，但仍然無法滿足所有艇員均能順利抵達的要求，因此，如果潛艇包含3個或以上的艙室，就應該在每個艙室中布置可通往逃生艙的硬結構通道。

圖4 俄羅斯奧斯卡級潛艇逃生艙布置示意

如果潛艇僅有2個或3個艙室，逃生艙的布置相對較為容易。為確保通達性，可將逃生艙直接布置在艙壁上，這樣被艙壁隔開的相鄰艙室的艇員均可順利進入逃生艙，印度海軍209/1500型潛艇就采用上述布置方式。如圖5。

圖5 印度海軍209/1500型潛艇逃生艙布置示意

通過借鑒現有逃生艙的布置原則及布置位置，提出新型逃生艙布置方案，主要分為2種布置方式：①將多功能發射筒布置于艙壁處，這樣可保證緊急情況下艇員順利到達逃生艙，但這樣會破壞艙壁結構連續性，造成強度下降；②將多功能發射筒布置于導彈發射艙內，與彈道導彈并排布置，這樣布置可以最大限度地降低對潛艇內部結構造成的影響，基本不用對潛艇原有布置進行改動。同樣，這種布置將會降低艇員的可通達性，需要在潛艇中布置硬通道供艇員在緊急情況下前往逃生艙。該通道平時處于關閉狀態，只在緊急情況下開啟。圖6是2種布置方式。圖中黑色部分為多功能發射筒位置及通道[5]。

圖6 新型逃生艙裝艇位置示意

3 逃生艙總布置

3.1 艙門及艙壁

為使逃生艙內部空間最大，在進行外形設計時，盡量延長圓柱型殼體的長度。考慮逃生艙運動姿態，將加強筋布置在艇體內側。為保證上浮過程中足夠的穩性，在逃生艙底部端頭內布置固定壓載，降低逃生艙重心，提高橫穩心半徑[6]。

逃生艙設置2道艙門，分別為艇員入艙艙門及出艙艙門。入艙艙門布置在圓柱殼體上，同時要盡量靠上，因為在潛艇發生事故時，可能有大量海水涌入潛艇內部，加大入艙艙門高度可有效避免海水涌入逃生艙內。此外，由于逃生艙安放在多功能發射管中，因此該艙門開啟方向為向內開啟，以避免艙門與發射管壁發生碰撞。出艙艙門布置在逃生艙頂部端頭處，艙門布置位置見圖7。

圖7 逃生艙艙門位置示意

逃生艙在圓柱型殼體與頂部端頭相接處布置一道艙壁。這道艙壁包含3種功能：①可以在艇員及海水之間提供密閉屏障。艇員逃生過程中，不允許大量海水涌入逃生艙內。艙壁上布置一道內艙門，如果內艙門處于關閉狀態，無論頂部艙門處于開啟或是關閉狀態，艇員所處空間內都不會進入海水，這樣會降低逃生艙進水風險。②如果艙壁強度足夠抵抗高壓差，逃生艙可作為雙壓差減壓艙。這種布置可使全部艇員在逃生艙內進行減壓治療。如果出現受傷艇員較多的情況，可將受傷艇員先轉移到外艙進行簡單治療，并能在救援力量到達之后第一時間將受傷艇員轉移。③布置艙壁可有效減少承壓殼體長度，這樣可以減小艙內骨材尺寸[7]。

3.2 外控制艙

逃生艙設計過程中，將所有控制儀器布置在外控制艙，這樣的布置方便高級軍官對逃生艙進行整體控制。外控制艙可以容納一排座椅，這樣可以保證6名高級軍官同時擁有逃生艙控制權。座椅下布置信號彈、急救箱、淡水、干糧、通風泵及毛毯。在艙壁加強材之間布置液氧罐、空氣監測儀、通信系統、多功能發射管控制面板、脫水、通風及照明系統控制面板，同時還布置通風和減壓閥、深度壓力儀和系統控制面板。唯一不布置在外控制艙的設備是排水系統隔離控制閥。在外控制艙與內艙之間布置電話通信裝置，方便外艙艇員與內艙艇員進行通信。外控制艙布置見圖8。

圖8 逃生艙艙門位置示意

3.3 內艇員座艙

內艙中布置艇員座椅、潛艇逃生門、蓄電池、排風扇、脫水泵。此前所述逃生艙入口艙門布置在圓柱殼體上部，這種布置方式使艙門接近控制艙并處于艙內高級軍官的視野之中，有利于逃生艙的整體控制[8]。鑒于逃生艙布置于多功能發射筒中，要求該艙門必須向內開啟，因此在逃生艙內部需為艙門正常開啟關閉預留足夠空間。此外，縱艙壁下方布置電氣設備(通訊導航設備、蓄電池、排風扇)。這些設備要緊貼縱艙壁布置以保證在逃生艙大量進水的情況下不被海水浸沒。

艇員座椅沿圓柱型耐壓殼至上而下圓環形布置，每層座椅間距1 m，座椅間布置1架扶梯，一直延伸到最底層座椅，可以使艇員迅速進入指定座椅，本逃生艙座椅每層容納8人，外控制艙容納6人，共容納70人。由于每層座椅間距為1 m，艇員完全坐入座椅中頭部可能無法完全伸展，而上層艇員腿部及腳會伸向下層艇員的頭部，可能會對下層艇員造成傷害，所以每層座椅下面安裝欄桿及可保護下層艇員頭部又可為上層艇員腿部及腳提供支撐，減緩疲勞[9]，見圖9。

圖9 座椅布置示意

同外控制艙一樣，內艙有效載荷也布置在緊貼外艙壁處，包含空氣監測設備、飲用水、急救設備、毛毯及二氧化碳幕簾。此外除貼近縱艙壁處的電子設備外，內艙還需布置手持電話與控制艙進行通訊。在內艙底部布置抽水泵用于排水作業。而內艙人員除靠近外控制艙的艇員參與逃生艙操作之外，其他層艇員均不參與逃生艙任何操作[10]。內艙具體布置如圖10。

圖10 逃生艙內艙布置示意

4 結論

參考現有的逃生艙構型，并針對現有逃生艙普遍存在的救援人數少，離艇釋放過程可靠性差等缺陷提出一種新型潛艇逃生艙概念。新型逃生艙采用球柱結合式耐壓殼結構，大大提高了艙內容積，將最大救援人數提高至70人，遠大于現有逃生艙救援人數。為適應新型逃生艙外型特點，提出將逃生艙放置于導彈發射筒內并豎直彈射釋放離艇的方案，可提高逃生艙離艇釋放過程中的可靠性，并降低因潛艇結構破壞造成無法離艇的機率。對逃生艙進行合理布置，提出內外艙的布置概念，有利于逃生艙功能的多樣化且可有效提高艇員生存率。

[1] 張志明,薛晶.國外援潛救生系統現狀及發展趨勢[J].船舶,2005(3)：5-7.

[2] 李子凡.1 500 m水深載人潛水器總體設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2014.

[3] 張鐵棟.潛水器設計原理.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

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[6] 劉明靜.集體逃生艙總體性能研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[7] 曲文新.載人潛水器耐壓殼結構設計與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2013.

[8] 王燕.潛艇結構的優化設計方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010.

[9] 黃浩才.集體逃生艙總體結構形式研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[10] 余小平.逃生艙裝艇技術的研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

Concept Design of New Type of Escape Capsule of Submarine

JIAOYu-chao,XIAOChang-run

(Dept. of Ship Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A new kind of escape capsule was designed for nuclear-powered submarine. According to the shape, the installation location on the submarine was chosen. A new launcher for launching the escape capsule was developed. Based on the overall compatibility, size factor and design requirements, the composition of escape capsule system was determined, as well as the overall arrangement based on size of each dimension and position.

new type of escape capsule; installation scheme; concept design

U662

A

1671-7953(2017)06-0112-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.026

2017-01-08

2017-02-16

焦玉超(1992—)，女，碩士生

研究方向：艦船流體動力性能