深水環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)綜述

張帥，楊敏，吳靜

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

對(duì)魚雷、潛艇、水下滑翔機(jī)等海上武器裝備而言，深水環(huán)境是必須經(jīng)歷的正常使用環(huán)境。對(duì)一些戰(zhàn)略武器和常規(guī)武器而言，深水環(huán)境是在其生命周期內(nèi)有可能會(huì)遭受的一種異常環(huán)境。極端的自然環(huán)境條件、事故或人為操作失誤等，都有可能導(dǎo)致武器裝備在運(yùn)輸、訓(xùn)練、使用過(guò)程中異常墜入深海。以戰(zhàn)略武器為例，從20世紀(jì)50年代美、蘇等國(guó)開(kāi)始陸續(xù)裝備核武器以來(lái)，出現(xiàn)過(guò)多起核武器沉入海底事故[1-2]。例如，1965年12月5日，美國(guó)海軍“提康德羅加”號(hào)航空母艦上一架A-4E“空中之鷹”強(qiáng)擊機(jī)從航母的升降平臺(tái)滑入大海，機(jī)上一枚B43型100萬(wàn)噸氫彈與飛機(jī)一起沉入4850 m深的海底。1986年10月6日，蘇聯(lián)一艘Y級(jí)核潛艇在美國(guó)東海岸巡邏時(shí)，因一枚導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)故障而發(fā)生爆炸，該艇的2個(gè)核反應(yīng)堆和32枚核彈頭隨艇沉沒(méi)于5500 m深底。另外，一些常規(guī)武器、高新裝備、放射性物質(zhì)貨包等也面臨深水異常環(huán)境。如反艦導(dǎo)彈超低空掠海飛行時(shí)，海浪引起的高度測(cè)定誤差可使其墜海[3]。

水深每增加100 m，壓力增加約1 MPa。深度每增加1000 m，溫度下降1~2 ℃，2000 m以下的海水溫度幾乎就恒定在冰點(diǎn)以上幾度范圍內(nèi)。在壓力、溫度、海水成分的共同作用下，深水環(huán)境對(duì)武器裝備的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面：引起結(jié)構(gòu)變形，甚至破壞；密封失效，高壓海水進(jìn)入內(nèi)部，引起電子系統(tǒng)破壞、含能部件的化學(xué)反應(yīng)或其內(nèi)部組件損壞；長(zhǎng)時(shí)間浸泡導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)銹蝕或腐蝕，間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

對(duì)水下武器裝備而言，深水環(huán)境試驗(yàn)成為水下武器裝備研制的必經(jīng)環(huán)節(jié)，只有通過(guò)開(kāi)展深水環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，才能驗(yàn)證和考核其水下功能、性能是否滿足要求。對(duì)于面臨深水異常環(huán)境的武器裝備而言，為避免在異常環(huán)境下發(fā)生損壞、誤動(dòng)作而造成嚴(yán)重后果，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取切實(shí)可靠的安全保護(hù)措施，使得武器能以可預(yù)見(jiàn)的安全方式對(duì)異常環(huán)境作出反應(yīng)，保持足夠的安全性。對(duì)這些武器裝備開(kāi)展深水環(huán)境異常安全性試驗(yàn)，掌握武器裝備在下沉、打撈上浮及長(zhǎng)時(shí)間超高壓海水浸泡過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的變形、銹蝕、損壞、密封失效等關(guān)鍵信息，可為相關(guān)武器裝備的安全性設(shè)計(jì)、防護(hù)與評(píng)估工作提供支撐。綜上所述，無(wú)論是深水環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)還是異常安全性試驗(yàn)，都對(duì)武器裝備研制具有重要的作用和意義。

文中對(duì)深水環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了綜述。首先，介紹了國(guó)內(nèi)外深水環(huán)境模擬裝備的發(fā)展和現(xiàn)狀。其次，從壓力和溫度環(huán)境模擬、測(cè)試技術(shù)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法兩方面對(duì)深水環(huán)境模擬的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。再次，對(duì)深水環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行了歸納和總結(jié)。最后，對(duì)深水環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)方向和趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備

依托于自然水下環(huán)境（湖、海）進(jìn)行的外場(chǎng)深水環(huán)境試驗(yàn)，需配有船只、吊裝等設(shè)備，還需考慮水域深度、天氣、環(huán)保等諸多因素的影響，人力、物力成本較高。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展深水環(huán)境試驗(yàn)，需要以深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備為前提。有了深水環(huán)境模擬裝備，才能夠開(kāi)展室內(nèi)耐壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)、水密性檢測(cè)、抗疲勞性檢驗(yàn)以及異常安全性試驗(yàn)。深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備研制過(guò)程中，不僅要考慮壓力筒的容積和工作壓力等參數(shù)，而且應(yīng)根據(jù)不同需求，考慮壓力筒是否具有可視、可聽(tīng)、溫度控制、循環(huán)試驗(yàn)、極限卸壓和數(shù)據(jù)采集等功能，以及系統(tǒng)加卸壓速率、水密連接器數(shù)量和壓力精度等參數(shù)是否滿足要求。深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備是高度集成的大型設(shè)備，涉及到材料、機(jī)械、自動(dòng)化控制、流體控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，不僅是軍工領(lǐng)域的重要裝備，其應(yīng)用還可推廣到其他深海環(huán)境及生物研究、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備的研制以及深水異常環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提升深海戰(zhàn)略裝備與科技的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有推動(dòng)作用[4-5]。

目前，深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備在國(guó)內(nèi)外已較為常見(jiàn)。在國(guó)外，深水環(huán)境模擬裝備研制起步較早，美國(guó)、日本、意大利、俄羅斯等國(guó)家相繼利用所研制的深水壓力環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備，開(kāi)展了耐壓結(jié)構(gòu)密封檢測(cè)、水密性檢測(cè)、抗疲勞檢驗(yàn)等研究工作。國(guó)內(nèi)在深水壓力模擬裝備研制上也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，包括中國(guó)科學(xué)研究院、中國(guó)船舶科學(xué)研究中心、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、天津大學(xué)等機(jī)構(gòu)。

1.1 國(guó)外深水環(huán)境模擬裝備

早在1912年，意大利制造出了世界上第一個(gè)壓力容器式的海洋模擬裝置，該裝置長(zhǎng)71.7 m，內(nèi)徑為7.93 m，可模擬91.5 m的水深，可用于長(zhǎng)61 m、質(zhì)量為400 t的潛水艇的壓力試驗(yàn)研究[6]。

1951年和1968年，美國(guó)相繼建造了艙體內(nèi)徑為9.15 m、長(zhǎng)度為22.9 m、試驗(yàn)壓力為4.1 MPa和內(nèi)徑為9.15 m、長(zhǎng)度為22.9 m、最大靜水壓力約為84 MPa的試驗(yàn)艙，可用于潛水艇殼體的耐壓和疲勞試驗(yàn)。2001年，美國(guó)西南研究院研制的深海模擬器，內(nèi)徑為1.27 m、長(zhǎng)為7.3 m，可用于測(cè)試耐壓箱、海底閥等各種近海零部件的性能。目前，美國(guó)國(guó)家鍛造公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了直徑為0.5~1.0 m，最高壓力為100 MPa的壓力艙的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

為了模擬最深的海洋深度，日本JAMSTEC（Japan Marine Science & Technology Center）于1976年研制的深水模擬高壓艙（見(jiàn)圖1），直徑為1.4 m，長(zhǎng)度為3.0 m，最高工作壓力為147 MPa，可用于水下機(jī)電設(shè)備、殼體、各類材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度、密封及高壓條件下帶壓操作運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)[7-8]。2003年，日本國(guó)家海洋研究所成功研制了多功能深海高壓試驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），不僅可以對(duì)深海儀器設(shè)備進(jìn)行耐壓性能測(cè)試，并且實(shí)現(xiàn)了溫度、二氧化碳和pH等多種參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)研究[9]。

圖1 日本JAMSTEC高壓艙水槽本體Fig.1 JAMSTEC deep-sea high pressure simulator in Japan

圖2 日本國(guó)家海洋研究所多功能深海高壓試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Multifunctional deep-sea high pressure at Institute of ocean in Japan

俄羅斯的Krylov造船研究所于2012年開(kāi)發(fā)的深海壓力模擬試驗(yàn)裝置，內(nèi)徑為1.8 m，長(zhǎng)度為5.5 m，最高模擬壓力可達(dá)150 MPa[10]。巴西CENPS中心高壓艙實(shí)驗(yàn)室的高壓艙（見(jiàn)圖3），長(zhǎng)6 m，直徑為2 m，最大壓力為30 MPa，操作溫度為3~60 ℃。高壓艙內(nèi)設(shè)有導(dǎo)軌，用于運(yùn)送待測(cè)海下設(shè)備至高壓艙內(nèi)，通過(guò)艙壁上的接口進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。

圖3 巴西CENPS中心高壓艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Inner structure of high pressure simulator at CENPS center in Brazil

1.2 國(guó)內(nèi)深水環(huán)境模擬裝備

自20世紀(jì)70年代末，我國(guó)在深水環(huán)境模擬裝備研制方面也取得了諸多成果。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，為了研究外壓結(jié)構(gòu)物的疲勞問(wèn)題，研制了水下耐壓結(jié)構(gòu)外壓疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)開(kāi)展了疲勞循環(huán)試驗(yàn)，得到了許多寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2010年，又成功研制了最高工作壓力為40 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間長(zhǎng)達(dá)180 d的深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置[11]。在國(guó)家863計(jì)劃支持下，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所成功研制了內(nèi)徑為0.5 m，長(zhǎng)2 m，最大壓力為72 MPa的水壓試驗(yàn)系統(tǒng)[12]，如圖4所示。中船重工702研究所自主研發(fā)了內(nèi)徑為1.5~3 m，壓力為7~90 MPa的915系列水壓模擬裝置（見(jiàn)圖5），針對(duì)石油勘探的殼體結(jié)構(gòu)完成了深水耐壓試驗(yàn)[13]。部分研究機(jī)構(gòu)的深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備及其主要指標(biāo)見(jiàn)表1[14-16]。

圖4 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的臥式高壓艙Fig.4 Horizontal type high pressure simulator at Shenyang institute of automation

圖5 中船重工702研究所的915壓力艙Fig.5 915 pressure simulator at China ship scientific research center

表1 國(guó)內(nèi)深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝備Tab.1 Test equipment of domestic deep sea environment

2 深水環(huán)境模擬的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 壓力和溫度環(huán)境模擬技術(shù)

武器裝備墜入海水或水下裝備升潛過(guò)程中，在重力、浮力和流體阻力的作用下，墜落速度動(dòng)態(tài)變化。因此，若要模擬下沉、上浮運(yùn)動(dòng)，不僅要求深水環(huán)境模擬裝備的壓力控制系統(tǒng)能夠模擬特定深度對(duì)應(yīng)的靜態(tài)壓力環(huán)境，還應(yīng)能夠模擬連續(xù)變化的動(dòng)態(tài)壓力環(huán)境。為了模擬海洋不同深度的物理特性，國(guó)內(nèi)多家科研單位在深水環(huán)境模擬裝備的壓力、溫度控制方面同步開(kāi)展了大量的研究工作。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李天[10]采用基于模糊控制理論設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，對(duì)試壓罐內(nèi)壓力突變及緩變的情況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并采用模糊PID控制方法對(duì)試壓罐內(nèi)壓力的控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。哈爾濱工程大學(xué)的張雷勵(lì)[17]對(duì)因?qū)嶒?yàn)試件發(fā)生爆破造成系統(tǒng)壓力突降而無(wú)法快速恢復(fù)到目標(biāo)值的問(wèn)題，研制了基于氣體式蓄能器作為關(guān)鍵元件的壓力快速補(bǔ)償模塊，通過(guò)仿真分析優(yōu)化了PID控制參數(shù)，從而改善該模塊的響應(yīng)速度和跟蹤精度，以提高模擬實(shí)驗(yàn)裝置的壓力動(dòng)態(tài)控制性能。張強(qiáng)等[18]研制了一套模擬壓力可以大范圍連續(xù)變化的實(shí)驗(yàn)裝置，針對(duì)其壓力動(dòng)態(tài)控制模塊滯后特性問(wèn)題，提出了相位補(bǔ)償算法予以解決。

浙江大學(xué)的李世倫[19]針對(duì)高溫高壓超臨界極端環(huán)境條件下的精細(xì)流量水壓控制要求，提出了微流量循環(huán)流動(dòng)開(kāi)放式模擬系統(tǒng)。基于電液比例控制技術(shù)，對(duì)組成系統(tǒng)的各關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性進(jìn)行了分析和研究，重點(diǎn)解決了密封與壓力增益大的難點(diǎn)。建立了單釜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。分析了加熱控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)與大時(shí)滯特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)和控制算法，進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。聶勇等[20]設(shè)計(jì)并建立了包含壓力傳遞裝置、電液力控制系統(tǒng)等部分的較大密閉容腔水壓控制系統(tǒng)。通過(guò)分析系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出“Fuzzy+PID”復(fù)合控制策略進(jìn)行水壓控制，獲得了較高壓力控制精度和壓力無(wú)失真斜坡跟蹤最大速率。

華中科技大學(xué)的吳金波[21]等人研制了一套適用于超大容積壓力筒壓力控制的加壓方案，以體積約為6 m3的高壓蓄氣罐作為高壓流量源，通過(guò)高壓定量泵向其容腔注水，并對(duì)高壓氣體進(jìn)行壓縮儲(chǔ)存能量，通過(guò)合理控制注水流量閥以及排水流量閥的開(kāi)啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力筒內(nèi)壓力進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了對(duì)容積約75 m3的大型壓力筒0~12 MPa的動(dòng)態(tài)加壓實(shí)驗(yàn)，加壓精度不低于0.2%。孫小輝等[22]針對(duì)壓力控制的快速性和高精度控制要求，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，并試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器具有良好的動(dòng)、靜態(tài)壓力控制精度。

青島科技大學(xué)的魏曉[23]在壓力艙體外部設(shè)置冷卻設(shè)備，將壓力介質(zhì)冷卻完畢后，再泵入容器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了深海環(huán)境下的低溫溫度模擬。西南交通大學(xué)的陳春俊等[24]設(shè)計(jì)了一套壓力高達(dá)180 MPa的深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置卸壓控制系統(tǒng)，模擬深海設(shè)備上升過(guò)程中受到的海水載荷作用。建立了模擬試驗(yàn)裝置的流體系統(tǒng)模型，通過(guò)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化算法，對(duì)卸壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，獲得了較好的壓力追蹤結(jié)果。中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所的吳靜等[25]提出了一種深水壓試驗(yàn)壓力加載過(guò)程中的恒溫實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了一種適用于深水壓試驗(yàn)的傳壓隔熱裝置，實(shí)現(xiàn)了深水壓環(huán)境模擬試驗(yàn)中壓力載荷同步條件下液體溫度小范圍恒定功能。

2.2 水下測(cè)試技術(shù)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法

對(duì)于深水異常環(huán)境試驗(yàn)，被試對(duì)象置于深水環(huán)境模擬裝置內(nèi)部，若缺少相應(yīng)測(cè)試技術(shù)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估技術(shù)手段，則無(wú)法及時(shí)獲知被試對(duì)象在試驗(yàn)過(guò)程中的安全狀態(tài)。因此，建立適用于深水環(huán)境的測(cè)試技術(shù)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被試對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，是開(kāi)展武器裝備深水異常環(huán)境安全性試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有十分重要的意義。然而，深水異常環(huán)境試驗(yàn)可能涉及被試對(duì)象內(nèi)部的多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變、溫度、位移、濕度、氣壓、圖像等信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間采集、存儲(chǔ)，及其外部的多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變、溫度、圖像等信號(hào)的在線采集、傳輸。目前，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有一套成熟的深水異常環(huán)境的測(cè)試技術(shù)，是有待提升的難點(diǎn)技術(shù)。

在水下測(cè)試技術(shù)方面，由于水的導(dǎo)電性和高壓水的強(qiáng)滲透性，水下測(cè)試傳感器在結(jié)構(gòu)、工藝接口、電纜接口及供電要求等方面不同于常規(guī)傳感器，需要在密封性、耐壓性等方面進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。另外，受到深水環(huán)境模擬艙的密閉性制約，多參量測(cè)試信號(hào)的在線傳輸也至關(guān)重要。若采用傳統(tǒng)臺(tái)式儀器處理多參量信號(hào)，存在測(cè)試線纜繁雜、線纜密封防護(hù)困難、測(cè)試可靠性差等問(wèn)題[26]。目前，關(guān)于深水異常環(huán)境下的測(cè)試技術(shù)的研究文獻(xiàn)和應(yīng)用案例較少，已經(jīng)開(kāi)展的工作有：1）選用抗水壓能力好的應(yīng)變片，采用水下密封絕緣處理，進(jìn)行深海壓力環(huán)境模擬裝置筒體內(nèi)部或水下裝備外部應(yīng)變測(cè)量[15,27-28]；2）利用電氣石激波傳感器和高速攝影進(jìn)行水下爆炸壓力測(cè)量[29]；3）運(yùn)用基于拉曼散射的感溫光纖，通過(guò)泄漏點(diǎn)溫度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位[30]；4）適用于深水環(huán)境的照明和攝像系統(tǒng)的研制[31-32]。

在結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方面，將切實(shí)可行的傳感元件集成到結(jié)構(gòu)中，在線實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信息（如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等），結(jié)合一定的信號(hào)處理方法和結(jié)構(gòu)建模方法，識(shí)別引起結(jié)構(gòu)功能降低的損傷或退化，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)安全與否。目前，常規(guī)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)和評(píng)估手段多種多樣，包括電阻應(yīng)變、光纖光柵、振動(dòng)測(cè)試、聲發(fā)射等，已應(yīng)用于大型建筑、飛機(jī)、船舶等多個(gè)領(lǐng)域。其中，應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可用于承受動(dòng)載和靜載對(duì)象，是評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)最直接的方法，也是深水異常環(huán)境下結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估的最主要方法[46]。由于傳感器是結(jié)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的最前端，其性能的好壞直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。傳感器一旦出現(xiàn)故障，容易造成試驗(yàn)人員對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的誤判。然而，應(yīng)變測(cè)量結(jié)果不僅受傳感器本身性能影響，還受粘貼劑性能、貼合度、潮濕等因素的影響。對(duì)于研究銹蝕程度與結(jié)構(gòu)耐壓失效關(guān)系的長(zhǎng)時(shí)間深水異常環(huán)境試驗(yàn)，應(yīng)變片在安裝或使用一段時(shí)間后，其測(cè)量準(zhǔn)確性難以判定，如何消除因傳感器失效造成結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估誤判的現(xiàn)象，也是尚待研究的問(wèn)題。

如上所述，武器裝備深水異常環(huán)境試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)手段目前十分有限。武器裝備在深水異常環(huán)境下，殼體萌生裂紋，繼而裂紋生長(zhǎng)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的密封失效問(wèn)題等，均無(wú)成熟的監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法可循，未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。進(jìn)一步建立完善的監(jiān)測(cè)技術(shù)和探索相應(yīng)的評(píng)估方法，對(duì)于完善武器裝備深水異常環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)具有重要意義。

3 深水環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的工程應(yīng)用

雖然武器裝備的深水環(huán)境試驗(yàn)方法及關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)家國(guó)防安全相關(guān)，相關(guān)資料很少報(bào)道，但是，國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)依托深水環(huán)境模擬裝備和試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)展的多項(xiàng)研究工作可以作為參考。主要工程應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

1）水下設(shè)備的耐壓試驗(yàn)。深海耐壓結(jié)構(gòu)失效的形式主要有兩種，即屈服和失穩(wěn)破壞。其中失穩(wěn)是由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足造成的，而屈服破壞則是由結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足造成的。利用深水環(huán)境模擬裝備，可以為相關(guān)深水設(shè)備的研制提供一個(gè)穩(wěn)定的靜水壓力環(huán)境，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)驗(yàn)證手段。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)柱形、球形等耐壓潛水器結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了耐壓理論、仿真和試驗(yàn)研究[33-36]。中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所在戰(zhàn)斗部組件設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于深水環(huán)境試驗(yàn)裝備，對(duì)某些部組件開(kāi)展了一些水壓試驗(yàn)，檢測(cè)特定壓力下的結(jié)構(gòu)耐壓強(qiáng)度和密封性能。一些學(xué)者對(duì)多種因素影響下深海石油管道屈曲問(wèn)題開(kāi)展了研究，對(duì)深海石油勘探設(shè)備進(jìn)行了深海環(huán)境模擬試驗(yàn)[37-39]。另外，HY 016.15—1992《海洋儀器基本環(huán)境試驗(yàn)方法 水靜壓力試驗(yàn)》、HY 021.11—1992《海洋儀器基本環(huán)境試驗(yàn)方法 水靜壓力試驗(yàn)導(dǎo)則》、Q/702J1211—2009《水下工程產(chǎn)品耐壓及密封性能試驗(yàn)規(guī)程》等文件對(duì)一些海洋儀器設(shè)備的靜水壓力試驗(yàn)方法作出了規(guī)定。

2）潛艇、水下電機(jī)等結(jié)構(gòu)的外壓疲勞試驗(yàn)。外壓疲勞試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)周期性外壓的加、卸載，可為潛艇、水下機(jī)電設(shè)備進(jìn)行高壓條件下的疲勞試驗(yàn)[40-41]。

3）放射性物品水浸異常環(huán)境試驗(yàn)。根據(jù)GB 11806—2004《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》及國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸條例》（TS-R-1），放射性物質(zhì)運(yùn)輸貨包首次使用前需經(jīng)過(guò)驗(yàn)證貨包經(jīng)受運(yùn)輸正常條件能力和事故條件能力的試驗(yàn)，其中就包括水浸異常環(huán)境試驗(yàn)[42-43]。上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水浸異常環(huán)境試驗(yàn)的內(nèi)容、試驗(yàn)壓力和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了規(guī)定。國(guó)內(nèi)外對(duì)放射性物質(zhì)運(yùn)輸貨包均開(kāi)展過(guò)水浸異常環(huán)境試驗(yàn)[44-46]。

4）水下爆炸試驗(yàn)。利用深水模擬裝備開(kāi)展不同藥量、不同加壓條件下的水下爆炸試驗(yàn)，通過(guò)水下爆炸高速攝影和輸出性能測(cè)試，研究有限水域的壓力邊界對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而為水下爆炸毀傷性能評(píng)估提供依據(jù)[47]。

5）深海微生物生存特性研究和深海腐蝕特性研究。該類試驗(yàn)多依托于超高壓、小容積的深海極端環(huán)境模擬裝置[5,19,48-49]。

4 發(fā)展趨勢(shì)及展望

雖然，利用深水環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了很多的研究工作，但筆者認(rèn)為，深水環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)方向和發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

1）深水環(huán)境模擬裝備的高性能、多功能、智能化和高可靠性。通過(guò)建立更高壓力、更大容積的深水環(huán)境模擬裝備，從而滿足安全性試驗(yàn)的更高需求。現(xiàn)有深海環(huán)境模擬裝備以實(shí)現(xiàn)對(duì)一定水深下的水壓和水溫模擬為主，系統(tǒng)功能局限在檢測(cè)設(shè)備的耐壓性或水密性，未來(lái)將向模擬水流擾動(dòng)、海水成分、pH、二氧化碳及溶解氧含量等多功能方向發(fā)展，從而更真實(shí)地模擬深海環(huán)境。同時(shí)，會(huì)向著試驗(yàn)狀態(tài)可視化、自動(dòng)化、系統(tǒng)高可靠性等高新技術(shù)方向發(fā)展。

2）測(cè)試手段的多樣化。在深水異常環(huán)境下的安全性試驗(yàn)測(cè)試需求的驅(qū)動(dòng)下，武器裝備深水異常環(huán)境試驗(yàn)的測(cè)試手段和狀態(tài)評(píng)估方法將更加豐富，未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)周期的穩(wěn)定測(cè)試及結(jié)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸與分析測(cè)試系統(tǒng)采集的各種數(shù)據(jù)，對(duì)武器裝備的安全性作出準(zhǔn)確評(píng)估。

3）試驗(yàn)方法的規(guī)范化。隨著深水異常環(huán)境試驗(yàn)不斷受到重視，現(xiàn)有靜水壓力試驗(yàn)方法已不能滿足武器裝備的發(fā)展需求，試驗(yàn)過(guò)程中存在著諸多問(wèn)題。例如試驗(yàn)壓力系數(shù)、試驗(yàn)壓力下持續(xù)時(shí)間等參數(shù)如何確定，迫切需要開(kāi)展典型事故場(chǎng)景下的試驗(yàn)條件研究，并開(kāi)展武器裝備的深水異常環(huán)境試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)研究。

4）試驗(yàn)領(lǐng)域的拓展。國(guó)內(nèi)外對(duì)領(lǐng)海安全防務(wù)工作和海洋科學(xué)研究活動(dòng)日益重視，魚雷、水下滑翔機(jī)、潛航器等水下武器裝備快速發(fā)展。目前，對(duì)這些水下裝備工作過(guò)程中排水運(yùn)動(dòng)、升潛運(yùn)動(dòng)的考核主要在自然寬闊水域完成，所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)壓力環(huán)境實(shí)驗(yàn)室研究較少。原因在于，現(xiàn)有深水環(huán)境模擬裝備的容積和泄壓速率有限，再加上水的壓縮性非常小，實(shí)驗(yàn)室模擬的邊界條件無(wú)法與開(kāi)闊水域的邊界條件等效。如何消除壓力邊界不等效的影響，使得現(xiàn)有試驗(yàn)方法能夠應(yīng)用于水下武器裝備的水下動(dòng)作考核，是未來(lái)的研究方向之一。

5 結(jié)語(yǔ)

一方面，開(kāi)展武器裝備的深水環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)所關(guān)心的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、分析和評(píng)估，可以對(duì)武器裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全性評(píng)估提供支撐，從而為武器裝備安全性設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。另一方面，大力發(fā)展深水環(huán)境模擬試驗(yàn)方法和試驗(yàn)技術(shù)，豐富和完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室水壓試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑥亩娲鈭?chǎng)試驗(yàn)，能夠降低人力、時(shí)間成本，節(jié)省開(kāi)支，且不受外場(chǎng)條件制約，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，繼續(xù)在模擬裝備制造、深水環(huán)境測(cè)試技術(shù)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法等方面開(kāi)展研究工作，完善現(xiàn)有深水環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。