破損潛艇成功挽回的相對(duì)吹除量規(guī)律性的研究

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

潛艇處于潛航狀態(tài)下發(fā)生艙室進(jìn)水事故時(shí)，可采用多種應(yīng)急操縱挽回措施，采用高壓氣吹除潛艇主壓載水艙獲得浮力以保證潛艇的安全是一種有效的措施。

文中所提出的相對(duì)吹除量(P)的概念，即在采用吹除的挽回措施時(shí)，能保證潛艇安全上浮的B(停止吹除時(shí)產(chǎn)生的浮力)與F(停止吹除時(shí)艙室進(jìn)水所產(chǎn)生的負(fù)浮力)之比值。本文將通過建立計(jì)算模型、仿真計(jì)算、比較計(jì)算參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響來分析相對(duì)吹除量P是否存在臨界值(Pc)及其規(guī)律性的研究問題，以及不同的初始深度、不同進(jìn)水方式對(duì)PC的規(guī)律性的影響。

在20世紀(jì)90年代中期，船總某研究所在對(duì)某型潛艇水下動(dòng)力抗沉試驗(yàn)研究總結(jié)報(bào)告中曾提出過相對(duì)吹除量的概念并對(duì)其規(guī)律性進(jìn)行了初步研究，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)了相對(duì)吹除量的規(guī)律性。作為整個(gè)報(bào)告的一部分，其對(duì)相對(duì)吹除量?jī)H研究了一種工況(一艙破損，持續(xù)進(jìn)水)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)這個(gè)課題的研究很少，因此，對(duì)潛艇相對(duì)吹除量的研究具有重要意義。

1 潛艇艙室進(jìn)水情況下應(yīng)急操縱的數(shù)學(xué)模型

1.1 潛艇運(yùn)動(dòng)基本方程

以DTNSRDC的潛艇六自由度空間運(yùn)動(dòng)方程作為操縱運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)模型，補(bǔ)充了大攻角引起的若干水動(dòng)力項(xiàng)，建立了考慮大攻角情況的潛艇六自由度空間運(yùn)動(dòng)模型[1-4]。

1.2 水動(dòng)力系數(shù)

潛艇運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力系數(shù)是通過拘束船模的大攻角及螺旋槳變負(fù)荷水動(dòng)力試驗(yàn)確定的[1]。

1.3 艙室進(jìn)水模型

計(jì)算結(jié)果表明對(duì)各種艙室進(jìn)水事故，在采取挽回措施后到浮到水面或確定挽回失敗時(shí)的進(jìn)水量都遠(yuǎn)小于耐壓艙室容量。因此，發(fā)生艙室進(jìn)水事故時(shí)的進(jìn)水量用自由進(jìn)水的公式計(jì)算：

ρ——海水密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

S——進(jìn)水孔面積，m2；

μ——流量系數(shù)，μ取0.5；

ζ——進(jìn)水孔的深度，m。ζ=ζ0-xwsinθ,ζ≥0

xw——進(jìn)水孔位置的縱向坐標(biāo)，m。

1.4 吹除主壓載水艙產(chǎn)生浮力的數(shù)學(xué)模型

吹除主壓載水艙產(chǎn)生的浮力為：

其中主壓載水艙的壓力變化率為：

式中：At——噴嘴的噴口面積；

C——閥系數(shù)，0≤C≤1；

k——等熵常數(shù)，取k=1.4；

mb——壓載水艙的空氣質(zhì)量，kg；

mf——?dú)馄恐械臍怏w質(zhì)量，kg；

mf0——?dú)馄恐械某跏細(xì)怏w質(zhì)量，kg；

pa——大氣壓力，101 023 N/m2；

pb——壓載水艙的瞬時(shí)壓力，N/m2；

pf0——?dú)馄恐械某跏級(jí)毫?，N/m2；

pf——?dú)馄恐械膲毫?，N/m2；

pw——瞬時(shí)環(huán)境壓力，N/m2；

R——?dú)怏w常數(shù)287.1，N·m/(kg·K)；

Tb——壓載水艙的溫度，K；

Tf0——?dú)馄恐械某跏紲囟龋琄；

Tf——?dú)馄康臏囟?，K；

Vb——壓載水艙的氣體體積，m3；

vh——壓載水排出速度，m/s。

z——潛艇的瞬時(shí)深度，m；

ρ——海水的密度，1 025 kg/m3；

ρf——?dú)馄恐械臍怏w密度，kg/m3；

2 仿真計(jì)算

2.1 計(jì)算條件設(shè)定

2.1.1 初始狀態(tài)設(shè)定

事故發(fā)生前，潛艇處于等速無縱傾定深直航狀態(tài)。具體?。?/p>

初始速度 4.0 kn;

初始舵角 方向舵角δr0≈0；

初始首(圍殼舵)、尾(升降舵)舵角為δb0≈±5°，δs0≈0°；

初始縱傾角θ0≈0°；

初始橫傾角φ0≈0°。

2.1.2 挽回條件設(shè)定

潛艇成功挽回操縱的衡準(zhǔn)參數(shù)必須同時(shí)滿足下面條件：

深度變化 ΔHmax=max(H(t)-H0)≤100 m

最大深度H(t)max=H0+ΔHmax≤Hmax

式中：Hmax——潛艇極限下潛深度，取值為300 m；

ΔHmax——最大深度改變量，m；

H0——初始航行深度，m；

H(t)——挽回過程中潛艇的深度函數(shù)，m；

H(t)max——挽回過程中潛艇的最大深度，m。

2.1.3 破損進(jìn)水及吹除方式設(shè)定

本文只計(jì)算首部Ⅰ艙進(jìn)水情況。進(jìn)水為在潛艇所處海水靜壓下的自然流動(dòng)，都在正常航行10 s后發(fā)生：

1) 短時(shí)間內(nèi)能夠?qū)⑼w破口封堵或破損管路包扎完畢，進(jìn)水情況可等效為瞬時(shí)指定噸數(shù)進(jìn)水影響。

2) 進(jìn)水源無法封堵或進(jìn)行有效控制，進(jìn)水情況可等效為指定破口面積持續(xù)進(jìn)水影響。

吹除首部主壓載水艙，吹除開始時(shí)機(jī)選擇在進(jìn)水發(fā)生20 s后動(dòng)作。

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)初始條件和吹除方式的設(shè)定，用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算得到數(shù)據(jù)見表1、表2，各工況綜合比較見圖1。

表1 首部Ⅰ艙瞬時(shí)進(jìn)水

注：表中各進(jìn)水情況在達(dá)到＊標(biāo)注深度時(shí)，挽回過程中H(t)max已超過潛艇極限下潛深度Hmax。

表2 首部Ⅰ艙持續(xù)進(jìn)水

注：表中各進(jìn)水情況在達(dá)到＊標(biāo)注深度時(shí)，挽回過程中H(t)max已超過潛艇極限下潛深度Hmax。

圖1 Ⅰ艙進(jìn)水的Pc-H曲

2.3 結(jié)果分析

從計(jì)算的結(jié)果中可以得出：相對(duì)吹除量的臨界值(Pc)在不同的進(jìn)水方式下是具有很強(qiáng)的規(guī)律性，但規(guī)律性表現(xiàn)不同，即在瞬時(shí)進(jìn)水的情況下Pc的數(shù)值不隨深度和進(jìn)水量的變化而變化，基本上收斂于數(shù)值0.9；在持續(xù)進(jìn)水的情況下Pc的數(shù)值隨深度變化而變化，其數(shù)值變化近似為深度的一維線性函數(shù)，而不同的破口面積的Pc-H曲線近似平行(即各Pc曲線斜率近似相等)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果回歸后該函數(shù)近似為：

Pcon=-8.251 5×10-3H-1.289Ln(S)-2.997 3

式中：Pcon——潛艇持續(xù)進(jìn)水情況的相對(duì)吹除量的臨界值；

H——潛艇初始深度，m；

S——破口面積，m2。

特別地，當(dāng)破口面積較大(S>0.03 m2)時(shí)，如短時(shí)間內(nèi)可以成功封堵破口，則可以按瞬時(shí)進(jìn)水情況計(jì)算；如不能成功封堵，則艙室將在較短時(shí)間內(nèi)全部浸沒，而當(dāng)破口面積S≥0.5 m2時(shí)，艙室全浸時(shí)間在15 s之內(nèi)，故此時(shí)僅采用吹除的方式是無法成功挽回潛艇的，必須同時(shí)采用多種挽回措施，因此得出的回歸函數(shù)在此情況下也就不適用了。

3 結(jié)論

因吹除的過程是受潛艇所處的深度、破口面積、潛艇浮態(tài)、航速及主氣瓶壓力和主壓載水艙壓力等諸多因素影響，應(yīng)急吹除的過程是很難進(jìn)行量化的，也不可能通過直接觀測(cè)主壓載水艙內(nèi)的水位變化來確定排水量和所產(chǎn)生的浮力。同時(shí)，應(yīng)急吹除也不是吹除的時(shí)間越長(zhǎng)越好，在很多情況下并不適宜采用對(duì)主壓載水艙的全部吹除，這主要是考慮到對(duì)潛艇的戰(zhàn)術(shù)要求，而且潛艇上浮的速度過快會(huì)導(dǎo)致潛艇的結(jié)構(gòu)損傷，此外，全部吹除會(huì)對(duì)潛艇的浮態(tài)產(chǎn)生不利影響，危及人員和裝備的安全。因此，為了確定能夠保證潛艇安全的最低吹除時(shí)間tmin必須尋求一種可量化的方式并對(duì)其規(guī)律性進(jìn)行研究。

Pc是一個(gè)衡量潛艇在應(yīng)急吹除過程中能否保證成功挽回的臨界值，由于其具有很強(qiáng)的規(guī)律性，通過導(dǎo)出Pc與潛艇初始深度H、破口面積S的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)由于P是與吹除時(shí)間t構(gòu)成單調(diào)函數(shù)關(guān)系，且Pc對(duì)應(yīng)于tmin，因此可由Pc推導(dǎo)出最低吹除時(shí)間tmin，就可以為潛艇指揮操縱人員在潛艇應(yīng)急吹除操縱時(shí)的決策提供依據(jù)，即在知道潛艇初始深度和近似的破口面積的情況下可以直接得出最低吹除時(shí)間tmin，具有為實(shí)戰(zhàn)和訓(xùn)練提供理論依據(jù)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文僅計(jì)算了首部Ⅰ艙的進(jìn)水情況，并沒有列舉出其他艙室的計(jì)算數(shù)據(jù)，同時(shí)，初始航速和潛艇浮態(tài)對(duì)于相對(duì)吹除量的計(jì)算也是有一定影響的，但進(jìn)一步計(jì)算的工作量將非常大，其他工況的P-H關(guān)系近似于Ⅰ艙的規(guī)律性，只是隨初始參數(shù)不同，數(shù)值有所變化，其規(guī)律性還可以作進(jìn)一步的研究。

[1] 金 濤.潛艇在艙室進(jìn)水條件下的應(yīng)急操縱[R].武漢：海軍工程大學(xué),2007.

[2] 刑繼峰,林俊興,戴余良.潛艇操縱[M].武漢:海軍工程大學(xué)出版社,2003.

[3] 浦金云.艦艇生命力論證[M].武漢:海軍工程學(xué)院出版社,1991.

[4] 袁贛南,趙 琳,劉 鷹.潛艇損管應(yīng)急操縱的運(yùn)動(dòng)仿真[J].船舶工程,1998，49(4)：22-24.