潛艇發(fā)射武器后艙室壓力變化特點(diǎn)和規(guī)律研究

蔣兵兵, 劉勇志, 逄洪照

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潛艇發(fā)射武器后艙室壓力變化特點(diǎn)和規(guī)律研究

蔣兵兵, 劉勇志, 逄洪照

(海軍潛艇學(xué)院 學(xué)員3隊(duì), 山東 青島, 266044)

為了研究潛艇發(fā)射武器后艙室氣壓變化對(duì)艇員健康的影響, 基于潛艇武器發(fā)射裝置的基本原理、氣體狀態(tài)方程和氣壓傳動(dòng)理論, 建立了艙內(nèi)氣壓變化的方程。通過仿真, 詳細(xì)分析了武器發(fā)射后艙室壓力變化的特點(diǎn)和規(guī)律, 指出了不同條件下發(fā)射武器會(huì)對(duì)人體健康造成不同程度的影響, 并結(jié)合人體生理學(xué)和防護(hù)理論, 給出了氣壓控制的建議。

武器發(fā)射裝置; 潛艇; 艙室壓力; 人體生理學(xué); 氣壓控制

0 引言

潛艇大多采用有源方式發(fā)射武器, 發(fā)射工質(zhì)是壓縮氣體。發(fā)射前, 工質(zhì)貯存在發(fā)射氣瓶?jī)?nèi); 發(fā)射時(shí), 打開發(fā)射氣瓶的控制裝置, 壓縮氣體按一定的規(guī)律進(jìn)入發(fā)射管內(nèi), 建立拋射壓力, 作用在武器上, 將武器推出發(fā)射管。為保持潛艇發(fā)射武器時(shí)的隱蔽性和操縱性, 應(yīng)適時(shí)地將發(fā)射管內(nèi)的廢氣和定量海水回收到艙內(nèi)?；厥諝怏w會(huì)對(duì)艙內(nèi)的氣壓產(chǎn)生一定的影響, 尤其是多枚武器齊射時(shí), 艙內(nèi)的氣壓明顯升高, 將影響到艙內(nèi)人員尤其是操作人員的身體健康。目前關(guān)于艙內(nèi)氣壓變化的研究比較有限, 多數(shù)只關(guān)注最終的氣壓變化值, 對(duì)艙內(nèi)氣壓變化的具體過程和規(guī)律研究較少。本文研究武器發(fā)射后艙內(nèi)氣壓的變化規(guī)律, 并提出有效的防護(hù)措施, 對(duì)于改善艙室操作條件、保障官兵身體健康具有一定的意義。

1 武器發(fā)射后艙室氣壓變化

將發(fā)射工質(zhì)視為理想氣體, 由于高壓氣在武器發(fā)射前后幾乎沒有損失, 可以不考慮中間過程, 只考慮系統(tǒng)的初始狀態(tài)和終了狀態(tài), 便可得出艙室最終的壓力。

考慮到高壓氣瓶放出的氣體最終全部排放到艙室內(nèi), 則

2 發(fā)射管內(nèi)壓力變化過程分析

潛艇發(fā)射武器, 可將氣體變化分為2個(gè)過程, 一是高壓氣直接或間接地將武器推出發(fā)射管, 這是一個(gè)氣體膨脹對(duì)外做功的過程; 二是回收氣體排放到艙室的過程, 在此過程中回收氣體還受到海水壓力的作用。

發(fā)射武器時(shí), 由于高壓氣膨脹對(duì)武器做功, 氣體的壓力降低, 同時(shí)溫度也會(huì)急劇下降, 在短時(shí)間內(nèi), 氣體和環(huán)境又發(fā)生熱交換, 從而使氣體的溫度上升, 氣壓也隨之升高。由此可知, 這一過程既不能完全視為絕熱過程, 也不能完全視為等溫過程, 應(yīng)將其視為一個(gè)多變過程。有下式成立[2]

圖1 管內(nèi)壓強(qiáng)隨n值的變化曲線

圖2 管內(nèi)溫度隨n值的變化曲線

3 發(fā)射單枚武器時(shí)艙室壓力變化分析

需要注意的是, 氣體在流動(dòng)時(shí)受到節(jié)流作用,取決于收縮系數(shù)[4]。

由于氣體在向艙內(nèi)流動(dòng)的過程中, 另一端一直受到海水壓力的作用, 可以將氣壓看成是恒定的, 即為海水靜壓力, 因此這一過程可以看成是恒定壓力源向艙室充氣的過程, 可以得出艙內(nèi)氣壓變化的規(guī)律。由于艙室氣壓變化不會(huì)太明顯, 因此海水壓力一直遠(yuǎn)高于艙內(nèi)氣壓, 滿足式(1)的情形。

氣體排放到艙室的時(shí)間可由下式確定

綜合可知, 艙內(nèi)氣壓的上升近似為線性, 氣壓上升時(shí)間即“放氣時(shí)間”, 與泄放閥截面積有關(guān)。仍以某型潛艇為例, 在某條件下發(fā)射單枚武器, 放氣時(shí)間與泄放閥截面積的關(guān)系如圖3所示。

圖3 放氣時(shí)間隨泄放閥半徑的變化曲線

從仿真結(jié)果看, 為了保證艙室內(nèi)各系統(tǒng)盡快恢復(fù)原狀, 放氣時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng), 因此泄放閥的半徑不應(yīng)太小。而另一方面, 若發(fā)射管內(nèi)的氣體過快排放到艙內(nèi), 則會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)氣壓上升過快, 對(duì)人體健康造成較大損害。圖4反映的是艙室平均壓力變化率隨放氣時(shí)間的變化規(guī)律。

圖4 壓強(qiáng)變化率隨放氣時(shí)間的變化曲線

由相關(guān)文獻(xiàn)可知, 因外界氣壓的快速升高造成的負(fù)壓對(duì)人耳的損傷最明顯。當(dāng)負(fù)壓達(dá)到8~24.9 kPa左右時(shí), 達(dá)到痛覺閾值。鏡檢可見到鼓膜出血。負(fù)壓達(dá)到10.67~28.2 kPa左右時(shí), 即使運(yùn)用強(qiáng)有力的通氣辦法, 也難以沖開耳咽管的緊閉部位。當(dāng)負(fù)壓達(dá)到21.3 kPa以上時(shí), 有可能發(fā)生鼓膜穿孔[5]。

另外, 對(duì)中耳造成嚴(yán)重危害的是增壓變化率。確定增壓速度的具體數(shù)據(jù), 應(yīng)兼顧絕對(duì)值與積累時(shí)間。絕對(duì)值雖不高, 在中耳里的累積值也會(huì)達(dá)到疼痛閾值。試驗(yàn)證實(shí)[6], 增壓變化率在0.26~0.70 kPa/s范圍內(nèi), 耳痛的產(chǎn)生與壓力變化并無直接關(guān)系, 而是與中耳腔負(fù)壓的累積程度直接相關(guān)。以0.67 kPa/s的變化率為例, 如果耳咽管處于關(guān)閉狀態(tài), 經(jīng)12 s就會(huì)在中耳腔內(nèi)造成8 kPa的負(fù)壓, 對(duì)多數(shù)人來說, 該值為疼痛閾值。按國(guó)家“座艙壓力制度生理要求”標(biāo)準(zhǔn), 座艙增壓率的最佳值小于0.06 kPa/s, 高限值小于0.67 kPa/s。潛艇艙內(nèi)人體承受的壓力可以參考這一數(shù)值。

從圖4可以看出, 為了滿足小于0.67 kPa/s這一變化速度, 要求放氣的時(shí)間不小于7.6 s, 否則就可能損害多數(shù)操作人員的身體健康。

4 發(fā)射多枚武器時(shí)艙室壓力變化分析

發(fā)射多枚武器時(shí), 艙內(nèi)氣壓變化比單雷發(fā)射時(shí)更復(fù)雜。由前文所述, 放氣時(shí)間要求相對(duì)較長(zhǎng), 則齊射時(shí)可能出現(xiàn)放氣過程疊加的情況, 即只要齊射間隔時(shí)間小于放氣時(shí)間, 都不可避免地出現(xiàn)氣體增壓疊加的情況, 甚至出現(xiàn)多次疊加的現(xiàn)象, 導(dǎo)致艙室壓力變化率和艙室累積增壓過大, 嚴(yán)重?fù)p害人體健康。因此, 齊射時(shí)更應(yīng)該注意艙室壓力的控制。

以某型潛艇短時(shí)間發(fā)射全部武器為例, 設(shè)某條件下發(fā)射單枚武器回收氣體時(shí)間為7.6 s, 參考不同的發(fā)射間隔時(shí)間, 通過仿真可得出艙內(nèi)平均壓力變化曲線如圖5所示。

圖5 不同齊射間隔時(shí)間的艙室壓力變化曲線

由圖5可以看出, 由于增壓疊加現(xiàn)象的出現(xiàn), 原定7.6 s的放氣時(shí)間已經(jīng)不能滿足人體健康要求, 因?yàn)榀B加之后, 艙內(nèi)增壓的速度增加, 超出了0.67 kPa/s的高限值。若要避免疊加, 則要求縮短放氣時(shí)間或增加齊射間隔時(shí)間, 顯然這都是不合適的。另一方面, 為了保持潛艇的操縱性, 發(fā)射管內(nèi)的廢氣必須及時(shí)回收。

一個(gè)可行的辦法是使從發(fā)射管內(nèi)回收的氣體經(jīng)過適當(dāng)緩沖后有控制地進(jìn)入艙室, 從而增加放氣時(shí)間, 讓放氣過程在疊加的情況下不至于超過高限值。目前回收氣體排放到艙室雖經(jīng)過緩沖, 但不能控制氣體排放到艙內(nèi)的時(shí)間, 可以改進(jìn)相關(guān)裝置, 控制氣體流出的時(shí)間。

另一方面, 由圖5可以看出, 發(fā)射武器過多時(shí), 累積增加壓力也超過了鼓膜損傷的負(fù)壓上限值, 這種情況是要盡量避免的。在必須發(fā)射較多武器時(shí), 應(yīng)該保證艙室之間的氣體流動(dòng), 使氣體及時(shí)排到其他艙室, 從而避免武器艙的累積增壓過高。

實(shí)際上, 艙室各處的壓力變化并不是同時(shí)的, 局部區(qū)域, 例如排氣口處的瞬時(shí)壓力可以達(dá)到很高, 其他位置氣壓峰值則相對(duì)較低, 研究瞬時(shí)壓力峰值的變化規(guī)律是必要的。假設(shè)壓力在各個(gè)方向均勻傳播, 可以得到瞬時(shí)壓力峰值與排氣口距離之間的關(guān)系, 仿真曲線如圖6所示。

圖6 不同位置處的瞬時(shí)壓力峰值曲線

由圖6可以看出, 在排氣口處的氣壓是非常高的, 因此人要避免接近排氣口, 應(yīng)該與之保持一定的距離。可以看到, 當(dāng)距離3 m時(shí), 瞬時(shí)氣壓峰值已經(jīng)較小了。事實(shí)上, 由于排氣口不會(huì)在正中央, 也不會(huì)正對(duì)操作人員, 瞬時(shí)壓力不會(huì)像各向均勻傳播那樣大, 因此適當(dāng)調(diào)整排氣角度, 可以使上述距離條件放寬。若考慮將排氣口方向背對(duì)操作人員, 則人體感受到的瞬時(shí)壓力峰值則將大大減小, 與平均壓力的峰值相差不大, 這對(duì)人體健康是有利的。

5 結(jié)論和建議

通過分析可以得出以下結(jié)論和建議。

1) 回收氣體排入艙室的時(shí)間不應(yīng)過快, 可改進(jìn)艙內(nèi)相關(guān)裝置, 根據(jù)不同的發(fā)射條件, 有針對(duì)性地控制排氣時(shí)間;

2) 發(fā)射多枚武器時(shí), 在保證不影響作戰(zhàn)效能的情況下, 要進(jìn)一步延緩放氣時(shí)間, 防止氣壓升高過快;

3) 排氣口的方向應(yīng)盡量朝向艇艏, 背對(duì)操作人員, 操作人員也應(yīng)遠(yuǎn)離排放口, 避免瞬時(shí)壓力沖擊過大;

4) 發(fā)射武器, 尤其是發(fā)射多枚武器時(shí), 在條件允許的情況下, 應(yīng)適時(shí)打開通風(fēng)插板, 加強(qiáng)艙室通風(fēng), 使回收氣體及時(shí)流通到其他艙室;

5) 平時(shí)應(yīng)有針對(duì)性地加強(qiáng)防護(hù)訓(xùn)練, 使操作人員在特殊情況下能有效地將增壓對(duì)身體造成的影響和損傷降到最低。

[1] 張三慧. 大學(xué)物理學(xué)第2冊(cè): 熱學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1999.

[2] Douglas J F, Gasiorek J M, Swaffield J A. 流體力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1992.

[3] 鄭洪生. 氣壓傳動(dòng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1981.

[4] 維塞特W G, 小克魯格G H. 物理氣體動(dòng)力學(xué)引論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1978.

[5] 陳信, 袁修干. 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程生理學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2000.

[6] 賈司光. 航空航天缺氧與供氧: 生理學(xué)與防護(hù)裝備[M]. 北京: 人民軍醫(yī)出版社, 1989.

Air Pressure Variation in Submarine Cabin after Launching Weapon

JIANG Bing-bing, LIU Yong-zhi, PANG Hong-zhao

(Team 3, Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, China)

To understand the influence of air pressure variation in submarine cabin on human health after launching weapon, a formula for calculating air pressure variation in submarine cabin is derived according to the basic principle of submarine weapon launcher, the air state formula and the air pressure transmission theory. The feature and rule of the air pressure variation after launching weapon is investigated via simulation, and the harmful influence of air pressure variation on human health is analyzed. In addition, a suggestion about air pressure control is offered on the basis of physiology and human protection theory.

weapon launcher; submarine; air pressure in submarine cabin; physiology; air pressure control

TJ635; TB125

A

1673-1948(2012)04-0317-04

2012-06-12;

2012-06-15.

蔣兵兵(1987-), 男, 在讀碩士, 主要從事潛射武器水下發(fā)射技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)