潛艇懸停水艙排注水控制方式比較

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(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

懸停是潛艇水下停泊的重要方式之一，通常是指潛艇水下航行狀態(tài)停車后，經(jīng)準(zhǔn)確均衡，利用專用水艙的注、排水(不操舵)，實(shí)現(xiàn)潛艇無(wú)航速下深度控制的操艇方式[1]。潛艇懸停水艙的排注水控制有多種方式，不同的控制方式各有優(yōu)劣。本文將對(duì)潛艇懸停水艙不同的排注水控制方式進(jìn)行比較研究，采用綜合評(píng)價(jià)的方式，分析不同控制方式的特點(diǎn)，在定性分析與定量計(jì)算的基礎(chǔ)上提出最為合理的懸停水艙排注水控制方式。

1 懸停水艙的注排水控制方式

潛艇水下懸停，是通過(guò)懸停水艙的注排水，改變潛艇的水下受力情況，保持受力平衡，從而實(shí)現(xiàn)潛艇水下零航速或者極低航速下的深度控制。根據(jù)不同的排注水動(dòng)力，可分為三種控制方式：氣排注、泵排自注和泵排注[2]。

1.1 氣排注

氣排注控制方式以美國(guó)“海狼”級(jí)潛艇的懸?？刂葡到y(tǒng)為參考。氣排注控制方式采用兩個(gè)懸停水艙(1號(hào)和2號(hào))，利用中壓空氣控制系統(tǒng)使水艙與舷外形成一定的壓差Δp，從而實(shí)現(xiàn)水艙的注排水。基本工作原理如下：初始狀態(tài)時(shí)，1號(hào)水艙壓力低于舷外海水壓力Δp，用于注水；2號(hào)水艙壓力高于舷外海水壓力Δp，用于排水。當(dāng)1號(hào)水艙注滿或者2號(hào)水艙排空時(shí)，利用氣壓控制系統(tǒng)改變兩水艙與舷外海水的壓力差，實(shí)現(xiàn)其功能互換。

1.2 泵排自注

泵排自注控制方式設(shè)置兩個(gè)懸停水艙(1號(hào)和2號(hào))[3]，容積為9 m3×2，兩水艙通過(guò)管路連接，利用懸停水艙供、排氣系統(tǒng)，使懸停水艙壓力低于舷外海水壓力Δp。當(dāng)懸停水艙需要注水時(shí)，海水由于壓差Δp從舷外自動(dòng)注入懸停水艙；懸停水艙排水時(shí)，1號(hào)懸停水艙的海水經(jīng)管路系統(tǒng)通過(guò)懸停水泵排出舷外。管路系統(tǒng)在懸停水泵的出口設(shè)有回流管路，通過(guò)海水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電液球閥可將海水回流到2號(hào)懸停水艙。懸停水泵一直運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)海水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回水流量來(lái)控制系統(tǒng)排水流量，當(dāng)不需排水時(shí)，懸停水泵抽出的海水全部經(jīng)回流管路返回2號(hào)懸停水艙。

1.3 泵排注

泵排注控制方式設(shè)置一個(gè)懸停水艙，利用懸停水泵管路和氣壓調(diào)節(jié)回路實(shí)現(xiàn)懸停水艙的排注水控制。系統(tǒng)利用壓縮空氣使水艙壓力和舷外海水壓力保持基本一致，懸?？刂婆_(tái)根據(jù)指令深度與實(shí)際深度的偏差以一定的控制規(guī)律計(jì)算出注排水量或注排水速度(流量)，啟動(dòng)、停止懸停水泵并控制相關(guān)閥件的啟閉，控制懸停水艙排注水。

2 不同控制方式分析比較

2.1 噪聲源分析

隱蔽性對(duì)于潛艇至關(guān)重要，因此噪聲水平是衡量潛艇裝置系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。潛艇懸?？刂葡到y(tǒng)工作時(shí)，噪聲主要來(lái)自于氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和排注水管路。

根據(jù)三種懸停水艙注排水控制方式的基本原理可知，三種控制方式所采取的氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理基本相同，輸出壓力分別為氣排注控制方式p±Δp，泵排自注控制方式p-Δp，泵排注控制方式p，在采取相同的降噪措施下，三種控制方式下氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噪聲水平相當(dāng)。

相對(duì)于其它噪聲源，海水管路的振動(dòng)噪聲一直沒(méi)有得到有效的控制，成為困擾潛艇降噪的一道難題。管路的振動(dòng)噪聲大體可以分為兩類：機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲[4-5]。

氣排注控制方式下懸停水艙和舷外通過(guò)管路和閥件連接，整個(gè)管路無(wú)水泵；泵排自注控制方式下懸停水艙和舷外通過(guò)管路、水泵(持續(xù)工作)和閥件連接；泵排注控制方式下懸停水艙和舷外通過(guò)管路、水泵(間歇工作)和閥件連接。因此，氣排注時(shí)海水管路的噪聲主要包括閥件工作引起的振動(dòng)噪聲，閥件引起的管路壓力脈動(dòng)引起的噪聲；泵排自注時(shí)的噪聲主要包括泵和閥件工作引起的振動(dòng)噪聲，泵和閥件引起管路流量脈動(dòng)，進(jìn)而引起壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，其中泵是產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要因素；泵排注時(shí)的噪聲主要包括泵啟動(dòng)、停止以及運(yùn)轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)噪聲，閥件工作引起的振動(dòng)噪聲，泵和閥件引起管路流量脈動(dòng)，進(jìn)而引起壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

2.2 高壓氣體消耗量

潛艇攜帶高壓氣體是有限的，因此懸停水艙排水時(shí)的高壓氣體消耗量也是選擇注排水控制方式的影響因素。參照文獻(xiàn)[6]中高壓氣體計(jì)算方法，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，設(shè)氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中氣體近似為等溫變化，則等溫狀態(tài)過(guò)程方程式為

pV=C

(1)

則：

p1V1=p2V2

(2)

(3)

式中：V1——排水體積；

V2——高壓氣體消耗量；

p1——懸停水艙壓力；

p2——高壓氣體壓力。

以高壓氣體壓力p2為24.5 MPa，懸停深度h為50～300 m，懸停過(guò)程總排水量V1為9 m3，壓差Δp為0.2 MPa進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1、2。

表1 不同懸停深度下水艙壓力

表2 不同懸停深度下高壓氣體消耗量

通過(guò)表1可知，在相同條件下三種控制方式的高壓氣體消耗量都隨懸停深度的增大呈線性增大，并且三種控制方式下消耗量的差值基本保持不變。

2.3 艙室氣壓增量

當(dāng)懸停水艙注水時(shí)，無(wú)論采用何種注排水控制方式，為了維持水艙壓力的穩(wěn)定，系統(tǒng)都會(huì)向潛艇艙室內(nèi)排入空氣，從而引起艙室內(nèi)部氣壓升高。由于采用不同的控制方式的懸停系統(tǒng)向艙室中排入的空氣壓力不同，從而引起的艙室氣壓增量也不同。同樣將排氣過(guò)程近似為等溫變化，等溫狀態(tài)過(guò)程方程式為

p3V3+p4V4=p5V4

(4)

(5)

艙室氣壓增量為

(6)

式中：V3——排入艙室空氣體積；

V4——潛艇艙室空間總體積；

p3——注水時(shí)懸停水艙壓力；

p4——初始艙室壓力；

p5——排氣后艙室壓力。

根據(jù)氣注排控制方式的原理可知，懸停水艙由排水轉(zhuǎn)換為注水時(shí)，水艙氣壓由p+Δp變?yōu)閜-Δp，注水過(guò)程中將壓力為p-Δp的空氣排入艙室之中，整個(gè)過(guò)程等效為將壓力為p+Δp的空氣排入艙室之中。

以懸停深度h為50～300 m，懸停過(guò)程向艙室排氣總量V3為9 m3，艙室空間總體積V4為1 000 m3，壓差Δp為0.2 MPa進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同懸停深度艙室氣壓增量 Pa

由表3可知，隨著懸停水深的增加，艙室氣壓增量增大，不同的控制方式下增量差值減?。凰钤?00 m以上時(shí)，不同的控制方式下艙室氣壓增量相差較大，其中氣排注最大，泵排自注最??；水深超過(guò)100 m之后，不同的控制方式下艙室氣壓增量相當(dāng)；水深300 m時(shí)，三種控制方式下的艙室氣壓增量均不超過(guò)0.03個(gè)大氣壓，在人體承受范圍之內(nèi)。

2.4 能耗

潛艇水下航行時(shí)的能量由蓄電池提供，蓄電池一次充電的電量是有限的，因此能耗水平也是比較不同注排水控制方式的重要方面。潛艇懸停系統(tǒng)注排水的動(dòng)力是系統(tǒng)的主要能耗來(lái)源。見(jiàn)表4。

表4 不同控制方式注排水動(dòng)力源

在不計(jì)閥件啟閉消耗能量的情況下，氣排注的注排水不需要消耗艇上電源，泵排注僅在注排水時(shí)泵要消耗艇上電源，泵排自注雖然在注水時(shí)動(dòng)力來(lái)自壓差，但是在整個(gè)懸停過(guò)程中泵一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此能耗最高。

3 結(jié)論

由于不用設(shè)置懸停水泵，氣排注相較于其它兩種控制方式在噪聲水平方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；理論上，三種控制方式在高壓空氣消耗量、艙室氣壓增量?jī)蓚€(gè)方面性能相當(dāng)。但是在進(jìn)行深度穩(wěn)定控制時(shí)，多數(shù)情況下注排水量較小，且注水、排水交替進(jìn)行，若系統(tǒng)允許有一定的氣壓偏差，則懸停控制時(shí)，多數(shù)情況下泵排自注和泵排注兩種控制方式下既不需要消耗空氣也不會(huì)向艙室排放空氣，因此泵排自注和泵排注兩種控制方式在高壓空氣消耗量、艙室氣壓增量?jī)蓚€(gè)方面具有一定優(yōu)勢(shì)；在不計(jì)閥件啟閉消耗能量的情況下，三種控制方式的能耗水平由低到高依次為：氣排注、泵排注、泵排自注。

因此，在潛艇日益重視減振降噪的情況下，付出一定量的多余高壓氣體消耗量與艙室氣壓增量是可以接受的，通過(guò)以上比較研究，認(rèn)為潛艇的懸停水艙選擇能耗及噪聲最低的氣排注控制方式最為合理。

[1] 俞科云，戴余良，施生達(dá).潛艇水下懸停運(yùn)動(dòng)控制仿真研究[J].中國(guó)艦船研究，2010，5(2)：18-21.

[2] 潘國(guó)良.潛艇水下懸停運(yùn)動(dòng)的操縱控制研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[3] 趙秀娟.潛艇懸?？刂圃囼?yàn)系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

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[5] 郭 濤.管路的流致振動(dòng)及噪聲研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[6] 張宏偉，丁淑華，王曉鳴，等.小型水下自航行器自沉浮裝置設(shè)計(jì)與研究[J].海洋技術(shù),2008,27(1):1-3.