爆炸聲源對(duì)艦船螺旋槳效能損傷評(píng)估研究

徐學(xué)偉 劉寅桐 張耀林

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

隨著人類對(duì)海洋世界探索的不斷深入，海洋調(diào)查工作越來越受到各國(guó)的重視，我國(guó)每年執(zhí)行海洋調(diào)查任務(wù)的艦船數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)，海洋調(diào)查中一項(xiàng)最重要、最基本的內(nèi)容就是聲傳播特性調(diào)查，目前，世界各國(guó)普遍采用的方法是：艦船在不同海域航行過程中，定時(shí)、定點(diǎn)、定深投放爆炸聲源，水聲裝備接收聲音信號(hào)，從而獲得聲音在此海域中的傳播特性［1］。但是，聲源爆炸時(shí)會(huì)對(duì)艦船本身，特別是對(duì)艉部的螺旋槳產(chǎn)生損傷，如何能有效減少損傷且又獲得有效數(shù)據(jù)，是我們必須面對(duì)的實(shí)際問題。

爆炸聲源對(duì)艦船螺旋槳效能［2］損傷一般為振動(dòng)損傷和水壓對(duì)密封件損傷兩類，振動(dòng)損傷一般是長(zhǎng)期累加的結(jié)果，短時(shí)間的損傷效果不明顯，但水壓對(duì)密封件的損傷會(huì)直接造成螺旋槳故障，影響艦船在航，并且，一般執(zhí)行海洋調(diào)查任務(wù)的艦船多采用可調(diào)變距槳，對(duì)密封要求更高，所以，本文重點(diǎn)研究聲源爆炸時(shí)由水壓對(duì)密封件損傷而造成的螺旋槳效能損傷評(píng)估。

2 爆炸聲源使用分析

2.1 爆炸聲源功能

爆炸聲源是為海洋聲學(xué)綜合調(diào)查專門設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，可作為一種水下爆炸聲源，在設(shè)定的深度使用，以探測(cè)不同海洋環(huán)境對(duì)聲波傳播的影響［3］。

2.2 爆炸聲源作用原理

爆炸聲源使用前將運(yùn)輸保險(xiǎn)銷拔出，解除運(yùn)輸保險(xiǎn)，處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)聲源投入水中下沉到一定水深時(shí)，解保部件在海水壓力下將推桿撥出定位桿，保險(xiǎn)桿在儲(chǔ)能彈簧作用下移動(dòng)到解除保險(xiǎn)位置，雷管與導(dǎo)爆管對(duì)正，同時(shí)電機(jī)發(fā)電并通過整流電路向電容充電，發(fā)火裝置解除二級(jí)保險(xiǎn)，此時(shí)電點(diǎn)火管仍處于短路狀態(tài)；解保部件在海水壓力下繼續(xù)下壓打開短路開關(guān)，發(fā)火裝置處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)爆炸聲源下沉到規(guī)定的深度時(shí)，水壓開關(guān)接通，發(fā)火電路工作，通過電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃保險(xiǎn)桿中的火焰雷管，雷管引爆傳爆序列，從而使爆炸聲源在水中爆炸［4］。

2.3 爆炸聲源分類

爆炸聲源的分類，一般有以下幾種：一是根據(jù)水下作用深度不同，可分為7m、25m、50m、100m、200m、300m、500m、……1000m等多個(gè)系列；二是根據(jù) TNT 當(dāng)量不同，可分為 50g、100g、200g、……1000g等多個(gè)系列；三是根據(jù)聲源下沉?xí)r間長(zhǎng)短不同，可分為帶尾翼和不帶尾翼兩種，等等。一般爆炸聲源的生產(chǎn)和制作主要根據(jù)客戶的要求在訂貨合同中予以明確，以下選取最常用的四種典型分類進(jìn)行研究，具體參數(shù)見表1。

表1 爆炸聲源分類表

3 艦船螺旋槳結(jié)構(gòu)分析

3.1 螺旋槳基本結(jié)構(gòu)

由于艦船螺旋槳和艉軸密封結(jié)構(gòu)各有差異，本文選取典型艦船加以分析，某型船多次執(zhí)行海洋環(huán)境調(diào)查任務(wù)，在任務(wù)執(zhí)行過程中也多次使用爆炸聲源，其螺旋槳采用79KS/4型可調(diào)螺距螺旋槳，艉軸密封裝置采用SM430型滑艉軸密封裝置，如圖1所示，槳轂密封和艉軸密封分別采用了密封圈的方式進(jìn)行密封，隔離內(nèi)部潤(rùn)滑油與外界海水的接觸，以保證滑油不變質(zhì)，為了確保系統(tǒng)安全，該船采用了重力油柜裝置，保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力始終大于海水的壓力，即使密封圈有損壞，系統(tǒng)的滑油也會(huì)在重力油柜壓力作用下向海水外泄，而不會(huì)發(fā)生海水倒灌進(jìn)滑油系統(tǒng)的現(xiàn)象［5］。

圖1 螺旋槳水下示意圖

3.2 螺旋槳密封要求分析

如圖1所示，該型船的螺旋槳系統(tǒng)水下可能與海水竄通的部位有兩處，一處是槳轂密封處，另一處是艉軸密封處。槳轂處進(jìn)水會(huì)導(dǎo)致可調(diào)槳變距滑塊機(jī)構(gòu)卡滯，影響調(diào)距，從而導(dǎo)致艦船損縱失靈，艉軸密封處進(jìn)水會(huì)影響軸承潤(rùn)滑冷卻效果，加速軸系部件磨損，會(huì)導(dǎo)致軸系變形，另外，由于兩處的潤(rùn)滑油系統(tǒng)相通，進(jìn)水量過多，會(huì)使油質(zhì)變差，大大減少系統(tǒng)的工作使用壽命，因此，必須加以重視。

4 爆炸聲源對(duì)艦船螺旋槳沖擊影響

4.1 水中爆炸的基本原理

炸藥在水中爆炸時(shí)，水介質(zhì)會(huì)受到高溫、高速、高壓的爆炸產(chǎn)物作用，在裝藥和介質(zhì)的界面處，爆炸產(chǎn)物以極高的速度向周圍擴(kuò)展，如同一個(gè)超音速的活塞，強(qiáng)烈擠壓水介質(zhì)，使其壓力、密度、溫度突然升高，形成水中沖擊波，爆炸產(chǎn)物最初以極高的速度向四周運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展，由于能量的傳遞和損耗，它的速度很快衰減，一直到零為止。當(dāng)爆炸產(chǎn)物膨脹到某一特定體積時(shí)，其壓力降至水介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的初始?jí)毫?，但此時(shí)爆炸產(chǎn)物并沒有停止運(yùn)動(dòng)，由于慣性的作用而過度膨脹，一直到某一最大體積，此時(shí)，爆炸產(chǎn)物內(nèi)部的平均壓力低于介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的初始?jí)毫?，出現(xiàn)了“負(fù)壓區(qū)”，負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)后，周圍介質(zhì)反過來對(duì)爆炸產(chǎn)物進(jìn)行第一次壓縮，使其壓力不斷回升，同樣，由于慣性作用產(chǎn)生過度壓縮，使爆炸產(chǎn)物內(nèi)部壓力又大于初始?jí)毫ΓM(jìn)而開始第二次膨脹——壓力脈動(dòng)過程，經(jīng)過若干次脈動(dòng)后，最終停止，達(dá)到平衡狀態(tài)［6］。

4.2 水中沖擊波破壞參數(shù)估算

由于水的密度大，慣性大，氣泡脈動(dòng)次數(shù)要比空中爆炸時(shí)的脈動(dòng)次數(shù)多，有時(shí)可達(dá)十次以上，對(duì)水中爆炸來講，除水中沖擊波之外，也只是第一次脈動(dòng)所形成的壓力波才有實(shí)際意義，盡管二次壓力波的峰值不超過沖擊波峰值壓力的10%～20%，但它的沖量卻和沖擊波的沖量相近，破壞力也很大，本文涉及到對(duì)螺旋槳的破壞主要是水壓對(duì)密封件損傷，不對(duì)振動(dòng)損傷作以評(píng)價(jià)，所以只研究水中沖擊波的影響作用［7］。

目前，水下爆炸的初始參數(shù)數(shù)值計(jì)算不如空中爆炸問題那樣系統(tǒng)、詳細(xì)，但對(duì)水下爆炸問題，已有相當(dāng)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式可供參考，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料整理得出，水中沖擊波波陣面最大壓力（或稱峰值壓力）的計(jì)算公式如下：

式中 Pm為水中沖擊波波陣面峰值壓力（MPa）；ω為TNT裝藥重量（kg）；r為沖擊波波陣面半徑或距爆炸中心處的距離（m）；k、α為試驗(yàn)系數(shù)值，均由試驗(yàn)確定（幾種常見炸藥的試驗(yàn)系數(shù)值見表2）。

表2 Pm計(jì)算公式中的試驗(yàn)系數(shù)值

4.3 水中沖擊波對(duì)密封件沖擊損傷評(píng)估

由以上的公式可知，螺旋槳密封件受到的壓力沖擊與爆炸物種類、當(dāng)量和距離有關(guān)，艦船航行過程中爆炸點(diǎn)與螺旋槳位置如圖2所示，爆炸聲源距螺旋槳的距離為r，我們可以根據(jù)公式計(jì)算得出最大沖擊壓力值，并與系統(tǒng)本身的壓力值做比較，從而進(jìn)一步評(píng)估螺旋槳損傷程度。

圖2 爆炸點(diǎn)與螺旋槳位置圖

該型船的螺旋槳位于水下5.6m吃水處，重力油柜位于水面上10.4m處，我們假設(shè)滑油系統(tǒng)所能承受水中沖擊壓力最大值為P0，則該壓力值為滑油系統(tǒng)本身壓力值與水下海水壓力值之差，即P0＝ρ油gh-ρ海gh，式中，把滑油的密度值按0.88×103kg/m3計(jì)算，海水密度值按1.05×103kg/m3計(jì)算，可得 P0＝0.080（MPa）。

通過以上計(jì)算，可以得到不同種類聲源在水中爆炸時(shí)，所產(chǎn)生的最大沖擊壓力值，為了方便對(duì)比，我們選取四種常用典型聲源，艦船按10節(jié)航速計(jì)算，所得結(jié)果做成表格（表3）進(jìn)行分析研究。

表3 水中沖擊波最大壓力計(jì)算表

通過表3可以看出，使用TNT裝藥量100g不帶尾翼7m定深聲源和TNT裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源，爆炸后產(chǎn)生的最大沖擊壓力分別是0.261MPa和0.081MPa，大于滑油系統(tǒng)所能承受水中沖擊壓力最大值為0.080MPa，所以外部海水壓力會(huì)瞬間大于螺旋槳密封壓力，導(dǎo)致海水進(jìn)入系統(tǒng)，海水累積多了以后會(huì)造成系統(tǒng)故障［8］。其他兩種聲源的爆炸最大壓力小于系統(tǒng)壓力，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損傷。

5 主要應(yīng)對(duì)措施

5.1 減小炸藥重量

減小炸藥重量會(huì)大大降低最大沖擊壓力，我們以上面計(jì)算過的TNT炸藥裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源為例，現(xiàn)在把TNT當(dāng)量減小到500g，在艦船為10節(jié)的航速下，通過計(jì)算可得Pm為0.062MPa，此值小于系統(tǒng)壓力值，可以確定爆炸對(duì)螺旋槳的影響是安全的，所以減小炸藥重量是應(yīng)對(duì)措施之一［9］。

5.2 提高艦船航行速度

提高艦船航行速度，可以加大爆炸作用距離，從而降低最大沖擊壓力，我們還是以上面計(jì)算過的TNT裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源為例，現(xiàn)在把艦船的航速提高到15節(jié)，折算后的航速s=7.71m/s，深彈爆炸時(shí)間t=60s，計(jì)算可得r=464.73，最后得出Pm為0.052MPa，說明艦船航速增大后，爆炸對(duì)螺旋槳的沖擊減小了。

5.3 聲源改用發(fā)射裝置投放

目前，海洋調(diào)查作業(yè)中，投放聲源的方式主要是人工投放，一般距離艦船本身很近，爆炸距離小，最后產(chǎn)生的爆炸沖擊力很大，我們可以考慮用發(fā)射裝置投放聲源，此類裝置類似魚雷氣動(dòng)發(fā)射裝置一樣，使用高壓空氣推動(dòng)，這樣既可以保證安全，又能使聲源在安全距離以外爆炸，保證把爆炸沖擊力降到最?。?0］。

5.4 聲源加裝緩降裝置

延緩聲源下沉速度，以保證艦船有足夠的時(shí)間遠(yuǎn)離爆炸聲源，也能保證螺旋槳受到的沖擊最小，我們也可以考慮設(shè)計(jì)一種緩降裝置，通俗地講，就是給聲源安裝一種類似降落傘一樣的裝置，用于控制聲源下沉速度，延長(zhǎng)爆炸時(shí)間，進(jìn)而減小沖擊壓力［11］。

6 結(jié)語

在海洋經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代，人們對(duì)海洋的探究也是無止境的，本文僅僅對(duì)海洋調(diào)查工作面臨的一些具體實(shí)際問題加以分析研究，提出了個(gè)人的一點(diǎn)看法，可能還不夠深入，僅僅起到拋磚引玉的作用。本文所選取的艦船，包括其他一些計(jì)算參數(shù)，不一定非常準(zhǔn)確，但具有一定代表性，我們的損傷評(píng)估結(jié)果最終以量化的方式體現(xiàn)，對(duì)比性很強(qiáng)，判斷起來也簡(jiǎn)單易行，希望能給讀者提供有益參考［12］。