施生達(dá),呂幫俊,彭利坤,徐雪峰
(1. 海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院,湖北 武漢 430033;2. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033;3. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○七研究所九江分部,江西 九江 332007)
現(xiàn)代快速、深潛潛艇,在危及潛艇水下操縱安全的諸多事故中,引人特別關(guān)注的兩類(lèi)主要事故[1-2],也是潛艇操縱性設(shè)計(jì)中,按慣例進(jìn)行安全性確認(rèn)需要考核的2種情況[3]:一是高速航行時(shí)發(fā)生尾升降舵卡(或誤操)下潛大舵角;二是低速航行時(shí)發(fā)生艙室(大量)進(jìn)水。尤其當(dāng)潛艇處于大深度航行狀態(tài),將出現(xiàn)更加緊迫的危急情況。
上述情形,早在20世紀(jì)70年代研制SSN 688級(jí)潛艇時(shí),美國(guó)海軍就采用了1/12縮尺自船模,通過(guò)應(yīng)急機(jī)動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)估[4-5]。
文獻(xiàn)[6]把操縱事故的危害分為2類(lèi):
1)主要事故危害。可能引起潛艇失事;或引起艇上多各艇員嚴(yán)重受傷或死亡;或?qū)θ嗣?、?cái)產(chǎn)或潛艇外部環(huán)境的嚴(yán)重威脅。
2)對(duì)個(gè)體的局部危害??赡芤鹜蟼€(gè)別艇員死亡、重傷或輕傷。在安全要求上,對(duì)二者采取沒(méi)策略來(lái)減輕事故的危害,具體說(shuō)來(lái)分別為前者采取“自上而下”地控制主要事故的危害,后者應(yīng)用“自下而上”地保障崗位健康與安全。
文獻(xiàn)[2]指出:所有潛艇都涉及安全性問(wèn)題,尤其是處于潛水狀態(tài)時(shí)。設(shè)計(jì)者和操縱者,對(duì)潛艇發(fā)生升降或舵室進(jìn)水事故時(shí),都必須清楚下列基本狀況:
1)發(fā)生了類(lèi)似主要事故后,潛艇的操縱運(yùn)動(dòng)特性是怎樣變化的?
2)要明確最有效的恢復(fù)性挽回操縱方法(操縱順序與方法)。
3)通過(guò)對(duì)潛艇挽回操縱運(yùn)動(dòng)特性,與潛艇的潛深和空間姿態(tài)安全性要求的比較,確定和平時(shí)期巡航時(shí)的深度、航速的安全范圍(H0/V0)。
文獻(xiàn)[2]提出的安全性要求是:對(duì)上述主要事故經(jīng)恢復(fù)性挽回操縱后,潛艇的潛深和縱、橫傾都應(yīng)同時(shí)保持在下列范圍內(nèi),并促使?jié)撏У某跏己叫猩疃菻0(及航速V0)按有關(guān)規(guī)則進(jìn)行安全性選擇。
對(duì)于經(jīng)過(guò)潛艇均衡和按條例補(bǔ)充均衡的水下巡航潛艇,一般是以潛艇運(yùn)動(dòng)的航向與深度為基準(zhǔn),處于等速定深直航狀態(tài),其操縱運(yùn)動(dòng)特性主要決定于潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的品質(zhì)、升降舵的操縱能力、艇體水動(dòng)力的對(duì)稱(chēng)性程度(關(guān)于垂直面的)。這些特性是潛艇操縱性設(shè)計(jì)階段必需考核的重點(diǎn)指標(biāo)。就潛艇水下航行狀態(tài),關(guān)注的控制潛艇操縱運(yùn)動(dòng)最主要的參數(shù)是潛深H,影響潛深的直接可控因素為航速V、縱傾角 θ和升降舵角 δb,δs(操縱力),即 H=f(V,θ,δb,δs)。
在文獻(xiàn)[6]中,英國(guó)對(duì)戰(zhàn)略核潛艇的安全功能要求區(qū)分為“基本安全功能及更高頂層的”關(guān)鍵安全功能。該功能由六大關(guān)鍵安全功能組成,第1項(xiàng)即是潛艇操縱,第6項(xiàng)是控制火災(zāi)危害。為了保證潛艇操縱基本功能,需預(yù)防的的操艇事故是碰撞、擱淺和因舵室進(jìn)水或操縱性失控造成的潛艇“超深”。因此必須保持潛艇結(jié)構(gòu)的完整性(水密性與氣密性)、控制艇的浮力與重量、保持潛艇靜穩(wěn)性等基本功能,以及完整的推進(jìn)動(dòng)力,是對(duì)潛艇操縱的直接保證。
由上文可知,升降舵卡與艙室進(jìn)水事故,是常見(jiàn)的兩類(lèi)水下操縱安全性問(wèn)題。本文概括介紹潛艇水下操縱的兩類(lèi)主要事故由來(lái)與危害及應(yīng)急操縱的基本概念,論述水下?tīng)顟B(tài)潛艇的流體靜力學(xué)特性與升降舵的動(dòng)力學(xué)特性,以及它們對(duì)潛艇運(yùn)動(dòng)與應(yīng)急挽回操縱的影響,揭示潛艇水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中縱傾與深度易不穩(wěn)定的力學(xué)上的根本原因。
艦艇操縱大致可分為兩類(lèi):控制艦艇運(yùn)動(dòng)的操縱與使艦艇靜止(系泊)的操縱。這里只討論控制潛艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)急操縱。
水面艦船的應(yīng)急操縱性是指艦船應(yīng)付緊急情況的操縱性能[7]。常用的應(yīng)急操縱包括全速滿(mǎn)舵旋回和應(yīng)急全速倒車(chē)制動(dòng)的停船操縱,用于防御突然來(lái)襲的兵器、兵力或規(guī)避碰撞、擱淺等緊迫局面的應(yīng)急操縱。
潛艇的應(yīng)急操縱是指突然發(fā)生的失去對(duì)潛艇航向、縱傾、深度的操縱事故的統(tǒng)稱(chēng)。一般是指危險(xiǎn)縱傾、舵卡和艙室進(jìn)水的應(yīng)急挽回操縱,通常還包括火警,但滅火救災(zāi)斗爭(zhēng)與舵卡、進(jìn)水事故的動(dòng)力抗沉斗爭(zhēng),在具體操作上有顯著區(qū)別,本文只涉及動(dòng)力抗沉問(wèn)題。
尾舵卡、艙室進(jìn)水事故的動(dòng)力抗沉具有2個(gè)顯著特點(diǎn)[8]:
1)時(shí)間上突然發(fā)生,空間上事故運(yùn)動(dòng)幅度大,變化快;
2)危害極其嚴(yán)重,涉及潛艇的存亡。
航海實(shí)踐表明,在應(yīng)急操縱工況下,受力不易確定,多種外力影響下的艦艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也是較復(fù)雜而緊迫的,而控制潛艇運(yùn)動(dòng)的手段和能力是有一定限度的。一般把應(yīng)急操縱歸屬潛艇大機(jī)動(dòng)及特殊工況下操縱運(yùn)動(dòng)研究,是潛艇操縱性研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn),受到廣泛特別關(guān)注。
核潛艇出現(xiàn)之前,潛艇工程師和艇員關(guān)注的操縱問(wèn)題主要是:潛艇的操縱控制裝置是否能夠滿(mǎn)足潛艇在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制的使用要求(特別是在近水面的潛望深度),即可能存在深度(縱傾)控制的操縱能力不足的問(wèn)題。
但是,在核潛艇為代表的現(xiàn)代潛艇問(wèn)世之后,關(guān)注的重點(diǎn)發(fā)生了根本的變化,除了上述潛艇機(jī)動(dòng)性操控的基本要求外,還必須實(shí)現(xiàn)潛艇在垂直面內(nèi)的深度機(jī)動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性之間的平衡。高速大舵角的深度機(jī)動(dòng)會(huì)形成幾十度縱傾和很快的大幅度深度變化,出現(xiàn)了潛艇的縱傾角/深度操縱隨航速變化( H/θ~V)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此,在潛艇深度變化及保持深度與潛艇航向變化及保持航向之間,將更多地關(guān)注潛艇的深度變化和保持深度問(wèn)題。而現(xiàn)代潛艇操縱的上述特征是由靜力學(xué)與操縱動(dòng)力學(xué)特性決定的。
水下?tīng)顟B(tài)的潛艇有2個(gè)突出的流體靜力學(xué)特性:
1)潛艇水下儲(chǔ)備浮力為0
潛艇設(shè)計(jì)水線以上所有水密容積,包括水密艇體和附體的容積等提供的浮力,稱(chēng)為儲(chǔ)備浮力,用Vrb表示,單位是m3,并與主壓載水艙里水的容積相等,是潛艇正常下潛條件之一,在較早的潛艇時(shí)代,用來(lái)衡量潛艇在風(fēng)浪中安全航行的能力,并表示水面抗沉和水下自浮能力的好壞。對(duì)于單殼體潛艇約為10%~20%? ↑ ( 注 ? ↑為潛艇水下排水量,m3),雙殼體潛艇為25%~30%? ↑。但是,水下?tīng)顟B(tài)的潛艇之儲(chǔ)備浮力為0,潛艇依靠浮力直接支撐平衡艇的重量,要求潛艇處于“中和浮力狀態(tài)”或“零浮力狀態(tài)”,即潛艇的浮力和艇的重量相等。為此,艇上設(shè)置了多種保障系統(tǒng)、裝置及設(shè)備,如浮力調(diào)整系統(tǒng)及其包含的浮力調(diào)整水艙、疏水泵、艙底泵等,縱傾平衡系統(tǒng)及其包含的縱傾平衡水艙、中壓氣管路、四通操縱旋塞等。
潛艇為什么要設(shè)計(jì)成中和(或零)浮力狀態(tài)?
如果潛艇的重量大于浮力或小于浮力,為了保持潛艇的深度,就必須要求潛艇維持一定航速,提供一定動(dòng)升力,實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇深度的控制。但是,軍用潛艇的戰(zhàn)術(shù)使用則要求潛艇能在水下懸停或以很低的航速(如2~3 kn)航行的要求。潛艇與飛機(jī)不同,潛艇正常情況下是不依靠向前運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)升力來(lái)支撐潛艇的重量。
潛艇的技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)要求其具有低速運(yùn)行,此時(shí)艇體和舵的水動(dòng)力,對(duì)潛艇存在的由艇的實(shí)際重量與浮力造成的浮力差、力矩差(或稱(chēng)剩余浮力及其力矩)的平衡能力是很低的。所以,潛艇必須處于中和浮力狀態(tài)。
零儲(chǔ)備浮力狀態(tài),決定了水下潛艇對(duì)于浮力和重量這兩者的變化都很敏感,容易出現(xiàn)“掉深”,甚至深度失控,尤其是低速的經(jīng)航工況航行時(shí),潛深波動(dòng)大,監(jiān)控不當(dāng)容易形成下潛慣性。
2)水下?tīng)顟B(tài)潛艇的靜穩(wěn)性力矩小
潛艇水下?tīng)顟B(tài)的平衡穩(wěn)定是與水面艦船完全不同的流體靜力學(xué)狀態(tài)。此時(shí)潛艇的穩(wěn)性條件變?yōu)橥У闹匦腉必須位于浮心C之下(見(jiàn)圖1)。因?yàn)樗€面面積的消失,潛艇的縱橫穩(wěn)定中心M,m與浮心C等三心重合了。因此,水下?tīng)顟B(tài)潛艇的縱穩(wěn)性與橫穩(wěn)性基本相等,其縱傾1°扶正力矩M與橫傾1°扶正力矩相等,或表示成:
圖 1 處于水面和水下?tīng)顟B(tài)的潛艇橫穩(wěn)性Fig. 1 Transverse stability of submarine in surface and submerged states
對(duì)于現(xiàn)代潛艇約為10~25t ·m/(°),與水上狀態(tài)縱傾1°的扶正力矩相比差別極大。如蘇聯(lián)的33型潛艇,水上排水量1 319.36 t,其水上狀態(tài)約為1 940 t ·m/(°) , 而水下?tīng)顟B(tài)僅為5.4t ·m/(°)。
所以,水下?tīng)顟B(tài)中高速工況發(fā)生尾升降舵卡或低速艙室大量進(jìn)水事故時(shí),產(chǎn)生大的縱傾力矩,就容易出現(xiàn)縱傾失控,形成幾十度危險(xiǎn)縱傾;反過(guò)來(lái),當(dāng)突發(fā)大縱傾時(shí),必然有很大的縱傾力矩克服了相應(yīng)的扶正力矩,這個(gè)縱傾力矩來(lái)自何處呢?通常情況下主要由艙室進(jìn)水產(chǎn)生,或由升降舵角產(chǎn)生的。
1)各種航速舵角下的首舵卡,均可用尾舵保持操控
首升降舵位于指揮室圍殼上或艇體首部,與尾升降舵相比,更臨近潛艇的垂直面水動(dòng)力作用中心,在具有相同舵力系數(shù)和舵角下,首舵產(chǎn)生潛艇縱傾和垂向速度的能力大約是尾升降舵的1/3[2],甚至數(shù)倍之差。因此,各種工況下的首舵卡,正確操縱尾升降舵都可抑制其影響(見(jiàn)圖2)。
圖 2 有縱傾等速定深運(yùn)動(dòng)Fig. 2 Keeping depth in a constant velocity with a trim
2)根據(jù)潛艇操縱性理論,潛艇的變深機(jī)動(dòng)可近似看成定常潛浮運(yùn)動(dòng)
該運(yùn)動(dòng)具有下列特性[2]:
一定航速時(shí)操縱尾升降產(chǎn)生縱傾角的能力為
一定航速時(shí)操縱尾升降舵產(chǎn)生垂向速度的能力為
操升降舵產(chǎn)生的深度變化可表示成為
可見(jiàn),當(dāng)高速大舵角時(shí),潛艇的縱傾和潛深改變迅速,易使?jié)撏Эv向失穩(wěn)或深度失控。潛艇操縱性設(shè)計(jì)上,通常尾升降舵面積是按軍用標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定航速時(shí)單位舵角產(chǎn)生一定垂向升速率的能力來(lái)決定的,如文獻(xiàn)[2]是用所謂“平均航速”設(shè)計(jì)的,相關(guān)資料表明是指“航渡速度”,約為7 kn。我國(guó)是參照蘇聯(lián)/俄羅斯的有關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定的,取10 kn作為設(shè)計(jì)航速。
因此,當(dāng)潛艇高速航行時(shí),尾升降舵就顯得過(guò)于“龐大”,滿(mǎn)舵時(shí)存在很大的潛在風(fēng)險(xiǎn),如升降舵舵角1°時(shí),潛艇部分航速的水動(dòng)力特性如表1所示(首舵系圍殼舵)。
表 1 某艇不同航速時(shí)的升降舵水動(dòng)力(矩)Tab. 1 Hydrodynamic force caused by a submarine elevators
尾升降舵面積,可通過(guò)選用較高設(shè)計(jì)航速來(lái)限制。但是,當(dāng)發(fā)生艙室進(jìn)水事故時(shí),尾升降舵的高效操縱力,將有效的支持高壓氣吹除的挽回作用。為保證操艇安全,就出現(xiàn)了多種操縱性安全技術(shù),如采用按航速高低對(duì)尾升降舵角的限用技術(shù),在升降舵裝置構(gòu)型上采用了:左右舵舵時(shí)可分別操縱的分離舵(或稱(chēng)差動(dòng)舵)(英)、大小舵(俄)或分片舵(美)等新穎尾舵裝置,提高尾舵操縱的安全性和機(jī)動(dòng)性能。
潛艇在執(zhí)行巡邏任務(wù)中,大深度航行期間,艇的縱傾由無(wú)縱傾狀態(tài)變成首傾至18°,深度增大近60 m,航速進(jìn)行了減速操縱,仍接近中速工況;潛艇完好,沒(méi)有發(fā)生進(jìn)水,動(dòng)力推進(jìn)裝置工作正常。試分析判斷該艇事故狀態(tài)。
混淆本例的因素有:在此前已進(jìn)行了大約20 s應(yīng)急操縱,如下令停車(chē)、排水、吹除中組抑制下潛慣性等,在此期間艇的潛深增大約10 m。分析的關(guān)鍵有兩方面:
1)艇的首縱傾從何而來(lái)?什么原因使?jié)撏奈部v傾變成大的首縱傾?如艇的水下縱傾1°扶正力矩則造成近20°首傾約需300 t ·m的首縱傾力矩。在沒(méi)有進(jìn)水情況下,由于海水密度的變化產(chǎn)生的浮力差,作用于浮心,其力矩差是不大的,顯然只有尾升降舵誤操了下潛滿(mǎn)舵時(shí),在較大航速下,才可能形成這樣大的操縱能力。如果艙室進(jìn)水了,將增加事故分析判斷的復(fù)雜性。
2)潛艇深度增大是艇重了嗎?還是另有原因?
當(dāng)潛艇浮力減小、艙室進(jìn)水或消聲瓦與艇體壓縮等都可能引起艇重掉深,但在本例狀態(tài)下,艇體完好,艇體壓縮產(chǎn)生的負(fù)浮力是不大的,下潛深度的迅速增加,顯然是由于大的首縱傾,在較高航速推進(jìn)下造成了潛艇的快速下潛,并形成了下潛慣性。
針對(duì)性應(yīng)急挽回操縱的主要方式
1)立即檢查尾升降舵的工作狀態(tài),并立刻調(diào)整,按需操縱,控制潛艇縱傾;
2)立即采用應(yīng)急吹首且主壓載水艙,操相對(duì)上浮艇或應(yīng)急倒車(chē),快速恢復(fù)縱傾;
3)應(yīng)急吹除,直浮水面,注意潛艇姿態(tài),控制深度;
4)對(duì)大深度狀態(tài)的應(yīng)急挽回操縱要有足夠的力度,類(lèi)似供氣吹除初始狀態(tài)時(shí)“要猛”、“要狠”。對(duì)已形成顯著下潛慣性狀態(tài),要果斷應(yīng)急吹除上浮。
潛艇艙室破也進(jìn)水類(lèi)似于重力作用下容器壁面小孔出流,其出水速度可表示為:
則艙室進(jìn)水流量Q用自由進(jìn)水公式表示為:
式中:A為進(jìn)水孔面積,m2;H為進(jìn)水孔的壓頭,m。Cn為流量系數(shù),取Cn=0.6~0.7,瑞典SSPA取0.7,水面狀態(tài)取0.6。
如在100 m深度處,破口直徑300 mm,面積A=0.07 m2,當(dāng)取Cn為0.7時(shí),進(jìn)水量約為Q=2m3/s 。
又如在200 m深度處,破孔直徑5 in,破孔面積A≈0.012 67 m2,取Cn=0.6時(shí),進(jìn)水量Q≈0.475 9 m3/s≈0.5 m3/s。
對(duì)于破孔直徑100 mm情形,流量系數(shù)Cn=0.7時(shí),深度100 m,200 m,300 m時(shí)的進(jìn)水量Q如圖3所示。
圖 3 通過(guò)耐壓船體直徑100 mm的破損孔流入的水量Fig. 3 The amount of water flowing into the vessel through a 100mm diameter damaged hole in the pressurized hull
可以看出:
1)大深度發(fā)生潛艇進(jìn)水事故,往往會(huì)造成大量進(jìn)水。用于應(yīng)急挽回的時(shí)間很短,只有幾十秒鐘。
2)對(duì)海水冷卻管路破損,應(yīng)立即關(guān)閉相應(yīng)的截止舷側(cè)閥。
3)發(fā)生進(jìn)水事故后,要第一時(shí)間進(jìn)行壓載水艙吹除。有時(shí),由于受崗位職能的影響,采用習(xí)慣性的均衡(排水、移水)方式來(lái)應(yīng)急挽回?zé)o異于“杯水車(chē)薪”,但在潛艇狀態(tài)受控后,且在小于安全深度以?xún)?nèi)時(shí)是有意義的。
4)當(dāng)艉部艙室進(jìn)水,將導(dǎo)致螺旋槳停車(chē)。由于艇速太低,艇的操控力小,易產(chǎn)生過(guò)大的尾縱傾(40°~50°),為此,在設(shè)計(jì)上可用增大尾部主壓載水艙的容積來(lái)彌補(bǔ)。對(duì)于首部進(jìn)水,當(dāng)電力系統(tǒng)可用,應(yīng)增速至最大,增加潛艇的可控性,控制艇的尾縱傾處于較理想狀態(tài),通常認(rèn)為從大深度浮起時(shí)是20°~25°左右。
航海實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明,促使?jié)撏幱诳钩翍?yīng)急操縱險(xiǎn)境的常見(jiàn)原因大致如下:
1)操縱失誤及舵裝置故障
如操縱人員把上浮舵在忙亂緊迫狀態(tài)下誤操為下潛大舵(滿(mǎn)舵)角;或發(fā)生“跑舵”為下潛滿(mǎn)舵;或劇烈地機(jī)動(dòng)過(guò)程中,頻繁操縱與大舵角變換等造成液壓失靈、零部件/元器件、操舵裝置故障。
2)通海管路破損進(jìn)水
管路腐蝕、老化,加上長(zhǎng)時(shí)間大潛深航行的高壓作用,可能發(fā)生爆管現(xiàn)象。
3)頻繁執(zhí)行任務(wù)或遠(yuǎn)航巡邏返航途中,人員的警惕性較低,機(jī)械設(shè)備處于疲勞狀態(tài),也是造成緊迫操縱局面的又一種尋常原因。
4)操縱人員對(duì)危險(xiǎn)航行狀態(tài)缺少潛艇操縱模擬器上的操作演練,并缺乏對(duì)水下?tīng)顟B(tài)操縱性主要的基本流體靜力學(xué)特征的認(rèn)識(shí)及判斷。
由多次應(yīng)急挽回操縱過(guò)程可見(jiàn),要總結(jié)好兩方面經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn):
5)對(duì)典型主要事故如尾舵卡、艙室進(jìn)水、火警等要明確事故的基準(zhǔn)狀態(tài),明確相應(yīng)的挽回操縱的基本方式與操作順序,建立操縱指南性規(guī)則。
水下航行狀態(tài)潛艇的縱傾、深度與航向,是潛艇運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)的主要參數(shù),也是潛艇操縱運(yùn)動(dòng)的基本操控目標(biāo)參數(shù)。中高速尾升降卡、低速艙室進(jìn)水等主要事故,將迅速產(chǎn)生顯著縱傾力矩、負(fù)浮力,很快造成大縱傾,造成潛深快速偏移,嚴(yán)重威脅潛艇的安全。
水下抗沉操縱的關(guān)鍵因素是時(shí)間、航速和抗沉操縱設(shè)備(如高壓氣系統(tǒng)等)等三要素,以實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)急上?。?/p>
1)抗沉挽回時(shí)間以秒計(jì),要做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)報(bào)告、及時(shí)判斷和決策、及時(shí)執(zhí)行、果斷行動(dòng);
2)艙室進(jìn)水時(shí)的抗沉操縱中航速的使用,主要決定于艇的縱傾角狀態(tài)。原則上,尾縱傾時(shí)應(yīng)增速,首縱傾時(shí)應(yīng)減速。結(jié)合實(shí)際,酌情處理縱傾角度大小情形時(shí)的影響;
3)用好高壓氣,進(jìn)行正確吹除,尤其當(dāng)存在首尾端進(jìn)水時(shí),應(yīng)首先吹除進(jìn)水一端的主壓載水艙,并控制艇的深度和縱傾與上浮狀態(tài)。當(dāng)縱傾接近90°時(shí),橫穩(wěn)性迅速減少到0[1]。