青島永泰長榮
標題: 氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案探討 [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時間: 2023-12-30 17:39
標題: 氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案探討
從潛艇在軍事和國防中的重要地位出發(fā)，結(jié)合潛艇發(fā)展史上出現(xiàn)的重大事故，簡要介紹了國內(nèi)外潛 艇救生技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，創(chuàng)新性地提出了氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案的設(shè)想，并對該方案的組成、工作過 程及主要參數(shù)計算做了重點闡述。以某救生艇為例建立了潛艇上浮的模型，計算該艇從水下600 m上浮至水面的時 間，充分展現(xiàn)了氣囊方案的優(yōu)越性。與潛艇傳統(tǒng)的壓載水系統(tǒng)做了比較，指出了各自的優(yōu)缺點。提出了本方案具體實 施所需的關(guān)鍵技術(shù)及今后研究工作的重點。
關(guān)鍵詞： 氣囊技術(shù)；潛艇；應(yīng)急上??；數(shù)學(xué)模型
Abstract: Form submarine's important position in military and national defense,combining with fatal accidents appeared in submarine phylogeny,this article briefly introduces current status and development trend of submarine litesaving technology,then originally puts forward a conceive of ballonet technology used for submarine emergeney ascend,and mainly elaborates the projeet structure,working process and key parameter calculation.Taking a reacue boat as an example,build up the submarine ascending model and rompute the time of the boat foating from underwater 600 m to surface.This model fully presents the auperiority of the ballonet technology.Immediately compare this method with traditional submarine's pressing and carrying water system,point out their advantage and disadvantage respectively.Lastly the key technology needed in actualizing the projeet concretely and the main work for the future are proposed.
Key words: ballonet technology;submarine;emergency ascend;mathematical model
潛艇在一個國家的軍事和國防中占有十分重要 的地位，是海軍的重要作戰(zhàn)力量，可以執(zhí)行反艦、布 雷、偵察和特種作戰(zhàn)等任務(wù)；尤其攻擊型核潛艇具有 殺傷性大、耐久力強、隱蔽性好等優(yōu)點，有著極大的威 懾力，在戰(zhàn)爭中具有不可替代的作用。隨著科技的發(fā) 展，反潛技術(shù)的進步，終將導(dǎo)致潛艇往大潛深方向發(fā) 展。而潛艇有其致命的弱點：儲備浮力小、抗沉能力 弱、構(gòu)造復(fù)雜、水下環(huán)境惡劣等。盡管現(xiàn)在潛艇的性
能不斷提高，這些因素的存在依然增加了潛艇失事的 概率。縱觀潛艇發(fā)展史， 一直為悲劇性事故和災(zāi)難所 充斥，常規(guī)潛艇沉沒的威脅多來自外界，而核潛艇沉 沒的風險多出于本身。世界上第1艘失事的核潛艇 (美國“長尾籃”號核潛艇)1963年4月沉沒在美國 的科德角附近海域；1989年4月，蘇聯(lián)1艘 M 級“共 青團員”號攻擊型核潛艇在巴倫支海起火沉沒；2000 年8月13日，俄海軍“庫爾斯克”號多用途核潛艇在 巴倫支海參加北方艦隊演習(xí)時發(fā)生事故沉沒。我國 也發(fā)生過2起重大潛艇事故： 一起是50 年代末“418”號潛艇操作失誤； 一起是2003年5月的“361” 號潛艇機械事故。在大力發(fā)展?jié)撏У耐瑫r，必須思考 如何提高潛艇的安全性。
潛艇事故的發(fā)生，催生了救援技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階 段潛艇救生方式大致有3種：自救、援救及自救與援 救相結(jié)合，它們都有各自的弊端，很大程度上受到了 海域的限制。淺海還可以視具體情況采取自救的辦 法脫險，而深海援救必須依靠外界。在深潛救生方 面，美國、俄羅斯、挪威、瑞典、英國處于世界先進水 平。由于深潛救生設(shè)備的制造和運行費用很高，導(dǎo)致 了多數(shù)國家無法問津。隨著潛艇作戰(zhàn)性能的不斷提 高，潛艇救生設(shè)備和技術(shù)也在向更快、更深、更有效的 方向不斷發(fā)展和完善。當前救生體系主要有以下發(fā) 展趨勢：①注重自救脫險裝備的研究；②提高深潛 敕生艇的性能；③研制新型輔助設(shè)備；④整體配 套，形成援潛教生裝備的系列化；⑤形成多國援救 裝備的標準化，尋求國際合作-*]。
現(xiàn)有救生系統(tǒng)的發(fā)展無法滿足潛艇大潛深的需 求，迫使我們尋求一種更加切實可行的救援方案。本 文在了解國內(nèi)外潛艇救生技術(shù)及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)之 上，創(chuàng)新性地提出了氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮的構(gòu) 想，也可用在深潛器、觀光艇等方面的救援。目前國 內(nèi)外救援技術(shù)主要側(cè)重于人員的救生，而人員的救生 受到很多因素的限制，尤其在大潛深的情況下，大大 增加了救援的難度。本方案側(cè)重于潛艇整體應(yīng)急上 浮，提高了救援的成功率，這也正是本方案的新穎之 處，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
1 氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案的設(shè)想
氣囊是一種依靠內(nèi)部充入具有一定壓力的氣體， 使得膜面張緊產(chǎn)生張力來抵抗外部載荷效應(yīng)的薄膜 結(jié)構(gòu)。氣囊用在汽車被動安全裝置上(即安全氣 囊),能減緩或隔離沖擊效應(yīng)，降低事故中人員的傷 亡率。氣囊技術(shù)用于船舶下水領(lǐng)域克服了固定式下 水滑道的弊端，發(fā)展成為今天極具靈活性的柔性下水 技術(shù)，具有安全可靠、綜合經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點。目 前正逐步拓展到船舶防撞、沉船打撈、重物搬運、建筑 工程以及氣體、液體運輸、臨時水庫、油庫、浮橋和搶 險救災(zāi)等領(lǐng)域，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景3。
作為潛艇應(yīng)急上浮方案的氣囊，其主要工作過程 如下：當潛艇在下潛深度出現(xiàn)液壓系統(tǒng)失效或受到深 水炸彈的攻擊，引起水平舵失控、操作系統(tǒng)失效或無 響應(yīng)、火災(zāi)、耐壓殼進水等緊急情況時，啟動應(yīng)急氣囊
萬方數(shù)據(jù)
上浮方案；利用潛艇攜帶的高壓氣瓶迅速將氣囊吹 張，憑借氣囊所提供的浮力使?jié)撏軌蚩焖偕细≈磷?nbsp; 救深度；同時向外界發(fā)送救援信號，等待救援的到來。 為了實現(xiàn)這一目標，必須在艇上布置一套完整的系 統(tǒng)。主要包括高壓氣瓶、充氣管路、氣囊、控制和檢測 裝置等。方案流程圖如圖1所示。當潛艇在下潛深 度出現(xiàn)緊急情況時，將危險情況發(fā)給檢測裝置進行評 估，如果僅依靠潛艇自身的壓載水系統(tǒng)可以排除故 障，就不用啟動氣囊應(yīng)急上浮方案；否則打開高壓氣 瓶，對氣囊進行快速充氣，當氣囊體積達到設(shè)定值時， 便停止充氣。
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圖1 氣囊式應(yīng)急上浮方案流程
Fig 1 Flowchart of ballonet emergeney ascend system
1.1 布設(shè)氣囊的個數(shù)
氣囊數(shù)目的確定主要取決于單個氣囊的體積大 小、潛艇的重量、所攜帶壓載水的重量和排水量。假 設(shè)單個氣囊的體積為V。,潛艇的質(zhì)量為m?,壓載水的 質(zhì)量為m?,潛艇的排水量為V。氣囊的個數(shù) n的計 算為：
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式中：p為海水密度；g 為重力加速度。潛艇在上浮過 程中，由于氣囊所承受的背壓在逐漸減小，導(dǎo)致內(nèi)部 氣體的膨脹，最終使得氣囊的體積變大。氣囊體積變 大，氣囊所提供的浮力也變大，因而加快了潛艇的上 浮速度。所以，氣囊的數(shù)量并不是越多越好，要綜合 考慮高壓氣瓶的負重和充氣的時間等因素。
1.2 氣囊的浮力分布設(shè)計
此方案除了保證潛艇能快速地浮出水面以外，還 要確保潛艇在上浮過程中穩(wěn)心在較小的范圍內(nèi)變動， 因此必須對氣囊進行浮力分布設(shè)計。在計算潛艇的 質(zhì)心和穩(wěn)心的前提下，利用力矩平衡得出姿態(tài)控制方 案，使?jié)撏г谒刑幱谄胶馍细顟B(tài)。氣囊體積和位 置的確定要視艇體的具體情況而定， 一般應(yīng)在中部布 置，主要考慮在上浮過程中對潛艇穩(wěn)心的影響。
1.3 高壓充氣系統(tǒng)管路計算[*-
為了便于計算，對高壓系統(tǒng)模型做如下簡化：認 為從高壓氣瓶到充氣管路中氣體的流動為等熵流；高 壓氣體在管路中的流動為有摩擦的絕熱流動；高壓氣體在氣囊內(nèi)的膨脹為絕熱過程。簡化模型如圖2所 示。計算分為3步：首先采用等效長度法對充氣管路 進行等效，其次計算管路的質(zhì)量流量及出人口參數(shù)， 最后根據(jù)氣囊的體積計算充氣時間。
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圖2 高壓系統(tǒng)簡化模型
Fig.2 Simple model of high-pressure charge aystem
1.3.1 管路等效長度計算
在進行等效長度計算時，應(yīng)考慮管路的沿程損失 和局部損失，分別計算各管段的當量長度及等效長 度，進而計算管路的等效長度。計算關(guān)系如下：
(2)
L?=L+l 。 (3) 式中：d為管路當量直徑；A為管路沿程損失系數(shù)；ξ 為管路局部損失系數(shù)；L為管路長度；l? 為當量長度； L?為等效長度。
1.3.2 質(zhì)量流量計算
先計算高壓氣瓶的臨界壓力，然后與氣囊所承受 的背壓(即潛艇所處深度的壓力)相比較，對高壓空 氣的流動是否達到臨界狀態(tài)做出判斷。
(4)
式中：P” 為氣瓶出口處的臨界壓強；P。為氣源壓力。
在等效長度已知的前提下代入下式計算進口處 的馬赫數(shù)：
(5)
式中：M, 為入口處的馬赫數(shù)；k 為絕熱指數(shù)。由于式 (5)計算起來比較困難， 一般采用牛頓迭代法。令
x=M, 則
(6)
牛頓迭代公式：: (7)
先根據(jù)式(4)左邊的數(shù)值，參閱有摩擦的等截面 絕熱流表 B4I?),用插值法得到一個初值，再按照牛頓 迭代法求得入口處馬赫數(shù)的穩(wěn)定值。
1)入口參數(shù)計算
入口音速 C?=√kRT; 。 (11)
2)出口參數(shù)計算
出口壓力 ,(12) 出口溫度 (13)
3)空氣質(zhì)量流量計算
(14)
1.3.3 氣囊充氣時間估算
將潛艇所在深度處的壓力作為氣囊的背壓P, 設(shè)氣囊膨脹所需要的空氣量G, 充氣時間為t。同時 根據(jù)所需要的空氣量以及氣源參數(shù)還可以計算潛艇 應(yīng)該攜帶高壓氣瓶的體積。
P,=pgh, (15)
(16)
(17)
2 潛艇上浮模型的建立
建立潛艇上浮模型，可以得到氣囊的體積、布設(shè) 氣囊的數(shù)量以及上浮到一定深度所需要的時間等參 數(shù)。在潛艇上浮的過程中需要考慮水阻力的影響。 水阻力的計算公式：
(18) 式中：e為水阻力系數(shù)，由試驗測得；p 為海水密度；o 為上浮過程中潛艇的速度；A 為接觸面積。在潛艇上 浮過程中，加速度是逐漸變大的。利用微段分析的方 法，認為在上浮 dh高度的過程中是恒加速運動，參照
勻加速路程計算公式：
(19)
得出上浮 dh 高度的時間 (20)
式中：,為t時刻的速度；a,為t時刻的加速度。潛 艇上浮過程中需要考慮的因素很多，所以計算起來十 分困難。下面以某型深潛救生艇為例，估算它從水下 600 m 深度上浮到水面所需要的時間。
已知其外形尺寸：14.7m×2.6m×3.9m, 艇重 32 t,假設(shè)該艇在水下600m 深處發(fā)生意外，導(dǎo)致艇內(nèi) 全部進水。首先根據(jù)計算所需氣囊的體積：
32 m3。
為了給艇體一個初始的加速度，在艇重心處布置 一個體積為35m3的球形氣囊。把艇體看作是一個 有表面積的質(zhì)點，假設(shè)在上浮過程中各處的速率一 致。采用 MATLAB 編程方法，得到上浮到水面過程 的時間。取水阻力系數(shù)c=2.77×10~”, 忽略氣囊及 其內(nèi)部氣體質(zhì)量的影響，不考慮氣囊表面積對水阻力 的作用，艇體上浮到水面僅需要55.89 s。仿真結(jié)果 如圖3所示。
時 間
圖3 艇體上浮高度隨時間的變化規(guī)律
Fig.3 Submarine ascend height vs time change relation
從這個例子可以看出，氣囊可在較短時間浮起遇 難潛艇。目前壓載水技術(shù)已經(jīng)十分成熟，不可能出現(xiàn) 例子中認為的艇體全部進水情況，所以氣囊應(yīng)急上浮 方案也可作為傳統(tǒng)壓載水系統(tǒng)的一個備用方案，增強 潛艇應(yīng)對危急情況的信心。
3 氣囊應(yīng)急上浮方案與傳統(tǒng)壓載水系統(tǒng)的比較
潛艇壓載水系統(tǒng)的主要任務(wù)是將壓載水注人壓 載水艙或自壓載水艙排出，從而達到潛艇上浮、下潛 等不同狀態(tài)，保持恰當?shù)呐潘?、吃水，維持適當?shù)姆€(wěn) 心高度，減輕艇體振動的目的，是調(diào)整潛艇浮態(tài)的重 要輔助系統(tǒng)。
兩者的區(qū)別主要有以下幾個方面：
1)潛艇的壓載水系統(tǒng)管路復(fù)雜，在壓載水注入 和吹除的過程中，導(dǎo)致能量損失比較嚴重；而氣囊應(yīng) 急上浮方案管路系統(tǒng)較少，能量損失大大減小。
2)壓載水系統(tǒng)大量的壓載水艙占用艇上有限的 空間；而氣囊在不充氣的狀態(tài)下重量輕、體積小、便于 攜帶。
3)壓載水系統(tǒng)儲備浮力可供調(diào)節(jié)的范圍很?。?而氣囊方案可以通過增加攜帶氣囊的個數(shù)大大增強 潛艇的上浮力。
4)壓載水系統(tǒng)布置在潛艇底部，當潛艇發(fā)生意 外傾覆時，它不能正常工作或吹除不徹底。而氣囊在 任何情況下充氣后均能夠自由上浮，充分體現(xiàn)了氣囊 救援方案的優(yōu)越性。
本方案能補充壓載水系統(tǒng)存在的不足，可以作為 壓載水系統(tǒng)的主要備用措施。相信在潛艇技術(shù)飛速 發(fā)展的將來， 一定可以設(shè)計出更加完善的教援方案。
4 結(jié) 語
本方案具體實施有一定的難度和局限性，至少要 突破以下幾個關(guān)鍵技術(shù)：①當前氣囊還不能夠承受 大潛深的水下壓力，有待于新型材料的研制；②高 壓氣體在水下膨脹這一復(fù)雜的過程能否實現(xiàn)預(yù)定的 功能，還有待于進一步研究；③氣囊與艇體的接口 技術(shù)：氣囊提供的浮力越大，氣囊根部與艇體連接處 的受力也就越大，所以接口技術(shù)的突破也是該方案的 主要問題所在；④氣囊外形的優(yōu)化技術(shù)，主要從減 小水阻力方面考慮。所有這些問題的存在為今后的 研究指明了努力的方向。
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聲明：以上有關(guān)船用氣囊和橡膠護舷的資料部分會青島永泰長榮工廠技術(shù)資料，也有網(wǎng)絡(luò)上搜集下載所得，本著氣囊護舷行業(yè)資料共享的精神，我們拿出來分享，如有侵權(quán)，請聯(lián)系0532-84592888刪除，謝謝
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