破损潜艇成功挽回的相对吹除量规律性的研究

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(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

潜艇处于潜航状态下发生舱室进水事故时，可采用多种应急操纵挽回措施，采用高压气吹除潜艇主压载水舱获得浮力以保证潜艇的安全是一种有效的措施。

文中所提出的相对吹除量(P)的概念，即在采用吹除的挽回措施时，能保证潜艇安全上浮的B(停止吹除时产生的浮力)与F(停止吹除时舱室进水所产生的负浮力)之比值。本文将通过建立计算模型、仿真计算、比较计算参数变化对结果的影响来分析相对吹除量P是否存在临界值(Pc)及其规律性的研究问题，以及不同的初始深度、不同进水方式对PC的规律性的影响。

在20世纪90年代中期，船总某研究所在对某型潜艇水下动力抗沉试验研究总结报告中曾提出过相对吹除量的概念并对其规律性进行了初步研究，根据模型试验结果总结了相对吹除量的规律性。作为整个报告的一部分，其对相对吹除量仅研究了一种工况(一舱破损，持续进水)。目前，国内对这个课题的研究很少，因此，对潜艇相对吹除量的研究具有重要意义。

1 潜艇舱室进水情况下应急操纵的数学模型

1.1 潜艇运动基本方程

以DTNSRDC的潜艇六自由度空间运动方程作为操纵运动的基本数学模型，补充了大攻角引起的若干水动力项，建立了考虑大攻角情况的潜艇六自由度空间运动模型[1-4]。

1.2 水动力系数

潜艇运动水动力系数是通过拘束船模的大攻角及螺旋桨变负荷水动力试验确定的[1]。

1.3 舱室进水模型

计算结果表明对各种舱室进水事故，在采取挽回措施后到浮到水面或确定挽回失败时的进水量都远小于耐压舱室容量。因此，发生舱室进水事故时的进水量用自由进水的公式计算：

ρ——海水密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

S——进水孔面积，m2；

μ——流量系数，μ取0.5；

ζ——进水孔的深度，m。ζ=ζ0-xwsinθ,ζ≥0

xw——进水孔位置的纵向坐标，m。

1.4 吹除主压载水舱产生浮力的数学模型

吹除主压载水舱产生的浮力为：

其中主压载水舱的压力变化率为：

式中：At——喷嘴的喷口面积；

C——阀系数，0≤C≤1；

k——等熵常数，取k=1.4；

mb——压载水舱的空气质量，kg；

mf——气瓶中的气体质量，kg；

mf0——气瓶中的初始气体质量，kg；

pa——大气压力，101 023 N/m2；

pb——压载水舱的瞬时压力，N/m2；

pf0——气瓶中的初始压力，N/m2；

pf——气瓶中的压力，N/m2；

pw——瞬时环境压力，N/m2；

R——气体常数287.1，N·m/(kg·K)；

Tb——压载水舱的温度，K；

Tf0——气瓶中的初始温度，K；

Tf——气瓶的温度，K；

Vb——压载水舱的气体体积，m3；

vh——压载水排出速度，m/s。

z——潜艇的瞬时深度，m；

ρ——海水的密度，1 025 kg/m3；

ρf——气瓶中的气体密度，kg/m3；

2 仿真计算

2.1 计算条件设定

2.1.1 初始状态设定

事故发生前，潜艇处于等速无纵倾定深直航状态。具体取：

初始速度 4.0 kn;

初始舵角 方向舵角δr0≈0；

初始首(围壳舵)、尾(升降舵)舵角为δb0≈±5°，δs0≈0°；

初始纵倾角θ0≈0°；

初始横倾角φ0≈0°。

2.1.2 挽回条件设定

潜艇成功挽回操纵的衡准参数必须同时满足下面条件：

深度变化 ΔHmax=max(H(t)-H0)≤100 m

最大深度H(t)max=H0+ΔHmax≤Hmax

式中：Hmax——潜艇极限下潜深度，取值为300 m；

ΔHmax——最大深度改变量，m；

H0——初始航行深度，m；

H(t)——挽回过程中潜艇的深度函数，m；

H(t)max——挽回过程中潜艇的最大深度，m。

2.1.3 破损进水及吹除方式设定

本文只计算首部Ⅰ舱进水情况。进水为在潜艇所处海水静压下的自然流动，都在正常航行10 s后发生：

1) 短时间内能够将艇体破口封堵或破损管路包扎完毕，进水情况可等效为瞬时指定吨数进水影响。

2) 进水源无法封堵或进行有效控制，进水情况可等效为指定破口面积持续进水影响。

吹除首部主压载水舱，吹除开始时机选择在进水发生20 s后动作。

2.2 计算结果

通过对初始条件和吹除方式的设定，用计算机仿真计算得到数据见表1、表2，各工况综合比较见图1。

表1 首部Ⅰ舱瞬时进水

注：表中各进水情况在达到＊标注深度时，挽回过程中H(t)max已超过潜艇极限下潜深度Hmax。

表2 首部Ⅰ舱持续进水

注：表中各进水情况在达到＊标注深度时，挽回过程中H(t)max已超过潜艇极限下潜深度Hmax。

图1 Ⅰ舱进水的Pc-H曲

2.3 结果分析

从计算的结果中可以得出：相对吹除量的临界值(Pc)在不同的进水方式下是具有很强的规律性，但规律性表现不同，即在瞬时进水的情况下Pc的数值不随深度和进水量的变化而变化，基本上收敛于数值0.9；在持续进水的情况下Pc的数值随深度变化而变化，其数值变化近似为深度的一维线性函数，而不同的破口面积的Pc-H曲线近似平行(即各Pc曲线斜率近似相等)，根据计算结果回归后该函数近似为：

Pcon=-8.251 5×10-3H-1.289Ln(S)-2.997 3

式中：Pcon——潜艇持续进水情况的相对吹除量的临界值；

H——潜艇初始深度，m；

S——破口面积，m2。

特别地，当破口面积较大(S>0.03 m2)时，如短时间内可以成功封堵破口，则可以按瞬时进水情况计算；如不能成功封堵，则舱室将在较短时间内全部浸没，而当破口面积S≥0.5 m2时，舱室全浸时间在15 s之内，故此时仅采用吹除的方式是无法成功挽回潜艇的，必须同时采用多种挽回措施，因此得出的回归函数在此情况下也就不适用了。

3 结论

因吹除的过程是受潜艇所处的深度、破口面积、潜艇浮态、航速及主气瓶压力和主压载水舱压力等诸多因素影响，应急吹除的过程是很难进行量化的，也不可能通过直接观测主压载水舱内的水位变化来确定排水量和所产生的浮力。同时，应急吹除也不是吹除的时间越长越好，在很多情况下并不适宜采用对主压载水舱的全部吹除，这主要是考虑到对潜艇的战术要求，而且潜艇上浮的速度过快会导致潜艇的结构损伤，此外，全部吹除会对潜艇的浮态产生不利影响，危及人员和装备的安全。因此，为了确定能够保证潜艇安全的最低吹除时间tmin必须寻求一种可量化的方式并对其规律性进行研究。

Pc是一个衡量潜艇在应急吹除过程中能否保证成功挽回的临界值，由于其具有很强的规律性，通过导出Pc与潜艇初始深度H、破口面积S的函数关系，同时由于P是与吹除时间t构成单调函数关系，且Pc对应于tmin，因此可由Pc推导出最低吹除时间tmin，就可以为潜艇指挥操纵人员在潜艇应急吹除操纵时的决策提供依据，即在知道潜艇初始深度和近似的破口面积的情况下可以直接得出最低吹除时间tmin，具有为实战和训练提供理论依据的现实意义。

本文仅计算了首部Ⅰ舱的进水情况，并没有列举出其他舱室的计算数据，同时，初始航速和潜艇浮态对于相对吹除量的计算也是有一定影响的，但进一步计算的工作量将非常大，其他工况的P-H关系近似于Ⅰ舱的规律性，只是随初始参数不同，数值有所变化，其规律性还可以作进一步的研究。

[1] 金 涛.潜艇在舱室进水条件下的应急操纵[R].武汉：海军工程大学,2007.

[2] 刑继峰,林俊兴,戴余良.潜艇操纵[M].武汉:海军工程大学出版社,2003.

[3] 浦金云.舰艇生命力论证[M].武汉:海军工程学院出版社,1991.

[4] 袁赣南,赵 琳,刘 鹰.潜艇损管应急操纵的运动仿真[J].船舶工程,1998，49(4)：22-24.