潜艇发射武器后舱室压力变化特点和规律研究

蒋兵兵, 刘勇志, 逄洪照



潜艇发射武器后舱室压力变化特点和规律研究

蒋兵兵, 刘勇志, 逄洪照

(海军潜艇学院 学员3队, 山东 青岛, 266044)

为了研究潜艇发射武器后舱室气压变化对艇员健康的影响, 基于潜艇武器发射装置的基本原理、气体状态方程和气压传动理论, 建立了舱内气压变化的方程。通过仿真, 详细分析了武器发射后舱室压力变化的特点和规律, 指出了不同条件下发射武器会对人体健康造成不同程度的影响, 并结合人体生理学和防护理论, 给出了气压控制的建议。

武器发射装置; 潜艇; 舱室压力; 人体生理学; 气压控制

0 引言

潜艇大多采用有源方式发射武器, 发射工质是压缩气体。发射前, 工质贮存在发射气瓶内; 发射时, 打开发射气瓶的控制装置, 压缩气体按一定的规律进入发射管内, 建立抛射压力, 作用在武器上, 将武器推出发射管。为保持潜艇发射武器时的隐蔽性和操纵性, 应适时地将发射管内的废气和定量海水回收到舱内。回收气体会对舱内的气压产生一定的影响, 尤其是多枚武器齐射时, 舱内的气压明显升高, 将影响到舱内人员尤其是操作人员的身体健康。目前关于舱内气压变化的研究比较有限, 多数只关注最终的气压变化值, 对舱内气压变化的具体过程和规律研究较少。本文研究武器发射后舱内气压的变化规律, 并提出有效的防护措施, 对于改善舱室操作条件、保障官兵身体健康具有一定的意义。

1 武器发射后舱室气压变化

将发射工质视为理想气体, 由于高压气在武器发射前后几乎没有损失, 可以不考虑中间过程, 只考虑系统的初始状态和终了状态, 便可得出舱室最终的压力。

考虑到高压气瓶放出的气体最终全部排放到舱室内, 则

2 发射管内压力变化过程分析

潜艇发射武器, 可将气体变化分为2个过程, 一是高压气直接或间接地将武器推出发射管, 这是一个气体膨胀对外做功的过程; 二是回收气体排放到舱室的过程, 在此过程中回收气体还受到海水压力的作用。

发射武器时, 由于高压气膨胀对武器做功, 气体的压力降低, 同时温度也会急剧下降, 在短时间内, 气体和环境又发生热交换, 从而使气体的温度上升, 气压也随之升高。由此可知, 这一过程既不能完全视为绝热过程, 也不能完全视为等温过程, 应将其视为一个多变过程。有下式成立[2]

图1 管内压强随n值的变化曲线

图2 管内温度随n值的变化曲线

3 发射单枚武器时舱室压力变化分析

需要注意的是, 气体在流动时受到节流作用,取决于收缩系数[4]。

由于气体在向舱内流动的过程中, 另一端一直受到海水压力的作用, 可以将气压看成是恒定的, 即为海水静压力, 因此这一过程可以看成是恒定压力源向舱室充气的过程, 可以得出舱内气压变化的规律。由于舱室气压变化不会太明显, 因此海水压力一直远高于舱内气压, 满足式(1)的情形。

气体排放到舱室的时间可由下式确定

综合可知, 舱内气压的上升近似为线性, 气压上升时间即“放气时间”, 与泄放阀截面积有关。仍以某型潜艇为例, 在某条件下发射单枚武器, 放气时间与泄放阀截面积的关系如图3所示。

图3 放气时间随泄放阀半径的变化曲线

从仿真结果看, 为了保证舱室内各系统尽快恢复原状, 放气时间不应太长, 因此泄放阀的半径不应太小。而另一方面, 若发射管内的气体过快排放到舱内, 则会导致舱内气压上升过快, 对人体健康造成较大损害。图4反映的是舱室平均压力变化率随放气时间的变化规律。

图4 压强变化率随放气时间的变化曲线

由相关文献可知, 因外界气压的快速升高造成的负压对人耳的损伤最明显。当负压达到8~24.9 kPa左右时, 达到痛觉阈值。镜检可见到鼓膜出血。负压达到10.67~28.2 kPa左右时, 即使运用强有力的通气办法, 也难以冲开耳咽管的紧闭部位。当负压达到21.3 kPa以上时, 有可能发生鼓膜穿孔[5]。

另外, 对中耳造成严重危害的是增压变化率。确定增压速度的具体数据, 应兼顾绝对值与积累时间。绝对值虽不高, 在中耳里的累积值也会达到疼痛阈值。试验证实[6], 增压变化率在0.26~0.70 kPa/s范围内, 耳痛的产生与压力变化并无直接关系, 而是与中耳腔负压的累积程度直接相关。以0.67 kPa/s的变化率为例, 如果耳咽管处于关闭状态, 经12 s就会在中耳腔内造成8 kPa的负压, 对多数人来说, 该值为疼痛阈值。按国家“座舱压力制度生理要求”标准, 座舱增压率的最佳值小于0.06 kPa/s, 高限值小于0.67 kPa/s。潜艇舱内人体承受的压力可以参考这一数值。

从图4可以看出, 为了满足小于0.67 kPa/s这一变化速度, 要求放气的时间不小于7.6 s, 否则就可能损害多数操作人员的身体健康。

4 发射多枚武器时舱室压力变化分析

发射多枚武器时, 舱内气压变化比单雷发射时更复杂。由前文所述, 放气时间要求相对较长, 则齐射时可能出现放气过程叠加的情况, 即只要齐射间隔时间小于放气时间, 都不可避免地出现气体增压叠加的情况, 甚至出现多次叠加的现象, 导致舱室压力变化率和舱室累积增压过大, 严重损害人体健康。因此, 齐射时更应该注意舱室压力的控制。

以某型潜艇短时间发射全部武器为例, 设某条件下发射单枚武器回收气体时间为7.6 s, 参考不同的发射间隔时间, 通过仿真可得出舱内平均压力变化曲线如图5所示。

图5 不同齐射间隔时间的舱室压力变化曲线

由图5可以看出, 由于增压叠加现象的出现, 原定7.6 s的放气时间已经不能满足人体健康要求, 因为叠加之后, 舱内增压的速度增加, 超出了0.67 kPa/s的高限值。若要避免叠加, 则要求缩短放气时间或增加齐射间隔时间, 显然这都是不合适的。另一方面, 为了保持潜艇的操纵性, 发射管内的废气必须及时回收。

一个可行的办法是使从发射管内回收的气体经过适当缓冲后有控制地进入舱室, 从而增加放气时间, 让放气过程在叠加的情况下不至于超过高限值。目前回收气体排放到舱室虽经过缓冲, 但不能控制气体排放到舱内的时间, 可以改进相关装置, 控制气体流出的时间。

另一方面, 由图5可以看出, 发射武器过多时, 累积增加压力也超过了鼓膜损伤的负压上限值, 这种情况是要尽量避免的。在必须发射较多武器时, 应该保证舱室之间的气体流动, 使气体及时排到其他舱室, 从而避免武器舱的累积增压过高。

实际上, 舱室各处的压力变化并不是同时的, 局部区域, 例如排气口处的瞬时压力可以达到很高, 其他位置气压峰值则相对较低, 研究瞬时压力峰值的变化规律是必要的。假设压力在各个方向均匀传播, 可以得到瞬时压力峰值与排气口距离之间的关系, 仿真曲线如图6所示。

图6 不同位置处的瞬时压力峰值曲线

由图6可以看出, 在排气口处的气压是非常高的, 因此人要避免接近排气口, 应该与之保持一定的距离。可以看到, 当距离3 m时, 瞬时气压峰值已经较小了。事实上, 由于排气口不会在正中央, 也不会正对操作人员, 瞬时压力不会像各向均匀传播那样大, 因此适当调整排气角度, 可以使上述距离条件放宽。若考虑将排气口方向背对操作人员, 则人体感受到的瞬时压力峰值则将大大减小, 与平均压力的峰值相差不大, 这对人体健康是有利的。

5 结论和建议

通过分析可以得出以下结论和建议。

1) 回收气体排入舱室的时间不应过快, 可改进舱内相关装置, 根据不同的发射条件, 有针对性地控制排气时间;

2) 发射多枚武器时, 在保证不影响作战效能的情况下, 要进一步延缓放气时间, 防止气压升高过快;

3) 排气口的方向应尽量朝向艇艏, 背对操作人员, 操作人员也应远离排放口, 避免瞬时压力冲击过大;

4) 发射武器, 尤其是发射多枚武器时, 在条件允许的情况下, 应适时打开通风插板, 加强舱室通风, 使回收气体及时流通到其他舱室;

5) 平时应有针对性地加强防护训练, 使操作人员在特殊情况下能有效地将增压对身体造成的影响和损伤降到最低。

[1] 张三慧. 大学物理学第2册: 热学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999.

[2] Douglas J F, Gasiorek J M, Swaffield J A. 流体力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1992.

[3] 郑洪生. 气压传动[M]. 北京: 机械工业出版社, 1981.

[4] 维塞特W G, 小克鲁格G H. 物理气体动力学引论[M]. 北京: 科学出版社, 1978.

[5] 陈信, 袁修干. 人-机-环境系统工程生理学基础[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2000.

[6] 贾司光. 航空航天缺氧与供氧: 生理学与防护装备[M]. 北京: 人民军医出版社, 1989.

Air Pressure Variation in Submarine Cabin after Launching Weapon

JIANG Bing-bing, LIU Yong-zhi, PANG Hong-zhao

(Team 3, Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, China)

To understand the influence of air pressure variation in submarine cabin on human health after launching weapon, a formula for calculating air pressure variation in submarine cabin is derived according to the basic principle of submarine weapon launcher, the air state formula and the air pressure transmission theory. The feature and rule of the air pressure variation after launching weapon is investigated via simulation, and the harmful influence of air pressure variation on human health is analyzed. In addition, a suggestion about air pressure control is offered on the basis of physiology and human protection theory.

weapon launcher; submarine; air pressure in submarine cabin; physiology; air pressure control

TJ635; TB125

A

1673-1948(2012)04-0317-04

2012-06-12;

2012-06-15.

蒋兵兵(1987-), 男, 在读硕士, 主要从事潜射武器水下发射技术研究.

(责任编辑: 陈 曦)