潜艇舱室破损时的定深操纵运动仿真分析

丁风雷，张建华，王顺杰

(海军潜艇学院，山东 青岛266042)

潜艇舱室破损时的定深操纵运动仿真分析

丁风雷，张建华，王顺杰

(海军潜艇学院，山东 青岛266042)

潜艇水下发生舱室破损事故后，操纵潜艇使其在某一较浅深度定深航行是一种非常重要的动力抗沉手段，对保持潜艇的水下隐蔽性意义重大。基于潜艇垂直面运动非线性方程，对潜艇首、中、尾部舱室分别发生破损时的定深操纵运动进行仿真，分析潜艇在上浮及保持深度过程中的运动特性，并提出相应的高压气应急使用方法。

潜艇;舱室破损;定深航行;高压气

0 引言

潜艇以其良好的隐蔽性和强大的突击威力，已成为各国海军重点发展的武器装备之一。然而，各式各样的探潜器材和攻潜武器也在不断地发展更新。未来海战场上，潜艇在水下作战过程中，很可能会受到鱼雷或其他武器的攻击而导致舱室破损进水，且由于海面存在敌情，潜艇不能上浮至水面进行损害管制，而只能控制其在既不会被敌方兵力目力发现，又不会与水面船只发生碰撞危险的最小可航行深度保持定深航行。因此，研究潜艇在破损情况下的定深操纵运动特性以及操纵控制方法则显得尤为必要。

1 潜艇操纵运动数学模型

潜艇舱室破损后，进水将导致垂向上力的平衡关系被破坏，从而产生负浮力使潜艇下沉。随着进水量的增多，下沉速度还将迅速变大。因此，当潜艇水下发生破损进水事故时，首要任务为损管堵漏，同时还应采取有效措施使潜艇获得垂直向上的力，令其达到新的受力平衡。产生该力的方法主要为操舵产生的舵力以及高压气吹除主压载水舱所产生的正浮力。

1.1 潜艇空间运动数学模型

潜艇应急上浮过程中，其运动规律表现出较强的非线性，因此需采用垂直面上的非线性运动方程［1］以精确地描述潜艇的应急上浮运动规律。其中，所采用的坐标系和符号意义见文献［2］和文献［3］。

1.2 高压气吹除系统数学模型

1.2.1 高压气吹除系统工作原理

高压气吹除系统是潜艇应急起浮系统的重要组成部分，包括正常吹除、应急吹除和短路吹除等工作方式。其基本工作原理是利用储存在高压气瓶里的压缩空气，通过连接到各个压载水舱管路，将压载水舱里海水排出，使潜艇获得正浮力而上浮。本文将目标潜艇上用于吹除的高压气瓶等效成一个大高压气瓶，管系等效成一个管路［4］。

1.2.2 主压载水舱供气吹除数学模型

高压气吹除主压载水舱的理论数学模型可表征如下［5］：

式中：各子式分别为高压气瓶气体流量、气瓶气体等熵流动、压载水舱中气体体积变化、压载水舱水位变化和压载水舱绝热膨胀方程;mB为流入压载水舱中高压气的质量;K=1.4;R=187 J/(kg·K);F(h)为压载水舱面积函数;μ为通海阀流量系数;P0为水舱外背压。

2 仿真分析

在定深控制过程中，应把握好车、舵、气之间的密切配合，努力控制潜艇快速、平稳地上浮至预定深度。为防止频繁操舵暴露潜艇，升降舵可采用自动控制工作方式［6］。

仿真条件：潜艇正常装载，初始速度4 kn，初始深度100 m，海区水深600 m，选择定深航行的目标深度为50 m，假设破损发生后120 s堵漏完毕，挽回过程中升降舵为自动工作方式。

2.1 首部舱室破损

1)潜艇Ⅰ舱破损，破损面积0.01 m2。采取措施为：增速至12 kn，向首组主压载水舱供气，潜艇纵倾和深度变化曲线如图1所示。

2)潜艇Ⅰ舱破损同时2号主压载水舱破损，Ⅰ舱破损面积0.01 m2。采取措施为：增速至12 kn，向1号主压载水舱供气，潜艇纵倾和深度变化曲线如图2所示。

图1 潜艇Ⅰ舱破损0.01 m2时的定深控制仿真曲线Fig.1 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅠis broken with a hole of 0.01m2

比较图1和图2可知，由于在相同时间内，单独吹除1号主压载水舱可以产生比吹除首组主压载水舱更大的尾倾力矩，因此，若潜艇Ⅰ舱破损，则仅向1号主压载水舱供气能够比同时向首组主压载水舱供气更快地到达目标深度，其纵倾也更容易保持。

2.2 中部舱室破损

1)潜艇Ⅲ舱破损，破损面积为0.03 m2。采取措施为：增速至12 kn，向4，5，6，7号主压载水舱供气，潜艇纵倾和深度变化曲线如图3所示。

图3 潜艇Ⅲ舱破损0.03 m2时的定深控制仿真曲线Fig.3 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅢis broken with a hole of 0.03 m2

2)潜艇Ⅳ舱破损，破损面积为0.03 m2。采取措施为：增速至12 kn，向4，5，6，7号主压载水舱供气，潜艇纵倾和深度变化曲线如图4所示。

比较图3和图4结果显示，潜艇中部舱室破损，如果能迅速组织损管控制住进水，则通过向4，5，6，7号主压载水舱供高压气，平衡进水产生的负浮力，在PID自动舵的作用下可以使潜艇平稳上浮至目标深度并进行定深控制。且由于Ⅲ舱和Ⅳ舱距离船重心较近，在上浮至目标深度的过程中均不会产生大的纵倾。

2.3 尾部舱室破损

1)潜艇Ⅴ舱破损，破损面积为0.03 m2。采取措施为：增速至12 kn，向6，7，8号主压载水舱供气，潜艇纵倾和深度变化曲线如图5所示。

图4 潜艇Ⅳ舱破损0.03 m2时的定深控制仿真曲线Fig.4 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅣis broken with a hole of 0.03 m2

图5 潜艇Ⅴ舱破损0.03 m2时的定深控制仿真曲线Fig.5 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅤis broken with a hole of 0.03 m2

2)潜艇Ⅶ舱破损，破损面积为0.03 m2。采取措施为：增速至12 kn，向7，8，9，10号主压载水舱供气，潜艇纵倾和深度变化曲线如图6所示。

图6 潜艇Ⅶ舱破损0.03 m2时的定深控制仿真曲线Fig.6 The fixed-depth controlling emulational curves when submarine's cabinⅦis broken with a hole of 0.03 m2

图5与图6的仿真结果表明：潜艇尾部舱室发生破损时，若破损面积较小，则采取上述措施控制潜艇定深航行，能够取得较好的控制效果。其中，由于Ⅶ舱净容积较小，在假设前提下，仅需60 s左右时间海水即可将舱室注满。因此，为减小损失，在上浮至目标深度的过程中，可视情向舱室内释放一定量的高压气，造成反压力以减少进水，同时还应向其临舱供一定量高压气以支顶隔板。

3 结语

通过对不同舱室破损进水后的定深控制运动特性进行仿真分析，可得到如下结论：

1)若潜艇舱室破损面积较小，则均可以采用自动舵和高压气控制潜艇在预定深度定深航行;

2)在以定深航行为目标的抗沉过程中，高压气的作用主要是均衡进水产生的负浮力以及不平衡力矩，而不是与应急浮起时一样，为了提供使艇快速上浮的正浮力;

3)形成有利尾倾，同样有助于潜艇快速上浮至目标深度，但在向首部主压载水舱供气产生尾倾力矩时，供气量不宜过多，否则潜艇将无法在预定深度保持定深航行。

［1］徐亦凡．潜艇操纵原理与方法［M］．北京：兵器工业出版社，2002．

XU Yi-fan．Controlling principle and method of submarine［M］．Beijing：Weapon Industry Press，2002．

［2］施生达．潜艇操纵性［M］．北京：国防工业出版社，1995．

SHI Sheng-da．Controlling properties of submarine［M］．Beijing：National Defense Industry Press，1995．

［3］刘辉，浦金云，金涛，等．破损潜艇应急起浮操纵控制研究［J］．海军工程大学学报，2009，21(1)：97 －100．

LIU Hui，PU Jin-yun，JIN Tao，et al．Maneuver and control of flooded submarine emergency surfacing［J］．Journal of Naval University of Engineering，2009，21(1)：97 －100．

［4］BYSTROM L．Submarine recovery in case of flooding［J］．Sspa Highlights，2003(3)：6 －8．

［5］刘辉，浦金云，金涛．潜艇高压气吹除主压载水舱系统模型研究［J］．舰船科学技术，2010，32(9)：26 －30．

LIU Hui，PU Jin-yun，JIN Tao．Research on system model of high pressure air blowing submarine's main ballast tanks［J］．Ship Science and Technology，2010，32(9)：26 －30．

［6］郝英泽，胡坤，刘百顺．潜艇水下破损定深操纵方法仿真研究［J］．船海工程，2010，39(2)：111 －113．

HAO Ying-ze，HU Kun，LIU Bai-shun．Simulation research aboutunderwaterdamaged submarine's manipulative method in fixed depth［J］．Ship and Ocean Engineering，2010，39(2)：111－113．

The simulation and analysis of the fixed-depth motion when submarine's cabin damaged

DING Feng-lei，ZHANG Jian-hua，WANG Shun-jie
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China)

Controlling submarine to navigate at a fixed-shallower depth is one of important dynamic anti-sinking measures when the cabin of submarine is broken，and it has great significance to keeping the underwater covertness of the submarine．Based on nonlinear equations of submarine in vertical-plane movement，fixed-depth controlling motion of submarine with the fore cabin，the middle cabin or the stern cabin respectively broken is simulated．The motion characteristics of submarine in the process of floating and depth keeping are analyzed，and the corresponding emergency using measures of high-pressure gas are given．

submarine;cabin broken;fixed-depth navigation;high-pressure gas

U674．76

A

1672－7649(2014)06－0038－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.007

2013－10－16;

2014－03－28

丁风雷(1973－)，男，硕士，讲师，主要从事潜艇操纵与运动仿真方面的教学与研究。