一种新型潜航器应急救生装置——爆涨式气囊工作原理初探

徐峻楠，魏 岗，杜 辉，武军林



一种新型潜航器应急救生装置——爆涨式气囊工作原理初探

徐峻楠，魏 岗，杜 辉，武军林

（国防科技大学气象海洋学院，南京 211101）

针对潜航器遭遇大幅度掉深险情，探讨了一种爆涨式气囊装置工作原理，通过对潜航器在大振幅内波环境中运动状态分析，提出了应急救生装置所需固态气体发生剂的最小体积及估算方法，以及爆涨式气体发生器及气囊结构的基本原理；确定了选择具有产气率高、气体产物温度低和无毒材料作为气体发生剂，以及耐腐蚀、柔韧性高和耐温高材料作为气囊材料的基本原则。应用分析表明：与传统潜航器应急救援手段相比，新型爆涨式气囊装置具有操作简单、可靠性高以及发挥作用快等优点。

潜艇救生 爆涨式气囊 大幅掉深 海洋内波

0 引言

自二战后期，潜艇非战斗海损已超过百余起，致使大量人员伤亡[1]，据统计，主要原因来自潜艇内部火灾、与其它结构物碰撞以及无法承受大深度海水压力导致破损等。层化海洋中的海水流动受地形影响可产生内孤立波，已观测到的这类内波振幅高达180米[2]。当潜艇巡航穿越内波时，由于海水密度突然变化可引起潜艇大幅掉深，若掉深距离超过其最大设计深度，可导致耐压壳破裂进水从而引发灾难性事故，海洋内波已成为当今潜艇非战斗海损的重要诱因之一[3]。例如，1963年美国海军Thresher号和1969年以色列海军Darker号潜艇失事，以及近期中国海军某潜艇遭遇内波事件，均造成人员和装备的重大损失。因此，开发潜艇应急救生的有效装置历来是各国装备技术领域研发的重要课题之一。

目前，对于潜艇救援主要采取两种方式：外部救援和潜艇自救。外部救援是利用深海救援装备对潜艇内部被困人员进行紧急救生，例如，美国的深潜救生艇Mystic号、Avalon号以及印度的援潜舰Ins nireekshak号等[1]。潜艇自救是指通过一系列操作使潜艇脱离险境，例如潜艇掉深时，可采取排出平衡水舱积水、加速航行提高舵效以及高压排气等措施，以达到促使潜艇迅速上浮的目的；此外，还包括艇员单人或集体逃离失事潜艇等形式[4]。然而，上述两种救援方式都有其局限性，外部救援需要对事故潜艇进行准确定位，并在潜艇破损或艇内氧气含量降低至一定浓度前完成救援，其实际操作过程难度也相当大；潜艇自救是在潜艇动力系统未被破坏的前提下，其开始操作至发挥作用之间的耗时会较长，而采取艇员脱离潜艇的方式局限于下潜深度较小的情形。

基于上述，本文尝试提出一种新型潜航器应急救生装置工作原理——爆涨式气囊装置，包括甄选气囊材料和气体发生剂，以及初步设计气体发生器结构、控制系统原理以及与潜艇的连接方式，以期为潜航器遭遇大幅掉深险情提供一种更加有效的应急救生手段。

1 基本模型

-和+分别是下面方程的两个根

由方程（5）得到界面波动情况，如图1所示，下凹形内孤立波会引起层化海水密度分界面大幅度波动，使得上下层流速呈剪切状，波前为下沉流，波后为上升流。当潜航器在下层流体航行遭遇此内孤立波时，由于较大水深范围内密度骤降导致潜航器浮力骤减，同时由于垂向流速场作用，可引起潜航器在短时间内产生大幅掉深[6]。为方便叙述，图中标出的0、H和c分别为潜航器在启动救生装置、下沉速度降为零和最大设计深度的水深位置，其中最大设计深度为潜航器的破损深度[7]。

图1 潜航器遭遇大振幅内孤立波的掉深示意图

现以排水体积1的潜航器为例，分析爆涨式气囊在其遭遇内孤立波时克服大幅掉深的救生原理。假设潜航器在密跃层下方航行，对应海水密度为2，其约化重力的作用为

当潜航器进入大振幅内孤立波时，其在密度为1的海水中会迅速产生掉深，此时爆涨式气囊救生装置启动。假设气囊打开后体积变化近似为等温过程，其在潜航器掉深过程中所能提供的上升浮力为

式中，0为标准大气压，=()为掉深过程中潜航器的位置，2为气囊打开时的体积。则确保潜航器掉至最大设计深度前浮力恢复应满足的条件为

式中，1为潜艇速度降为零时所需时间，0为气囊打开时潜艇的下沉速度。

为估算应急救生装置中气体发生剂的最小体积，可通过方程（8）~（10）确定气囊体积2，再根据气体状态方程求得气囊内气体物质的量

2 爆涨式气囊装置工作原理

潜航器应急救生爆涨式气囊装置主要由三部分组成：气体发生器、气体发生剂和气囊。当装置启动时，气体发生器将瞬间点燃气体发生剂，所产生的气体迅速为气囊充气，继而为潜航器提供上升浮力。

2.1基本结构

1）气体发生器

图2为气体发生器的结构示意图，包括控制系统、产气室、助燃室、过滤室及筛网、轮毂式增强肋以及排气孔等。气体发生器工作时，由控制系统触发助燃室中的助燃剂，进而引发气体发生剂化学反应生成大量气体，通过滤室滤去残渣，之后进入气囊。

图2 气体发生器结构

为避免潜航器因损伤而影响爆涨式救生装置正常启动[8]，装置的控制系统独立于潜航器设计，其工作方式既可由无线设备主动触发也可由压强传感器被动触发，具体过程为：1）信号接收器接收到启动信号后将其传至控制中心，控制中心通过信号发射器发出指令信号，同时启动电子点火器触发爆涨充气；2）压强传感器将测得的压强信号实时传入控制中心，根据艇内压强()变化估算潜航器掉深位置和掉深速率，即

再由方程（10）决定应急装置的启动。图3为控制系统工作原理示意图。

2）气体发生剂

气体发生剂通常选择在短时间内能产生大量气体的固态化学物质，表1给出了几种常用气体发生剂及其属性。

表1中各气体发生剂的主要特点如下[9-11]：Ｎ－脒基脲二硝酰胺盐在温度500 K附近迅速分解，并随温度升高分解速度降低；叠氮化钠具有燃温低、燃速高和成本低等特点，有剧毒；六硝基六氮杂异伍兹烷具有产气率高、气体产物温度低（小于322 K）等特点，配方对应的混合物密度为1.73 g/cm3；偶氮二甲醚二硝酸盐具有燃速高、燃温低和气体产物无毒无腐蚀等特点。根据表1中气体发生剂属性及特点，本文推荐使用六硝基六氮杂异伍兹烷作为爆涨式应急救生装置的气体发生剂。

3）气囊

气囊用于迅速收集和储存气体发生剂所产生的大量气体置，充气气囊可为潜航器提供必要的上升浮力[12]。由于深水压强大、气体产物温度高，气囊材料需要选择具有强度高和耐高温属性的材料，同时还应具有耐腐蚀和柔韧性高等特点。表2比较了几种高分子材料的强度属性[13-15]。

表中芳纶12的纤维束丝拉伸强度最高，同时具有耐腐蚀、柔韧性高以及耐温达500℃等特点，可选择作为爆涨式气囊的理想制作材料。为加强纤维束丝编织结构在高压环境中的密封性，气囊可采用三层结构设计，其中内外两层采用芳纶12材料，中间层采用橡胶材料。内层可起到隔热和隔离杂质的作用，外层主要承载内部压力，中间层可加强气囊的密封性。表3给出了部分耐温性较好的橡胶材料。

表1 常用气体发生剂属性

表2 高分子材料强度属性

表3 各种橡胶耐热性质

表中硼硅橡胶在其最高耐温条件下可持续工作数小时，建议爆涨式气囊中间层采用此类橡胶材料。

2.2设置与安装方式

爆涨式气囊应急救生装置与潜航器的连接采用嵌入式铰接方式，救生装置启动后，为保持潜航器上升过程中的平稳性，可对不同排水吨位的潜航器采用单装置、双装置或多装置等设置方式，分别在潜航器重心位置或围绕重心平衡位置进行设置安装，如图4所示。

图4 救生装置设置与安装方式

3 应用分析

现以我海军某潜艇在遭遇海洋内孤立波时实际记录随时间的掉深距离为例（http://news.qq.com/a/20141217/059754.htm），如表4，分析爆涨式气囊所需固态气体发生剂的最小体积，以此说明新型潜航器应急救生装置的可适用性。

表4 某潜艇随时间掉深距离记录

对应拟合曲线如图5所示。由上式可计算出潜艇掉深时的平均下沉加速度0.0024 m/s、初始下沉速度0.0410 m/s和极限潜深处下沉速度0.905 m/s，再由方程（7）可推算出当时跃层上下海水密度比1/2=0.9997。

其次，分析相同海洋环境和潜艇运动状态下，若采用爆涨式气囊装置所需要的气体发生剂最小体积。

图5 潜艇深度与时间关系

设潜艇在极限潜深位置处启动爆涨式气囊装置，此时，0=300 m和0=0.905 m/s。若假设充气气囊保持体积不变，可计算提供所需浮力的气囊最小体积，再根据气体状态方程进行修正，由方程（7）~（10）估算所需充气气囊的最小体积为

（14）

已知该潜艇体积1=3000 m3，H*取为极限潜深的1.2倍，即H*=360 m，由此可计算出2=3.35 m3。取气体产物的平均摩尔质量g=29 g/mol，再由方程（11）和（12）可计算出所需要的气体发生剂最小体积约为0.076 m3。

上述分析表明：在密度变化极小（约为0.03%）的海洋分层环境中，当潜艇遭遇大振幅内波时，其安全性也可能面临巨大的威胁；新型爆涨式气囊装置可有效应对潜艇遭遇内波时的大幅度快速掉深险情，所需气体发生剂体积与潜艇体积之比极小，仅为(10-2)m3，对目前潜艇结构及其它特性的影响均可忽略。

4 结论

本文基于对大振幅海洋内波特征及其对潜航器大幅掉深影响分析，提出一种新型潜航器应急救生装置——爆涨式气囊的工作原理，其主要特点如下：

1）以潜航器由极限潜深沉至最大设计深度为最后应急救生距离，建立了爆涨式气囊最小体积及所需气体发生剂最小体积的估算方法；

2）提出了新型爆涨式器囊的基本结构、工作原理以及与潜航器连接方式，它由气体发生器、气体发生剂和气囊三部分组成，气体发生器触发气体发生剂，爆涨气体迅速进入气囊，进而为潜航器提供浮力；确定了选择具有产气率高、气体产物温度低和无毒材料作为气体发生剂以及耐腐蚀、柔韧性高和耐温高材料作为气囊材料的基本原则，建议选择CL-20作为气体发生剂，以及芳纶12和硼硅橡胶作为气囊材料。

3）新型爆涨式气囊独立于潜航器设计与安装，正常工作不受潜艇是否丧失动力之影响且可靠性高；采用自启动和遥控启动方式使得操作安全简单；利用气体发生剂爆炸反应进行充气不仅速度快且发挥作用时间短。

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A New Emergency Life-saving Device for Submerged Vehicles——A study on the operational principle of explosive airbag

Xu Junnan, Wei Gang, Du hui, Wu Junling

(College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, Jiangsu, China)

U667.6

A

1003-4862（2018）02-0008-05

2017-11-20

国家自然科学基金（11072267，11472307）；国防预研基金（KYQYZXJK150019）

徐峻楠（1995-），男，在读硕士。专业方向：分层流体中水动力学研究

魏岗（1962-），教授，博士生导师。E-mail:weigangweigang12@163.com