（華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系 保定 071003）

1 引言

潛艇環(huán)境是一個(gè)封閉的空間，大多數(shù)時(shí)間在水下航行，水下的這種特殊環(huán)境也決定了潛艇空間的特殊性。為提高潛艇的水下續(xù)航力，保證持續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間，要求盡可能長(zhǎng)時(shí)間的使?jié)撏Лh(huán)境接近大氣環(huán)境。

潛艇環(huán)境復(fù)雜，噪聲源多，空氣污染嚴(yán)重，人體呼吸、口腔飛沫、皮膚代謝以及艇內(nèi)各種設(shè)備及設(shè)施，如蓄電池、機(jī)電設(shè)備、空調(diào)、廚房、衛(wèi)生間等都會(huì)排放污染物，此外，潛艇艙室密閉且面積狹小，主推進(jìn)電機(jī)、輔機(jī)如空調(diào)機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、泵等機(jī)械設(shè)備工作的發(fā)熱量大，艙內(nèi)溫濕度過(guò)高。研究潛艇聲隱身技術(shù)，做好降噪處理，探索污染物控制方法，以及進(jìn)行舒適性研究，對(duì)潛艇環(huán)境的改善和作戰(zhàn)能力的提高具有重要意義。

2 潛艇噪聲問(wèn)題研究現(xiàn)狀及建議

潛艇水噪聲主要由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲組成，低速航行時(shí)潛艇的機(jī)械噪聲，如主機(jī)、泵、管內(nèi)流動(dòng)的液體等，引起艇體表面向水中輻射水噪聲。中、高速航行時(shí)，螺旋槳噪聲通過(guò)艇體振動(dòng)、水流軌跡、艇體接觸和表面反射傳遞至聲納影響其自噪聲。高速航行時(shí)，艇體周圍產(chǎn)生湍流，與湍流邊界層相關(guān)的波動(dòng)壓力向水中輻射噪聲，并激起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲［1］。潛艇主要噪聲源的傳播示意圖，如圖1所示。

圖1 潛艇主要噪聲源傳播示意圖

2.1 研究現(xiàn)狀

2.1.1 機(jī)械噪聲

有效控制機(jī)械噪聲是實(shí)現(xiàn)潛艇安靜化的首要環(huán)節(jié)，其控制方法有多種，為了降低艇體的機(jī)械振動(dòng)，普遍從設(shè)備選用和布置、敷設(shè)阻尼材料、減小共振、吸聲和隔聲處理等方面入手進(jìn)行研究。機(jī)械噪聲的主要控制方法，包括通過(guò)輸入激勵(lì)力來(lái)預(yù)測(cè)潛艇水下輻射噪聲，機(jī)械設(shè)備相對(duì)集中布置以及采用浮筏隔振裝置等［2］。又可采用磁致、壓電等智能作動(dòng)器制作有源隔振元件，代替體積龐大的浮筏等被動(dòng)減震器［3］。噪聲的主動(dòng)控制在低頻信號(hào)時(shí)的減震效果要優(yōu)于被動(dòng)控制，其原理如圖2所示［4］?？梢?，這些方法并沒(méi)有從艇體本身進(jìn)行研究。

2.1.2 螺旋槳噪聲

圖2 主動(dòng)隔振示意圖

螺旋槳噪聲是螺旋槳產(chǎn)生的湍流、以及槳葉、軸系等機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲，可以根據(jù)不同的頻譜將其從噪聲源中分離出來(lái)。航速一定時(shí)，螺旋槳噪聲隨深度增加而降低；深度一定時(shí)，隨航速增加而增加［5］。為達(dá)到降噪目的可深入研究能承受大比壓且具有自潤(rùn)滑功能的水潤(rùn)滑軸承材料［6］?？刂茖?dǎo)流管的振動(dòng)也能夠降低艇體尾部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，導(dǎo)流管的結(jié)構(gòu)圖及振動(dòng)變形圖如圖3所示［7］。汪永茂等根據(jù)施工建造中的實(shí)例，控制變形和防腐等，制作了一種3530kW（4800HP）拖船導(dǎo)流管，獲得了理想的效果［8］。此外，螺旋槳空化噪聲也是主要的噪聲源之一，螺旋槳臨界空化速度的理論計(jì)算對(duì)降低空化噪聲有重要意義，具體計(jì)算公式如下［9］

其中V是空化臨界速度，Γ是Rankine渦的速度環(huán)量，r、a是矢徑。

圖3 導(dǎo)流管的結(jié)構(gòu)圖及振動(dòng)變形圖

2.1.3 水動(dòng)力噪聲

降低潛艇水動(dòng)力噪聲也是提高潛艇聲隱身性能的一個(gè)重要方面，它是由艇體和附體周圍的流場(chǎng)產(chǎn)生的。減少水動(dòng)力噪聲的主要方法是從艇體的外形尺寸入手。Moore KJ等探討了附體形狀及相關(guān)裝置對(duì)降低聲學(xué)和非聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度的能力［10］。多年來(lái)人們對(duì)潛艇的多種模型進(jìn)行了水動(dòng)力噪聲實(shí)驗(yàn)研究，但大多數(shù)的研究都不是實(shí)艇試驗(yàn)，徐尚仁對(duì)水動(dòng)力噪聲測(cè)試中的誤差進(jìn)行了研究，測(cè)試環(huán)境條件和測(cè)量方法是主要的影響因素［11］。

2.1.4 管路噪聲

此外，除一些機(jī)械設(shè)備外，管路系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，比如液壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風(fēng)管路系統(tǒng)等，對(duì)管路進(jìn)行振動(dòng)特性研究考慮固液耦合作用十分重要，可設(shè)計(jì)電流變、磁流變阻尼半主動(dòng)控制系統(tǒng)［12］。

2.2 存在問(wèn)題及建議

潛艇隱身性是衡量潛艇作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)，潛艇隱身性影響的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。由圖4易知，研究潛艇噪聲控制是提高潛艇隱身性的重要方法。噪聲不可避免，我國(guó)對(duì)潛艇降噪技術(shù)的研究起步較晚，雖然已經(jīng)有了很大程度的提高，但要實(shí)現(xiàn)全面降噪還有待研究。

改進(jìn)降噪措施的不足之處，比如，敷設(shè)在潛艇輕外殼的消聲瓦，一般兼有吸聲和消聲的雙重功能，但在300Hz以下的低頻段效果并不理想［4］。此外，應(yīng)盡可能從潛艇本身考慮，與各學(xué)科綜合研究，在設(shè)計(jì)潛艇時(shí)就充分考慮到最有利的降噪措施。從噪聲源出發(fā)，研究新型消聲材料，進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，分析在不同位置敷設(shè)消聲材料對(duì)降噪的影響，確定最優(yōu)方案。

圖4 潛艇隱身技術(shù)影響結(jié)構(gòu)示意圖

3 潛艇污染問(wèn)題研究現(xiàn)狀及建議

潛艇環(huán)境是一個(gè)特殊的密閉環(huán)境，艇內(nèi)設(shè)備、艇體材料、烹飪以及人體生命活動(dòng)等都會(huì)散發(fā)污染物，對(duì)潛艇艙室空氣污染的控制是提高潛艇戰(zhàn)斗力的重要措施。總結(jié)艇內(nèi)的污染物及大氣控制設(shè)備如表1所示。

表1 艇內(nèi)的污染物及大氣控制設(shè)備總結(jié)表

污染物采樣和樣品處理的方法和技術(shù)，包括直接、吸收、吸附劑以及濾膜采樣法，溶液提取、熱解析以及溶液消解技術(shù)［13］。潛艇艙室空氣污染物主要有四類，即顆粒狀、氣狀、放射性以及微生物污染物?？刂莆廴驹纯梢詮南拗仆T活動(dòng)（如吸煙）及用品的使用（如廚房用油），限制潛艇用材，控制設(shè)備污染等方面入手。

顆粒狀污染物（如人體代謝產(chǎn)生的皮屑）主要以人為來(lái)源，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、靜電以及低溫等離子體等方式進(jìn)行清除。放射性污染物（如反應(yīng)堆對(duì)空氣的放射性污染）包括放射性氣體和放射性氣溶膠兩種形式，氣溶膠的凈化一般采用過(guò)濾和靜電除塵，而氣體一般采用活性炭吸附，目前，有一種改進(jìn)辦法，即采用三臺(tái)活性炭吸附器交替工作，其工作原理如圖5所示［14］。

圖5 三臺(tái)活性炭吸附器交替工作原理圖

3.1 研究現(xiàn)狀

對(duì)于潛艇空氣中氣狀污染物（包括惡臭污染）的凈化方式，包括活性炭吸附法、催化燃燒法以及等離子體凈化技術(shù)等?；钚蕴坷w維吸附技術(shù)具有直徑?。?～30μm），吸附量大，速度快，強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)［15］。一種新興的凈化技術(shù)基于TiO2獨(dú)特的光催化特性，具有快速清潔有害氣體，無(wú)毒、操作簡(jiǎn)單、噪聲小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)［16］。與其他凈化技術(shù)相比，潛艇有害氣體綜合凈化技術(shù)—吸附富集與催化燃燒聯(lián)合工藝，具有綜合性強(qiáng)、能耗低、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、不產(chǎn)生二次污染、裝置可連續(xù)運(yùn)行以及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)［17］。

3.2 存在的問(wèn)題及建議

目前的污染物控制技術(shù)還有待研究改進(jìn)，就低溫等離子凈化技術(shù)而言，它效率高能耗低，能有效除臭，根本治理有毒的和難降解的物質(zhì)，但在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次污染，產(chǎn)生的臭氧會(huì)腐蝕金屬，超過(guò)允許濃度時(shí)還會(huì)影響人體健康，技術(shù)水平也不高，還不能得到廣泛的應(yīng)用。

污染物治理涉及的研究領(lǐng)域比較廣，應(yīng)集物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)等于一體綜合研究，對(duì)不同的污染物尋找不同的合理技術(shù)手段，并不斷探索新型材料和技術(shù)?？蓪⒍喾N技術(shù)手段的聯(lián)合應(yīng)用作為今后的研究方向，如低溫等離子體技術(shù)與催化技術(shù)的結(jié)合，以期取得更好的效果。

4 潛艇舒適性問(wèn)題研究現(xiàn)狀及建議

潛艇環(huán)境密閉，大多數(shù)時(shí)間在水下工作，不能像陸地建筑物那樣與大氣進(jìn)行正常的通風(fēng)換氣。此外，由于舷外水溫較高，艙內(nèi)空氣達(dá)到40℃或更高，相對(duì)濕度達(dá)到50～90%，嚴(yán)重影響艇員的身體健康和工作效率［18］?？梢?，舒適性是潛艇亟需解決的又一重大問(wèn)題。

4.1 研究現(xiàn)狀

為保證人員的健康，潛艇上裝有密不可分的兩個(gè)系統(tǒng)，即空氣再生系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在解決人員居住性的前提下，調(diào)節(jié)溫濕度水平，進(jìn)一步提高了熱舒適性。空氣再生系統(tǒng)主要包括氧氣制備系統(tǒng)、CO2清除系統(tǒng)以及氫氣、一氧化碳和其它污染物的凈化。目前主要的空氣再生手段及方法如表2所示。

表2 空氣再生手段及方法總結(jié)表

在密閉的潛艇艙室里，空氣組分處于不斷的變化之中，通過(guò)空氣再生系統(tǒng)，保證了空氣組分滿足標(biāo)準(zhǔn)水平。再經(jīng)過(guò)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)空氣的溫、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)則進(jìn)一步滿足了人體的舒適度要求，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖如圖6（a）所示。潛艇中的整個(gè)潛艇空調(diào)系統(tǒng)包括空氣再生系統(tǒng)、氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)以及溫、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。集中布置的系統(tǒng)工作原理圖如圖6（b）所示。

4.2 存在問(wèn)題及建議

潛艇環(huán)境的舒適性是保證作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵性問(wèn)題，保證舒適性的前提是要滿足標(biāo)準(zhǔn)的空氣組分。雖然目前的一些方法都是比較實(shí)用的，但仍存在一些弊端，如氧化劑放氧后的堿性產(chǎn)物吸收CO2，對(duì)其反應(yīng)的時(shí)間控制是很難的，易造成氧氣過(guò)量。而且很多化學(xué)反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生大量的熱，造成艇內(nèi)不利的高溫環(huán)境。此外，潛艇上還存在局部艙室高溫的問(wèn)題。

空氣組分的控制是今后研究的重大課題，需要不斷探索新的技術(shù)手段，可以將“雙元系統(tǒng)”作為今后的主要研究方向，不斷突破技術(shù)瓶頸。對(duì)于溫、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以在有條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)艇試驗(yàn)，調(diào)節(jié)其系統(tǒng)分區(qū)等改進(jìn)措施，盡可能使各艙均達(dá)到舒適的水平。

5 結(jié)語(yǔ)

以上對(duì)潛艇內(nèi)存在的三大主要問(wèn)題—噪聲問(wèn)題、污染問(wèn)題以及舒適性問(wèn)題，均作出了總結(jié)，指出了不足并提出了相應(yīng)的建議。在今后潛艇環(huán)境的研究工作中，還是要以這三大問(wèn)題為主要內(nèi)容，不斷提出更好的解決方法和新的技術(shù)手段，不斷提高潛艇的艙室環(huán)境質(zhì)量，保證艇員健康和潛艇作戰(zhàn)能力。

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