劉常波 劉 蓁 黃海峰

(1.海軍潛艇學院作戰(zhàn)指揮系 青島 266042)(2.海軍潛艇學院研究生隊 青島 266042)

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高壓氣吹除對潛艇動力抗沉影響分析研究*

劉常波1劉 蓁2黃海峰1

(1.海軍潛艇學院作戰(zhàn)指揮系 青島 266042)(2.海軍潛艇學院研究生隊 青島 266042)

針對當前潛艇利用高壓氣進行動力抗沉缺乏定量分析,高壓氣吹除對潛艇影響認識不足的問題,采用計算機模擬仿真方法,仿真分析了吹除不同主壓載水艙對潛艇縱傾與潛浮率的影響及挽回效果,結(jié)果表明,潛浮率過大將難以控制潛艇以穩(wěn)定縱傾平穩(wěn)上浮,在此基礎(chǔ)上給出不同艙室進水的吹除建議。

潛艇; 高壓氣; 動力抗沉

Class Number U674.76

1 引言

高壓氣吹除主壓載水艙是潛艇動力抗沉的主要抗沉措施之一,在發(fā)生艙室進水、大縱傾等危險事故時,需要及時采取高壓氣供氣措施,然而,高壓氣供氣控制至今沒有有效的依據(jù),為了使?jié)撏г诖党^程中能保證潛艇成功挽回而常常供氣過多,導(dǎo)致不容易控制潛艇,以至于使?jié)撏细≈廖ｋU深度,甚至不合時宜的浮出水面。本文利用計算機進行仿真分析高壓氣吹除對潛艇縱傾和潛浮率的影響,以及高壓氣吹除各主壓載水艙時潛艇縱傾和潛浮率變化特點,給出不同艙室進水的合理吹除建議。

2 高壓氣控制規(guī)律理論分析

2.1 高壓氣控制量

潛艇動力抗沉過程中對高壓氣的控制要素主要包括:吹除主壓載水艙的選擇、供氣與停止供氣的時機。高壓氣吹除主壓載水艙的方式分兩種:應(yīng)急吹除和短路吹除[1]。其中應(yīng)急吹除是將潛艇的所有主壓載水艙分成首組、中組、尾組三組,在吹除主壓載水艙時,以分組為單位進行吹除,這種吹除方式高壓氣吹除率不高,主壓載水艙排水速度慢;短路吹除是各組高壓氣通過電液吹除球閥直接進入主壓載水艙,而不經(jīng)過吹除閥柱和總管,路線比應(yīng)急吹除要短很多,因而高壓氣吹除率大,排水相對較快,相應(yīng)的高壓氣消耗量也較大。

2.2 高壓氣控制因素

動力抗沉的目的是潛艇平穩(wěn)的上浮至水面或安全深度[2],通過分析潛艇垂直面的運動方程可知,潛浮率和縱傾是潛艇上浮過程中兩個最關(guān)鍵的控制要素[3]。對縱傾而言,在吹除主壓載水艙時,選擇合理的吹除次序,保持適當?shù)目v傾,形成有利于抗沉的姿態(tài)。而潛浮率反映了潛艇垂直面的受力情況,能表征潛艇上浮下潛的趨勢大小。通過高壓氣吹除主壓載水艙,輔以其他動力抗沉措施來控制潛艇以穩(wěn)定、合適的潛浮率和縱傾角,保證潛艇以較好的縱傾和一定潛浮率上浮或定深。

3 應(yīng)急操縱仿真模型

3.1 潛艇空間運動模型

本文以1967年美國泰勒海軍艦船研究與發(fā)展中心(DTNSRDC)發(fā)表的潛艇六自由度空間運動方程作為操縱運動的基本數(shù)學模型[4]。

3.2 艙室進水模型

本文認為艙室進水形式為自由進水,因此,根據(jù)伯努利方程得到了破口進水速率的表達式[5]:

利用電子化程序直接到醫(yī)生工作站抓取信息，簡單易行，能有效提高監(jiān)測效率，具有較好的推廣性及可行性，鑒此可實現(xiàn)從哨點監(jiān)測到全覆蓋監(jiān)測的轉(zhuǎn)化。目前，上述思路已具備技術(shù)層面的實施條件，只需在醫(yī)療機構(gòu)和疾控部門各自的信息平臺進行微調(diào)和系統(tǒng)對接即可實現(xiàn)。筆者所在的單位前期在多家醫(yī)療機構(gòu)開展調(diào)研，目前已在部分醫(yī)療機構(gòu)進行試點。

(1)

式中,Qin為進水速率,m3/s;μ為破口進水滯留系數(shù),取0.6;S為破口面積,m2;g為重力加速度,m/s2;h為破口深度,m。

3.3 高壓氣吹除模型

本文采用如下主壓載水艙供氣吹除數(shù)學模型[6]:

(2)

式中:m為氣瓶中的空氣質(zhì)量,kg;ω(t)為空氣質(zhì)量流量,kg/s;Tt和Tk分別為高壓氣瓶中和壓載水艙內(nèi)的氣體溫度,K;K為絕熱指數(shù);Vk為水艙氣體的體積即排出水的體積,m3;μ為通海閥流量系數(shù)(同破口進水滯留系數(shù)),取0.6;A為通海閥流通面積,m2;Pk為水艙內(nèi)氣體的壓力,Pa;PB為通海閥處海水背壓,Pa;r為海水比重,t/m3;F(h)為主壓載水艙面積函數(shù),m2;R為理想氣體常數(shù),J/kg·K;g為重力加速度,m/s2;h為壓載水艙內(nèi)海水高度,m。

4 高壓氣控制規(guī)律仿真分析

在動力抗沉過程中,造成尾傾是抗沉的關(guān)鍵運動狀態(tài),一般中部及首部艙室進水,可取尾傾7°～10°或更大些,尾部艙室進水,取尾傾為3°～5°。挽回操縱措施一般為:首、中部進水,首舵操上浮滿舵,用尾舵保持一定尾傾上浮;尾部進水,尾舵操下潛舵或下潛滿舵,用首舵保持尾傾上浮[7]。

4.1 不同尾傾上浮的挽回效果仿真分析

在動力抗沉過程中,利用高壓氣與升降舵使?jié)撏б砸欢ㄎ矁A上浮,可獲得較大的艇體承載力,從該意義上說,尾傾越大,抗沉效果越好[8]。仿真條件:潛艇初始狀態(tài)為無縱傾定深直航狀態(tài),速度6kn,舵角0°,初始深度100m,t=10s時Ⅰ艙進水,破損口直徑10cm,抗沉過程中持續(xù)進水;進水20s后[9],采取以下抗沉措施:升降舵操上浮舵,用高壓氣吹除1號主壓載水艙,增速至14kn;控制目標:上浮至安全深度50m。

圖1 以不同尾傾上浮的深度仿真曲線

圖1為尾傾角分別為3°、5°、8°、10°、12°、15°時潛艇上浮的深度變化曲線。由圖可知,尾傾小于8°時,潛艇無法上浮至預(yù)定深度;尾傾大于10°時,潛艇能夠上浮至預(yù)定深度,且隨著尾傾增大,上浮至指定深度時間越短,說明尾傾越大,潛艇獲得的浮力越大,深度變化率越大;另外,10°與12°尾傾潛浮率基本一致,上浮的最小深度與要求的安全深度相差不到10 m。

在上述相同破損條件下,控制潛浮率分別為-1.0m/s和-0.5m/s,自動操舵裝置的指令縱傾角分別設(shè)定為5°、8°和10°,潛艇上浮深度與預(yù)定深度相差5m時停止高壓氣吹除。仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 潛浮率為-0.5m/s的深度和縱傾變化曲線

圖3 潛浮率為-1.0m/s的深度和縱傾變化曲線

由圖2、圖3可知,在Ⅰ艙進水事故下,吹除1號主壓載水艙對潛艇縱傾和潛浮率影響都很大,圖2(a)、圖3(a)深度變化曲線可以看出,整個挽回過程都是平穩(wěn)上浮狀態(tài)。其中潛浮率為-1.0m/s時,挽回至指定深度50m的時間要短,但是其縱傾角波動較大,無法以穩(wěn)定的指定縱傾角上浮。而采用-0.5m/s潛浮率挽回時,所需時間雖較前者多30s,但其縱傾角波動較小,曲線變化平緩。由此可見,在動力抗沉時若吹除時間太長,潛浮率過大,將不利于潛艇的縱傾控制,不利于潛艇穩(wěn)定上浮。

4.3 吹除不同主壓載水艙縱傾和潛浮率影響仿真分析

各主壓載水艙相對潛艇重心的距離不同,因此吹除不同主壓載水艙時,潛艇深度和縱傾變化必然不同。若吹除首、尾組主壓載水艙,產(chǎn)生的力矩較大,縱傾更容易改變;若吹除中組主壓載水艙,則產(chǎn)生的力矩較小,由于主壓載水艙接近潛艇重心,可更容易改變潛浮率[10]。圖4～圖6為潛艇初始速度6節(jié)、深度100m,在潛艇沒有損失浮力情況下,高壓氣分別吹除首、中、尾組主壓載水艙時,其深度、潛浮率及縱傾仿真曲線,其中,開始吹除時刻t=10s,吹除持續(xù)時間T=10s。

圖4 吹除首組主壓載水艙潛艇深度、潛浮率和縱傾仿真曲線

由圖4知,吹除首組主壓載水艙時,潛艇迅速形成尾傾,在t=80s時縱傾就達到了最大11°尾傾,在吹除水艙產(chǎn)生的浮力與艇體水動力作用下,潛艇的潛浮率也迅速增大,最大達到1.1m/s的上浮速度,因此可以看到在吹除后t=130s潛艇就上浮至海面。

圖5 吹除中組主壓載水艙潛艇深度、潛浮率和縱傾仿真曲線

由圖5知,吹除中組主壓載水艙時,先形成小的尾傾再變?yōu)槭變A,潛浮率在t=50s時達到了約0.45m/s,最終穩(wěn)定在0.35m/s的上浮速度和4.2°的首傾狀態(tài)保持穩(wěn)定上浮,從深度仿真曲線看出上浮速度較平穩(wěn),約t=300s時浮至海面。

圖6 吹除尾組主壓載水艙潛艇深度、潛浮率和縱傾變化曲線

由圖6知,吹除尾組主壓載水艙時,可以看到潛艇姿態(tài)的變化相當于打了一個尾下潛大舵角,在吹除后,起初有微小的上浮趨勢,很快形成首傾,在艇體水動力作用下開始下潛,下潛速度不大,t=90s時潛艇下潛10m。從圖中可以看出潛艇迅速形成首傾,且最大縱傾16.5°,比吹除首組時大5.5°,這是由于潛艇的重心位于中前部所致。

因此,根據(jù)以上高壓氣吹除特點,在挽回艙室進水事故中,可以利用高壓氣吹除中組主壓載水艙控制潛艇的潛浮率,而利用吹除首尾組主壓載水艙并輔以升降舵來控制潛艇的縱傾。

5 結(jié)語

1) 吹除首組主壓載水艙,潛艇能迅速形成尾傾,并且獲得較大上浮速度,在艙室進水抗沉措施中,吹除首組主壓載水艙具有較好的抗沉效果。若海面情況允許,吹除首組主壓載水艙能快速浮至海面。但由于該過程中潛艇尾傾會不斷增大,故吹除時間不宜過長。

2) 吹除中組主壓載水艙,潛艇深度響應(yīng)快,但縱傾變化較小,便于控制,因此,針對各種事故的動力抗沉措施,吹除中組主壓載水艙是非常必要的。但由于中組主壓載水艙位于潛艇中部,對控制潛艇縱傾作用有限,故潛艇首部或尾部進水的情況下,還應(yīng)適當吹除首組或尾組主壓載水艙以形成有利于潛艇動力抗沉的縱傾。

3) 吹除尾組主壓載水艙,潛艇能迅速形成首傾,因此,在潛艇尾部艙室進水時,應(yīng)適當吹除尾組主壓載水艙,以防止尾傾過大,形成首傾姿態(tài),不利于潛艇動力抗沉。

4) 在動力抗沉過程中,潛艇上浮速度不宜過快,一方面,難以控制潛艇定深在指令深度;另一方面,會使縱傾變化也較劇烈,不利于潛艇的穩(wěn)定上浮。

5) 潛艇水下發(fā)生艙室進水事故時,尾傾對動力抗沉效果至關(guān)重要,首中部艙室進水控制在7°～10°范圍,尾部艙室進水控制在3°～5°為宜。若尾傾過小,艇體承載力小;而尾傾過大,又不易控制潛艇縱傾。

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Research on Impact Analysis of High-pressure Air Affecting Submarine Anti-sinking

LIU Changbo1LIU Zhen2HUANG Haifeng1

(1. Department of Operation Command, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042) (2. Graduate Student, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042)

Aiming at the absence of quantitative analysis of high-pressure air affecting submarine anti-sinking, and the impercipient impact of it, the different effect of retrieving at different trim and submerged floating rate and the different influence of blowing different tanks are simulated by means of computer simulation. Simulation data show that a large submerged floating rate is a disadvantage for submarine’s stably submerging at a steady trim, and then some suggestions are offered for different cabins’ rushing into water.

submarine, high-pressure air, dynamic anti-sinking

2014年7月3日,

2014年8月27日

劉常波,男,碩士,教授,研究方向:潛艇操縱與運動仿真。劉蓁,男,碩士研究生,研究方向:潛艇操縱與運動仿真。黃海峰,男,研究,講師,研究方向:潛艇操縱與運動仿真。

U674.76

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.024