鞏少鋒，程 棟，董 平

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

德國在20世紀(jì)開展了一系列的航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘夹g(shù)試驗研究，并成功開發(fā)了航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)，該系統(tǒng)采用固體燃料產(chǎn)生的燃?xì)饪焖倥懦鰤狠d水艙內(nèi)的水，為航行器、潛艇等快速提供應(yīng)急浮力或糾正其姿態(tài)，可滿足0～450 m（或更深）深海環(huán)境下的應(yīng)急燃?xì)馀潘?，目前已作為德國潛艇的?biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備使用了20多年，安裝在206A，209，212A和214各級潛艇上。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代后期開始將固體燃料燃?xì)獍l(fā)生器應(yīng)用到壓載水艙快速排水中，“庫爾斯克”號、“共青團(tuán)員”號潛艇的壓載水艙均裝備了固體燃料燃?xì)獍l(fā)生器，俄羅斯877EKM潛艇（“基洛”級）改換裝時，也采用了該技術(shù)。該技術(shù)可以用于潛艇、水下無人系統(tǒng)、航行器、水下空間站的緊急上浮救生、沉船打撈等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

潛艇、航行器等應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)工作在0～450 m（或更深）深海環(huán)境下，深度范圍變化大，不同航行器、不同水艙排水要求也不同，國內(nèi)還沒有能夠模擬航行器極限下潛深度、航行器壓載水艙結(jié)構(gòu)和航行器排水過程的深海環(huán)境模擬試驗裝置。國內(nèi)在20世紀(jì)90年代就開展了航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘夹g(shù)研究，李咸海[1]、趙險峰[2]等建立了基于燃?xì)獍l(fā)生器的燃?xì)庾龉?、排水模型，但該項目在“十一五”期間才真正啟動，之前沒有相應(yīng)的試驗平臺，無法開展試驗驗證工作。

航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘夹g(shù)作為一項新技術(shù)，沒有成熟的工程研制經(jīng)驗可以借鑒，按照科研程序，在研制過程中必須建立相關(guān)的陸上模擬試驗技術(shù)，滿足不同水深、不同水艙環(huán)境、不同排水工況下的試驗研究需求，突破高效排水技術(shù)、燃?xì)獍l(fā)生器噴管出口水密技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、防二次爆燃技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，為項目的研制成功提供保障。深海環(huán)境模擬試驗技術(shù)的基本功能是能夠模擬航行器水下工作環(huán)境、壓載水艙結(jié)構(gòu)和航行器排水過程的試驗裝置，為航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)試驗研究提供平臺。

1 總體研究思路

航行器壓載水艙的容積巨大（水艙容積高達(dá)上百噸），因此開展全尺寸模擬試驗是不現(xiàn)實的，必須根據(jù)相關(guān)縮比原則進(jìn)行縮比，經(jīng)論證后，采用下潛深度等比、排水通道縮比、排水量縮比的方法進(jìn)行縮比。采用模擬壓載水艙模擬航行器水艙結(jié)構(gòu)，采用壓力平衡水艙模擬航行器0～450 m下潛深度范圍內(nèi)的海洋環(huán)境，承壓不小于4.5 MPa，可以開展縮比比例不大于1:4的排水試驗。壓載水艙的出口尺寸按相應(yīng)的比例進(jìn)行縮比，壓載水艙提供不同的燃?xì)獍l(fā)生器安裝結(jié)構(gòu)，可以模擬燃?xì)獍l(fā)生器實際的安裝方式。燃?xì)獍l(fā)生器工作后，壓載水艙的海水在燃?xì)庾饔孟屡湃肫胶馑摃r，平衡水艙壓力會上升，通過穩(wěn)壓裝置等量排氣的方法保持平衡水艙的壓力不變，即所模擬的航行器應(yīng)急排水的深度不變。為滿足試驗后數(shù)據(jù)分析的需要，應(yīng)采用測試系統(tǒng)對燃?xì)獍l(fā)生器、壓載水艙和平衡水艙的壓力、溫度、吹除水量等參數(shù)進(jìn)行測量，由于排水過程的單位秒流量較大，不易直接測量，通過測量壓力平衡水艙內(nèi)的水位變化的方法獲取液位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化后獲取吹除水量。

研究中應(yīng)用縮比理論、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論和方法，開展航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)背壓環(huán)境模擬試驗技術(shù)研究，并形成總體技術(shù)方案。模擬試驗裝置主要由模擬壓載水艙、壓力平衡水艙、加壓系統(tǒng)、安全裝置和測試裝置等組成，如圖1所示。工作原理是首先將穩(wěn)壓裝置的排氣壓力調(diào)到模擬試驗深度壓力，向水艙注水后，安裝排水用的燃?xì)獍l(fā)生器，向壓力平衡水艙充氣加壓，加到試驗所需模擬深度的壓力；充氣加壓過程中，注意調(diào)節(jié)2個水艙中的液位，保證平衡水艙的氣體體積不低于試驗中排水的體積；試驗過程中，燃?xì)獍l(fā)生器根據(jù)指令點(diǎn)火工作，向模擬壓載水艙注入設(shè)定秒流量規(guī)律的燃?xì)?，在模擬壓載水艙和壓力平衡水艙之間建立一定的壓差，將模擬壓載水艙內(nèi)的水經(jīng)由模擬航行器壓載水艙排水口的連通管排入到壓力平衡水艙內(nèi)；在水進(jìn)入壓力平衡水艙的過程中，平衡水艙的壓力會上升，穩(wěn)壓裝置同時啟動，進(jìn)行等量排氣，保證平衡水艙的壓力保持穩(wěn)定，即所模擬的航行器深度保持不變。試驗過程中，測試系統(tǒng)測量燃?xì)獍l(fā)生器、壓載水艙和平衡水艙的壓力、溫度和排水量，圖1為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

2 模擬試驗過程理論模型

模擬試驗裝置工作過程由于包含水蒸氣和燃?xì)獾幕旌蠚怏w排開水量做功的過程，因此混合氣體不能簡化為理想氣體，研究中將其中的燃?xì)夂涂諝庖暈槔硐霘怏w而將其中水蒸氣視為實際氣體對待，此時混合氣體的狀態(tài)方程必須考慮采用實際氣體狀態(tài)方程和溫度函數(shù)混合法則來求得混合氣體的壓力。研究中將燃?xì)饪醋骺蓧嚎s的實際氣體，將水看作為不可壓縮的牛頓流體，對混合氣體建立質(zhì)量方程有：

式中：m為各工質(zhì)質(zhì)量；W為到每一瞬時混合氣體排開水量所作的功；Q為氣水換熱的能量輸出（包括部分水量蒸發(fā)所吸收的相變能量）；U1為控制體初始狀態(tài)能量加上流入控制體的能量；U2為每一瞬時的混合氣體內(nèi)能，由作為理想氣體考慮的燃?xì)猓ㄟ€可能有預(yù)留空氣）的內(nèi)能和作為實際氣體考慮的過熱水蒸氣的內(nèi)能組成，以上諸式聯(lián)立求解可得各試驗狀態(tài)下排水過程各參量。

燃?xì)馀潘^程中高溫燃?xì)馀c水發(fā)生劇烈對流換熱[4]、相變及摻混，研究中采用CFD技術(shù)對模擬試驗裝置內(nèi)的流場進(jìn)行仿真計算，圖2為排水過程中模擬壓載水艙內(nèi)軸向截面上氣液兩相流體的界面變化和燃?xì)馀莩砷L圖，揭示了在燃?xì)獍l(fā)生器工作時燃?xì)馀懦雠搩?nèi)海水的動態(tài)過程。圖中燃?xì)獍l(fā)生器與模擬壓載水艙連接的入口處往下的淺色部分為噴入的純氣態(tài)燃?xì)?，占?jù)模擬壓載水艙中大部分體積的深色部分為純液態(tài)的水，而二者中間部分則為燃?xì)馀c水的兩相混合帶。

3 組成及技術(shù)參數(shù)

模擬壓載水艙的主體結(jié)構(gòu)是承壓不小于4.5 MPa、容積不小于6 m3的壓力容器，其他還有觀測窗、模擬水艙出口的節(jié)流環(huán)及各接口安裝法蘭等。在水艙的上部，有2個燃?xì)獍l(fā)生器安裝法蘭，下部有1個燃?xì)獍l(fā)生器安裝法蘭，可以開展組合試驗研究；下部設(shè)置有與平衡水艙的聯(lián)通管，聯(lián)通管和壓載水艙之間安裝有節(jié)流環(huán)，可以模擬不同的壓載水艙排水口尺寸，在壓載水艙上部設(shè)有一個觀測窗，觀測窗采用透明材料，可以觀測到壓載水艙里的設(shè)備狀態(tài)和排水過程。在壓載水艙上部還有安全排氣裝置的安裝接口，充氣加壓接口，在壓載水艙下部設(shè)置有維修窗，可以從維修窗進(jìn)入壓載水艙內(nèi)部對其進(jìn)行維護(hù)，壓載水艙底部設(shè)置有排水口。

壓力平衡水艙的主體結(jié)構(gòu)是承壓不小于4.5 MPa、容積不小于6 m3的壓力容器，設(shè)置有穩(wěn)壓裝置、維修窗和各接口安裝法蘭等。在平衡水艙的上部，設(shè)置有安全排氣裝置、穩(wěn)壓裝置、加壓充氣接口，維修窗設(shè)置在平衡水艙的下部，壓力平衡水艙通過聯(lián)通管和壓載水艙聯(lián)通。

現(xiàn)有的穩(wěn)壓設(shè)備響應(yīng)時間長，穩(wěn)壓精度低，不能滿足排水試驗的要求，為此模擬試驗裝置開發(fā)了一種新型穩(wěn)壓裝置，該裝置能夠快速、高精度地實現(xiàn)深海環(huán)境模擬試驗裝置壓力平衡水艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定。包括控制器、主排氣閥、微調(diào)電磁截止閥、壓力傳感器和穩(wěn)壓法蘭等。試驗前，根據(jù)試驗狀態(tài)安裝匹配的穩(wěn)壓法蘭，試驗時，由發(fā)控臺給出時統(tǒng)信號，傳遞到自控器，自控器向穩(wěn)壓排氣閥給出開閥信號，打開電磁閥，同時自控器開始記時，在燃?xì)獍l(fā)生器工作結(jié)束時向電磁閥給出閉閥信號，關(guān)閉電磁閥，電磁閥的有效排氣面積之和應(yīng)小于所需排氣總面積；同時自控器檢測平衡艙測點(diǎn)壓力，超過上限則打開微調(diào)電磁截止閥排氣，達(dá)到下限則關(guān)閉微調(diào)電磁截止閥，如圖3所示。

航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)工作過程壓力場、溫度場分布極為復(fù)雜，為滿足試驗數(shù)據(jù)分析需要，在環(huán)境模擬試驗裝置上配備了一系列的溫度、壓力、應(yīng)變水量測點(diǎn)。溫度、應(yīng)變測點(diǎn)主要分布在燃?xì)獍l(fā)生器和模擬壓載水艙頂部，壓力測點(diǎn)分布在燃?xì)獍l(fā)生器、模擬壓載水艙、壓力平衡水艙、連通管等各處特征位置。由于工作時間短，工作壓力大，普通的液位測量裝置無法滿足響應(yīng)時間和承壓要求，經(jīng)調(diào)研和論證，為試驗裝置定制了射頻電容液位傳感器。該傳感器具有承壓能力高（4.5 MPa），響應(yīng)時間快的特點(diǎn)，并采用LED現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)程計算機(jī)采集相結(jié)合的方式，方便就地觀測和遠(yuǎn)程采集。為減小由于測試水位變化的量級不同引起的系統(tǒng)誤差，采用大小2個液位傳感器，液位測量誤差不大于0.5%。模擬試驗裝置測點(diǎn)分布如圖4所示。

4 模擬試驗技術(shù)驗證

經(jīng)充分論證和技術(shù)設(shè)計后，完成航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)深海環(huán)境模擬試驗裝置建設(shè)工作，深海環(huán)境模擬試驗裝置如圖5所示，該裝置可以模擬航行器在0～450 m水深范圍內(nèi)的海洋環(huán)境和航行器壓載水艙結(jié)構(gòu)，為航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)提供試驗的平臺。

研究過程中選擇典型水深開展燃?xì)馀潘囼?，試驗前將模擬壓載水艙和壓力平衡水艙內(nèi)的水位加注至試驗狀態(tài)后，通過模擬壓載水艙和壓力平衡水艙上的高壓氣源向模擬試驗裝置內(nèi)增壓，并在模擬壓載水艙內(nèi)形成預(yù)定大小的氮?dú)鈿鈮|，從而模擬不同水深狀態(tài)的排水環(huán)境。因不同航行器、不同壓載水艙、不同排水口，不同裝藥量對排水系統(tǒng)的要求和影響也不同，試驗中根據(jù)不同的工況通過更換節(jié)流環(huán)、改變?nèi)細(xì)獍l(fā)生器排水方式等途徑實現(xiàn)了不同裝藥量、不同排水口大小、不同燃?xì)饬鲃臃较虻臓顟B(tài)模擬。模擬試驗中平衡水艙壓力變化如圖6所示，該裝置在試驗過程中工作正常、所模擬的背壓環(huán)境穩(wěn)定、安全可靠，獲取了燃?xì)馀潘^程中的壓力、溫度、水量等有效測試數(shù)據(jù)，為試驗成功提供了有力保障。

5 結(jié) 語

深海環(huán)境模擬試驗技術(shù)填補(bǔ)了我國在航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)研制過程中的技術(shù)空白，通過采用該技術(shù)模擬不同海洋水深、不同質(zhì)量流量、不同排水狀態(tài)、連發(fā)排水等狀態(tài)開展試驗研究，攻克了航行器應(yīng)急燃?xì)馀潘到y(tǒng)的高效排水技術(shù)、海水隔離技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、防二次爆燃、穩(wěn)壓技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）采用雙壓力水艙結(jié)構(gòu)方案，通過穩(wěn)壓裝置保持排水過程中平衡水艙的壓力不變，模擬航行器水下排水過程，實現(xiàn)在陸上實驗室開展水下0～450 m水深變化下的排水試驗。

2）采用輸入與輸出動態(tài)平衡穩(wěn)壓技術(shù)，解決了大流量水流瞬時沖擊引起的壓力平衡水艙壓力波動大的問題。

3）裝置采用模塊化（柔性）設(shè)計，通過更換不同的模塊，解決了多種試驗工況難以模擬的難題，縮短了研制周期、減小了研制經(jīng)費(fèi)。

4）采用超壓排氣的安全裝置，當(dāng)壓載水艙和平衡水艙的壓力超過設(shè)定值后，安全裝置啟動排氣，確保在穩(wěn)壓裝置出現(xiàn)故障的情況下，也能確保人員和試驗裝置的安全。

5）采用2個不同量程液位計組合的方法，測量排水量，解決瞬間大流量測量難題，提高了測量精度。

本技術(shù)將在后續(xù)工作的關(guān)鍵技術(shù)研究和演示驗證試驗中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，研究成果應(yīng)用于我國戰(zhàn)略航行器和常規(guī)航行器，將提供非常有效的應(yīng)急救生手段，提高航行器在意外情況和故障情況下的生存能力，具有重大的軍事、政治和國防意義。