呂幫俊，黃斌，彭利坤

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

現(xiàn)代潛艇是人類創(chuàng)造的最復雜的技術(shù)系統(tǒng)之一。潛艇在水下航行時，除了火災以外，最大的安全隱患來自兩方面[1-2]：一是通過艇體各種開口使艙內(nèi)進水，尤其是低速大量進水；二是舵卡，主要是尾升降舵舵卡，特別是高速航行時發(fā)生尾卡下潛大舵角。

發(fā)生艙室進水事故時，進水速度由進水口處的背壓（即潛艇深度）和進水口面積決定，在特定的速度下，潛艇能承受的進水量必須過量，則潛艇在采用上述手段之后，仍然會出現(xiàn)深度失控并持續(xù)增大。此時，為了防止?jié)撏в|底或超過極限工作深度，通常采用主壓載水艙吹除的方式來產(chǎn)生一定的正浮力，抵消進水影響，同時配合操舵調(diào)整潛艇的姿態(tài)，達到應急上浮的目的。

潛艇高速航行時發(fā)生尾卡下潛大舵角，由于舵卡力和力矩太大，而均衡系統(tǒng)壓水、注排水速率較慢，不能迅速抵消被卡舵產(chǎn)生的舵力（矩），導致潛艇在采取上述應急措施后，短時間內(nèi)仍會出現(xiàn)大的首傾甚至是危險縱傾，潛艇深度將會急劇增大，嚴重威脅潛艇航行安全。此時，應采用高壓氣向首部端主壓載水艙供氣吹除，使?jié)撏Мa(chǎn)生正浮力和抬首力矩，挽回潛艇的狀態(tài)，防止?jié)撏в|底或超過極限工作深度。

由此可見，在現(xiàn)有操縱技術(shù)條件下，發(fā)生嚴重危及潛艇安全的事故時，最有效的操縱方式是利用高壓氣吹除主壓載水艙獲取正浮力和挽回校正力矩，抵消部分由事故引起的浮力差和力矩差，使?jié)撏阅鼙３炙露ㄉ詈较蚧蚩焖偕细≈了?。因此，高壓氣作為潛艇的生命線，是為了防止?jié)撏Оl(fā)生重大航行安全事故而設置的最后一道屏障，圍繞高壓氣吹除主壓載水艙相關問題開展的研究將對潛艇的總體設計，潛艇動力抗沉，潛艇挽回人工智能決策等方面有重要的指導意義。

1 研究現(xiàn)狀

目前已有的針對高壓氣吹除主壓載水艙問題展開的研究，主要圍繞獲取高壓氣吹除流量模型、主壓載水艙排水模型以及高壓氣吹除后潛艇狀態(tài)挽回模型來展開。

潛艇獲取正浮力的大小取決于壓載水艙的吹除排水量，而影響吹除排水量最主要的因素是單位時間內(nèi)進入壓載水艙的高壓氣量。因此，潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)模型建立的準確與否嚴重影響潛艇事故時挽回判定成功與否，而高壓氣吹除系統(tǒng)模型構(gòu)建的關鍵是確定高壓氣系統(tǒng)吹除流量模型，采用的方法主要包括理論研究、仿真研究和物理模型實驗研究。

1.1 高壓氣吹除過程數(shù)理模型研究

目前可以查閱到的國外公開發(fā)表的關于潛艇高壓氣吹除數(shù)理模型研究是2003年，瑞典國家哥德堡船模試驗池（SSPA）Lennart Bystrom和Marek Janiec署名的題為《潛艇艙內(nèi)注水后挽回過程的模擬》的文獻[3]。將高壓氣應急吹除系統(tǒng)等效為高壓氣瓶、閥和艙室組成，如圖1所示。和分別表示高壓氣瓶壓力、溫度、氣體密度、質(zhì)量和容積，，和分別表示壓載水艙中氣體壓力、溫度、氣體質(zhì)量和氣體體積。文獻給出了潛艇高壓氣吹除主壓載水艙過程的2個基本假設：一是高壓氣瓶中釋放氣體的過程可認為是絕熱過程；二是吹除過程中壓載水艙中氣體與水具有一樣的溫度，即壓載水艙中氣體膨脹過程是一個恒溫過程。科克庫斯公司通過高壓氣應急吹除壓載水艙試驗，驗證了上述假設的合理性，并基于這些假設建立了高壓氣吹除主壓載水艙的數(shù)理模型。其主要包括3個部分：從壓載水艙流出的水、壓載水艙的壓力以及來自高壓氣瓶的氣流。

1）壓載水艙的排水模型

圖 1 高壓氣吹除系統(tǒng)Fig. 1High-pressure air blowing system

2）壓載水艙的壓力變化模型

3）氣瓶釋放氣體流量模型

式（1）～式（5）建立的高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型成為潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)計算的理論基礎，后來被眾多文獻采用。但是文獻[1]建立的高壓氣吹除模型沒有考慮實艇高壓氣吹除過程中高壓管道的長度、壁面摩擦、流動壓力降、壓力損失等問題，只能用于短路吹除工況下高壓氣系統(tǒng)的吹除計算，不能適用于常規(guī)吹除工況下高壓氣吹除系統(tǒng)的準確計算。

文獻[4 - 7]將高壓氣吹除壓載水艙采用“當量長度法”作為近似計算的依據(jù)，把吹除系統(tǒng)的管路簡化為具有等效摩擦效應，長度為L，直徑為D的等截面直管道，再按照等截面摩擦管絕熱流的計算公式來計算管道的質(zhì)量流量。文獻[6]分別建立了高壓氣吹除主壓載水艙短路吹除和常規(guī)吹除模型指出，相同條件下某型潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)短路吹除的排水量是常規(guī)吹除的2倍多。文獻[7]分析了高壓吹除過程中排水能力與高壓氣的吹除率、潛艇的航行深度以及排水孔面積等因素的關系，驗證了所建模型的準確性和相關假設的合理性。

1.2 基于CFD的高壓氣吹除過程數(shù)值仿真研究

CFD 數(shù)值仿真是以計算機為研究工具的離散化數(shù)值計算方法，由于其具備計算信息量豐富、靈活性高、研究成本低、周期短以及可以針對實體尺寸進行分析等優(yōu)點，廣泛用于流體力學中的各類問題的研究。跟試驗研究方法比起來，能夠在較短的時間內(nèi)對高壓氣吹除系統(tǒng)進行初步設計分析，為潛艇的總體設計提供依據(jù)，不僅在模型的加工成本與時間上花費更少，并且能夠根據(jù)研究工況的各類邊界條件變動即時做出改變，比試驗研究方法更靈活。因此，CFD技術(shù)在潛艇操縱性水動力計算、潛艇高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)值仿真、潛艇附體周圍復雜粘性流場計算、潛艇操縱面及尾部流場分析優(yōu)化等領域都有廣泛應用。

對于高壓氣體吹除，該過程為氣液兩相流動，重點在自由液面的追蹤，自由液面的追蹤方法主要有MAC法、VOF法、移動網(wǎng)格法、SPH法、LEVEL-SET等。面對不同的問題，可以選擇以上不同方法。文獻[8 - 10]通過CFD中兩相流VOF模型對高壓氣吹除壓載水艙的動態(tài)過程進行仿真，對高壓氣吹除各階段，液艙內(nèi)氣水分布情況、壓力變化情況及壓載水艙排水速率等特性進行了詳細分析，并與式（1）～式（5）建立的高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型進行對比，驗證了數(shù)理模型的正確性和相關假設的合理性。文獻[9]在研究了吹除壓強和背景壓強對吹除速率的影響后，認為影響吹除速率的主要因素是入口和出口的壓差。文獻[11]分析了常規(guī)吹除中出水口流速和壓載水艙中氣-液體積變化，并與潛艇自航模試驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證了仿真的有效性。文獻[12]采用一維有摩擦絕熱可壓縮流動計算方法確定水艙入口的三維非定常邊界條件，然后應用CFD技術(shù)對實驗水艙的排水過程進行三維仿真，計算結(jié)果對比實驗值誤差在可接受范圍內(nèi)。文獻[13]基于Fluent 數(shù)值仿真平臺對高壓氣瓶的放氣過程進行數(shù)值仿真，計算結(jié)果表明氣瓶出口截面馬赫數(shù)對氣體質(zhì)量流量變化規(guī)律影響嚴重，而對氣瓶內(nèi)壓力變化規(guī)律的影響較小。文獻[14]采用CFD數(shù)值計算方法，有針對性地對高壓氣吹除主壓載水艙過程中的氣、液摻混問題、靠近水艙縱向壁面區(qū)域的殘存水量問題，以及排水速率的震蕩衰減等問題進行了分析，但計算過程中未考慮潛艇深度改變引起的主壓載水艙出入口邊界條件變化情況。

1.3 高壓氣吹除試驗研究

目前，國內(nèi)關于高壓氣吹除系統(tǒng)試驗研究方面發(fā)表的文獻還較少。一方面，高壓氣吹除試驗耗資巨大且實施周期長，另一方面，采用實艇開展應急上浮試驗存在著一定的危險性。原聯(lián)邦德國的IKL公司（呂貝克工程事務所）用肼氣體發(fā)生器對206U型潛艇的艏部主壓載水艙進行吹除[15]。206U型潛艇從水下80 m的深度上浮，初始時以8 kn的航速水平航行。首部主壓載水艙在肼氣體發(fā)生器啟動13 s后基本排盡。潛艇最終以15 kn的速度沖出水面，縱傾角為 50°。在上浮過程中，潛艇的最大橫傾角達14°，最大上浮速度超過了6 m/s。由此可見，實艇水下應急上浮試驗過程中，如果操作不當，很容易釀成重大事故，存在很大的風險。用艇模試驗來替代實艇試驗行之有效。但是，由于艇模本身的加工精度，尺寸的縮放，以及水池的尺度效應等因素給艇模試驗的結(jié)果帶來了影響，國內(nèi)外至今還沒找到如何消除這些影響的辦法。

參考實艇的高壓氣吹除系統(tǒng)設計小比例的吹除模型開展高壓氣吹除試驗研究，能夠從一定程度上驗證數(shù)理模型或者CFD數(shù)值計算結(jié)果的準確性。文獻[16]在建立高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型的基礎上，通過設計高壓氣吹除系統(tǒng)小比例實驗裝置進行高壓氣吹除的流動實驗（見圖2），分析影響高壓氣吹除流量的主要影響因素。對比實驗結(jié)果和數(shù)理模型仿真結(jié)果表明，所建數(shù)理模型能較好描述高壓氣的流動過程，并給出了吹除流量系數(shù)的合理取值。

圖 2 高壓氣吹除試驗系統(tǒng)Fig. 2High-pressure air blowing experiment system

文獻[17]考慮重力對吹除過程的影響，改進現(xiàn)有壓載水艙高壓氣體吹除數(shù)理模型，并對原始數(shù)理模型與改進數(shù)理模型進行差異對比。通過高壓氣吹除模型試驗，驗證了當流水孔面積達到一定值時，可能出現(xiàn)流水孔面積增大，但流水孔水的質(zhì)量流量幾乎不變的情況；當?shù)刃姽芎聿恐睆阶銐虼髸r，高壓吹除的速率與等效噴管喉部直徑關系較小。

1.4 高壓氣吹除控制技術(shù)研究

高壓氣的吹除控制技術(shù)總體上可以分為2個層面：一個層面是高壓氣吹除系統(tǒng)本身的控制，主要關注系統(tǒng)內(nèi)壓載水艙、吹除閥、高壓氣管路等方面的控制和優(yōu)化等問題；另一層面是高壓氣吹除作為一種應急挽回手段，最終對潛艇運動狀態(tài)的控制，主要是采用現(xiàn)代智能控制算法，綜合應用車、舵、水和高壓氣吹除等手段，在潛艇發(fā)生應急狀況時，有效實施潛艇狀態(tài)的挽回。

在高壓氣系統(tǒng)本身的控制研究方面，文獻[18]針對高壓氣吹除難以精確控制吹除水量的問題，研究驗證了采用水艙液位控制實現(xiàn)高壓氣吹除水艙水量精確控制技術(shù)方案的可行性。文獻[19 - 20]為了有效控制高壓吹除過程中，舷外海水與主壓載水艙內(nèi)的海水壓力差，運用AMESim建立了帶壓差控制的超高壓氣動吹除閥模型，分析了各項參數(shù)對吹除閥吹除性能的影響，并對吹除閥的兩級節(jié)流特性、壓差控制技術(shù)、密封技術(shù)等關鍵技術(shù)都進行了研究，通過相關實驗對吹除閥性能進行了驗證。

在高壓氣智能吹除控制研究方面，文獻[21]針對潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)自動化程度低、供氣方法經(jīng)驗性較強且人工操縱容易出現(xiàn)誤操作等問題，為提高潛艇水下航行安全性，在高壓氣應急吹除主壓載水艙規(guī)律的基礎上，引入專家控制技術(shù)應用于系統(tǒng)，在應急情況下完成高壓氣的自動供氣、自動停止供氣和自動解除水艙氣壓，從而實現(xiàn)潛艇高壓氣系統(tǒng)的自動控制。文獻[22]結(jié)合模糊控制基于語義描述和非線性的控制特點，綜合潛艇操縱專家的操縱經(jīng)驗，設計潛艇高壓氣模糊控制器，實現(xiàn)了潛艇高壓氣吹除的有效精確控制。文獻[23]在建立和完善潛艇動力抗沉模型的基礎上，考慮了處理潛艇水下破損的常用動力抗沉措施，以潛艇首部一艙破損持續(xù)進水為例，對不同高壓氣供氣時機下的潛艇運動參數(shù)進行了仿真研究, 得到了潛艇運動參數(shù)的變化趨勢及相應的操縱建議。文獻[24]針對當前潛艇利用高壓氣進行動力抗沉缺乏定量分析和有效依據(jù)的問題，仿真分析了高壓氣吹除對潛艇縱傾和潛浮速率的影響，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 研究展望

盡管我國在高壓氣吹除主壓載水艙方面的研究已經(jīng)有了比較大的進展，但利用高壓氣進行動力抗沉過程中的定量分析研究還不夠深入，進行高壓氣吹除、停止吹除以及解除氣壓等操縱還主要依靠操艇人員的經(jīng)驗，缺乏有效的依據(jù)[24]，最終實現(xiàn)操艇系統(tǒng)，尤其是高壓吹除系統(tǒng)的自動智能挽回控制仍有諸多關鍵技術(shù)問題有待解決。

2.1 高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型研究

高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型是進行潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)總體設計、高壓氣吹除挽回操縱有效性預報以及實現(xiàn)高壓氣吹除智能控制的基礎。

1）數(shù)理模型的計算精度，以及計算過程中采用的管路等效長度、等效直徑以及管道沿程損失系數(shù)等參數(shù)與實際系統(tǒng)的對應關系還需要試驗進行確定和修正。精細化建模過程中對主壓載水艙、高壓氣管路布置等因素以及氣體流動過程中產(chǎn)生的膨脹波與激波，以及壅塞現(xiàn)象等對流動的影響等非線性因素的考慮還不夠全面。

2）由于吹除過程中壓載水艙內(nèi)并非穩(wěn)定的氣液分界面，需要進一步通過分析壓載水艙內(nèi)氣液混合流動對吹除水量的影響來修正數(shù)理模型。

3）目前在建立數(shù)理模型時，都將高壓氣吹除壓載水艙看作一個連續(xù)的離散過程，也即假設在單位時間步長內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)是穩(wěn)定不變的，而實際的高壓氣吹除過程狀態(tài)參數(shù)始終是連續(xù)變化的，可能尚未達到穩(wěn)定就過渡到下一個狀態(tài)，此種假設可能會造成高壓氣吹除過渡過程的參數(shù)變化計算產(chǎn)生較大誤差，因此還有賴于CFD數(shù)值計算和模型試驗的校準和修正。

2.2 高壓氣吹除CFD研究

1）由于實艇進行高壓氣吹除挽回過程中，潛艇的深度、縱傾等運動參數(shù)仍在變化，從而引起壓載水艙內(nèi)水線以及排水孔外背壓的連續(xù)變化，因此，進行CFD數(shù)值計算時還應當與挽回過程潛艇運動狀態(tài)的變化結(jié)合起來，加入邊界條件變化的因素。

2）CFD數(shù)值仿真中湍流模型的選擇至關重要，目前大多數(shù)研究所采用的模型主要根據(jù)已有文獻的研究成果或研究人員自身的經(jīng)驗來選取，還需要通過進一步的試驗對比來選擇適合描述高壓氣吹除主壓載水艙過程的湍流模型。

2.3 高壓氣吹除試驗研究

1）從經(jīng)濟性和安全性來講，實艇試驗價格昂貴、不易操作而且危險系數(shù)也較高，目前并不是常用的研究方法。小尺寸模型試驗用縮比的小尺寸模型來進行試驗，相比實艇試驗優(yōu)勢很大，但由于尺度效應的存在，試驗結(jié)果的普世性問題難以保證。針對此問題，一方面，可以參考美國的模式，考慮采用大尺寸的無人自航模進行試驗，另一方面如何對試驗的尺度效應進行修正，來指導實艇操作仍然值得深入研究。

2）進一步進行試驗系統(tǒng)的優(yōu)化設計，進而驗證數(shù)理模型、CFD數(shù)值計算的準確性以及建模時采用各種假設的合理性。

2.4 高壓氣吹除自動智能控制研究

1）潛艇高壓氣的使用具有不可逆和非連續(xù)性，故必須深入研究高壓氣吹除控制規(guī)律，尤其是高壓氣吹除挽回控制中的3個關鍵時間點，即供氣時機、停止供氣時機和解除氣壓時機。其中，供氣時機由危害發(fā)生時，指揮員根據(jù)潛艇的運動狀態(tài)和趨勢，同時結(jié)合自己的判斷和經(jīng)驗，下達指令來確定。停止供氣時機，需要根據(jù)吹除后能夠產(chǎn)生的正浮力和校正力矩，以及對潛艇運動狀態(tài)和趨勢產(chǎn)生的影響來確定，這是研究高壓氣吹除控制規(guī)律的核心。需要深入研究潛艇不同運動狀態(tài)（深度、深度速率、縱傾、縱傾速率等）、高壓氣儲量和壓力、不同供氣部位（首部、中部、尾部單獨或組合）、吹除方式（常規(guī)或短路吹除）等因素，能夠產(chǎn)生的正浮力和校正力矩的量值，以及對潛艇運動狀態(tài)的影響。前者主要靠高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型研究來解決，后者還需要結(jié)合潛艇大攻角強機動下的操縱運動數(shù)學模型來對潛艇的運動狀態(tài)進行預報，同時對挽回控制效果進行評估。解除氣壓時機，主要由供氣停止后，已產(chǎn)生的正浮力和校正力矩持續(xù)發(fā)揮的挽回控制效果來確定，也即在停止供氣后，通過潛艇操縱運動數(shù)學模型，持續(xù)對潛艇的運動狀態(tài)進行預報。

2）在充分認識高壓氣吹除控制規(guī)律之后，應著重研究潛艇自動挽回控制策略的制定，也即發(fā)生事故工況后，如何綜合應用“車”、“舵”、“氣”、“水”等操控手段，對潛艇實施有效的挽回[25-26]。在控制策略制定方面，應能對事故工況等級及其發(fā)展趨勢進行評估和預報，考慮只用車、舵、水能否成功挽回，什么情況下必須用到高壓氣；高壓氣吹除在何時介入，何時停止、是否需要解除以及何時解除；在整個高壓氣吹除挽回過程中，其他操縱手段如何配合以發(fā)揮最大挽回控制能力?？偟膩碚f，高壓氣智能吹除控制作為潛艇自動挽回決策當中的重要環(huán)節(jié)，也是高壓氣吹除主壓載水艙研究領域的“終極目標”，還依賴于高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型、潛艇大攻角機動模型、多參數(shù)多目標智能控制算法研究方面的最新進展。