氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案探討

永泰長榮

從潛艇在軍事和國防中的重要地位出發(fā)，結(jié)合潛艇發(fā)展史上出現(xiàn)的重大事故，簡要介紹了國內(nèi)外潛 艇救生技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，創(chuàng)新性地提出了氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案的設(shè)想，并對該方案的組成、工作過 程及主要參數(shù)計(jì)算做了重點(diǎn)闡述。以某救生艇為例建立了潛艇上浮的模型，計(jì)算該艇從水下600 m上浮至水面的時 間，充分展現(xiàn)了氣囊方案的優(yōu)越性。與潛艇傳統(tǒng)的壓載水系統(tǒng)做了比較，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了本方案具體實(shí) 施所需的關(guān)鍵技術(shù)及今后研究工作的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：  氣囊技術(shù)；潛艇；應(yīng)急上浮；數(shù)學(xué)模型

Abstract:    Form submarine's important position in military and national defense,combining with fatal accidents appeared in submarine phylogeny,this article briefly introduces current status and development trend of submarine litesaving technology,then originally puts forward a conceive of ballonet technology used for  submarine  emergeney  ascend,and  mainly  elaborates  the  projeet  structure,working  process  and  key parameter calculation.Taking a reacue boat as an example,build up the submarine ascending model and rompute the time of the boat foating from underwater 600 m to surface.This model fully presents the auperiority  of  the  ballonet  technology.Immediately  compare  this  method  with  traditional  submarine's pressing and carrying water system,point out their advantage and disadvantage respectively.Lastly the key technology needed in actualizing the projeet concretely and the main work for the future are proposed.

Key   words:   ballonet  technology;submarine;emergency  ascend;mathematical  model

潛艇在一個國家的軍事和國防中占有十分重要 的地位，是海軍的重要作戰(zhàn)力量，可以執(zhí)行反艦、布 雷、偵察和特種作戰(zhàn)等任務(wù)；尤其攻擊型核潛艇具有 殺傷性大、耐久力強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，有著極大的威 懾力，在戰(zhàn)爭中具有不可替代的作用。隨著科技的發(fā) 展，反潛技術(shù)的進(jìn)步，終將導(dǎo)致潛艇往大潛深方向發(fā) 展。而潛艇有其致命的弱點(diǎn)：儲備浮力小、抗沉能力 弱、構(gòu)造復(fù)雜、水下環(huán)境惡劣等。盡管現(xiàn)在潛艇的性

能不斷提高，這些因素的存在依然增加了潛艇失事的 概率?？v觀潛艇發(fā)展史， 一直為悲劇性事故和災(zāi)難所 充斥，常規(guī)潛艇沉沒的威脅多來自外界，而核潛艇沉 沒的風(fēng)險(xiǎn)多出于本身。世界上第1艘失事的核潛艇 (美國“長尾籃”號核潛艇)1963年4月沉沒在美國 的科德角附近海域；1989年4月，蘇聯(lián)1艘 M 級“共 青團(tuán)員”號攻擊型核潛艇在巴倫支海起火沉沒；2000 年8月13日，俄海軍“庫爾斯克”號多用途核潛艇在 巴倫支海參加北方艦隊(duì)演習(xí)時發(fā)生事故沉沒。我國 也發(fā)生過2起重大潛艇事故： 一起是50 年代末“418”號潛艇操作失誤； 一起是2003年5月的“361” 號潛艇機(jī)械事故。在大力發(fā)展?jié)撏У耐瑫r，必須思考   如何提高潛艇的安全性。

潛艇事故的發(fā)生，催生了救援技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階 段潛艇救生方式大致有3種：自救、援救及自救與援 救相結(jié)合，它們都有各自的弊端，很大程度上受到了 海域的限制。淺海還可以視具體情況采取自救的辦 法脫險(xiǎn)，而深海援救必須依靠外界。在深潛救生方 面，美國、俄羅斯、挪威、瑞典、英國處于世界先進(jìn)水 平。由于深潛救生設(shè)備的制造和運(yùn)行費(fèi)用很高，導(dǎo)致 了多數(shù)國家無法問津。隨著潛艇作戰(zhàn)性能的不斷提 高，潛艇救生設(shè)備和技術(shù)也在向更快、更深、更有效的 方向不斷發(fā)展和完善。當(dāng)前救生體系主要有以下發(fā) 展趨勢：①注重自救脫險(xiǎn)裝備的研究；②提高深潛 敕生艇的性能；③研制新型輔助設(shè)備；④整體配 套，形成援潛教生裝備的系列化；⑤形成多國援救 裝備的標(biāo)準(zhǔn)化，尋求國際合作-*]。

現(xiàn)有救生系統(tǒng)的發(fā)展無法滿足潛艇大潛深的需 求，迫使我們尋求一種更加切實(shí)可行的救援方案。本 文在了解國內(nèi)外潛艇救生技術(shù)及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)之 上，創(chuàng)新性地提出了氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮的構(gòu) 想，也可用在深潛器、觀光艇等方面的救援。目前國 內(nèi)外救援技術(shù)主要側(cè)重于人員的救生，而人員的救生 受到很多因素的限制，尤其在大潛深的情況下，大大 增加了救援的難度。本方案側(cè)重于潛艇整體應(yīng)急上 浮，提高了救援的成功率，這也正是本方案的新穎之 處，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

1  氣囊技術(shù)用于潛艇應(yīng)急上浮方案的設(shè)想

氣囊是一種依靠內(nèi)部充入具有一定壓力的氣體， 使得膜面張緊產(chǎn)生張力來抵抗外部載荷效應(yīng)的薄膜  結(jié)構(gòu)。氣囊用在汽車被動安全裝置上(即安全氣  囊),能減緩或隔離沖擊效應(yīng)，降低事故中人員的傷  亡率。氣囊技術(shù)用于船舶下水領(lǐng)域克服了固定式下  水滑道的弊端，發(fā)展成為今天極具靈活性的柔性下水  技術(shù)，具有安全可靠、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。目 前正逐步拓展到船舶防撞、沉船打撈、重物搬運(yùn)、建筑  工程以及氣體、液體運(yùn)輸、臨時水庫、油庫、浮橋和搶  險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景3。

作為潛艇應(yīng)急上浮方案的氣囊，其主要工作過程 如下：當(dāng)潛艇在下潛深度出現(xiàn)液壓系統(tǒng)失效或受到深 水炸彈的攻擊，引起水平舵失控、操作系統(tǒng)失效或無 響應(yīng)、火災(zāi)、耐壓殼進(jìn)水等緊急情況時，啟動應(yīng)急氣囊

萬方數(shù)據(jù)

上浮方案；利用潛艇攜帶的高壓氣瓶迅速將氣囊吹  張，憑借氣囊所提供的浮力使?jié)撏軌蚩焖偕细≈磷?nbsp; 救深度；同時向外界發(fā)送救援信號，等待救援的到來。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須在艇上布置一套完整的系  統(tǒng)。主要包括高壓氣瓶、充氣管路、氣囊、控制和檢測  裝置等。方案流程圖如圖1所示。當(dāng)潛艇在下潛深  度出現(xiàn)緊急情況時，將危險(xiǎn)情況發(fā)給檢測裝置進(jìn)行評  估，如果僅依靠潛艇自身的壓載水系統(tǒng)可以排除故  障，就不用啟動氣囊應(yīng)急上浮方案；否則打開高壓氣  瓶，對氣囊進(jìn)行快速充氣，當(dāng)氣囊體積達(dá)到設(shè)定值時， 便停止充氣。

圖1  氣囊式應(yīng)急上浮方案流程

Fig 1   Flowchart of ballonet emergeney ascend system

1.1 布設(shè)氣囊的個數(shù)

氣囊數(shù)目的確定主要取決于單個氣囊的體積大 小、潛艇的重量、所攜帶壓載水的重量和排水量。假 設(shè)單個氣囊的體積為V。,潛艇的質(zhì)量為m?,壓載水的 質(zhì)量為m?,潛艇的排水量為V。氣囊的個數(shù) n的計(jì) 算為：

       (1)

式中：p為海水密度；g 為重力加速度。潛艇在上浮過 程中，由于氣囊所承受的背壓在逐漸減小，導(dǎo)致內(nèi)部 氣體的膨脹，最終使得氣囊的體積變大。氣囊體積變 大，氣囊所提供的浮力也變大，因而加快了潛艇的上 浮速度。所以，氣囊的數(shù)量并不是越多越好，要綜合 考慮高壓氣瓶的負(fù)重和充氣的時間等因素。

1.2  氣囊的浮力分布設(shè)計(jì)

此方案除了保證潛艇能快速地浮出水面以外，還  要確保潛艇在上浮過程中穩(wěn)心在較小的范圍內(nèi)變動， 因此必須對氣囊進(jìn)行浮力分布設(shè)計(jì)。在計(jì)算潛艇的  質(zhì)心和穩(wěn)心的前提下，利用力矩平衡得出姿態(tài)控制方  案，使?jié)撏г谒刑幱谄胶馍细顟B(tài)。氣囊體積和位  置的確定要視艇體的具體情況而定， 一般應(yīng)在中部布  置，主要考慮在上浮過程中對潛艇穩(wěn)心的影響。

1.3 高壓充氣系統(tǒng)管路計(jì)算[*-

為了便于計(jì)算，對高壓系統(tǒng)模型做如下簡化：認(rèn) 為從高壓氣瓶到充氣管路中氣體的流動為等熵流；高 壓氣體在管路中的流動為有摩擦的絕熱流動；高壓氣體在氣囊內(nèi)的膨脹為絕熱過程。簡化模型如圖2所  示。計(jì)算分為3步：首先采用等效長度法對充氣管路  進(jìn)行等效，其次計(jì)算管路的質(zhì)量流量及出人口參數(shù)， 最后根據(jù)氣囊的體積計(jì)算充氣時間。

圖2  高壓系統(tǒng)簡化模型

Fig.2 Simple model of high-pressure charge aystem

1.3.1 管路等效長度計(jì)算