高壓氣在潛艇自浮操縱中的使用研究*

劉常波 王 建 丁風雷

(海軍潛艇學院作戰(zhàn)指揮系 青島 266071)

1 引言

潛艇在海上航行或作戰(zhàn)中,無論其處于水面或水下狀態(tài),都有可能因遭敵攻擊、碰撞而引起艙室破損進水。潛艇水下發(fā)生破損時,當海面情況不允許上浮,則需要繼續(xù)停留在水下抗沉。當破損位置在艙室中上部,且海區(qū)水深不大于最大可浮深度時,就應當考慮潛坐海底。在潛艇潛坐海底進行自浮時,主要是用高壓氣吹除主壓載水艙的水來提供上浮力和扶正力矩,以達到使?jié)撏暮５赘〕鏊娴哪康摹?/p>

本文針對潛艇自浮方法進行研究,分析了高壓氣在自浮時的使用原則,闡述了高壓氣需求量的計算方法和高壓氣使用預案的制定。

2 高壓氣量的計算

潛艇高壓氣貯存量的計算公式[1]:

式中:n為氣瓶數(shù);v為每個氣瓶容積;p為氣瓶工作壓力。

實際上對高壓氣貯存量和需要量的表示方法,既不用氣體的體積為單位,也不用氣體的壓力為單位來表示,而是用高壓氣體積的百分數(shù)來表示。因此,上式的計算結(jié)果不適用。

計算高壓氣貯存量的百分數(shù)采用的方法有兩類:

第一類:精確計算,有兩種方法:第一種是用式(1)的計算結(jié)果除以a(a為所有氣瓶貯存量為1%時氣體的體積);

第二種是用式(2)、(3)進行計算。

式中:Ni為每組氣瓶的數(shù)目;ni為氣瓶的組數(shù);pping高壓氣平均儲量;A0為高壓氣儲量的百分比。

精確計算和近似估算方法的主要區(qū)別是:前者按照各組氣瓶的數(shù)目進行計算,故比較精確;后者不考慮每組氣瓶數(shù)目的不同,只按照氣瓶的組數(shù)進行計算,故存在誤差。在潛艇日常工作和戰(zhàn)備訓練等情況下,一般都使用近似估算的方法,因為這種方法,運算簡便,結(jié)果基本可靠。

3 潛艇自浮時高壓氣的需求量

潛艇自浮時,使用高壓氣主要解決以下三個方面的問題:

1)向破損艙供氣堵漏,將進水限制在破口的上邊緣。

2)向相鄰艙室供氣支頂艙壁,防止進水在艇內(nèi)蔓延。

3)向主壓載水艙供氣排水,平衡潛艇消除負浮力和縱傾力矩。

對于潛艇抗沉時高壓氣需要量的估算,可以使用計算法和查圖法來進行。下面分別進行說明[2]。

第一種方法:計算法

當潛艇水下發(fā)生破損進水后,如果需要供氣艙室的容積和潛艇所處的失事深度已知,則抗沉時高壓氣需要量(A)的計算公式如下:

要特別注意的是,當運用上述公式具體計算不同抗沉措施的高壓氣需要量時,一定要針對具體情況,作具體的分析,否則就會發(fā)生差錯。具體情況如下:

1)求向破損艙室供氣堵塞破口的高壓氣需要量(A堵):

2)求向鄰艙供氣支頂艙壁的高壓氣需要量(A支):

3)求向主壓載水艙供氣平衡潛艇的高壓氣需要量(A平):

4)求抗沉時總共需要的高壓氣量(A總):

表中:υ為支頂艙室的容積(m3);υq為破洞上邊緣以上艙室容積(m3);υz為主壓載水艙容積(m3);pcb為艙壁的耐壓強度(大氣壓);pH為潛艇所處失事深度相對應的水壓力(PH=H/10,每10m水深為1個大氣壓);α為全部高壓氣貯存量1%時的高壓氣體積,是常數(shù);1為常數(shù),為海面的空氣壓力(大氣壓)。

第二種方法:查圖法

查圖法共有 2種:一種是查《抗沉高壓氣算圖》,將查得的上述3項高壓氣需要量相加,得出總需要量;另一種是通過查《艙室抗沉高壓氣需要量曲線圖》。直接得出抗沉所需總的高壓氣量。

計算法和查圖法都大概給出了抗沉時高壓氣的需要量,但其中還有很多因素未考慮到,是不完善的,如破損艙的進水速度與放氣速度的影響、克服潛艇的下潛慣性而多消耗的高壓氣量、氣排中間組水艙使艇自力上浮所耗高壓氣量以及氣瓶內(nèi)高壓氣本身最后的無效部分等。這2種方法都存在局限性大、結(jié)果不準和計算時間長等缺點。因此,以理論為依據(jù),通過建立數(shù)學模型,對其進行仿真可迅速、準確地得到所需高壓氣總量以及其它方面的信息。

4 計算舉例與仿真

潛艇高壓氣的儲量并不能百分百的利用,其中有一部分是不能用的,我們稱為失效部分。

因此,在制訂抗沉高壓氣使用方案時,應該從潛艇破損時高壓氣貯存量中,將這部分失效氣體扣除掉。因此,從保證潛艇的安全出發(fā),在確定抗沉高壓氣使用方案時,應留安全系數(shù)(ε),這個安全系數(shù)一般取20%～25%。所以自浮時高壓氣需要量的總計算公式如下:

4.1 計算舉例

已知某潛艇在水下一艙右舷破損進水,破洞高度 h洞=2.0m,進水量 υ水=52m,失事深度 H失=80m,海底深度 H底=100m,高壓氣儲量 A0=85%。則潛艇從100m實施自浮所需要的高壓氣量:

5)校核艇上浮時高壓氣的需要量。因為高壓氣總量A0=85%,自浮時高壓氣需求總量為:

所以艇上高壓氣儲量可以將潛艇從100m的海底浮起。

4.2 仿真

對上述例子進行仿真如圖1所示。

由圖1可得:高壓氣需要量為:A總+ε=72.1%＜85%(取ε=20%)。從而為海底自浮時高壓氣使用預案的制定提供了依據(jù),驗證了平衡浮起方案的可行性。

圖1 自浮方案效果圖

5 結(jié)語

高壓氣在潛艇潛坐海底后實施自浮中起著至關(guān)重要的作用,但是其使用也是受限制的,如儲量有限、使用時機等,所以我們必須在實施自浮前做好高壓氣使用預案,確定其儲量能否保證潛艇順利浮起。

[1]張建華,徐亦凡.潛艇高壓氣使用[J].四川兵工學報,2009(9)

[2]徐亦凡.潛艇操縱原理與方法[M].北京:兵器工業(yè)出版社,139～141

[3]施生達.潛艇操縱控制規(guī)律的研究[J].海軍工程大學學報,1989(3)

[4]劉常波,張洪星.基于VSS的潛艇升降舵自動控制設(shè)計與實現(xiàn)[J].船海工程,2009(1)

[5]劉常波,張洪星.卡爾曼濾波在潛艇垂直面運動控制器設(shè)計中的應用[J].艦船科學技術(shù),2009(4)