一種新型潛航器應(yīng)急救生裝置
——爆漲式氣囊工作原理初探

徐峻楠，魏 崗，杜 輝，武軍林

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一種新型潛航器應(yīng)急救生裝置——爆漲式氣囊工作原理初探

徐峻楠，魏 崗，杜 輝，武軍林

（國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101）

針對(duì)潛航器遭遇大幅度掉深險(xiǎn)情，探討了一種爆漲式氣囊裝置工作原理，通過對(duì)潛航器在大振幅內(nèi)波環(huán)境中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，提出了應(yīng)急救生裝置所需固態(tài)氣體發(fā)生劑的最小體積及估算方法，以及爆漲式氣體發(fā)生器及氣囊結(jié)構(gòu)的基本原理；確定了選擇具有產(chǎn)氣率高、氣體產(chǎn)物溫度低和無毒材料作為氣體發(fā)生劑，以及耐腐蝕、柔韌性高和耐溫高材料作為氣囊材料的基本原則。應(yīng)用分析表明：與傳統(tǒng)潛航器應(yīng)急救援手段相比，新型爆漲式氣囊裝置具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高以及發(fā)揮作用快等優(yōu)點(diǎn)。

潛艇救生 爆漲式氣囊 大幅掉深 海洋內(nèi)波

0 引言

自二戰(zhàn)后期，潛艇非戰(zhàn)斗海損已超過百余起，致使大量人員傷亡[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，主要原因來自潛艇內(nèi)部火災(zāi)、與其它結(jié)構(gòu)物碰撞以及無法承受大深度海水壓力導(dǎo)致破損等。層化海洋中的海水流動(dòng)受地形影響可產(chǎn)生內(nèi)孤立波，已觀測(cè)到的這類內(nèi)波振幅高達(dá)180米[2]。當(dāng)潛艇巡航穿越內(nèi)波時(shí)，由于海水密度突然變化可引起潛艇大幅掉深，若掉深距離超過其最大設(shè)計(jì)深度，可導(dǎo)致耐壓殼破裂進(jìn)水從而引發(fā)災(zāi)難性事故，海洋內(nèi)波已成為當(dāng)今潛艇非戰(zhàn)斗海損的重要誘因之一[3]。例如，1963年美國海軍Thresher號(hào)和1969年以色列海軍Darker號(hào)潛艇失事，以及近期中國海軍某潛艇遭遇內(nèi)波事件，均造成人員和裝備的重大損失。因此，開發(fā)潛艇應(yīng)急救生的有效裝置歷來是各國裝備技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的重要課題之一。

目前，對(duì)于潛艇救援主要采取兩種方式：外部救援和潛艇自救。外部救援是利用深海救援裝備對(duì)潛艇內(nèi)部被困人員進(jìn)行緊急救生，例如，美國的深潛救生艇Mystic號(hào)、Avalon號(hào)以及印度的援潛艦Ins nireekshak號(hào)等[1]。潛艇自救是指通過一系列操作使?jié)撏撾x險(xiǎn)境，例如潛艇掉深時(shí)，可采取排出平衡水艙積水、加速航行提高舵效以及高壓排氣等措施，以達(dá)到促使?jié)撏а杆偕细〉哪康模淮送?，還包括艇員單人或集體逃離失事潛艇等形式[4]。然而，上述兩種救援方式都有其局限性，外部救援需要對(duì)事故潛艇進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并在潛艇破損或艇內(nèi)氧氣含量降低至一定濃度前完成救援，其實(shí)際操作過程難度也相當(dāng)大；潛艇自救是在潛艇動(dòng)力系統(tǒng)未被破壞的前提下，其開始操作至發(fā)揮作用之間的耗時(shí)會(huì)較長，而采取艇員脫離潛艇的方式局限于下潛深度較小的情形。

基于上述，本文嘗試提出一種新型潛航器應(yīng)急救生裝置工作原理——爆漲式氣囊裝置，包括甄選氣囊材料和氣體發(fā)生劑，以及初步設(shè)計(jì)氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)原理以及與潛艇的連接方式，以期為潛航器遭遇大幅掉深險(xiǎn)情提供一種更加有效的應(yīng)急救生手段。

1 基本模型

-和+分別是下面方程的兩個(gè)根

由方程（5）得到界面波動(dòng)情況，如圖1所示，下凹形內(nèi)孤立波會(huì)引起層化海水密度分界面大幅度波動(dòng)，使得上下層流速呈剪切狀，波前為下沉流，波后為上升流。當(dāng)潛航器在下層流體航行遭遇此內(nèi)孤立波時(shí)，由于較大水深范圍內(nèi)密度驟降導(dǎo)致潛航器浮力驟減，同時(shí)由于垂向流速場(chǎng)作用，可引起潛航器在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大幅掉深[6]。為方便敘述，圖中標(biāo)出的0、H和c分別為潛航器在啟動(dòng)救生裝置、下沉速度降為零和最大設(shè)計(jì)深度的水深位置，其中最大設(shè)計(jì)深度為潛航器的破損深度[7]。

圖1 潛航器遭遇大振幅內(nèi)孤立波的掉深示意圖

現(xiàn)以排水體積1的潛航器為例，分析爆漲式氣囊在其遭遇內(nèi)孤立波時(shí)克服大幅掉深的救生原理。假設(shè)潛航器在密躍層下方航行，對(duì)應(yīng)海水密度為2，其約化重力的作用為

當(dāng)潛航器進(jìn)入大振幅內(nèi)孤立波時(shí)，其在密度為1的海水中會(huì)迅速產(chǎn)生掉深，此時(shí)爆漲式氣囊救生裝置啟動(dòng)。假設(shè)氣囊打開后體積變化近似為等溫過程，其在潛航器掉深過程中所能提供的上升浮力為

式中，0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，=()為掉深過程中潛航器的位置，2為氣囊打開時(shí)的體積。則確保潛航器掉至最大設(shè)計(jì)深度前浮力恢復(fù)應(yīng)滿足的條件為

式中，1為潛艇速度降為零時(shí)所需時(shí)間，0為氣囊打開時(shí)潛艇的下沉速度。

為估算應(yīng)急救生裝置中氣體發(fā)生劑的最小體積，可通過方程（8）~（10）確定氣囊體積2，再根據(jù)氣體狀態(tài)方程求得氣囊內(nèi)氣體物質(zhì)的量

2 爆漲式氣囊裝置工作原理

潛航器應(yīng)急救生爆漲式氣囊裝置主要由三部分組成：氣體發(fā)生器、氣體發(fā)生劑和氣囊。當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)，氣體發(fā)生器將瞬間點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生劑，所產(chǎn)生的氣體迅速為氣囊充氣，繼而為潛航器提供上升浮力。

2.1基本結(jié)構(gòu)

1）氣體發(fā)生器

圖2為氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括控制系統(tǒng)、產(chǎn)氣室、助燃室、過濾室及篩網(wǎng)、輪轂式增強(qiáng)肋以及排氣孔等。氣體發(fā)生器工作時(shí)，由控制系統(tǒng)觸發(fā)助燃室中的助燃劑，進(jìn)而引發(fā)氣體發(fā)生劑化學(xué)反應(yīng)生成大量氣體，通過濾室濾去殘?jiān)?，之后進(jìn)入氣囊。

圖2 氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)

為避免潛航器因損傷而影響爆漲式救生裝置正常啟動(dòng)[8]，裝置的控制系統(tǒng)獨(dú)立于潛航器設(shè)計(jì)，其工作方式既可由無線設(shè)備主動(dòng)觸發(fā)也可由壓強(qiáng)傳感器被動(dòng)觸發(fā)，具體過程為：1）信號(hào)接收器接收到啟動(dòng)信號(hào)后將其傳至控制中心，控制中心通過信號(hào)發(fā)射器發(fā)出指令信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)電子點(diǎn)火器觸發(fā)爆漲充氣；2）壓強(qiáng)傳感器將測(cè)得的壓強(qiáng)信號(hào)實(shí)時(shí)傳入控制中心，根據(jù)艇內(nèi)壓強(qiáng)()變化估算潛航器掉深位置和掉深速率，即

再由方程（10）決定應(yīng)急裝置的啟動(dòng)。圖3為控制系統(tǒng)工作原理示意圖。

2）氣體發(fā)生劑

氣體發(fā)生劑通常選擇在短時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生大量氣體的固態(tài)化學(xué)物質(zhì)，表1給出了幾種常用氣體發(fā)生劑及其屬性。

表1中各氣體發(fā)生劑的主要特點(diǎn)如下[9-11]：Ｎ－脒基脲二硝酰胺鹽在溫度500 K附近迅速分解，并隨溫度升高分解速度降低；疊氮化鈉具有燃溫低、燃速高和成本低等特點(diǎn)，有劇毒；六硝基六氮雜異伍茲烷具有產(chǎn)氣率高、氣體產(chǎn)物溫度低（小于322 K）等特點(diǎn)，配方對(duì)應(yīng)的混合物密度為1.73 g/cm3；偶氮二甲醚二硝酸鹽具有燃速高、燃溫低和氣體產(chǎn)物無毒無腐蝕等特點(diǎn)。根據(jù)表1中氣體發(fā)生劑屬性及特點(diǎn)，本文推薦使用六硝基六氮雜異伍茲烷作為爆漲式應(yīng)急救生裝置的氣體發(fā)生劑。

3）氣囊

氣囊用于迅速收集和儲(chǔ)存氣體發(fā)生劑所產(chǎn)生的大量氣體置，充氣氣囊可為潛航器提供必要的上升浮力[12]。由于深水壓強(qiáng)大、氣體產(chǎn)物溫度高，氣囊材料需要選擇具有強(qiáng)度高和耐高溫屬性的材料，同時(shí)還應(yīng)具有耐腐蝕和柔韌性高等特點(diǎn)。表2比較了幾種高分子材料的強(qiáng)度屬性[13-15]。

表中芳綸12的纖維束絲拉伸強(qiáng)度最高，同時(shí)具有耐腐蝕、柔韌性高以及耐溫達(dá)500℃等特點(diǎn)，可選擇作為爆漲式氣囊的理想制作材料。為加強(qiáng)纖維束絲編織結(jié)構(gòu)在高壓環(huán)境中的密封性，氣囊可采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中內(nèi)外兩層采用芳綸12材料，中間層采用橡膠材料。內(nèi)層可起到隔熱和隔離雜質(zhì)的作用，外層主要承載內(nèi)部壓力，中間層可加強(qiáng)氣囊的密封性。表3給出了部分耐溫性較好的橡膠材料。

表1 常用氣體發(fā)生劑屬性

表2 高分子材料強(qiáng)度屬性

表3 各種橡膠耐熱性質(zhì)

表中硼硅橡膠在其最高耐溫條件下可持續(xù)工作數(shù)小時(shí)，建議爆漲式氣囊中間層采用此類橡膠材料。

2.2設(shè)置與安裝方式

爆漲式氣囊應(yīng)急救生裝置與潛航器的連接采用嵌入式鉸接方式，救生裝置啟動(dòng)后，為保持潛航器上升過程中的平穩(wěn)性，可對(duì)不同排水噸位的潛航器采用單裝置、雙裝置或多裝置等設(shè)置方式，分別在潛航器重心位置或圍繞重心平衡位置進(jìn)行設(shè)置安裝，如圖4所示。

圖4 救生裝置設(shè)置與安裝方式

3 應(yīng)用分析

現(xiàn)以我海軍某潛艇在遭遇海洋內(nèi)孤立波時(shí)實(shí)際記錄隨時(shí)間的掉深距離為例（http://news.qq.com/a/20141217/059754.htm），如表4，分析爆漲式氣囊所需固態(tài)氣體發(fā)生劑的最小體積，以此說明新型潛航器應(yīng)急救生裝置的可適用性。

表4 某潛艇隨時(shí)間掉深距離記錄

對(duì)應(yīng)擬合曲線如圖5所示。由上式可計(jì)算出潛艇掉深時(shí)的平均下沉加速度0.0024 m/s、初始下沉速度0.0410 m/s和極限潛深處下沉速度0.905 m/s，再由方程（7）可推算出當(dāng)時(shí)躍層上下海水密度比1/2=0.9997。

其次，分析相同海洋環(huán)境和潛艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，若采用爆漲式氣囊裝置所需要的氣體發(fā)生劑最小體積。

圖5 潛艇深度與時(shí)間關(guān)系

設(shè)潛艇在極限潛深位置處啟動(dòng)爆漲式氣囊裝置，此時(shí)，0=300 m和0=0.905 m/s。若假設(shè)充氣氣囊保持體積不變，可計(jì)算提供所需浮力的氣囊最小體積，再根據(jù)氣體狀態(tài)方程進(jìn)行修正，由方程（7）~（10）估算所需充氣氣囊的最小體積為

（14）

已知該潛艇體積1=3000 m3，H*取為極限潛深的1.2倍，即H*=360 m，由此可計(jì)算出2=3.35 m3。取氣體產(chǎn)物的平均摩爾質(zhì)量g=29 g/mol，再由方程（11）和（12）可計(jì)算出所需要的氣體發(fā)生劑最小體積約為0.076 m3。

上述分析表明：在密度變化極?。s為0.03%）的海洋分層環(huán)境中，當(dāng)潛艇遭遇大振幅內(nèi)波時(shí)，其安全性也可能面臨巨大的威脅；新型爆漲式氣囊裝置可有效應(yīng)對(duì)潛艇遭遇內(nèi)波時(shí)的大幅度快速掉深險(xiǎn)情，所需氣體發(fā)生劑體積與潛艇體積之比極小，僅為(10-2)m3，對(duì)目前潛艇結(jié)構(gòu)及其它特性的影響均可忽略。

4 結(jié)論

本文基于對(duì)大振幅海洋內(nèi)波特征及其對(duì)潛航器大幅掉深影響分析，提出一種新型潛航器應(yīng)急救生裝置——爆漲式氣囊的工作原理，其主要特點(diǎn)如下：

1）以潛航器由極限潛深沉至最大設(shè)計(jì)深度為最后應(yīng)急救生距離，建立了爆漲式氣囊最小體積及所需氣體發(fā)生劑最小體積的估算方法；

2）提出了新型爆漲式器囊的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及與潛航器連接方式，它由氣體發(fā)生器、氣體發(fā)生劑和氣囊三部分組成，氣體發(fā)生器觸發(fā)氣體發(fā)生劑，爆漲氣體迅速進(jìn)入氣囊，進(jìn)而為潛航器提供浮力；確定了選擇具有產(chǎn)氣率高、氣體產(chǎn)物溫度低和無毒材料作為氣體發(fā)生劑以及耐腐蝕、柔韌性高和耐溫高材料作為氣囊材料的基本原則，建議選擇CL-20作為氣體發(fā)生劑，以及芳綸12和硼硅橡膠作為氣囊材料。

3）新型爆漲式氣囊獨(dú)立于潛航器設(shè)計(jì)與安裝，正常工作不受潛艇是否喪失動(dòng)力之影響且可靠性高；采用自啟動(dòng)和遙控啟動(dòng)方式使得操作安全簡(jiǎn)單；利用氣體發(fā)生劑爆炸反應(yīng)進(jìn)行充氣不僅速度快且發(fā)揮作用時(shí)間短。

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A New Emergency Life-saving Device for Submerged Vehicles——A study on the operational principle of explosive airbag

Xu Junnan, Wei Gang, Du hui, Wu Junling

(College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, Jiangsu, China)

U667.6

A

1003-4862（2018）02-0008-05

2017-11-20

國家自然科學(xué)基金（11072267，11472307）；國防預(yù)研基金（KYQYZXJK150019）

徐峻楠（1995-），男，在讀碩士。專業(yè)方向：分層流體中水動(dòng)力學(xué)研究

魏崗（1962-），教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:weigangweigang12@163.com