徐學(xué)偉 劉寅桐 張耀林
(91388部隊(duì) 湛江 524022)
隨著人類對(duì)海洋世界探索的不斷深入,海洋調(diào)查工作越來越受到各國(guó)的重視,我國(guó)每年執(zhí)行海洋調(diào)查任務(wù)的艦船數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì),海洋調(diào)查中一項(xiàng)最重要、最基本的內(nèi)容就是聲傳播特性調(diào)查,目前,世界各國(guó)普遍采用的方法是:艦船在不同海域航行過程中,定時(shí)、定點(diǎn)、定深投放爆炸聲源,水聲裝備接收聲音信號(hào),從而獲得聲音在此海域中的傳播特性[1]。但是,聲源爆炸時(shí)會(huì)對(duì)艦船本身,特別是對(duì)艉部的螺旋槳產(chǎn)生損傷,如何能有效減少損傷且又獲得有效數(shù)據(jù),是我們必須面對(duì)的實(shí)際問題。
爆炸聲源對(duì)艦船螺旋槳效能[2]損傷一般為振動(dòng)損傷和水壓對(duì)密封件損傷兩類,振動(dòng)損傷一般是長(zhǎng)期累加的結(jié)果,短時(shí)間的損傷效果不明顯,但水壓對(duì)密封件的損傷會(huì)直接造成螺旋槳故障,影響艦船在航,并且,一般執(zhí)行海洋調(diào)查任務(wù)的艦船多采用可調(diào)變距槳,對(duì)密封要求更高,所以,本文重點(diǎn)研究聲源爆炸時(shí)由水壓對(duì)密封件損傷而造成的螺旋槳效能損傷評(píng)估。
爆炸聲源是為海洋聲學(xué)綜合調(diào)查專門設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,可作為一種水下爆炸聲源,在設(shè)定的深度使用,以探測(cè)不同海洋環(huán)境對(duì)聲波傳播的影響[3]。
爆炸聲源使用前將運(yùn)輸保險(xiǎn)銷拔出,解除運(yùn)輸保險(xiǎn),處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)聲源投入水中下沉到一定水深時(shí),解保部件在海水壓力下將推桿撥出定位桿,保險(xiǎn)桿在儲(chǔ)能彈簧作用下移動(dòng)到解除保險(xiǎn)位置,雷管與導(dǎo)爆管對(duì)正,同時(shí)電機(jī)發(fā)電并通過整流電路向電容充電,發(fā)火裝置解除二級(jí)保險(xiǎn),此時(shí)電點(diǎn)火管仍處于短路狀態(tài);解保部件在海水壓力下繼續(xù)下壓打開短路開關(guān),發(fā)火裝置處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)爆炸聲源下沉到規(guī)定的深度時(shí),水壓開關(guān)接通,發(fā)火電路工作,通過電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃保險(xiǎn)桿中的火焰雷管,雷管引爆傳爆序列,從而使爆炸聲源在水中爆炸[4]。
爆炸聲源的分類,一般有以下幾種:一是根據(jù)水下作用深度不同,可分為7m、25m、50m、100m、200m、300m、500m、……1000m等多個(gè)系列;二是根據(jù) TNT 當(dāng)量不同,可分為 50g、100g、200g、……1000g等多個(gè)系列;三是根據(jù)聲源下沉?xí)r間長(zhǎng)短不同,可分為帶尾翼和不帶尾翼兩種,等等。一般爆炸聲源的生產(chǎn)和制作主要根據(jù)客戶的要求在訂貨合同中予以明確,以下選取最常用的四種典型分類進(jìn)行研究,具體參數(shù)見表1。
表1 爆炸聲源分類表
由于艦船螺旋槳和艉軸密封結(jié)構(gòu)各有差異,本文選取典型艦船加以分析,某型船多次執(zhí)行海洋環(huán)境調(diào)查任務(wù),在任務(wù)執(zhí)行過程中也多次使用爆炸聲源,其螺旋槳采用79KS/4型可調(diào)螺距螺旋槳,艉軸密封裝置采用SM430型滑艉軸密封裝置,如圖1所示,槳轂密封和艉軸密封分別采用了密封圈的方式進(jìn)行密封,隔離內(nèi)部潤(rùn)滑油與外界海水的接觸,以保證滑油不變質(zhì),為了確保系統(tǒng)安全,該船采用了重力油柜裝置,保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力始終大于海水的壓力,即使密封圈有損壞,系統(tǒng)的滑油也會(huì)在重力油柜壓力作用下向海水外泄,而不會(huì)發(fā)生海水倒灌進(jìn)滑油系統(tǒng)的現(xiàn)象[5]。
圖1 螺旋槳水下示意圖
如圖1所示,該型船的螺旋槳系統(tǒng)水下可能與海水竄通的部位有兩處,一處是槳轂密封處,另一處是艉軸密封處。槳轂處進(jìn)水會(huì)導(dǎo)致可調(diào)槳變距滑塊機(jī)構(gòu)卡滯,影響調(diào)距,從而導(dǎo)致艦船損縱失靈,艉軸密封處進(jìn)水會(huì)影響軸承潤(rùn)滑冷卻效果,加速軸系部件磨損,會(huì)導(dǎo)致軸系變形,另外,由于兩處的潤(rùn)滑油系統(tǒng)相通,進(jìn)水量過多,會(huì)使油質(zhì)變差,大大減少系統(tǒng)的工作使用壽命,因此,必須加以重視。
炸藥在水中爆炸時(shí),水介質(zhì)會(huì)受到高溫、高速、高壓的爆炸產(chǎn)物作用,在裝藥和介質(zhì)的界面處,爆炸產(chǎn)物以極高的速度向周圍擴(kuò)展,如同一個(gè)超音速的活塞,強(qiáng)烈擠壓水介質(zhì),使其壓力、密度、溫度突然升高,形成水中沖擊波,爆炸產(chǎn)物最初以極高的速度向四周運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展,由于能量的傳遞和損耗,它的速度很快衰減,一直到零為止。當(dāng)爆炸產(chǎn)物膨脹到某一特定體積時(shí),其壓力降至水介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的初始?jí)毫?,但此時(shí)爆炸產(chǎn)物并沒有停止運(yùn)動(dòng),由于慣性的作用而過度膨脹,一直到某一最大體積,此時(shí),爆炸產(chǎn)物內(nèi)部的平均壓力低于介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的初始?jí)毫?,出現(xiàn)了“負(fù)壓區(qū)”,負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)后,周圍介質(zhì)反過來對(duì)爆炸產(chǎn)物進(jìn)行第一次壓縮,使其壓力不斷回升,同樣,由于慣性作用產(chǎn)生過度壓縮,使爆炸產(chǎn)物內(nèi)部壓力又大于初始?jí)毫ΓM(jìn)而開始第二次膨脹——壓力脈動(dòng)過程,經(jīng)過若干次脈動(dòng)后,最終停止,達(dá)到平衡狀態(tài)[6]。
由于水的密度大,慣性大,氣泡脈動(dòng)次數(shù)要比空中爆炸時(shí)的脈動(dòng)次數(shù)多,有時(shí)可達(dá)十次以上,對(duì)水中爆炸來講,除水中沖擊波之外,也只是第一次脈動(dòng)所形成的壓力波才有實(shí)際意義,盡管二次壓力波的峰值不超過沖擊波峰值壓力的10%~20%,但它的沖量卻和沖擊波的沖量相近,破壞力也很大,本文涉及到對(duì)螺旋槳的破壞主要是水壓對(duì)密封件損傷,不對(duì)振動(dòng)損傷作以評(píng)價(jià),所以只研究水中沖擊波的影響作用[7]。
目前,水下爆炸的初始參數(shù)數(shù)值計(jì)算不如空中爆炸問題那樣系統(tǒng)、詳細(xì),但對(duì)水下爆炸問題,已有相當(dāng)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式可供參考,根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料整理得出,水中沖擊波波陣面最大壓力(或稱峰值壓力)的計(jì)算公式如下:
式中 Pm為水中沖擊波波陣面峰值壓力(MPa);ω為TNT裝藥重量(kg);r為沖擊波波陣面半徑或距爆炸中心處的距離(m);k、α為試驗(yàn)系數(shù)值,均由試驗(yàn)確定(幾種常見炸藥的試驗(yàn)系數(shù)值見表2)。
表2 Pm計(jì)算公式中的試驗(yàn)系數(shù)值
由以上的公式可知,螺旋槳密封件受到的壓力沖擊與爆炸物種類、當(dāng)量和距離有關(guān),艦船航行過程中爆炸點(diǎn)與螺旋槳位置如圖2所示,爆炸聲源距螺旋槳的距離為r,我們可以根據(jù)公式計(jì)算得出最大沖擊壓力值,并與系統(tǒng)本身的壓力值做比較,從而進(jìn)一步評(píng)估螺旋槳損傷程度。
圖2 爆炸點(diǎn)與螺旋槳位置圖
該型船的螺旋槳位于水下5.6m吃水處,重力油柜位于水面上10.4m處,我們假設(shè)滑油系統(tǒng)所能承受水中沖擊壓力最大值為P0,則該壓力值為滑油系統(tǒng)本身壓力值與水下海水壓力值之差,即P0=ρ油gh-ρ海gh,式中,把滑油的密度值按0.88×103kg/m3計(jì)算,海水密度值按1.05×103kg/m3計(jì)算,可得 P0=0.080(MPa)。
通過以上計(jì)算,可以得到不同種類聲源在水中爆炸時(shí),所產(chǎn)生的最大沖擊壓力值,為了方便對(duì)比,我們選取四種常用典型聲源,艦船按10節(jié)航速計(jì)算,所得結(jié)果做成表格(表3)進(jìn)行分析研究。
表3 水中沖擊波最大壓力計(jì)算表
通過表3可以看出,使用TNT裝藥量100g不帶尾翼7m定深聲源和TNT裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源,爆炸后產(chǎn)生的最大沖擊壓力分別是0.261MPa和0.081MPa,大于滑油系統(tǒng)所能承受水中沖擊壓力最大值為0.080MPa,所以外部海水壓力會(huì)瞬間大于螺旋槳密封壓力,導(dǎo)致海水進(jìn)入系統(tǒng),海水累積多了以后會(huì)造成系統(tǒng)故障[8]。其他兩種聲源的爆炸最大壓力小于系統(tǒng)壓力,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損傷。
減小炸藥重量會(huì)大大降低最大沖擊壓力,我們以上面計(jì)算過的TNT炸藥裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源為例,現(xiàn)在把TNT當(dāng)量減小到500g,在艦船為10節(jié)的航速下,通過計(jì)算可得Pm為0.062MPa,此值小于系統(tǒng)壓力值,可以確定爆炸對(duì)螺旋槳的影響是安全的,所以減小炸藥重量是應(yīng)對(duì)措施之一[9]。
提高艦船航行速度,可以加大爆炸作用距離,從而降低最大沖擊壓力,我們還是以上面計(jì)算過的TNT裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源為例,現(xiàn)在把艦船的航速提高到15節(jié),折算后的航速s=7.71m/s,深彈爆炸時(shí)間t=60s,計(jì)算可得r=464.73,最后得出Pm為0.052MPa,說明艦船航速增大后,爆炸對(duì)螺旋槳的沖擊減小了。
目前,海洋調(diào)查作業(yè)中,投放聲源的方式主要是人工投放,一般距離艦船本身很近,爆炸距離小,最后產(chǎn)生的爆炸沖擊力很大,我們可以考慮用發(fā)射裝置投放聲源,此類裝置類似魚雷氣動(dòng)發(fā)射裝置一樣,使用高壓空氣推動(dòng),這樣既可以保證安全,又能使聲源在安全距離以外爆炸,保證把爆炸沖擊力降到最?。?0]。
延緩聲源下沉速度,以保證艦船有足夠的時(shí)間遠(yuǎn)離爆炸聲源,也能保證螺旋槳受到的沖擊最小,我們也可以考慮設(shè)計(jì)一種緩降裝置,通俗地講,就是給聲源安裝一種類似降落傘一樣的裝置,用于控制聲源下沉速度,延長(zhǎng)爆炸時(shí)間,進(jìn)而減小沖擊壓力[11]。
在海洋經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代,人們對(duì)海洋的探究也是無止境的,本文僅僅對(duì)海洋調(diào)查工作面臨的一些具體實(shí)際問題加以分析研究,提出了個(gè)人的一點(diǎn)看法,可能還不夠深入,僅僅起到拋磚引玉的作用。本文所選取的艦船,包括其他一些計(jì)算參數(shù),不一定非常準(zhǔn)確,但具有一定代表性,我們的損傷評(píng)估結(jié)果最終以量化的方式體現(xiàn),對(duì)比性很強(qiáng),判斷起來也簡(jiǎn)單易行,希望能給讀者提供有益參考[12]。