气囊技术用于潜艇应急上浮方案探讨
从潜艇在军事和国防中的重要地位出发，结合潜艇发展史上出现的重大事故，简要介绍了国内外潜 艇救生技术的现状和发展趋势，创新性地提出了气囊技术用于潜艇应急上浮方案的设想，并对该方案的组成、工作过 程及主要参数计算做了重点阐述。以某救生艇为例建立了潜艇上浮的模型，计算该艇从水下600 m上浮至水面的时 间，充分展现了气囊方案的优越性。与潜艇传统的压载水系统做了比较，指出了各自的优缺点。提出了本方案具体实 施所需的关键技术及今后研究工作的重点。关键词：气囊技术；潜艇；应急上浮；数学模型
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 forsubmarineemergeneyascend,andmainlyelaboratestheprojeetstructure,workingprocessandkey 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 auperiorityoftheballonettechnology.Immediatelycomparethismethodwithtraditionalsubmarine'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: ballonettechnology;submarine;emergencyascend;mathematicalmodel
潜艇在一个国家的军事和国防中占有十分重要 的地位，是海军的重要作战力量，可以执行反舰、布 雷、侦察和特种作战等任务；尤其攻击型核潜艇具有 杀伤性大、耐久力强、隐蔽性好等优点，有着极大的威 慑力，在战争中具有不可替代的作用。随着科技的发 展，反潜技术的进步，终将导致潜艇往大潜深方向发 展。而潜艇有其致命的弱点：储备浮力小、抗沉能力 弱、构造复杂、水下环境恶劣等。尽管现在潜艇的性能不断提高，这些因素的存在依然增加了潜艇失事的 概率。纵观潜艇发展史， 一直为悲剧性事故和灾难所 充斥，常规潜艇沉没的威胁多来自外界，而核潜艇沉 没的风险多出于本身。世界上第1艘失事的核潜艇 (美国“长尾篮”号核潜艇)1963年4月沉没在美国 的科德角附近海域；1989年4月，苏联1艘 M 级“共 青团员”号攻击型核潜艇在巴伦支海起火沉没；2000 年8月13日，俄海军“库尔斯克”号多用途核潜艇在 巴伦支海参加北方舰队演习时发生事故沉没。我国 也发生过2起重大潜艇事故： 一起是50 年代末“418”号潜艇操作失误； 一起是2003年5月的“361” 号潜艇机械事故。在大力发展潜艇的同时，必须思考 如何提高潜艇的安全性。潜艇事故的发生，催生了救援技术的发展。现阶 段潜艇救生方式大致有3种：自救、援救及自救与援 救相结合，它们都有各自的弊端，很大程度上受到了 海域的限制。浅海还可以视具体情况采取自救的办 法脱险，而深海援救必须依靠外界。在深潜救生方 面，美国、俄罗斯、挪威、瑞典、英国处于世界先进水 平。由于深潜救生设备的制造和运行费用很高，导致 了多数国家无法问津。随着潜艇作战性能的不断提 高，潜艇救生设备和技术也在向更快、更深、更有效的 方向不断发展和完善。当前救生体系主要有以下发 展趋势：①注重自救脱险装备的研究；②提高深潜 敕生艇的性能；③研制新型辅助设备；④整体配 套，形成援潜教生装备的系列化；⑤形成多国援救 装备的标准化，寻求国际合作-*]。现有救生系统的发展无法满足潜艇大潜深的需 求，迫使我们寻求一种更加切实可行的救援方案。本 文在了解国内外潜艇救生技术及发展趋势的基础之 上，创新性地提出了气囊技术用于潜艇应急上浮的构 想，也可用在深潜器、观光艇等方面的救援。目前国 内外救援技术主要侧重于人员的救生，而人员的救生 受到很多因素的限制，尤其在大潜深的情况下，大大 增加了救援的难度。本方案侧重于潜艇整体应急上 浮，提高了救援的成功率，这也正是本方案的新颖之 处，具有广阔的发展空间和应用前景。1气囊技术用于潜艇应急上浮方案的设想气囊是一种依靠内部充入具有一定压力的气体， 使得膜面张紧产生张力来抵抗外部载荷效应的薄膜结构。气囊用在汽车被动安全装置上(即安全气囊),能减缓或隔离冲击效应，降低事故中人员的伤亡率。气囊技术用于船舶下水领域克服了固定式下水滑道的弊端，发展成为今天极具灵活性的柔性下水技术，具有安全可靠、综合经济效益显著等优点。目 前正逐步拓展到船舶防撞、沉船打捞、重物搬运、建筑工程以及气体、液体运输、临时水库、油库、浮桥和抢险救灾等领域，显示出了广阔的应用前景³。作为潜艇应急上浮方案的气囊，其主要工作过程 如下：当潜艇在下潜深度出现液压系统失效或受到深 水炸弹的攻击，引起水平舵失控、操作系统失效或无 响应、火灾、耐压壳进水等紧急情况时，启动应急气囊万方数据上浮方案；利用潜艇携带的高压气瓶迅速将气囊吹张，凭借气囊所提供的浮力使潜艇能够快速上浮至自救深度；同时向外界发送救援信号，等待救援的到来。 为了实现这一目标，必须在艇上布置一套完整的系统。主要包括高压气瓶、充气管路、气囊、控制和检测装置等。方案流程图如图1所示。当潜艇在下潜深度出现紧急情况时，将危险情况发给检测装置进行评估，如果仅依靠潜艇自身的压载水系统可以排除故障，就不用启动气囊应急上浮方案；否则打开高压气瓶，对气囊进行快速充气，当气囊体积达到设定值时， 便停止充气。图1气囊式应急上浮方案流程Fig 1 Flowchart of ballonet emergeney ascend system1.1 布设气囊的个数气囊数目的确定主要取决于单个气囊的体积大 小、潜艇的重量、所携带压载水的重量和排水量。假 设单个气囊的体积为V。,潜艇的质量为m₁,压载水的 质量为m₂,潜艇的排水量为V。气囊的个数 n的计 算为： (1)式中：p为海水密度；g 为重力加速度。潜艇在上浮过 程中，由于气囊所承受的背压在逐渐减小，导致内部 气体的膨胀，最终使得气囊的体积变大。气囊体积变 大，气囊所提供的浮力也变大，因而加快了潜艇的上 浮速度。所以，气囊的数量并不是越多越好，要综合 考虑高压气瓶的负重和充气的时间等因素。1.2气囊的浮力分布设计此方案除了保证潜艇能快速地浮出水面以外，还要确保潜艇在上浮过程中稳心在较小的范围内变动， 因此必须对气囊进行浮力分布设计。在计算潜艇的质心和稳心的前提下，利用力矩平衡得出姿态控制方案，使潜艇在水中处于平衡上浮状态。气囊体积和位置的确定要视艇体的具体情况而定， 一般应在中部布置，主要考虑在上浮过程中对潜艇稳心的影响。1.3 高压充气系统管路计算[*-为了便于计算，对高压系统模型做如下简化：认 为从高压气瓶到充气管路中气体的流动为等熵流；高 压气体在管路中的流动为有摩擦的绝热流动；高压气体在气囊内的膨胀为绝热过程。简化模型如图2所示。计算分为3步：首先采用等效长度法对充气管路进行等效，其次计算管路的质量流量及出人口参数， 最后根据气囊的体积计算充气时间。 图2高压系统简化模型Fig.2 Simple model of high-pressure charge aystem1.3.1 管路等效长度计算
在进行等效长度计算时，应考虑管路的沿程损失 和局部损失，分别计算各管段的当量长度及等效长 度，进而计算管路的等效长度。计算关系如下： (2)L₉=L+l 。 (3)式中：d为管路当量直径；A为管路沿程损失系数；ξ 为管路局部损失系数；L为管路长度；l₄ 为当量长度； L₀为等效长度。1.3.2质量流量计算先计算高压气瓶的临界压力，然后与气囊所承受 的背压(即潜艇所处深度的压力)相比较，对高压空 气的流动是否达到临界状态做出判断。 (4)式中：P”为气瓶出口处的临界压强；P。为气源压力。在等效长度已知的前提下代入下式计算进口处 的马赫数：(5)式中：M, 为入口处的马赫数；k 为绝热指数。由于式 (5)计算起来比较困难， 一般采用牛顿迭代法。令x=M,则(6)牛顿迭代公式：: (7)先根据式(4)左边的数值，参阅有摩擦的等截面 绝热流表 B4I⁰),用插值法得到一个初值，再按照牛顿 迭代法求得入口处马赫数的稳定值。1)入口参数计算
入口温度入口压力人口气体密度(8)(9)
入口音速 C₁=√kRT; 。 (11)2)出口参数计算出口压力 ,(12) 出口温度 (13)3)空气质量流量计算(14)1.3.3气囊充气时间估算将潜艇所在深度处的压力作为气囊的背压P, 设气囊膨胀所需要的空气量G, 充气时间为t。同时 根据所需要的空气量以及气源参数还可以计算潜艇 应该携带高压气瓶的体积。P,=pgh, (15) (16) (17)2 潜艇上浮模型的建立建立潜艇上浮模型，可以得到气囊的体积、布设气囊的数量以及上浮到一定深度所需要的时间等参数。在潜艇上浮的过程中需要考虑水阻力的影响。 水阻力的计算公式： (18) 式中：e为水阻力系数，由试验测得；p 为海水密度；o 为上浮过程中潜艇的速度；A 为接触面积。在潜艇上 浮过程中，加速度是逐渐变大的。利用微段分析的方 法，认为在上浮 dh高度的过程中是恒加速运动，参照匀加速路程计算公式： (19)
得出上浮 dh 高度的时间 (20)式中：,为t时刻的速度；a,为t时刻的加速度。潜 艇上浮过程中需要考虑的因素很多，所以计算起来十 分困难。下面以某型深潜救生艇为例，估算它从水下 600 m 深度上浮到水面所需要的时间。已知其外形尺寸：14.7m×2.6m×3.9m, 艇重 32 t,假设该艇在水下600m 深处发生意外，导致艇内 全部进水。首先根据计算所需气囊的体积：
32 m³。为了给艇体一个初始的加速度，在艇重心处布置 一个体积为35m³的球形气囊。把艇体看作是一个 有表面积的质点，假设在上浮过程中各处的速率一 致。采用 MATLAB 编程方法，得到上浮到水面过程 的时间。取水阻力系数c=2.77×10~”, 忽略气囊及 其内部气体质量的影响，不考虑气囊表面积对水阻力 的作用，艇体上浮到水面仅需要55.89 s。仿真结果 如图3所示。
时间图3艇体上浮高度随时间的变化规律Fig.3Submarine ascend height vs time change relation从这个例子可以看出，气囊可在较短时间浮起遇 难潜艇。目前压载水技术已经十分成熟，不可能出现 例子中认为的艇体全部进水情况，所以气囊应急上浮 方案也可作为传统压载水系统的一个备用方案，增强 潜艇应对危急情况的信心。3气囊应急上浮方案与传统压载水系统的比较潜艇压载水系统的主要任务是将压载水注人压 载水舱或自压载水舱排出，从而达到潜艇上浮、下潜 等不同状态，保持恰当的排水量、吃水，维持适当的稳 心高度，减轻艇体振动的目的，是调整潜艇浮态的重 要辅助系统。
两者的区别主要有以下几个方面：1)潜艇的压载水系统管路复杂，在压载水注入 和吹除的过程中，导致能量损失比较严重；而气囊应 急上浮方案管路系统较少，能量损失大大减小。2)压载水系统大量的压载水舱占用艇上有限的 空间；而气囊在不充气的状态下重量轻、体积小、便于 携带。3)压载水系统储备浮力可供调节的范围很小； 而气囊方案可以通过增加携带气囊的个数大大增强 潜艇的上浮力。4)压载水系统布置在潜艇底部，当潜艇发生意 外倾覆时，它不能正常工作或吹除不彻底。而气囊在 任何情况下充气后均能够自由上浮，充分体现了气囊 救援方案的优越性。本方案能补充压载水系统存在的不足，可以作为 压载水系统的主要备用措施。相信在潜艇技术飞速 发展的将来， 一定可以设计出更加完善的教援方案。4结语本方案具体实施有一定的难度和局限性，至少要 突破以下几个关键技术：①当前气囊还不能够承受 大潜深的水下压力，有待于新型材料的研制；②高 压气体在水下膨胀这一复杂的过程能否实现预定的 功能，还有待于进一步研究；③气囊与艇体的接口 技术：气囊提供的浮力越大，气囊根部与艇体连接处 的受力也就越大，所以接口技术的突破也是该方案的 主要问题所在；④气囊外形的优化技术，主要从减 小水阻力方面考虑。所有这些问题的存在为今后的 研究指明了努力的方向。
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