（華北電力大學動力工程系 保定 071003）

1 引言

潛艇環(huán)境是一個封閉的空間，大多數(shù)時間在水下航行，水下的這種特殊環(huán)境也決定了潛艇空間的特殊性。為提高潛艇的水下續(xù)航力，保證持續(xù)作戰(zhàn)時間，要求盡可能長時間的使?jié)撏Лh(huán)境接近大氣環(huán)境。

潛艇環(huán)境復雜，噪聲源多，空氣污染嚴重，人體呼吸、口腔飛沫、皮膚代謝以及艇內(nèi)各種設備及設施，如蓄電池、機電設備、空調、廚房、衛(wèi)生間等都會排放污染物，此外，潛艇艙室密閉且面積狹小，主推進電機、輔機如空調機組、空氣壓縮機、泵等機械設備工作的發(fā)熱量大，艙內(nèi)溫濕度過高。研究潛艇聲隱身技術，做好降噪處理，探索污染物控制方法，以及進行舒適性研究，對潛艇環(huán)境的改善和作戰(zhàn)能力的提高具有重要意義。

2 潛艇噪聲問題研究現(xiàn)狀及建議

潛艇水噪聲主要由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲組成，低速航行時潛艇的機械噪聲，如主機、泵、管內(nèi)流動的液體等，引起艇體表面向水中輻射水噪聲。中、高速航行時，螺旋槳噪聲通過艇體振動、水流軌跡、艇體接觸和表面反射傳遞至聲納影響其自噪聲。高速航行時，艇體周圍產(chǎn)生湍流，與湍流邊界層相關的波動壓力向水中輻射噪聲，并激起結構振動，向遠場輻射噪聲［1］。潛艇主要噪聲源的傳播示意圖，如圖1所示。

圖1 潛艇主要噪聲源傳播示意圖

2.1 研究現(xiàn)狀

2.1.1 機械噪聲

有效控制機械噪聲是實現(xiàn)潛艇安靜化的首要環(huán)節(jié)，其控制方法有多種，為了降低艇體的機械振動，普遍從設備選用和布置、敷設阻尼材料、減小共振、吸聲和隔聲處理等方面入手進行研究。機械噪聲的主要控制方法，包括通過輸入激勵力來預測潛艇水下輻射噪聲，機械設備相對集中布置以及采用浮筏隔振裝置等［2］。又可采用磁致、壓電等智能作動器制作有源隔振元件，代替體積龐大的浮筏等被動減震器［3］。噪聲的主動控制在低頻信號時的減震效果要優(yōu)于被動控制，其原理如圖2所示［4］?？梢?，這些方法并沒有從艇體本身進行研究。

2.1.2 螺旋槳噪聲

圖2 主動隔振示意圖

螺旋槳噪聲是螺旋槳產(chǎn)生的湍流、以及槳葉、軸系等機械振動所產(chǎn)生的噪聲，可以根據(jù)不同的頻譜將其從噪聲源中分離出來。航速一定時，螺旋槳噪聲隨深度增加而降低；深度一定時，隨航速增加而增加［5］。為達到降噪目的可深入研究能承受大比壓且具有自潤滑功能的水潤滑軸承材料［6］?？刂茖Я鞴艿恼駝右材軌蚪档屯w尾部結構的振動，導流管的結構圖及振動變形圖如圖3所示［7］。汪永茂等根據(jù)施工建造中的實例，控制變形和防腐等，制作了一種3530kW（4800HP）拖船導流管，獲得了理想的效果［8］。此外，螺旋槳空化噪聲也是主要的噪聲源之一，螺旋槳臨界空化速度的理論計算對降低空化噪聲有重要意義，具體計算公式如下［9］

其中V是空化臨界速度，Γ是Rankine渦的速度環(huán)量，r、a是矢徑。

圖3 導流管的結構圖及振動變形圖

2.1.3 水動力噪聲

降低潛艇水動力噪聲也是提高潛艇聲隱身性能的一個重要方面，它是由艇體和附體周圍的流場產(chǎn)生的。減少水動力噪聲的主要方法是從艇體的外形尺寸入手。Moore KJ等探討了附體形狀及相關裝置對降低聲學和非聲學信號強度的能力［10］。多年來人們對潛艇的多種模型進行了水動力噪聲實驗研究，但大多數(shù)的研究都不是實艇試驗，徐尚仁對水動力噪聲測試中的誤差進行了研究，測試環(huán)境條件和測量方法是主要的影響因素［11］。

2.1.4 管路噪聲

此外，除一些機械設備外，管路系統(tǒng)也會產(chǎn)生振動和噪聲，比如液壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風管路系統(tǒng)等，對管路進行振動特性研究考慮固液耦合作用十分重要，可設計電流變、磁流變阻尼半主動控制系統(tǒng)［12］。

2.2 存在問題及建議

潛艇隱身性是衡量潛艇作戰(zhàn)能力的重要指標，潛艇隱身性影響的結構示意圖如圖4所示。由圖4易知，研究潛艇噪聲控制是提高潛艇隱身性的重要方法。噪聲不可避免，我國對潛艇降噪技術的研究起步較晚，雖然已經(jīng)有了很大程度的提高，但要實現(xiàn)全面降噪還有待研究。

改進降噪措施的不足之處，比如，敷設在潛艇輕外殼的消聲瓦，一般兼有吸聲和消聲的雙重功能，但在300Hz以下的低頻段效果并不理想［4］。此外，應盡可能從潛艇本身考慮，與各學科綜合研究，在設計潛艇時就充分考慮到最有利的降噪措施。從噪聲源出發(fā)，研究新型消聲材料，進行模擬試驗研究，分析在不同位置敷設消聲材料對降噪的影響，確定最優(yōu)方案。

圖4 潛艇隱身技術影響結構示意圖

3 潛艇污染問題研究現(xiàn)狀及建議

潛艇環(huán)境是一個特殊的密閉環(huán)境，艇內(nèi)設備、艇體材料、烹飪以及人體生命活動等都會散發(fā)污染物，對潛艇艙室空氣污染的控制是提高潛艇戰(zhàn)斗力的重要措施?？偨Y艇內(nèi)的污染物及大氣控制設備如表1所示。

表1 艇內(nèi)的污染物及大氣控制設備總結表

污染物采樣和樣品處理的方法和技術，包括直接、吸收、吸附劑以及濾膜采樣法，溶液提取、熱解析以及溶液消解技術［13］。潛艇艙室空氣污染物主要有四類，即顆粒狀、氣狀、放射性以及微生物污染物?？刂莆廴驹纯梢詮南拗仆T活動（如吸煙）及用品的使用（如廚房用油），限制潛艇用材，控制設備污染等方面入手。

顆粒狀污染物（如人體代謝產(chǎn)生的皮屑）主要以人為來源，經(jīng)過過濾、靜電以及低溫等離子體等方式進行清除。放射性污染物（如反應堆對空氣的放射性污染）包括放射性氣體和放射性氣溶膠兩種形式，氣溶膠的凈化一般采用過濾和靜電除塵，而氣體一般采用活性炭吸附，目前，有一種改進辦法，即采用三臺活性炭吸附器交替工作，其工作原理如圖5所示［14］。

圖5 三臺活性炭吸附器交替工作原理圖

3.1 研究現(xiàn)狀

對于潛艇空氣中氣狀污染物（包括惡臭污染）的凈化方式，包括活性炭吸附法、催化燃燒法以及等離子體凈化技術等?；钚蕴坷w維吸附技術具有直徑小（5～30μm），吸附量大，速度快，強度高等一系列優(yōu)點［15］。一種新興的凈化技術基于TiO2獨特的光催化特性，具有快速清潔有害氣體，無毒、操作簡單、噪聲小、能耗低等優(yōu)點［16］。與其他凈化技術相比，潛艇有害氣體綜合凈化技術—吸附富集與催化燃燒聯(lián)合工藝，具有綜合性強、能耗低、壽命長、反應速度快、不產(chǎn)生二次污染、裝置可連續(xù)運行以及技術成熟等優(yōu)點［17］。

3.2 存在的問題及建議

目前的污染物控制技術還有待研究改進，就低溫等離子凈化技術而言，它效率高能耗低，能有效除臭，根本治理有毒的和難降解的物質，但在反應過程中會產(chǎn)生二次污染，產(chǎn)生的臭氧會腐蝕金屬，超過允許濃度時還會影響人體健康，技術水平也不高，還不能得到廣泛的應用。

污染物治理涉及的研究領域比較廣，應集物理學、化學、生物學和環(huán)境科學等于一體綜合研究，對不同的污染物尋找不同的合理技術手段，并不斷探索新型材料和技術?？蓪⒍喾N技術手段的聯(lián)合應用作為今后的研究方向，如低溫等離子體技術與催化技術的結合，以期取得更好的效果。

4 潛艇舒適性問題研究現(xiàn)狀及建議

潛艇環(huán)境密閉，大多數(shù)時間在水下工作，不能像陸地建筑物那樣與大氣進行正常的通風換氣。此外，由于舷外水溫較高，艙內(nèi)空氣達到40℃或更高，相對濕度達到50～90%，嚴重影響艇員的身體健康和工作效率［18］?？梢?，舒適性是潛艇亟需解決的又一重大問題。

4.1 研究現(xiàn)狀

為保證人員的健康，潛艇上裝有密不可分的兩個系統(tǒng)，即空氣再生系統(tǒng)和空氣調節(jié)系統(tǒng)，在解決人員居住性的前提下，調節(jié)溫濕度水平，進一步提高了熱舒適性?？諝庠偕到y(tǒng)主要包括氧氣制備系統(tǒng)、CO2清除系統(tǒng)以及氫氣、一氧化碳和其它污染物的凈化。目前主要的空氣再生手段及方法如表2所示。

表2 空氣再生手段及方法總結表

在密閉的潛艇艙室里，空氣組分處于不斷的變化之中，通過空氣再生系統(tǒng)，保證了空氣組分滿足標準水平。再經(jīng)過空氣調節(jié)系統(tǒng)對空氣的溫、濕度進行調節(jié)則進一步滿足了人體的舒適度要求，空氣調節(jié)系統(tǒng)原理圖如圖6（a）所示。潛艇中的整個潛艇空調系統(tǒng)包括空氣再生系統(tǒng)、氣體監(jiān)測系統(tǒng)、通風系統(tǒng)以及溫、濕度調節(jié)系統(tǒng)。集中布置的系統(tǒng)工作原理圖如圖6（b）所示。

4.2 存在問題及建議

潛艇環(huán)境的舒適性是保證作戰(zhàn)能力的關鍵性問題，保證舒適性的前提是要滿足標準的空氣組分。雖然目前的一些方法都是比較實用的，但仍存在一些弊端，如氧化劑放氧后的堿性產(chǎn)物吸收CO2，對其反應的時間控制是很難的，易造成氧氣過量。而且很多化學反應都會產(chǎn)生大量的熱，造成艇內(nèi)不利的高溫環(huán)境。此外，潛艇上還存在局部艙室高溫的問題。

空氣組分的控制是今后研究的重大課題，需要不斷探索新的技術手段，可以將“雙元系統(tǒng)”作為今后的主要研究方向，不斷突破技術瓶頸。對于溫、濕度調節(jié)系統(tǒng)可以在有條件的基礎上進行實艇試驗，調節(jié)其系統(tǒng)分區(qū)等改進措施，盡可能使各艙均達到舒適的水平。

5 結語

以上對潛艇內(nèi)存在的三大主要問題—噪聲問題、污染問題以及舒適性問題，均作出了總結，指出了不足并提出了相應的建議。在今后潛艇環(huán)境的研究工作中，還是要以這三大問題為主要內(nèi)容，不斷提出更好的解決方法和新的技術手段，不斷提高潛艇的艙室環(huán)境質量，保證艇員健康和潛艇作戰(zhàn)能力。

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