徐學偉 劉寅桐 張耀林

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

隨著人類對海洋世界探索的不斷深入，海洋調查工作越來越受到各國的重視，我國每年執(zhí)行海洋調查任務的艦船數(shù)量呈逐年上升趨勢，海洋調查中一項最重要、最基本的內容就是聲傳播特性調查，目前，世界各國普遍采用的方法是：艦船在不同海域航行過程中，定時、定點、定深投放爆炸聲源，水聲裝備接收聲音信號，從而獲得聲音在此海域中的傳播特性［1］。但是，聲源爆炸時會對艦船本身，特別是對艉部的螺旋槳產生損傷，如何能有效減少損傷且又獲得有效數(shù)據(jù)，是我們必須面對的實際問題。

爆炸聲源對艦船螺旋槳效能［2］損傷一般為振動損傷和水壓對密封件損傷兩類，振動損傷一般是長期累加的結果，短時間的損傷效果不明顯，但水壓對密封件的損傷會直接造成螺旋槳故障，影響艦船在航，并且，一般執(zhí)行海洋調查任務的艦船多采用可調變距槳，對密封要求更高，所以，本文重點研究聲源爆炸時由水壓對密封件損傷而造成的螺旋槳效能損傷評估。

2 爆炸聲源使用分析

2.1 爆炸聲源功能

爆炸聲源是為海洋聲學綜合調查專門設計的產品，可作為一種水下爆炸聲源，在設定的深度使用，以探測不同海洋環(huán)境對聲波傳播的影響［3］。

2.2 爆炸聲源作用原理

爆炸聲源使用前將運輸保險銷拔出，解除運輸保險，處于準備狀態(tài)。當聲源投入水中下沉到一定水深時，解保部件在海水壓力下將推桿撥出定位桿，保險桿在儲能彈簧作用下移動到解除保險位置，雷管與導爆管對正，同時電機發(fā)電并通過整流電路向電容充電，發(fā)火裝置解除二級保險，此時電點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，發(fā)火裝置處于待發(fā)狀態(tài)。當爆炸聲源下沉到規(guī)定的深度時，水壓開關接通，發(fā)火電路工作，通過電點火頭點燃保險桿中的火焰雷管，雷管引爆傳爆序列，從而使爆炸聲源在水中爆炸［4］。

2.3 爆炸聲源分類

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等多個系列；二是根據(jù) TNT 當量不同，可分為 50g、100g、200g、……1000g等多個系列；三是根據(jù)聲源下沉時間長短不同，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行研究，具體參數(shù)見表1。

表1 爆炸聲源分類表

3 艦船螺旋槳結構分析

3.1 螺旋槳基本結構

由于艦船螺旋槳和艉軸密封結構各有差異，本文選取典型艦船加以分析，某型船多次執(zhí)行海洋環(huán)境調查任務，在任務執(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行密封，隔離內部潤滑油與外界海水的接觸，以保證滑油不變質，為了確保系統(tǒng)安全，該船采用了重力油柜裝置，保證潤滑系統(tǒng)的壓力始終大于海水的壓力，即使密封圈有損壞，系統(tǒng)的滑油也會在重力油柜壓力作用下向海水外泄，而不會發(fā)生海水倒灌進滑油系統(tǒng)的現(xiàn)象［5］。

圖1 螺旋槳水下示意圖

3.2 螺旋槳密封要求分析

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。槳轂處進水會導致可調槳變距滑塊機構卡滯，影響調距，從而導致艦船損縱失靈，艉軸密封處進水會影響軸承潤滑冷卻效果，加速軸系部件磨損，會導致軸系變形，另外，由于兩處的潤滑油系統(tǒng)相通，進水量過多，會使油質變差，大大減少系統(tǒng)的工作使用壽命，因此，必須加以重視。

4 爆炸聲源對艦船螺旋槳沖擊影響

4.1 水中爆炸的基本原理

炸藥在水中爆炸時，水介質會受到高溫、高速、高壓的爆炸產物作用，在裝藥和介質的界面處，爆炸產物以極高的速度向周圍擴展，如同一個超音速的活塞，強烈擠壓水介質，使其壓力、密度、溫度突然升高，形成水中沖擊波，爆炸產物最初以極高的速度向四周運動擴展，由于能量的傳遞和損耗，它的速度很快衰減，一直到零為止。當爆炸產物膨脹到某一特定體積時，其壓力降至水介質未受擾動時的初始壓力，但此時爆炸產物并沒有停止運動，由于慣性的作用而過度膨脹，一直到某一最大體積，此時，爆炸產物內部的平均壓力低于介質未受擾動時的初始壓力，出現(xiàn)了“負壓區(qū)”，負壓區(qū)出現(xiàn)后，周圍介質反過來對爆炸產物進行第一次壓縮，使其壓力不斷回升，同樣，由于慣性作用產生過度壓縮，使爆炸產物內部壓力又大于初始壓力，進而開始第二次膨脹——壓力脈動過程，經(jīng)過若干次脈動后，最終停止，達到平衡狀態(tài)［6］。

4.2 水中沖擊波破壞參數(shù)估算

由于水的密度大，慣性大，氣泡脈動次數(shù)要比空中爆炸時的脈動次數(shù)多，有時可達十次以上，對水中爆炸來講，除水中沖擊波之外，也只是第一次脈動所形成的壓力波才有實際意義，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，本文涉及到對螺旋槳的破壞主要是水壓對密封件損傷，不對振動損傷作以評價，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)值計算不如空中爆炸問題那樣系統(tǒng)、詳細，但對水下爆炸問題，已有相當詳細的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式可供參考，根據(jù)大量實驗資料整理得出，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為試驗系數(shù)值，均由試驗確定（幾種常見炸藥的試驗系數(shù)值見表2）。

表2 Pm計算公式中的試驗系數(shù)值

4.3 水中沖擊波對密封件沖擊損傷評估

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、當量和距離有關，艦船航行過程中爆炸點與螺旋槳位置如圖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，從而進一步評估螺旋槳損傷程度。

圖2 爆炸點與螺旋槳位置圖

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計算，海水密度值按1.05×103kg/m3計算，可得 P0＝0.080（MPa）。

通過以上計算，可以得到不同種類聲源在水中爆炸時，所產生的最大沖擊壓力值，為了方便對比，我們選取四種常用典型聲源，艦船按10節(jié)航速計算，所得結果做成表格（表3）進行分析研究。

表3 水中沖擊波最大壓力計算表

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瞬間大于螺旋槳密封壓力，導致海水進入系統(tǒng)，海水累積多了以后會造成系統(tǒng)故障［8］。其他兩種聲源的爆炸最大壓力小于系統(tǒng)壓力，不會對系統(tǒng)造成損傷。

5 主要應對措施

5.1 減小炸藥重量

減小炸藥重量會大大降低最大沖擊壓力，我們以上面計算過的TNT炸藥裝藥量1000g不帶尾翼50m定深聲源為例，現(xiàn)在把TNT當量減小到500g，在艦船為10節(jié)的航速下，通過計算可得Pm為0.062MPa，此值小于系統(tǒng)壓力值，可以確定爆炸對螺旋槳的影響是安全的，所以減小炸藥重量是應對措施之一［9］。

5.2 提高艦船航行速度

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，深彈爆炸時間t=60s，計算可得r=464.73，最后得出Pm為0.052MPa，說明艦船航速增大后，爆炸對螺旋槳的沖擊減小了。

5.3 聲源改用發(fā)射裝置投放

目前，海洋調查作業(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發(fā)射裝置一樣，使用高壓空氣推動，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］。

5.4 聲源加裝緩降裝置

延緩聲源下沉速度，以保證艦船有足夠的時間遠離爆炸聲源，也能保證螺旋槳受到的沖擊最小，我們也可以考慮設計一種緩降裝置，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，延長爆炸時間，進而減小沖擊壓力［11］。

6 結語

在海洋經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，人們對海洋的探究也是無止境的，本文僅僅對海洋調查工作面臨的一些具體實際問題加以分析研究，提出了個人的一點看法，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，包括其他一些計算參數(shù)，不一定非常準確，但具有一定代表性，我們的損傷評估結果最終以量化的方式體現(xiàn)，對比性很強，判斷起來也簡單易行，希望能給讀者提供有益參考［12］。