施生達，呂幫俊，彭利坤，徐雪峰

(1. 海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033；3. 中國船舶重工集團公司第七○七研究所九江分部，江西 九江 332007)

0 引 言

現(xiàn)代快速、深潛潛艇，在危及潛艇水下操縱安全的諸多事故中，引人特別關(guān)注的兩類主要事故[1-2]，也是潛艇操縱性設(shè)計中，按慣例進行安全性確認需要考核的2種情況[3]：一是高速航行時發(fā)生尾升降舵卡（或誤操）下潛大舵角；二是低速航行時發(fā)生艙室（大量）進水。尤其當潛艇處于大深度航行狀態(tài)，將出現(xiàn)更加緊迫的危急情況。

上述情形，早在20世紀70年代研制SSN 688級潛艇時，美國海軍就采用了1/12縮尺自船模，通過應(yīng)急機動試驗進行了評估[4-5]。

文獻[6]把操縱事故的危害分為2類：

1）主要事故危害?？赡芤饾撏?；或引起艇上多各艇員嚴重受傷或死亡；或?qū)θ嗣?、財產(chǎn)或潛艇外部環(huán)境的嚴重威脅。

2）對個體的局部危害?？赡芤鹜蟼€別艇員死亡、重傷或輕傷。在安全要求上，對二者采取沒策略來減輕事故的危害，具體說來分別為前者采取“自上而下”地控制主要事故的危害，后者應(yīng)用“自下而上”地保障崗位健康與安全。

文獻[2]指出：所有潛艇都涉及安全性問題，尤其是處于潛水狀態(tài)時。設(shè)計者和操縱者，對潛艇發(fā)生升降或舵室進水事故時，都必須清楚下列基本狀況：

1）發(fā)生了類似主要事故后，潛艇的操縱運動特性是怎樣變化的？

2）要明確最有效的恢復(fù)性挽回操縱方法（操縱順序與方法）。

3）通過對潛艇挽回操縱運動特性，與潛艇的潛深和空間姿態(tài)安全性要求的比較，確定和平時期巡航時的深度、航速的安全范圍（H0/V0）。

文獻[2]提出的安全性要求是：對上述主要事故經(jīng)恢復(fù)性挽回操縱后，潛艇的潛深和縱、橫傾都應(yīng)同時保持在下列范圍內(nèi)，并促使?jié)撏У某跏己叫猩疃菻0（及航速V0）按有關(guān)規(guī)則進行安全性選擇。

對于經(jīng)過潛艇均衡和按條例補充均衡的水下巡航潛艇，一般是以潛艇運動的航向與深度為基準，處于等速定深直航狀態(tài)，其操縱運動特性主要決定于潛艇垂直面運動穩(wěn)定性的品質(zhì)、升降舵的操縱能力、艇體水動力的對稱性程度（關(guān)于垂直面的）。這些特性是潛艇操縱性設(shè)計階段必需考核的重點指標。就潛艇水下航行狀態(tài)，關(guān)注的控制潛艇操縱運動最主要的參數(shù)是潛深H，影響潛深的直接可控因素為航速V、縱傾角 θ和升降舵角 δb,δs（操縱力），即 H=f(V,θ,δb,δs)。

在文獻[6]中，英國對戰(zhàn)略核潛艇的安全功能要求區(qū)分為“基本安全功能及更高頂層的”關(guān)鍵安全功能。該功能由六大關(guān)鍵安全功能組成，第1項即是潛艇操縱，第6項是控制火災(zāi)危害。為了保證潛艇操縱基本功能，需預(yù)防的的操艇事故是碰撞、擱淺和因舵室進水或操縱性失控造成的潛艇“超深”。因此必須保持潛艇結(jié)構(gòu)的完整性（水密性與氣密性）、控制艇的浮力與重量、保持潛艇靜穩(wěn)性等基本功能，以及完整的推進動力，是對潛艇操縱的直接保證。

由上文可知，升降舵卡與艙室進水事故，是常見的兩類水下操縱安全性問題。本文概括介紹潛艇水下操縱的兩類主要事故由來與危害及應(yīng)急操縱的基本概念，論述水下狀態(tài)潛艇的流體靜力學特性與升降舵的動力學特性，以及它們對潛艇運動與應(yīng)急挽回操縱的影響，揭示潛艇水下運動過程中縱傾與深度易不穩(wěn)定的力學上的根本原因。

1 潛艇應(yīng)急操縱的含義與特點

艦艇操縱大致可分為兩類：控制艦艇運動的操縱與使艦艇靜止（系泊）的操縱。這里只討論控制潛艇運動狀態(tài)的應(yīng)急操縱。

水面艦船的應(yīng)急操縱性是指艦船應(yīng)付緊急情況的操縱性能[7]。常用的應(yīng)急操縱包括全速滿舵旋回和應(yīng)急全速倒車制動的停船操縱，用于防御突然來襲的兵器、兵力或規(guī)避碰撞、擱淺等緊迫局面的應(yīng)急操縱。

潛艇的應(yīng)急操縱是指突然發(fā)生的失去對潛艇航向、縱傾、深度的操縱事故的統(tǒng)稱。一般是指危險縱傾、舵卡和艙室進水的應(yīng)急挽回操縱，通常還包括火警，但滅火救災(zāi)斗爭與舵卡、進水事故的動力抗沉斗爭，在具體操作上有顯著區(qū)別，本文只涉及動力抗沉問題。

尾舵卡、艙室進水事故的動力抗沉具有2個顯著特點[8]：

1）時間上突然發(fā)生，空間上事故運動幅度大，變化快；

2）危害極其嚴重，涉及潛艇的存亡。

航海實踐表明，在應(yīng)急操縱工況下，受力不易確定，多種外力影響下的艦艇運動響應(yīng)也是較復(fù)雜而緊迫的，而控制潛艇運動的手段和能力是有一定限度的。一般把應(yīng)急操縱歸屬潛艇大機動及特殊工況下操縱運動研究，是潛艇操縱性研究的難點和熱點，受到廣泛特別關(guān)注。

2 潛艇靜力學與操縱動力學特性

核潛艇出現(xiàn)之前，潛艇工程師和艇員關(guān)注的操縱問題主要是：潛艇的操縱控制裝置是否能夠滿足潛艇在垂直面內(nèi)運動控制的使用要求（特別是在近水面的潛望深度），即可能存在深度（縱傾）控制的操縱能力不足的問題。

但是，在核潛艇為代表的現(xiàn)代潛艇問世之后，關(guān)注的重點發(fā)生了根本的變化，除了上述潛艇機動性操控的基本要求外，還必須實現(xiàn)潛艇在垂直面內(nèi)的深度機動性和運動穩(wěn)定性之間的平衡。高速大舵角的深度機動會形成幾十度縱傾和很快的大幅度深度變化，出現(xiàn)了潛艇的縱傾角/深度操縱隨航速變化（ H/θ～V）的巨大風險。因此，在潛艇深度變化及保持深度與潛艇航向變化及保持航向之間，將更多地關(guān)注潛艇的深度變化和保持深度問題。而現(xiàn)代潛艇操縱的上述特征是由靜力學與操縱動力學特性決定的。

2.1 水下狀態(tài)潛艇的流體靜力學特性

水下狀態(tài)的潛艇有2個突出的流體靜力學特性：

1）潛艇水下儲備浮力為0

潛艇設(shè)計水線以上所有水密容積，包括水密艇體和附體的容積等提供的浮力，稱為儲備浮力，用Vrb表示，單位是m3，并與主壓載水艙里水的容積相等，是潛艇正常下潛條件之一，在較早的潛艇時代，用來衡量潛艇在風浪中安全航行的能力，并表示水面抗沉和水下自浮能力的好壞。對于單殼體潛艇約為10%～20%? ↑ （ 注 ? ↑為潛艇水下排水量，m3），雙殼體潛艇為25%～30%? ↑。但是，水下狀態(tài)的潛艇之儲備浮力為0，潛艇依靠浮力直接支撐平衡艇的重量，要求潛艇處于“中和浮力狀態(tài)”或“零浮力狀態(tài)”，即潛艇的浮力和艇的重量相等。為此，艇上設(shè)置了多種保障系統(tǒng)、裝置及設(shè)備，如浮力調(diào)整系統(tǒng)及其包含的浮力調(diào)整水艙、疏水泵、艙底泵等，縱傾平衡系統(tǒng)及其包含的縱傾平衡水艙、中壓氣管路、四通操縱旋塞等。

潛艇為什么要設(shè)計成中和（或零）浮力狀態(tài)？

如果潛艇的重量大于浮力或小于浮力，為了保持潛艇的深度，就必須要求潛艇維持一定航速，提供一定動升力，實現(xiàn)對潛艇深度的控制。但是，軍用潛艇的戰(zhàn)術(shù)使用則要求潛艇能在水下懸?；蛞院艿偷暮剿伲ㄈ?～3 kn）航行的要求。潛艇與飛機不同，潛艇正常情況下是不依靠向前運動產(chǎn)生的動升力來支撐潛艇的重量。

潛艇的技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)特點要求其具有低速運行，此時艇體和舵的水動力，對潛艇存在的由艇的實際重量與浮力造成的浮力差、力矩差（或稱剩余浮力及其力矩）的平衡能力是很低的。所以，潛艇必須處于中和浮力狀態(tài)。

零儲備浮力狀態(tài)，決定了水下潛艇對于浮力和重量這兩者的變化都很敏感，容易出現(xiàn)“掉深”，甚至深度失控，尤其是低速的經(jīng)航工況航行時，潛深波動大，監(jiān)控不當容易形成下潛慣性。

2）水下狀態(tài)潛艇的靜穩(wěn)性力矩小

潛艇水下狀態(tài)的平衡穩(wěn)定是與水面艦船完全不同的流體靜力學狀態(tài)。此時潛艇的穩(wěn)性條件變?yōu)橥У闹匦腉必須位于浮心C之下（見圖1）。因為水線面面積的消失，潛艇的縱橫穩(wěn)定中心M，m與浮心C等三心重合了。因此，水下狀態(tài)潛艇的縱穩(wěn)性與橫穩(wěn)性基本相等，其縱傾1°扶正力矩M與橫傾1°扶正力矩相等，或表示成：

圖 1 處于水面和水下狀態(tài)的潛艇橫穩(wěn)性Fig. 1 Transverse stability of submarine in surface and submerged states

對于現(xiàn)代潛艇約為10～25t ·m/(°)，與水上狀態(tài)縱傾1°的扶正力矩相比差別極大。如蘇聯(lián)的33型潛艇，水上排水量1 319.36 t，其水上狀態(tài)約為1 940 t ·m/(°) ， 而水下狀態(tài)僅為5.4t ·m/(°)。

所以，水下狀態(tài)中高速工況發(fā)生尾升降舵卡或低速艙室大量進水事故時，產(chǎn)生大的縱傾力矩，就容易出現(xiàn)縱傾失控，形成幾十度危險縱傾；反過來，當突發(fā)大縱傾時，必然有很大的縱傾力矩克服了相應(yīng)的扶正力矩，這個縱傾力矩來自何處呢？通常情況下主要由艙室進水產(chǎn)生，或由升降舵角產(chǎn)生的。

2.2 潛艇尾升降舵的流體動力學特性

1）各種航速舵角下的首舵卡，均可用尾舵保持操控

首升降舵位于指揮室圍殼上或艇體首部，與尾升降舵相比，更臨近潛艇的垂直面水動力作用中心，在具有相同舵力系數(shù)和舵角下，首舵產(chǎn)生潛艇縱傾和垂向速度的能力大約是尾升降舵的1/3[2]，甚至數(shù)倍之差。因此，各種工況下的首舵卡，正確操縱尾升降舵都可抑制其影響（見圖2）。

圖 2 有縱傾等速定深運動Fig. 2 Keeping depth in a constant velocity with a trim

2）根據(jù)潛艇操縱性理論，潛艇的變深機動可近似看成定常潛浮運動

該運動具有下列特性[2]：

一定航速時操縱尾升降產(chǎn)生縱傾角的能力為

一定航速時操縱尾升降舵產(chǎn)生垂向速度的能力為

操升降舵產(chǎn)生的深度變化可表示成為

可見，當高速大舵角時，潛艇的縱傾和潛深改變迅速，易使?jié)撏Эv向失穩(wěn)或深度失控。潛艇操縱性設(shè)計上，通常尾升降舵面積是按軍用標準所規(guī)定航速時單位舵角產(chǎn)生一定垂向升速率的能力來決定的，如文獻[2]是用所謂“平均航速”設(shè)計的，相關(guān)資料表明是指“航渡速度”，約為7 kn。我國是參照蘇聯(lián)/俄羅斯的有關(guān)文獻規(guī)定的，取10 kn作為設(shè)計航速。

因此，當潛艇高速航行時，尾升降舵就顯得過于“龐大”，滿舵時存在很大的潛在風險，如升降舵舵角1°時，潛艇部分航速的水動力特性如表1所示（首舵系圍殼舵）。

表 1 某艇不同航速時的升降舵水動力（矩）Tab. 1 Hydrodynamic force caused by a submarine elevators

尾升降舵面積，可通過選用較高設(shè)計航速來限制。但是，當發(fā)生艙室進水事故時，尾升降舵的高效操縱力，將有效的支持高壓氣吹除的挽回作用。為保證操艇安全，就出現(xiàn)了多種操縱性安全技術(shù)，如采用按航速高低對尾升降舵角的限用技術(shù)，在升降舵裝置構(gòu)型上采用了：左右舵舵時可分別操縱的分離舵（或稱差動舵）（英）、大小舵（俄）或分片舵（美）等新穎尾舵裝置，提高尾舵操縱的安全性和機動性能。

3 常見案例及事故原因分析

3.1 危險大縱傾

潛艇在執(zhí)行巡邏任務(wù)中，大深度航行期間，艇的縱傾由無縱傾狀態(tài)變成首傾至18°，深度增大近60 m，航速進行了減速操縱，仍接近中速工況；潛艇完好，沒有發(fā)生進水，動力推進裝置工作正常。試分析判斷該艇事故狀態(tài)。

混淆本例的因素有：在此前已進行了大約20 s應(yīng)急操縱，如下令停車、排水、吹除中組抑制下潛慣性等，在此期間艇的潛深增大約10 m。分析的關(guān)鍵有兩方面：

1）艇的首縱傾從何而來？什么原因使?jié)撏奈部v傾變成大的首縱傾？如艇的水下縱傾1°扶正力矩則造成近20°首傾約需300 t ·m的首縱傾力矩。在沒有進水情況下，由于海水密度的變化產(chǎn)生的浮力差，作用于浮心，其力矩差是不大的，顯然只有尾升降舵誤操了下潛滿舵時，在較大航速下，才可能形成這樣大的操縱能力。如果艙室進水了，將增加事故分析判斷的復(fù)雜性。

2）潛艇深度增大是艇重了嗎？還是另有原因？

當潛艇浮力減小、艙室進水或消聲瓦與艇體壓縮等都可能引起艇重掉深，但在本例狀態(tài)下，艇體完好，艇體壓縮產(chǎn)生的負浮力是不大的，下潛深度的迅速增加，顯然是由于大的首縱傾，在較高航速推進下造成了潛艇的快速下潛，并形成了下潛慣性。

針對性應(yīng)急挽回操縱的主要方式

1）立即檢查尾升降舵的工作狀態(tài)，并立刻調(diào)整，按需操縱，控制潛艇縱傾；

2）立即采用應(yīng)急吹首且主壓載水艙，操相對上浮艇或應(yīng)急倒車，快速恢復(fù)縱傾；

3）應(yīng)急吹除，直浮水面，注意潛艇姿態(tài)，控制深度；

4）對大深度狀態(tài)的應(yīng)急挽回操縱要有足夠的力度，類似供氣吹除初始狀態(tài)時“要猛”、“要狠”。對已形成顯著下潛慣性狀態(tài)，要果斷應(yīng)急吹除上浮。

3.2 艙室進水

潛艇艙室破也進水類似于重力作用下容器壁面小孔出流，其出水速度可表示為：

則艙室進水流量Q用自由進水公式表示為：

式中：A為進水孔面積，m2；H為進水孔的壓頭，m。Cn為流量系數(shù)，取Cn=0.6～0.7，瑞典SSPA取0.7，水面狀態(tài)取0.6。

如在100 m深度處，破口直徑300 mm，面積A=0.07 m2，當取Cn為0.7時，進水量約為Q=2m3/s 。

又如在200 m深度處，破孔直徑5 in，破孔面積A≈0.012 67 m2，取Cn=0.6時，進水量Q≈0.475 9 m3/s≈0.5 m3/s。

對于破孔直徑100 mm情形，流量系數(shù)Cn=0.7時，深度100 m，200 m，300 m時的進水量Q如圖3所示。

圖 3 通過耐壓船體直徑100 mm的破損孔流入的水量Fig. 3 The amount of water flowing into the vessel through a 100mm diameter damaged hole in the pressurized hull

可以看出：

1）大深度發(fā)生潛艇進水事故，往往會造成大量進水。用于應(yīng)急挽回的時間很短，只有幾十秒鐘。

2）對海水冷卻管路破損，應(yīng)立即關(guān)閉相應(yīng)的截止舷側(cè)閥。

3）發(fā)生進水事故后，要第一時間進行壓載水艙吹除。有時，由于受崗位職能的影響，采用習慣性的均衡（排水、移水）方式來應(yīng)急挽回無異于“杯水車薪”，但在潛艇狀態(tài)受控后，且在小于安全深度以內(nèi)時是有意義的。

4）當艉部艙室進水，將導(dǎo)致螺旋槳停車。由于艇速太低，艇的操控力小，易產(chǎn)生過大的尾縱傾（40°～50°），為此，在設(shè)計上可用增大尾部主壓載水艙的容積來彌補。對于首部進水，當電力系統(tǒng)可用，應(yīng)增速至最大，增加潛艇的可控性，控制艇的尾縱傾處于較理想狀態(tài)，通常認為從大深度浮起時是20°～25°左右。

3.3 常見的事故原因

航海實踐的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，促使?jié)撏幱诳钩翍?yīng)急操縱險境的常見原因大致如下：

1）操縱失誤及舵裝置故障

如操縱人員把上浮舵在忙亂緊迫狀態(tài)下誤操為下潛大舵（滿舵）角；或發(fā)生“跑舵”為下潛滿舵；或劇烈地機動過程中，頻繁操縱與大舵角變換等造成液壓失靈、零部件/元器件、操舵裝置故障。

2）通海管路破損進水

管路腐蝕、老化，加上長時間大潛深航行的高壓作用，可能發(fā)生爆管現(xiàn)象。

3）頻繁執(zhí)行任務(wù)或遠航巡邏返航途中，人員的警惕性較低，機械設(shè)備處于疲勞狀態(tài)，也是造成緊迫操縱局面的又一種尋常原因。

4）操縱人員對危險航行狀態(tài)缺少潛艇操縱模擬器上的操作演練，并缺乏對水下狀態(tài)操縱性主要的基本流體靜力學特征的認識及判斷。

由多次應(yīng)急挽回操縱過程可見，要總結(jié)好兩方面經(jīng)驗教訓(xùn)：

5）對典型主要事故如尾舵卡、艙室進水、火警等要明確事故的基準狀態(tài)，明確相應(yīng)的挽回操縱的基本方式與操作順序，建立操縱指南性規(guī)則。

4 結(jié) 語

水下航行狀態(tài)潛艇的縱傾、深度與航向，是潛艇運動位置和姿態(tài)的主要參數(shù)，也是潛艇操縱運動的基本操控目標參數(shù)。中高速尾升降卡、低速艙室進水等主要事故，將迅速產(chǎn)生顯著縱傾力矩、負浮力，很快造成大縱傾，造成潛深快速偏移，嚴重威脅潛艇的安全。

水下抗沉操縱的關(guān)鍵因素是時間、航速和抗沉操縱設(shè)備（如高壓氣系統(tǒng)等）等三要素，以實現(xiàn)安全應(yīng)急上浮：

1）抗沉挽回時間以秒計，要做到及時發(fā)現(xiàn)、及時報告、及時判斷和決策、及時執(zhí)行、果斷行動；

2）艙室進水時的抗沉操縱中航速的使用，主要決定于艇的縱傾角狀態(tài)。原則上，尾縱傾時應(yīng)增速，首縱傾時應(yīng)減速。結(jié)合實際，酌情處理縱傾角度大小情形時的影響；

3）用好高壓氣，進行正確吹除，尤其當存在首尾端進水時，應(yīng)首先吹除進水一端的主壓載水艙，并控制艇的深度和縱傾與上浮狀態(tài)。當縱傾接近90°時，橫穩(wěn)性迅速減少到0[1]。