張建華，黃海峰，胡坤，劉廣旭

(1.海軍潛艇學(xué)院， 山東青島 266199； 2.中國(guó)人民解放軍92815部隊(duì)， 浙江 象山 315717)

由于風(fēng)攪拌或者其他混合過程，在海洋上層會(huì)形成一層溫度與密度較均勻的水層，稱為上混合層[1]，在混合層下面，通常還存在著一層密度隨深度增大而快速增大(或減小)的水層，稱之為密度躍層。密度躍層作為一種特殊的海洋環(huán)境現(xiàn)象，對(duì)于海洋水聲通訊、探測(cè)、監(jiān)聽等海上軍事活動(dòng)，特別是對(duì)潛艇的航行狀態(tài)及其航行安全均有著至關(guān)重要的影響。若海水密度隨深度呈正梯度變化，則通常稱其為“液體海底”，潛艇向下變深時(shí)受到的浮力會(huì)越來越大，好似潛艇越潛越“輕”，相對(duì)應(yīng)地向上變深時(shí)所受浮力會(huì)越來越小，好似潛艇越浮越“重”，造成的直觀后果就是“既潛不下去，又浮不上來”，這極大地影響了潛艇的水下變深機(jī)動(dòng)能力；若海水密度隨深度呈負(fù)梯度變化，此時(shí)情況正好相反，潛艇向下變深時(shí)所受浮力越來越小，潛艇會(huì)顯得越來越“重”，進(jìn)而加速其下潛，當(dāng)向上變深時(shí)則反之，因此負(fù)梯度躍層通常也被學(xué)術(shù)界形象地稱之為“海中斷崖”，它極易導(dǎo)致潛艇失控掉深或被“托”出海面。據(jù)報(bào)道，2014年我某常規(guī)潛艇執(zhí)行任務(wù)中突發(fā)掉深險(xiǎn)情可能就是遭遇了“海中斷崖”這種特殊海洋環(huán)境。因此，開展密度躍層等特殊海洋環(huán)境的特征分析及其對(duì)潛艇運(yùn)動(dòng)特性的影響，探究潛艇在密度躍層中的安全操縱方法具有重要的軍事意義，近幾年已引起了國(guó)內(nèi)外諸多有關(guān)學(xué)者的興趣與重視[2-10]。

1 密度躍層分類及其分布特性

當(dāng)一個(gè)密度剖面中某一段的垂直梯度大于等于密度躍層臨界值時(shí)，確定該段為密度躍層[11]。根據(jù)躍層強(qiáng)度變化趨勢(shì)的不同，可將密度躍層分為正躍層和逆躍層兩類。正躍層即在躍層剖面上，密度隨深度增大而增大，躍層強(qiáng)度為正值，如圖1所示；逆躍層即在躍層剖面上，密度隨深度增大而減小，躍層強(qiáng)度為負(fù)值，如圖2所示。

圖1 正躍層示意圖 圖2 逆躍層示意圖

根據(jù)躍層上界深度的大小，又可將正躍層分為淺躍層和深躍層兩類。不同類型躍層的強(qiáng)度臨界值如表1所示[2]：

表1 密度躍層強(qiáng)度臨界值判定表 (kg·m-4)

淺躍層主要分布在中國(guó)近海陸架區(qū)及外海深水區(qū)的上層，其主要特征是上界深度淺(0～20 m)、厚度薄(10～50 m)、強(qiáng)度大(0.1～0.5 kg·m-4)，具有明顯的季節(jié)變化；深躍層主要分布在南海中部的大部海域，黑潮流域及其以東深海區(qū)，其主要特征是上界深度較深(50～200 m)，厚度較大(25～100 m)，強(qiáng)度較弱(0.015～0.3 kg·m-4)，季節(jié)變化不明顯，夏季范圍稍廣；逆躍層在全年各海區(qū)的淺水區(qū)域均存在，以渤海、黃海最強(qiáng)，東海次之，南海最弱；時(shí)間上多發(fā)生在秋冬季節(jié)。

2 密度躍層對(duì)潛艇運(yùn)動(dòng)的影響

2.1 潛艇浮力變化模型

在躍層范圍內(nèi)，由于垂直方向上海水密度變化劇烈，因此不同深度上潛艇受到的浮力也將出現(xiàn)較大變化，該浮力變化量可由下式進(jìn)行計(jì)算：

ΔB=▽·K·Δζ/1 000

(1)

式中：▽為潛艇水下全排水量；K為躍層強(qiáng)度；Δζ為深度變化量。

以上述淺躍層為例，其厚度約10～50 m、強(qiáng)度約為0.1～0.5 kg·m-4，則不考慮艇體壓縮情況下，潛艇每1 000 t排水量每10 m深度差浮力變化最大可達(dá)5 t。根據(jù)公開資料報(bào)道，世界各國(guó)海軍常規(guī)潛艇與核潛艇水下全排水量分別在 3 000 t左右和15 000 t左右的量級(jí)，因此其在淺躍層上下界所受到的浮力差分別最大可達(dá)75 t和375 t，這必將嚴(yán)重影響到潛艇的航行狀態(tài)及其操縱性。

2.2 潛艇運(yùn)動(dòng)模型

由于潛艇水下運(yùn)動(dòng)過程中突遇海水密度發(fā)生變化時(shí)，通常僅會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生力與力矩的改變，因此可忽略水平面上的受力，采用垂直面操縱運(yùn)動(dòng)非線性方程式來描述潛艇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,如式(1)～式(4)所示[12-13]:

(1)

(2)

(3)

(4)

3 仿真結(jié)果與分析

由于淺躍層和深躍層均為正躍層，僅躍層強(qiáng)度有所不同，因此其對(duì)潛艇操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響都是相似的，而逆躍層引起的潛艇的浮力變化規(guī)律卻與正躍層正好相反，因此，本文基于潛艇垂直面操縱運(yùn)動(dòng)模型，就正躍層和逆躍層分別對(duì)潛艇變深操縱的影響進(jìn)行仿真分析，以探究潛艇突遇密度躍層后的安全操縱方法。

3.1 正躍層對(duì)潛艇變深操縱的影響及應(yīng)對(duì)措施

圖3為潛艇速度3節(jié)，初始深度100 m，躍層強(qiáng)度分別為K=0 kg·m-4、K=0.05 kg·m-4和K=0.3 kg·m-4時(shí)，單操首下潛舵20°(δb=-20°)時(shí)的深度變化曲線。

仿真結(jié)果表明：當(dāng)海水垂直方向無密度變化，即不存在密度躍層時(shí)，若單操首下潛舵，潛艇將以一定首傾，進(jìn)入勻速下潛狀態(tài)；當(dāng)海區(qū)存在正密度躍層時(shí)，隨著下潛深度的增大，潛艇所受到的浮力也逐漸變大，單操首下潛舵情況下，潛艇最終會(huì)在某一深度上以一定首傾保持定深航行，此時(shí)，首舵舵力、艇體水動(dòng)力與密度變化引起的浮力增量相等，潛艇進(jìn)入新的平衡狀態(tài)；且在相同航速與舵角條件下，密度躍層強(qiáng)度越強(qiáng)，潛艇的深度變化范圍則越小，達(dá)到穩(wěn)定航行狀態(tài)所需的時(shí)間也越短。因此，當(dāng)潛艇在正躍層中向下變深時(shí)，單操升降舵可能無法到達(dá)預(yù)定深度，此時(shí)還需采取其他輔助措施。

圖3 正躍層對(duì)首舵下潛舵20°變深效果的影響曲線

如圖4所示為潛艇在正躍層中采取不同操縱措施時(shí)的深度變化曲線。仿真條件：潛艇速度3節(jié)，初始深度100 m，躍層強(qiáng)度K=0.3 kg·m-4。

操縱措施：

① 單操首下潛滿舵(δb=-30°)；

②t=500 s時(shí)刻增速至5節(jié)，其余同①；

③t=1 500 s時(shí)刻向尾壓水1.5 t，其余同②；

④t=2 200 s時(shí)刻向浮調(diào)水艙注水，其余同③。

從圖4中可以看出，增大舵角和增速均能使?jié)撏г谡芏溶S層中獲得更大的變深范圍，且由于舵力與速度平方成正比[14]，增速的變深效果明顯優(yōu)于增大舵角的效果；但應(yīng)注意的是，舵力矩也與速度平方成正比，因此增速后潛艇必然會(huì)產(chǎn)生較大首傾，此時(shí)需向尾壓水加以控制，但該措施同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致艇體水動(dòng)力減小而使艇上浮，如圖4(c)所示；而從圖4(d)可發(fā)現(xiàn)，為克服潛艇向下變深時(shí)因密度變化產(chǎn)生的正浮力差，向浮力調(diào)整水艙注水最為有效，該措施能夠從根本上使?jié)撏Щ謴?fù)受力平衡，同時(shí)避免潛艇在變深過程中產(chǎn)生較大首傾，而注水量的大小則取決于躍層強(qiáng)度。

圖4 潛艇深度對(duì)不同操縱措施的響應(yīng)曲線(K=0.3 kg·m-4)

當(dāng)潛艇在正躍層內(nèi)向上變深時(shí)，由于其運(yùn)動(dòng)模型和操縱原理均與向下變深時(shí)相同，僅浮力差的變化趨勢(shì)相反，因此應(yīng)及時(shí)由浮力調(diào)整水艙向外排水，以抵消密度變小而產(chǎn)生的負(fù)浮力差，若需加快變深速率，則可增速或增大舵角。

3.2 逆躍層對(duì)潛艇變深操縱的影響及應(yīng)對(duì)措施

3.2.1逆躍層中潛艇變深操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖5為躍層強(qiáng)度分別為K=-0.015 kg·m-4和K=-0.05 kg·m-4時(shí)，單操首下潛滿舵(δb=-30°)或上浮滿舵(δb=30°)時(shí)潛艇的深度變化曲線。

圖5 逆躍層中潛艇深度對(duì)單操首舵的響應(yīng)曲線

由圖5可知，潛艇在逆躍層中采用單操升降舵的方式變深時(shí)，其變深速率為非恒定值，潛艇將做變加速下潛(或上浮)運(yùn)動(dòng)，且躍層強(qiáng)度越強(qiáng)，深度變化越快。因此潛艇水下航行過程中若遇到逆密度躍層，則變深時(shí)應(yīng)時(shí)刻密切關(guān)注深度變化率，防止下潛速度過快導(dǎo)致失控而引發(fā)掉深險(xiǎn)情或上浮速度過快而造成暴露甚至與水面船只發(fā)生碰撞。

3.2.2逆躍層中潛艇受擾后的自由運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)潛艇在逆躍層中因某種擾動(dòng)(如海洋內(nèi)波)導(dǎo)致深度發(fā)生變化時(shí)，其所受浮力同時(shí)也將發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而在垂直方向上會(huì)產(chǎn)生不平衡力，且該不平衡力的方向與潛艇變深方向相一致，即Δζ| Δζ=ΔF| ΔF，因此，有必要對(duì)潛艇在逆密度躍層中的受擾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析研究。以下仿真中，采用首升降舵操下潛或上浮滿舵的方式來模擬潛艇突然受到的向下或向上的力的擾動(dòng)，擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間為60 s。

圖6(a)～(d)為不同強(qiáng)度逆躍層中，潛艇受到向下或向上擾動(dòng)力后的自由運(yùn)動(dòng)仿真曲線。

由仿真結(jié)果可知：

1) 潛艇在逆密度躍層中航行時(shí)，不具有方向穩(wěn)定性，即艇體若突然受到外界擾動(dòng)力作用，當(dāng)擾動(dòng)消失后，潛艇無法在新的深度保持定深航行，而是沿?cái)_動(dòng)力的方向繼續(xù)做變加速運(yùn)動(dòng)；

2) 逆躍層的強(qiáng)度越強(qiáng)，潛艇受擾后的深度變化越快，情況也越危險(xiǎn)；尤其是向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，若不能及時(shí)采取有效措施，可能會(huì)超越極限深度，造成進(jìn)水沉沒的災(zāi)難性后果。

圖6 潛艇受擾后的自由運(yùn)動(dòng)仿真曲線

3.2.3逆躍層中潛艇安全操縱方法

圖7和圖8分別為潛艇在t=30～90 s期間受到向下和向上擾動(dòng)力(此處用操首舵滿舵來模擬)，擾動(dòng)消失后，航速不變，立即操相對(duì)舵(向下擾動(dòng)時(shí)δb=30°，δs=-10°；向上擾動(dòng)時(shí)δb=-30°，δs=10°)進(jìn)行挽回，潛艇的縱傾和深度變化曲線。

圖7 潛艇逆密度躍層中受向下擾動(dòng)后操舵挽回的縱傾和深度曲線

圖8 潛艇逆密度躍層中受向上擾動(dòng)后操舵挽回的縱傾和深度曲線

由圖可知，當(dāng)潛艇在逆密度躍層中低速航行，受到某種擾動(dòng)使其深度發(fā)生變化時(shí)，若僅靠采取操舵措施，雖然能夠較快使?jié)撏纬捎欣v傾，但仍可能無法成功挽回潛艇深度。這是因?yàn)樵诓扇⊥旎卮胧┑某跏茧A段，潛艇已經(jīng)形成下潛或上浮慣性，雖然此時(shí)舵力和艇體水動(dòng)力大于因密度變化引起的浮力變化量，但潛艇在慣性作用下將繼續(xù)下潛或上浮一段時(shí)間，該段時(shí)間內(nèi)潛艇浮力差變化量將進(jìn)一步累積，最終導(dǎo)致挽回措施失敗，因此還應(yīng)輔助以其他措施。

圖9為潛艇在受到向下擾動(dòng)之后，立即采取增速(3節(jié)→5節(jié))和操舵措施進(jìn)行挽回，潛艇的縱傾與深度變化曲線。

圖9 潛艇逆密度躍層中受向下擾動(dòng)后增速操舵挽回的縱傾和深度曲線

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)潛艇在逆躍層中受到擾動(dòng)使其深度發(fā)生變化時(shí)，若及時(shí)采取增速措施，則潛艇的舵力和艇體水動(dòng)力將大大提高，通過合理操縱首尾升降舵能夠快速克服潛艇的下潛慣性并使艇上浮，且整個(gè)挽回過程中均不會(huì)出現(xiàn)較大縱傾。

4 結(jié)論

1) 在正密度躍層中，由于潛艇變深引起的浮力差的方向與潛艇運(yùn)動(dòng)方向相反，因此正躍層對(duì)潛艇變深操縱具有“阻礙”特性。若需到另一深度短時(shí)間航行，可采用增速措施，若需長(zhǎng)時(shí)間在另一深度航行，則應(yīng)及時(shí)對(duì)主壓載水艙進(jìn)行注排水以抵消浮力差。

2) 正躍層雖極大地影響了潛艇的機(jī)動(dòng)性，但另一方面卻也有利于潛艇深度穩(wěn)定性的保持，特別適合進(jìn)行懸停操縱，即“潛坐液體海底”。

3) 與正躍層相比，逆躍層對(duì)潛艇航行安全的威脅更大，極易導(dǎo)致潛艇意外掉深或浮起，因此，潛艇水下航行時(shí)若發(fā)現(xiàn)深度難以保持，則應(yīng)密切關(guān)注海水密度變化情況，及時(shí)增速以提高升降舵和艇體的承載力，并根據(jù)需要適時(shí)均衡潛艇。