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(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 武漢 430033)

新型潛艇逃生艙概念設(shè)計(jì)

焦玉超，肖昌潤(rùn)

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 武漢 430033)

對(duì)設(shè)計(jì)的新型逃生艙選型進(jìn)行論證，針對(duì)新型逃生艙外形特點(diǎn)，對(duì)其裝艇位置進(jìn)行選擇。同時(shí)設(shè)計(jì)新型逃生艙離艇發(fā)射裝置?；诳傮w適配性、尺寸要素及設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，確定新型逃生艙的各系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)各系統(tǒng)構(gòu)成尺寸的大小及其布置地位進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)。

新型逃生艙；裝艇方案；概念設(shè)計(jì)

目前已服役的逃生艙普遍存在救援人數(shù)少，釋放離艇易受到失事潛艇狀態(tài)影響等缺點(diǎn)，給潛艇救援帶來(lái)諸多困擾，且在保證艇員安全性上存在不足[1]。為此設(shè)計(jì)一種新型潛艇逃生艙，選取球柱結(jié)合式的耐壓殼，并對(duì)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行合理布置，有效增大逃生艙內(nèi)部容積，允許逃生艙容納更多艇員，使全員逃生或大部分艇員逃生成為可能。此外針對(duì)逃生艙設(shè)計(jì)一種新型離艇釋放裝置，使逃生艙離艇過(guò)程安全可靠，降低因潛艇受損造成逃生艙無(wú)法離艇的幾率。

1 逃生艙選型

目前，包含逃生艙及載人潛器在內(nèi)的深潛裝備結(jié)構(gòu)形式主要包含球形、圓柱形、橢球形及球柱組合等形式，而最主要的是球形、圓柱形，或者其組合形式。3種最常用的結(jié)構(gòu)形式對(duì)比見(jiàn)表1。

球形表現(xiàn)最好，且具有最佳的質(zhì)量-排水量比，但球形結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間利用率較低且不便于內(nèi)部艙室布置，所以球形結(jié)構(gòu)形式適合作為大深度載人潛水器的耐壓殼形式。而圓柱形相較于球形具備內(nèi)部空間利用率高、內(nèi)部艙室容易布置的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對(duì)較低，所以圓柱形結(jié)構(gòu)形式為提升逃生艙救援人數(shù)提供了可能，但同時(shí)要解決強(qiáng)度及穩(wěn)定性的問(wèn)題[3]。國(guó)外裝備的逃生艙結(jié)構(gòu)形式及一些基本性能對(duì)比見(jiàn)表2。

目前，國(guó)外已知的潛艇逃生艙均采用球形結(jié)構(gòu)形式，這顯示出球形耐壓殼具有很好的應(yīng)用成熟度。但潛艇逃生艙屬于一次性救援設(shè)備，一旦釋放離艇就無(wú)法再次返回進(jìn)行救援，這就對(duì)逃生艙的單次最大救援人數(shù)提出了更高要求。當(dāng)前各主要潛艇大國(guó)所裝備的潛艇艇員均多于100人，而上述救援能力最大的德國(guó)209級(jí)救生球的救援人數(shù)僅為40人，這就意味著只有少部分人能進(jìn)入逃生艙，這顯然不符合全員或大部分艇員逃生的需求。而如果繼續(xù)加大球形逃生艙內(nèi)徑，將會(huì)對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，因此，球形逃生艙救援能力提升的空間極為有限。為解決上述問(wèn)題，美國(guó)提出了一種新型逃生艙概念，如圖1所示。

表1 不同型式耐壓殼對(duì)比[2]

表2 國(guó)外逃生艙的結(jié)構(gòu)型式及基本性能

圖1 美國(guó)新型脫險(xiǎn)艙概念示意

該型逃生艙采用圓柱與球相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，其直徑為3.2 m，最大裝載人數(shù)為85人。相比于現(xiàn)有球形逃生艙，其裝載人數(shù)大為提升，基本滿足大部分艇員的逃生需求。

本文提出的新型逃生艙的概念以提升逃生艙救援能力為首要目標(biāo)，因此借鑒美國(guó)新概念逃生艙，采用圓柱與球體相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。這樣的結(jié)構(gòu)形式雖然會(huì)帶來(lái)強(qiáng)度及穩(wěn)定性上的不足，但可以通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行解決，而裝載能力的大大提升是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。新型逃生艙示意于圖2。

圖2 新型逃生艙示意

2 逃生艙離艇釋放及裝艇位置方案

2.1 離艇釋放方案

新型逃生艙由于采用圓柱與球體相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，且結(jié)構(gòu)體積增大，無(wú)法借鑒目前較為成熟的逃生艙裝艇方案。需要對(duì)逃生艙的裝艇方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

基于新型逃生艙的結(jié)構(gòu)形式，參考潛艇彈道導(dǎo)彈裝艇及發(fā)射方式，提出將逃生艙放置于導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)并豎直彈射釋放離艇的方案[4]。如圖3所示，對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射筒重新進(jìn)行設(shè)計(jì)使其同時(shí)具備釋放逃生艙的能力。由于逃生艙豎直釋放，且自身無(wú)動(dòng)力，為保持逃生艙上浮過(guò)程中姿態(tài)穩(wěn)定，要盡量降低逃生艙重心，使其具備較大的初穩(wěn)心高，這樣能保證逃生艙具備較好的水下穩(wěn)性。因?yàn)樘由摻Y(jié)構(gòu)尺度較長(zhǎng)，并且難以預(yù)測(cè)潛艇發(fā)生事故時(shí)的姿態(tài)，因此重心較低的逃生艙如果僅依靠自身浮力釋放離艇,就很可能導(dǎo)致卡在發(fā)射筒中。為解決釋放過(guò)程中可能出現(xiàn)的卡頓問(wèn)題，在進(jìn)行發(fā)射筒設(shè)計(jì)時(shí)，在底部安裝高壓氣囊，發(fā)射瞬間高壓氣囊迅速充入高壓氣體而膨脹，逃生艙則利用氣囊的膨脹完成釋放離艇。

圖3 逃生艙釋放裝置概念示意

2.2 裝艇位置方案

逃生艙的裝艇位置必須考慮發(fā)生事故時(shí)艇員的通達(dá)性，同時(shí)潛艇艙壁的設(shè)置也將對(duì)其位置產(chǎn)生影響，因此提高艇員生存率會(huì)加大逃生艙布置難度。俄羅斯奧斯卡級(jí)潛艇的逃生艙布置就是一個(gè)典型的例子。如圖4，只有艙室2中的幸存者才能確保進(jìn)入逃生艙內(nèi)，“庫(kù)爾斯克”號(hào)發(fā)生的事故證明上述逃生艙布置存在致命缺陷。此外，由于與魚(yú)雷爆炸點(diǎn)非常接近，造成了逃生艙的結(jié)構(gòu)破壞并有大量海水涌入其內(nèi)部。為提高逃生艙的生存力及可通達(dá)性，俄羅斯學(xué)者在2002年的國(guó)際造船業(yè)會(huì)議上提出了改進(jìn)系統(tǒng)。將潛艇分成2塊救援區(qū)域，每塊救援區(qū)裝備1個(gè)逃生艙，且每個(gè)逃生艙由1個(gè)防爆密封膠囊進(jìn)行保護(hù)，防止?jié)撏Ч收蠈?duì)其產(chǎn)生破壞。雖然這項(xiàng)改進(jìn)提高了逃生艙的生存力及可通達(dá)性，但仍然無(wú)法滿足所有艇員均能順利抵達(dá)的要求，因此，如果潛艇包含3個(gè)或以上的艙室，就應(yīng)該在每個(gè)艙室中布置可通往逃生艙的硬結(jié)構(gòu)通道。

圖4 俄羅斯奧斯卡級(jí)潛艇逃生艙布置示意

如果潛艇僅有2個(gè)或3個(gè)艙室，逃生艙的布置相對(duì)較為容易。為確保通達(dá)性，可將逃生艙直接布置在艙壁上，這樣被艙壁隔開(kāi)的相鄰艙室的艇員均可順利進(jìn)入逃生艙，印度海軍209/1500型潛艇就采用上述布置方式。如圖5。

圖5 印度海軍209/1500型潛艇逃生艙布置示意

通過(guò)借鑒現(xiàn)有逃生艙的布置原則及布置位置，提出新型逃生艙布置方案，主要分為2種布置方式：①將多功能發(fā)射筒布置于艙壁處，這樣可保證緊急情況下艇員順利到達(dá)逃生艙，但這樣會(huì)破壞艙壁結(jié)構(gòu)連續(xù)性，造成強(qiáng)度下降；②將多功能發(fā)射筒布置于導(dǎo)彈發(fā)射艙內(nèi)，與彈道導(dǎo)彈并排布置，這樣布置可以最大限度地降低對(duì)潛艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的影響，基本不用對(duì)潛艇原有布置進(jìn)行改動(dòng)。同樣，這種布置將會(huì)降低艇員的可通達(dá)性，需要在潛艇中布置硬通道供艇員在緊急情況下前往逃生艙。該通道平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，只在緊急情況下開(kāi)啟。圖6是2種布置方式。圖中黑色部分為多功能發(fā)射筒位置及通道[5]。

圖6 新型逃生艙裝艇位置示意

3 逃生艙總布置

3.1 艙門及艙壁

為使逃生艙內(nèi)部空間最大，在進(jìn)行外形設(shè)計(jì)時(shí)，盡量延長(zhǎng)圓柱型殼體的長(zhǎng)度?？紤]逃生艙運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將加強(qiáng)筋布置在艇體內(nèi)側(cè)。為保證上浮過(guò)程中足夠的穩(wěn)性，在逃生艙底部端頭內(nèi)布置固定壓載，降低逃生艙重心，提高橫穩(wěn)心半徑[6]。

逃生艙設(shè)置2道艙門，分別為艇員入艙艙門及出艙艙門。入艙艙門布置在圓柱殼體上，同時(shí)要盡量靠上，因?yàn)樵跐撏Оl(fā)生事故時(shí)，可能有大量海水涌入潛艇內(nèi)部，加大入艙艙門高度可有效避免海水涌入逃生艙內(nèi)。此外，由于逃生艙安放在多功能發(fā)射管中，因此該艙門開(kāi)啟方向?yàn)橄騼?nèi)開(kāi)啟，以避免艙門與發(fā)射管壁發(fā)生碰撞。出艙艙門布置在逃生艙頂部端頭處，艙門布置位置見(jiàn)圖7。

圖7 逃生艙艙門位置示意

逃生艙在圓柱型殼體與頂部端頭相接處布置一道艙壁。這道艙壁包含3種功能：①可以在艇員及海水之間提供密閉屏障。艇員逃生過(guò)程中，不允許大量海水涌入逃生艙內(nèi)。艙壁上布置一道內(nèi)艙門，如果內(nèi)艙門處于關(guān)閉狀態(tài)，無(wú)論頂部艙門處于開(kāi)啟或是關(guān)閉狀態(tài)，艇員所處空間內(nèi)都不會(huì)進(jìn)入海水，這樣會(huì)降低逃生艙進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)。②如果艙壁強(qiáng)度足夠抵抗高壓差，逃生艙可作為雙壓差減壓艙。這種布置可使全部艇員在逃生艙內(nèi)進(jìn)行減壓治療。如果出現(xiàn)受傷艇員較多的情況，可將受傷艇員先轉(zhuǎn)移到外艙進(jìn)行簡(jiǎn)單治療，并能在救援力量到達(dá)之后第一時(shí)間將受傷艇員轉(zhuǎn)移。③布置艙壁可有效減少承壓殼體長(zhǎng)度，這樣可以減小艙內(nèi)骨材尺寸[7]。

3.2 外控制艙

逃生艙設(shè)計(jì)過(guò)程中，將所有控制儀器布置在外控制艙，這樣的布置方便高級(jí)軍官對(duì)逃生艙進(jìn)行整體控制。外控制艙可以容納一排座椅，這樣可以保證6名高級(jí)軍官同時(shí)擁有逃生艙控制權(quán)。座椅下布置信號(hào)彈、急救箱、淡水、干糧、通風(fēng)泵及毛毯。在艙壁加強(qiáng)材之間布置液氧罐、空氣監(jiān)測(cè)儀、通信系統(tǒng)、多功能發(fā)射管控制面板、脫水、通風(fēng)及照明系統(tǒng)控制面板，同時(shí)還布置通風(fēng)和減壓閥、深度壓力儀和系統(tǒng)控制面板。唯一不布置在外控制艙的設(shè)備是排水系統(tǒng)隔離控制閥。在外控制艙與內(nèi)艙之間布置電話通信裝置，方便外艙艇員與內(nèi)艙艇員進(jìn)行通信。外控制艙布置見(jiàn)圖8。

圖8 逃生艙艙門位置示意

3.3 內(nèi)艇員座艙

內(nèi)艙中布置艇員座椅、潛艇逃生門、蓄電池、排風(fēng)扇、脫水泵。此前所述逃生艙入口艙門布置在圓柱殼體上部，這種布置方式使艙門接近控制艙并處于艙內(nèi)高級(jí)軍官的視野之中，有利于逃生艙的整體控制[8]。鑒于逃生艙布置于多功能發(fā)射筒中，要求該艙門必須向內(nèi)開(kāi)啟，因此在逃生艙內(nèi)部需為艙門正常開(kāi)啟關(guān)閉預(yù)留足夠空間。此外，縱艙壁下方布置電氣設(shè)備(通訊導(dǎo)航設(shè)備、蓄電池、排風(fēng)扇)。這些設(shè)備要緊貼縱艙壁布置以保證在逃生艙大量進(jìn)水的情況下不被海水浸沒(méi)。

艇員座椅沿圓柱型耐壓殼至上而下圓環(huán)形布置，每層座椅間距1 m，座椅間布置1架扶梯，一直延伸到最底層座椅，可以使艇員迅速進(jìn)入指定座椅，本逃生艙座椅每層容納8人，外控制艙容納6人，共容納70人。由于每層座椅間距為1 m，艇員完全坐入座椅中頭部可能無(wú)法完全伸展，而上層艇員腿部及腳會(huì)伸向下層艇員的頭部，可能會(huì)對(duì)下層艇員造成傷害，所以每層座椅下面安裝欄桿及可保護(hù)下層艇員頭部又可為上層艇員腿部及腳提供支撐，減緩疲勞[9]，見(jiàn)圖9。

圖9 座椅布置示意

同外控制艙一樣，內(nèi)艙有效載荷也布置在緊貼外艙壁處，包含空氣監(jiān)測(cè)設(shè)備、飲用水、急救設(shè)備、毛毯及二氧化碳幕簾。此外除貼近縱艙壁處的電子設(shè)備外，內(nèi)艙還需布置手持電話與控制艙進(jìn)行通訊。在內(nèi)艙底部布置抽水泵用于排水作業(yè)。而內(nèi)艙人員除靠近外控制艙的艇員參與逃生艙操作之外，其他層艇員均不參與逃生艙任何操作[10]。內(nèi)艙具體布置如圖10。

圖10 逃生艙內(nèi)艙布置示意

4 結(jié)論

參考現(xiàn)有的逃生艙構(gòu)型，并針對(duì)現(xiàn)有逃生艙普遍存在的救援人數(shù)少，離艇釋放過(guò)程可靠性差等缺陷提出一種新型潛艇逃生艙概念。新型逃生艙采用球柱結(jié)合式耐壓殼結(jié)構(gòu)，大大提高了艙內(nèi)容積，將最大救援人數(shù)提高至70人，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有逃生艙救援人數(shù)。為適應(yīng)新型逃生艙外型特點(diǎn)，提出將逃生艙放置于導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)并豎直彈射釋放離艇的方案，可提高逃生艙離艇釋放過(guò)程中的可靠性，并降低因潛艇結(jié)構(gòu)破壞造成無(wú)法離艇的機(jī)率。對(duì)逃生艙進(jìn)行合理布置，提出內(nèi)外艙的布置概念，有利于逃生艙功能的多樣化且可有效提高艇員生存率。

[1] 張志明,薛晶.國(guó)外援潛救生系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].船舶,2005(3)：5-7.

[2] 李子凡.1 500 m水深載人潛水器總體設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2014.

[3] 張鐵棟.潛水器設(shè)計(jì)原理.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

[4] STERNER G. Cold war submarines: the design and construction of U.S. and soviet submarines (book)[M]. U.s.Naval institute proceedings,2004.

[5] LAPENNA J J. Surfacing rescue container concept design for trident submarines: rethinking submarine search and rescue[J]. Naval engineers journal,2010,122(1):93-109.

[6] 劉明靜.集體逃生艙總體性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[7] 曲文新.載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2013.

[8] 王燕.潛艇結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

[9] 黃浩才.集體逃生艙總體結(jié)構(gòu)形式研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[10] 余小平.逃生艙裝艇技術(shù)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

Concept Design of New Type of Escape Capsule of Submarine

JIAOYu-chao,XIAOChang-run

(Dept. of Ship Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A new kind of escape capsule was designed for nuclear-powered submarine. According to the shape, the installation location on the submarine was chosen. A new launcher for launching the escape capsule was developed. Based on the overall compatibility, size factor and design requirements, the composition of escape capsule system was determined, as well as the overall arrangement based on size of each dimension and position.

new type of escape capsule; installation scheme; concept design

U662

A

1671-7953(2017)06-0112-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.026

2017-01-08

2017-02-16

焦玉超(1992—)，女，碩士生

研究方向：艦船流體動(dòng)力性能