鞏少鋒，程 棟，董 平

(1. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

德國在20世紀開展了一系列的航行器應(yīng)急燃氣排水技術(shù)試驗研究，并成功開發(fā)了航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用固體燃料產(chǎn)生的燃氣快速排出壓載水艙內(nèi)的水，為航行器、潛艇等快速提供應(yīng)急浮力或糾正其姿態(tài)，可滿足0～450 m（或更深）深海環(huán)境下的應(yīng)急燃氣排水要求，目前已作為德國潛艇的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備使用了20多年，安裝在206A，209，212A和214各級潛艇上。蘇聯(lián)在20世紀50年代后期開始將固體燃料燃氣發(fā)生器應(yīng)用到壓載水艙快速排水中，“庫爾斯克”號、“共青團員”號潛艇的壓載水艙均裝備了固體燃料燃氣發(fā)生器，俄羅斯877EKM潛艇（“基洛”級）改換裝時，也采用了該技術(shù)。該技術(shù)可以用于潛艇、水下無人系統(tǒng)、航行器、水下空間站的緊急上浮救生、沉船打撈等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

潛艇、航行器等應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)工作在0～450 m（或更深）深海環(huán)境下，深度范圍變化大，不同航行器、不同水艙排水要求也不同，國內(nèi)還沒有能夠模擬航行器極限下潛深度、航行器壓載水艙結(jié)構(gòu)和航行器排水過程的深海環(huán)境模擬試驗裝置。國內(nèi)在20世紀90年代就開展了航行器應(yīng)急燃氣排水技術(shù)研究，李咸海[1]、趙險峰[2]等建立了基于燃氣發(fā)生器的燃氣做功、排水模型，但該項目在“十一五”期間才真正啟動，之前沒有相應(yīng)的試驗平臺，無法開展試驗驗證工作。

航行器應(yīng)急燃氣排水技術(shù)作為一項新技術(shù)，沒有成熟的工程研制經(jīng)驗可以借鑒，按照科研程序，在研制過程中必須建立相關(guān)的陸上模擬試驗技術(shù)，滿足不同水深、不同水艙環(huán)境、不同排水工況下的試驗研究需求，突破高效排水技術(shù)、燃氣發(fā)生器噴管出口水密技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、防二次爆燃技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，為項目的研制成功提供保障。深海環(huán)境模擬試驗技術(shù)的基本功能是能夠模擬航行器水下工作環(huán)境、壓載水艙結(jié)構(gòu)和航行器排水過程的試驗裝置，為航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)試驗研究提供平臺。

1 總體研究思路

航行器壓載水艙的容積巨大（水艙容積高達上百噸），因此開展全尺寸模擬試驗是不現(xiàn)實的，必須根據(jù)相關(guān)縮比原則進行縮比，經(jīng)論證后，采用下潛深度等比、排水通道縮比、排水量縮比的方法進行縮比。采用模擬壓載水艙模擬航行器水艙結(jié)構(gòu)，采用壓力平衡水艙模擬航行器0～450 m下潛深度范圍內(nèi)的海洋環(huán)境，承壓不小于4.5 MPa，可以開展縮比比例不大于1:4的排水試驗。壓載水艙的出口尺寸按相應(yīng)的比例進行縮比，壓載水艙提供不同的燃氣發(fā)生器安裝結(jié)構(gòu)，可以模擬燃氣發(fā)生器實際的安裝方式。燃氣發(fā)生器工作后，壓載水艙的海水在燃氣作用下排入平衡水艙時，平衡水艙壓力會上升，通過穩(wěn)壓裝置等量排氣的方法保持平衡水艙的壓力不變，即所模擬的航行器應(yīng)急排水的深度不變。為滿足試驗后數(shù)據(jù)分析的需要，應(yīng)采用測試系統(tǒng)對燃氣發(fā)生器、壓載水艙和平衡水艙的壓力、溫度、吹除水量等參數(shù)進行測量，由于排水過程的單位秒流量較大，不易直接測量，通過測量壓力平衡水艙內(nèi)的水位變化的方法獲取液位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化后獲取吹除水量。

研究中應(yīng)用縮比理論、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論和方法，開展航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)背壓環(huán)境模擬試驗技術(shù)研究，并形成總體技術(shù)方案。模擬試驗裝置主要由模擬壓載水艙、壓力平衡水艙、加壓系統(tǒng)、安全裝置和測試裝置等組成，如圖1所示。工作原理是首先將穩(wěn)壓裝置的排氣壓力調(diào)到模擬試驗深度壓力，向水艙注水后，安裝排水用的燃氣發(fā)生器，向壓力平衡水艙充氣加壓，加到試驗所需模擬深度的壓力；充氣加壓過程中，注意調(diào)節(jié)2個水艙中的液位，保證平衡水艙的氣體體積不低于試驗中排水的體積；試驗過程中，燃氣發(fā)生器根據(jù)指令點火工作，向模擬壓載水艙注入設(shè)定秒流量規(guī)律的燃氣，在模擬壓載水艙和壓力平衡水艙之間建立一定的壓差，將模擬壓載水艙內(nèi)的水經(jīng)由模擬航行器壓載水艙排水口的連通管排入到壓力平衡水艙內(nèi)；在水進入壓力平衡水艙的過程中，平衡水艙的壓力會上升，穩(wěn)壓裝置同時啟動，進行等量排氣，保證平衡水艙的壓力保持穩(wěn)定，即所模擬的航行器深度保持不變。試驗過程中，測試系統(tǒng)測量燃氣發(fā)生器、壓載水艙和平衡水艙的壓力、溫度和排水量，圖1為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

2 模擬試驗過程理論模型

模擬試驗裝置工作過程由于包含水蒸氣和燃氣的混合氣體排開水量做功的過程，因此混合氣體不能簡化為理想氣體，研究中將其中的燃氣和空氣視為理想氣體而將其中水蒸氣視為實際氣體對待，此時混合氣體的狀態(tài)方程必須考慮采用實際氣體狀態(tài)方程和溫度函數(shù)混合法則來求得混合氣體的壓力。研究中將燃氣看作可壓縮的實際氣體，將水看作為不可壓縮的牛頓流體，對混合氣體建立質(zhì)量方程有：

式中：m為各工質(zhì)質(zhì)量；W為到每一瞬時混合氣體排開水量所作的功；Q為氣水換熱的能量輸出（包括部分水量蒸發(fā)所吸收的相變能量）；U1為控制體初始狀態(tài)能量加上流入控制體的能量；U2為每一瞬時的混合氣體內(nèi)能，由作為理想氣體考慮的燃氣（還可能有預(yù)留空氣）的內(nèi)能和作為實際氣體考慮的過熱水蒸氣的內(nèi)能組成，以上諸式聯(lián)立求解可得各試驗狀態(tài)下排水過程各參量。

燃氣排水過程中高溫燃氣與水發(fā)生劇烈對流換熱[4]、相變及摻混，研究中采用CFD技術(shù)對模擬試驗裝置內(nèi)的流場進行仿真計算，圖2為排水過程中模擬壓載水艙內(nèi)軸向截面上氣液兩相流體的界面變化和燃氣泡成長圖，揭示了在燃氣發(fā)生器工作時燃氣排出艙內(nèi)海水的動態(tài)過程。圖中燃氣發(fā)生器與模擬壓載水艙連接的入口處往下的淺色部分為噴入的純氣態(tài)燃氣，占據(jù)模擬壓載水艙中大部分體積的深色部分為純液態(tài)的水，而二者中間部分則為燃氣與水的兩相混合帶。

3 組成及技術(shù)參數(shù)

模擬壓載水艙的主體結(jié)構(gòu)是承壓不小于4.5 MPa、容積不小于6 m3的壓力容器，其他還有觀測窗、模擬水艙出口的節(jié)流環(huán)及各接口安裝法蘭等。在水艙的上部，有2個燃氣發(fā)生器安裝法蘭，下部有1個燃氣發(fā)生器安裝法蘭，可以開展組合試驗研究；下部設(shè)置有與平衡水艙的聯(lián)通管，聯(lián)通管和壓載水艙之間安裝有節(jié)流環(huán)，可以模擬不同的壓載水艙排水口尺寸，在壓載水艙上部設(shè)有一個觀測窗，觀測窗采用透明材料，可以觀測到壓載水艙里的設(shè)備狀態(tài)和排水過程。在壓載水艙上部還有安全排氣裝置的安裝接口，充氣加壓接口，在壓載水艙下部設(shè)置有維修窗，可以從維修窗進入壓載水艙內(nèi)部對其進行維護，壓載水艙底部設(shè)置有排水口。

壓力平衡水艙的主體結(jié)構(gòu)是承壓不小于4.5 MPa、容積不小于6 m3的壓力容器，設(shè)置有穩(wěn)壓裝置、維修窗和各接口安裝法蘭等。在平衡水艙的上部，設(shè)置有安全排氣裝置、穩(wěn)壓裝置、加壓充氣接口，維修窗設(shè)置在平衡水艙的下部，壓力平衡水艙通過聯(lián)通管和壓載水艙聯(lián)通。

現(xiàn)有的穩(wěn)壓設(shè)備響應(yīng)時間長，穩(wěn)壓精度低，不能滿足排水試驗的要求，為此模擬試驗裝置開發(fā)了一種新型穩(wěn)壓裝置，該裝置能夠快速、高精度地實現(xiàn)深海環(huán)境模擬試驗裝置壓力平衡水艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定。包括控制器、主排氣閥、微調(diào)電磁截止閥、壓力傳感器和穩(wěn)壓法蘭等。試驗前，根據(jù)試驗狀態(tài)安裝匹配的穩(wěn)壓法蘭，試驗時，由發(fā)控臺給出時統(tǒng)信號，傳遞到自控器，自控器向穩(wěn)壓排氣閥給出開閥信號，打開電磁閥，同時自控器開始記時，在燃氣發(fā)生器工作結(jié)束時向電磁閥給出閉閥信號，關(guān)閉電磁閥，電磁閥的有效排氣面積之和應(yīng)小于所需排氣總面積；同時自控器檢測平衡艙測點壓力，超過上限則打開微調(diào)電磁截止閥排氣，達到下限則關(guān)閉微調(diào)電磁截止閥，如圖3所示。

航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)工作過程壓力場、溫度場分布極為復(fù)雜，為滿足試驗數(shù)據(jù)分析需要，在環(huán)境模擬試驗裝置上配備了一系列的溫度、壓力、應(yīng)變水量測點。溫度、應(yīng)變測點主要分布在燃氣發(fā)生器和模擬壓載水艙頂部，壓力測點分布在燃氣發(fā)生器、模擬壓載水艙、壓力平衡水艙、連通管等各處特征位置。由于工作時間短，工作壓力大，普通的液位測量裝置無法滿足響應(yīng)時間和承壓要求，經(jīng)調(diào)研和論證，為試驗裝置定制了射頻電容液位傳感器。該傳感器具有承壓能力高（4.5 MPa），響應(yīng)時間快的特點，并采用LED現(xiàn)場顯示和遠程計算機采集相結(jié)合的方式，方便就地觀測和遠程采集。為減小由于測試水位變化的量級不同引起的系統(tǒng)誤差，采用大小2個液位傳感器，液位測量誤差不大于0.5%。模擬試驗裝置測點分布如圖4所示。

4 模擬試驗技術(shù)驗證

經(jīng)充分論證和技術(shù)設(shè)計后，完成航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)深海環(huán)境模擬試驗裝置建設(shè)工作，深海環(huán)境模擬試驗裝置如圖5所示，該裝置可以模擬航行器在0～450 m水深范圍內(nèi)的海洋環(huán)境和航行器壓載水艙結(jié)構(gòu)，為航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)提供試驗的平臺。

研究過程中選擇典型水深開展燃氣排水試驗，試驗前將模擬壓載水艙和壓力平衡水艙內(nèi)的水位加注至試驗狀態(tài)后，通過模擬壓載水艙和壓力平衡水艙上的高壓氣源向模擬試驗裝置內(nèi)增壓，并在模擬壓載水艙內(nèi)形成預(yù)定大小的氮氣氣墊，從而模擬不同水深狀態(tài)的排水環(huán)境。因不同航行器、不同壓載水艙、不同排水口，不同裝藥量對排水系統(tǒng)的要求和影響也不同，試驗中根據(jù)不同的工況通過更換節(jié)流環(huán)、改變?nèi)細獍l(fā)生器排水方式等途徑實現(xiàn)了不同裝藥量、不同排水口大小、不同燃氣流動方向的狀態(tài)模擬。模擬試驗中平衡水艙壓力變化如圖6所示，該裝置在試驗過程中工作正常、所模擬的背壓環(huán)境穩(wěn)定、安全可靠，獲取了燃氣排水過程中的壓力、溫度、水量等有效測試數(shù)據(jù)，為試驗成功提供了有力保障。

5 結(jié) 語

深海環(huán)境模擬試驗技術(shù)填補了我國在航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)研制過程中的技術(shù)空白，通過采用該技術(shù)模擬不同海洋水深、不同質(zhì)量流量、不同排水狀態(tài)、連發(fā)排水等狀態(tài)開展試驗研究，攻克了航行器應(yīng)急燃氣排水系統(tǒng)的高效排水技術(shù)、海水隔離技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、防二次爆燃、穩(wěn)壓技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)有以下創(chuàng)新點：

1）采用雙壓力水艙結(jié)構(gòu)方案，通過穩(wěn)壓裝置保持排水過程中平衡水艙的壓力不變，模擬航行器水下排水過程，實現(xiàn)在陸上實驗室開展水下0～450 m水深變化下的排水試驗。

2）采用輸入與輸出動態(tài)平衡穩(wěn)壓技術(shù)，解決了大流量水流瞬時沖擊引起的壓力平衡水艙壓力波動大的問題。

3）裝置采用模塊化（柔性）設(shè)計，通過更換不同的模塊，解決了多種試驗工況難以模擬的難題，縮短了研制周期、減小了研制經(jīng)費。

4）采用超壓排氣的安全裝置，當(dāng)壓載水艙和平衡水艙的壓力超過設(shè)定值后，安全裝置啟動排氣，確保在穩(wěn)壓裝置出現(xiàn)故障的情況下，也能確保人員和試驗裝置的安全。

5）采用2個不同量程液位計組合的方法，測量排水量，解決瞬間大流量測量難題，提高了測量精度。

本技術(shù)將在后續(xù)工作的關(guān)鍵技術(shù)研究和演示驗證試驗中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，研究成果應(yīng)用于我國戰(zhàn)略航行器和常規(guī)航行器，將提供非常有效的應(yīng)急救生手段，提高航行器在意外情況和故障情況下的生存能力，具有重大的軍事、政治和國防意義。