一種新型潛航器應急救生裝置
——爆漲式氣囊工作原理初探

徐峻楠，魏 崗，杜 輝，武軍林

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一種新型潛航器應急救生裝置——爆漲式氣囊工作原理初探

徐峻楠，魏 崗，杜 輝，武軍林

（國防科技大學氣象海洋學院，南京 211101）

針對潛航器遭遇大幅度掉深險情，探討了一種爆漲式氣囊裝置工作原理，通過對潛航器在大振幅內波環境中運動狀態分析，提出了應急救生裝置所需固態氣體發生劑的最小體積及估算方法，以及爆漲式氣體發生器及氣囊結構的基本原理；確定了選擇具有產氣率高、氣體產物溫度低和無毒材料作為氣體發生劑，以及耐腐蝕、柔韌性高和耐溫高材料作為氣囊材料的基本原則。應用分析表明：與傳統潛航器應急救援手段相比，新型爆漲式氣囊裝置具有操作簡單、可靠性高以及發揮作用快等優點。

潛艇救生 爆漲式氣囊 大幅掉深 海洋內波

0 引言

自二戰后期，潛艇非戰斗海損已超過百余起，致使大量人員傷亡[1]，據統計，主要原因來自潛艇內部火災、與其它結構物碰撞以及無法承受大深度海水壓力導致破損等。層化海洋中的海水流動受地形影響可產生內孤立波，已觀測到的這類內波振幅高達180米[2]。當潛艇巡航穿越內波時，由于海水密度突然變化可引起潛艇大幅掉深，若掉深距離超過其最大設計深度，可導致耐壓殼破裂進水從而引發災難性事故，海洋內波已成為當今潛艇非戰斗海損的重要誘因之一[3]。例如，1963年美國海軍Thresher號和1969年以色列海軍Darker號潛艇失事，以及近期中國海軍某潛艇遭遇內波事件，均造成人員和裝備的重大損失。因此，開發潛艇應急救生的有效裝置歷來是各國裝備技術領域研發的重要課題之一。

目前，對于潛艇救援主要采取兩種方式：外部救援和潛艇自救。外部救援是利用深海救援裝備對潛艇內部被困人員進行緊急救生，例如，美國的深潛救生艇Mystic號、Avalon號以及印度的援潛艦Ins nireekshak號等[1]。潛艇自救是指通過一系列操作使潛艇脫離險境，例如潛艇掉深時，可采取排出平衡水艙積水、加速航行提高舵效以及高壓排氣等措施，以達到促使潛艇迅速上浮的目的；此外，還包括艇員單人或集體逃離失事潛艇等形式[4]。然而，上述兩種救援方式都有其局限性，外部救援需要對事故潛艇進行準確定位，并在潛艇破損或艇內氧氣含量降低至一定濃度前完成救援，其實際操作過程難度也相當大；潛艇自救是在潛艇動力系統未被破壞的前提下，其開始操作至發揮作用之間的耗時會較長，而采取艇員脫離潛艇的方式局限于下潛深度較小的情形。

基于上述，本文嘗試提出一種新型潛航器應急救生裝置工作原理——爆漲式氣囊裝置，包括甄選氣囊材料和氣體發生劑，以及初步設計氣體發生器結構、控制系統原理以及與潛艇的連接方式，以期為潛航器遭遇大幅掉深險情提供一種更加有效的應急救生手段。

1 基本模型

-和+分別是下面方程的兩個根

由方程（5）得到界面波動情況，如圖1所示，下凹形內孤立波會引起層化海水密度分界面大幅度波動，使得上下層流速呈剪切狀，波前為下沉流，波后為上升流。當潛航器在下層流體航行遭遇此內孤立波時，由于較大水深范圍內密度驟降導致潛航器浮力驟減，同時由于垂向流速場作用，可引起潛航器在短時間內產生大幅掉深[6]。為方便敘述，圖中標出的0、H和c分別為潛航器在啟動救生裝置、下沉速度降為零和最大設計深度的水深位置，其中最大設計深度為潛航器的破損深度[7]。

圖1 潛航器遭遇大振幅內孤立波的掉深示意圖

現以排水體積1的潛航器為例，分析爆漲式氣囊在其遭遇內孤立波時克服大幅掉深的救生原理。假設潛航器在密躍層下方航行，對應海水密度為2，其約化重力的作用為

當潛航器進入大振幅內孤立波時，其在密度為1的海水中會迅速產生掉深，此時爆漲式氣囊救生裝置啟動。假設氣囊打開后體積變化近似為等溫過程，其在潛航器掉深過程中所能提供的上升浮力為

式中，0為標準大氣壓，=()為掉深過程中潛航器的位置，2為氣囊打開時的體積。則確保潛航器掉至最大設計深度前浮力恢復應滿足的條件為

式中，1為潛艇速度降為零時所需時間，0為氣囊打開時潛艇的下沉速度。

為估算應急救生裝置中氣體發生劑的最小體積，可通過方程（8）~（10）確定氣囊體積2，再根據氣體狀態方程求得氣囊內氣體物質的量

2 爆漲式氣囊裝置工作原理

潛航器應急救生爆漲式氣囊裝置主要由三部分組成：氣體發生器、氣體發生劑和氣囊。當裝置啟動時，氣體發生器將瞬間點燃氣體發生劑，所產生的氣體迅速為氣囊充氣，繼而為潛航器提供上升浮力。

2.1基本結構

1）氣體發生器

圖2為氣體發生器的結構示意圖，包括控制系統、產氣室、助燃室、過濾室及篩網、輪轂式增強肋以及排氣孔等。氣體發生器工作時，由控制系統觸發助燃室中的助燃劑，進而引發氣體發生劑化學反應生成大量氣體，通過濾室濾去殘渣，之后進入氣囊。

圖2 氣體發生器結構

為避免潛航器因損傷而影響爆漲式救生裝置正常啟動[8]，裝置的控制系統獨立于潛航器設計，其工作方式既可由無線設備主動觸發也可由壓強傳感器被動觸發，具體過程為：1）信號接收器接收到啟動信號后將其傳至控制中心，控制中心通過信號發射器發出指令信號，同時啟動電子點火器觸發爆漲充氣；2）壓強傳感器將測得的壓強信號實時傳入控制中心，根據艇內壓強()變化估算潛航器掉深位置和掉深速率，即

再由方程（10）決定應急裝置的啟動。圖3為控制系統工作原理示意圖。

2）氣體發生劑

氣體發生劑通常選擇在短時間內能產生大量氣體的固態化學物質，表1給出了幾種常用氣體發生劑及其屬性。

表1中各氣體發生劑的主要特點如下[9-11]：Ｎ－脒基脲二硝酰胺鹽在溫度500 K附近迅速分解，并隨溫度升高分解速度降低；疊氮化鈉具有燃溫低、燃速高和成本低等特點，有劇毒；六硝基六氮雜異伍茲烷具有產氣率高、氣體產物溫度低（小于322 K）等特點，配方對應的混合物密度為1.73 g/cm3；偶氮二甲醚二硝酸鹽具有燃速高、燃溫低和氣體產物無毒無腐蝕等特點。根據表1中氣體發生劑屬性及特點，本文推薦使用六硝基六氮雜異伍茲烷作為爆漲式應急救生裝置的氣體發生劑。

3）氣囊

氣囊用于迅速收集和儲存氣體發生劑所產生的大量氣體置，充氣氣囊可為潛航器提供必要的上升浮力[12]。由于深水壓強大、氣體產物溫度高，氣囊材料需要選擇具有強度高和耐高溫屬性的材料，同時還應具有耐腐蝕和柔韌性高等特點。表2比較了幾種高分子材料的強度屬性[13-15]。

表中芳綸12的纖維束絲拉伸強度最高，同時具有耐腐蝕、柔韌性高以及耐溫達500℃等特點，可選擇作為爆漲式氣囊的理想制作材料。為加強纖維束絲編織結構在高壓環境中的密封性，氣囊可采用三層結構設計，其中內外兩層采用芳綸12材料，中間層采用橡膠材料。內層可起到隔熱和隔離雜質的作用，外層主要承載內部壓力，中間層可加強氣囊的密封性。表3給出了部分耐溫性較好的橡膠材料。

表1 常用氣體發生劑屬性

表2 高分子材料強度屬性

表3 各種橡膠耐熱性質

表中硼硅橡膠在其最高耐溫條件下可持續工作數小時，建議爆漲式氣囊中間層采用此類橡膠材料。

2.2設置與安裝方式

爆漲式氣囊應急救生裝置與潛航器的連接采用嵌入式鉸接方式，救生裝置啟動后，為保持潛航器上升過程中的平穩性，可對不同排水噸位的潛航器采用單裝置、雙裝置或多裝置等設置方式，分別在潛航器重心位置或圍繞重心平衡位置進行設置安裝，如圖4所示。

圖4 救生裝置設置與安裝方式

3 應用分析

現以我海軍某潛艇在遭遇海洋內孤立波時實際記錄隨時間的掉深距離為例（http://news.qq.com/a/20141217/059754.htm），如表4，分析爆漲式氣囊所需固態氣體發生劑的最小體積，以此說明新型潛航器應急救生裝置的可適用性。

表4 某潛艇隨時間掉深距離記錄

對應擬合曲線如圖5所示。由上式可計算出潛艇掉深時的平均下沉加速度0.0024 m/s、初始下沉速度0.0410 m/s和極限潛深處下沉速度0.905 m/s，再由方程（7）可推算出當時躍層上下海水密度比1/2=0.9997。

其次，分析相同海洋環境和潛艇運動狀態下，若采用爆漲式氣囊裝置所需要的氣體發生劑最小體積。

圖5 潛艇深度與時間關系

設潛艇在極限潛深位置處啟動爆漲式氣囊裝置，此時，0=300 m和0=0.905 m/s。若假設充氣氣囊保持體積不變，可計算提供所需浮力的氣囊最小體積，再根據氣體狀態方程進行修正，由方程（7）~（10）估算所需充氣氣囊的最小體積為

（14）

已知該潛艇體積1=3000 m3，H*取為極限潛深的1.2倍，即H*=360 m，由此可計算出2=3.35 m3。取氣體產物的平均摩爾質量g=29 g/mol，再由方程（11）和（12）可計算出所需要的氣體發生劑最小體積約為0.076 m3。

上述分析表明：在密度變化極小（約為0.03%）的海洋分層環境中，當潛艇遭遇大振幅內波時，其安全性也可能面臨巨大的威脅；新型爆漲式氣囊裝置可有效應對潛艇遭遇內波時的大幅度快速掉深險情，所需氣體發生劑體積與潛艇體積之比極小，僅為(10-2)m3，對目前潛艇結構及其它特性的影響均可忽略。

4 結論

本文基于對大振幅海洋內波特征及其對潛航器大幅掉深影響分析，提出一種新型潛航器應急救生裝置——爆漲式氣囊的工作原理，其主要特點如下：

1）以潛航器由極限潛深沉至最大設計深度為最后應急救生距離，建立了爆漲式氣囊最小體積及所需氣體發生劑最小體積的估算方法；

2）提出了新型爆漲式器囊的基本結構、工作原理以及與潛航器連接方式，它由氣體發生器、氣體發生劑和氣囊三部分組成，氣體發生器觸發氣體發生劑，爆漲氣體迅速進入氣囊，進而為潛航器提供浮力；確定了選擇具有產氣率高、氣體產物溫度低和無毒材料作為氣體發生劑以及耐腐蝕、柔韌性高和耐溫高材料作為氣囊材料的基本原則，建議選擇CL-20作為氣體發生劑，以及芳綸12和硼硅橡膠作為氣囊材料。

3）新型爆漲式氣囊獨立于潛航器設計與安裝，正常工作不受潛艇是否喪失動力之影響且可靠性高；采用自啟動和遙控啟動方式使得操作安全簡單；利用氣體發生劑爆炸反應進行充氣不僅速度快且發揮作用時間短。

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A New Emergency Life-saving Device for Submerged Vehicles——A study on the operational principle of explosive airbag

Xu Junnan, Wei Gang, Du hui, Wu Junling

(College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, Jiangsu, China)

U667.6

A

1003-4862（2018）02-0008-05

2017-11-20

國家自然科學基金（11072267，11472307）；國防預研基金（KYQYZXJK150019）

徐峻楠（1995-），男，在讀碩士。專業方向：分層流體中水動力學研究

魏崗（1962-），教授，博士生導師。E-mail:weigangweigang12@163.com