密度躍層對潛艇操縱運動的影響及應對措施研究

張建華，黃海峰，胡坤，劉廣旭

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

由于風攪拌或者其他混合過程，在海洋上層會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境現象，對于海洋水聲通訊、探測、監聽等海上軍事活動，特別是對潛艇的航行狀態及其航行安全均有著至關重要的影響。若海水密度隨深度呈正梯度變化，則通常稱其為“液體海底”，潛艇向下變深時受到的浮力會越來越大，好似潛艇越潛越“輕”，相對應地向上變深時所受浮力會越來越小，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動能力；若海水密度隨深度呈負梯度變化，此時情況正好相反，潛艇向下變深時所受浮力越來越小，潛艇會顯得越來越“重”，進而加速其下潛，當向上變深時則反之，因此負梯度躍層通常也被學術界形象地稱之為“海中斷崖”，它極易導致潛艇失控掉深或被“托”出海面。據報道，2014年我某常規潛艇執行任務中突發掉深險情可能就是遭遇了“海中斷崖”這種特殊海洋環境。因此，開展密度躍層等特殊海洋環境的特征分析及其對潛艇運動特性的影響，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，近幾年已引起了國內外諸多有關學者的興趣與重視[2-10]。

1 密度躍層分類及其分布特性

當一個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，確定該段為密度躍層[11]。根據躍層強度變化趨勢的不同，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，躍層強度為負值，如圖2所示。

圖1 正躍層示意圖 圖2 逆躍層示意圖

根據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。不同類型躍層的強度臨界值如表1所示[2]：

表1 密度躍層強度臨界值判定表 (kg·m-4)

淺躍層主要分布在中國近海陸架區及外海深水區的上層，其主要特征是上界深度淺(0～20 m)、厚度薄(10～50 m)、強度大(0.1～0.5 kg·m-4)，具有明顯的季節變化；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，其主要特征是上界深度較深(50～200 m)，厚度較大(25～100 m)，強度較弱(0.015～0.3 kg·m-4)，季節變化不明顯，夏季范圍稍廣；逆躍層在全年各海區的淺水區域均存在，以渤海、黃海最強，東海次之，南海最弱；時間上多發生在秋冬季節。

2 密度躍層對潛艇運動的影響

2.1 潛艇浮力變化模型

在躍層范圍內，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較大變化，該浮力變化量可由下式進行計算：

ΔB=▽·K·Δζ/1 000

(1)

式中：▽為潛艇水下全排水量；K為躍層強度；Δζ為深度變化量。

以上述淺躍層為例，其厚度約10～50 m、強度約為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5 t。根據公開資料報道，世界各國海軍常規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，因此其在淺躍層上下界所受到的浮力差分別最大可達75 t和375 t，這必將嚴重影響到潛艇的航行狀態及其操縱性。

2.2 潛艇運動模型

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

(1)

(2)

(3)

(4)

3 仿真結果與分析

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

3.1 正躍層對潛艇變深操縱的影響及應對措施

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

仿真結果表明：當海水垂直方向無密度變化，即不存在密度躍層時，若單操首下潛舵，潛艇將以一定首傾，進入勻速下潛狀態；當海區存在正密度躍層時，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，潛艇最終會在某一深度上以一定首傾保持定深航行，此時，首舵舵力、艇體水動力與密度變化引起的浮力增量相等，潛艇進入新的平衡狀態；且在相同航速與舵角條件下，密度躍層強度越強，潛艇的深度變化范圍則越小，達到穩定航行狀態所需的時間也越短。因此，當潛艇在正躍層中向下變深時，單操升降舵可能無法到達預定深度，此時還需采取其他輔助措施。

圖3 正躍層對首舵下潛舵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的深度變化曲線。仿真條件：潛艇速度3節，初始深度100 m，躍層強度K=0.3 kg·m-4。

操縱措施：

① 單操首下潛滿舵(δb=-30°)；

②t=500 s時刻增速至5節，其余同①；

③t=1 500 s時刻向尾壓水1.5 t，其余同②；

④t=2 200 s時刻向浮調水艙注水，其余同③。

從圖4中可以看出，增大舵角和增速均能使潛艇在正密度躍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于增大舵角的效果；但應注意的是，舵力矩也與速度平方成正比，因此增速后潛艇必然會產生較大首傾，此時需向尾壓水加以控制，但該措施同時又會導致艇體水動力減小而使艇上浮，如圖4(c)所示；而從圖4(d)可發現，為克服潛艇向下變深時因密度變化產生的正浮力差，向浮力調整水艙注水最為有效，該措施能夠從根本上使潛艇恢復受力平衡，同時避免潛艇在變深過程中產生較大首傾，而注水量的大小則取決于躍層強度。

圖4 潛艇深度對不同操縱措施的響應曲線(K=0.3 kg·m-4)

當潛艇在正躍層內向上變深時，由于其運動模型和操縱原理均與向下變深時相同，僅浮力差的變化趨勢相反，因此應及時由浮力調整水艙向外排水，以抵消密度變小而產生的負浮力差，若需加快變深速率，則可增速或增大舵角。

3.2 逆躍層對潛艇變深操縱的影響及應對措施

3.2.1逆躍層中潛艇變深操縱運動規律

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

圖5 逆躍層中潛艇深度對單操首舵的響應曲線

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，其變深速率為非恒定值，潛艇將做變加速下潛(或上浮)運動，且躍層強度越強，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，則變深時應時刻密切關注深度變化率，防止下潛速度過快導致失控而引發掉深險情或上浮速度過快而造成暴露甚至與水面船只發生碰撞。

3.2.2逆躍層中潛艇受擾后的自由運動規律

當潛艇在逆躍層中因某種擾動(如海洋內波)導致深度發生變化時，其所受浮力同時也將發生相應改變，進而在垂直方向上會產生不平衡力，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，有必要對潛艇在逆密度躍層中的受擾運動進行分析研究。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，擾動持續時間為60 s。

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

由仿真結果可知：

1) 潛艇在逆密度躍層中航行時，不具有方向穩定性，即艇體若突然受到外界擾動力作用，當擾動消失后，潛艇無法在新的深度保持定深航行，而是沿擾動力的方向繼續做變加速運動；

2) 逆躍層的強度越強，潛艇受擾后的深度變化越快，情況也越危險；尤其是向下運動時，若不能及時采取有效措施，可能會超越極限深度，造成進水沉沒的災難性后果。

圖6 潛艇受擾后的自由運動仿真曲線

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力(此處用操首舵滿舵來模擬)，擾動消失后，航速不變，立即操相對舵(向下擾動時δb=30°，δs=-10°；向上擾動時δb=-30°，δs=10°)進行挽回，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后操舵挽回的縱傾和深度曲線

由圖可知，當潛艇在逆密度躍層中低速航行，受到某種擾動使其深度發生變化時，若僅靠采取操舵措施，雖然能夠較快使潛艇形成有利縱傾，但仍可能無法成功挽回潛艇深度。這是因為在采取挽回措施的初始階段，潛艇已經形成下潛或上浮慣性，雖然此時舵力和艇體水動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下潛或上浮一段時間，該段時間內潛艇浮力差變化量將進一步累積，最終導致挽回措施失敗，因此還應輔助以其他措施。

圖9為潛艇在受到向下擾動之后，立即采取增速(3節→5節)和操舵措施進行挽回，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后增速操舵挽回的縱傾和深度曲線

由仿真結果可知，當潛艇在逆躍層中受到擾動使其深度發生變化時，若及時采取增速措施，則潛艇的舵力和艇體水動力將大大提高，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，且整個挽回過程中均不會出現較大縱傾。

4 結論

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動方向相反，因此正躍層對潛艇變深操縱具有“阻礙”特性。若需到另一深度短時間航行，可采用增速措施，若需長時間在另一深度航行，則應及時對主壓載水艙進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動性，但另一方面卻也有利于潛艇深度穩定性的保持，特別適合進行懸停操縱，即“潛坐液體海底”。

3) 與正躍層相比，逆躍層對潛艇航行安全的威脅更大，極易導致潛艇意外掉深或浮起，因此，潛艇水下航行時若發現深度難以保持，則應密切關注海水密度變化情況，及時增速以提高升降舵和艇體的承載力，并根據需要適時均衡潛艇。