爆炸声源对舰船螺旋桨效能损伤评估研究

徐学伟 刘寅桐 张耀林

（91388部队 湛江 524022）

1 引言

随着人类对海洋世界探索的不断深入，海洋调查工作越来越受到各国的重视，我国每年执行海洋调查任务的舰船数量呈逐年上升趋势，海洋调查中一项最重要、最基本的内容就是声传播特性调查，目前，世界各国普遍采用的方法是：舰船在不同海域航行过程中，定时、定点、定深投放爆炸声源，水声装备接收声音信号，从而获得声音在此海域中的传播特性［1］。但是，声源爆炸时会对舰船本身，特别是对艉部的螺旋桨产生损伤，如何能有效减少损伤且又获得有效数据，是我们必须面对的实际问题。

爆炸声源对舰船螺旋桨效能［2］损伤一般为振动损伤和水压对密封件损伤两类，振动损伤一般是长期累加的结果，短时间的损伤效果不明显，但水压对密封件的损伤会直接造成螺旋桨故障，影响舰船在航，并且，一般执行海洋调查任务的舰船多采用可调变距桨，对密封要求更高，所以，本文重点研究声源爆炸时由水压对密封件损伤而造成的螺旋桨效能损伤评估。

2 爆炸声源使用分析

2.1 爆炸声源功能

爆炸声源是为海洋声学综合调查专门设计的产品，可作为一种水下爆炸声源，在设定的深度使用，以探测不同海洋环境对声波传播的影响［3］。

2.2 爆炸声源作用原理

爆炸声源使用前将运输保险销拔出，解除运输保险，处于准备状态。当声源投入水中下沉到一定水深时，解保部件在海水压力下将推杆拨出定位杆，保险杆在储能弹簧作用下移动到解除保险位置，雷管与导爆管对正，同时电机发电并通过整流电路向电容充电，发火装置解除二级保险，此时电点火管仍处于短路状态；解保部件在海水压力下继续下压打开短路开关，发火装置处于待发状态。当爆炸声源下沉到规定的深度时，水压开关接通，发火电路工作，通过电点火头点燃保险杆中的火焰雷管，雷管引爆传爆序列，从而使爆炸声源在水中爆炸［4］。

2.3 爆炸声源分类

爆炸声源的分类，一般有以下几种：一是根据水下作用深度不同，可分为7m、25m、50m、100m、200m、300m、500m、……1000m等多个系列；二是根据 TNT 当量不同，可分为 50g、100g、200g、……1000g等多个系列；三是根据声源下沉时间长短不同，可分为带尾翼和不带尾翼两种，等等。一般爆炸声源的生产和制作主要根据客户的要求在订货合同中予以明确，以下选取最常用的四种典型分类进行研究，具体参数见表1。

表1 爆炸声源分类表

3 舰船螺旋桨结构分析

3.1 螺旋桨基本结构

由于舰船螺旋桨和艉轴密封结构各有差异，本文选取典型舰船加以分析，某型船多次执行海洋环境调查任务，在任务执行过程中也多次使用爆炸声源，其螺旋桨采用79KS/4型可调螺距螺旋桨，艉轴密封装置采用SM430型滑艉轴密封装置，如图1所示，桨毂密封和艉轴密封分别采用了密封圈的方式进行密封，隔离内部润滑油与外界海水的接触，以保证滑油不变质，为了确保系统安全，该船采用了重力油柜装置，保证润滑系统的压力始终大于海水的压力，即使密封圈有损坏，系统的滑油也会在重力油柜压力作用下向海水外泄，而不会发生海水倒灌进滑油系统的现象［5］。

图1 螺旋桨水下示意图

3.2 螺旋桨密封要求分析

如图1所示，该型船的螺旋桨系统水下可能与海水窜通的部位有两处，一处是桨毂密封处，另一处是艉轴密封处。桨毂处进水会导致可调桨变距滑块机构卡滞，影响调距，从而导致舰船损纵失灵，艉轴密封处进水会影响轴承润滑冷却效果，加速轴系部件磨损，会导致轴系变形，另外，由于两处的润滑油系统相通，进水量过多，会使油质变差，大大减少系统的工作使用寿命，因此，必须加以重视。

4 爆炸声源对舰船螺旋桨冲击影响

4.1 水中爆炸的基本原理

炸药在水中爆炸时，水介质会受到高温、高速、高压的爆炸产物作用，在装药和介质的界面处，爆炸产物以极高的速度向周围扩展，如同一个超音速的活塞，强烈挤压水介质，使其压力、密度、温度突然升高，形成水中冲击波，爆炸产物最初以极高的速度向四周运动扩展，由于能量的传递和损耗，它的速度很快衰减，一直到零为止。当爆炸产物膨胀到某一特定体积时，其压力降至水介质未受扰动时的初始压力，但此时爆炸产物并没有停止运动，由于惯性的作用而过度膨胀，一直到某一最大体积，此时，爆炸产物内部的平均压力低于介质未受扰动时的初始压力，出现了“负压区”，负压区出现后，周围介质反过来对爆炸产物进行第一次压缩，使其压力不断回升，同样，由于惯性作用产生过度压缩，使爆炸产物内部压力又大于初始压力，进而开始第二次膨胀——压力脉动过程，经过若干次脉动后，最终停止，达到平衡状态［6］。

4.2 水中冲击波破坏参数估算

由于水的密度大，惯性大，气泡脉动次数要比空中爆炸时的脉动次数多，有时可达十次以上，对水中爆炸来讲，除水中冲击波之外，也只是第一次脉动所形成的压力波才有实际意义，尽管二次压力波的峰值不超过冲击波峰值压力的10%～20%，但它的冲量却和冲击波的冲量相近，破坏力也很大，本文涉及到对螺旋桨的破坏主要是水压对密封件损伤，不对振动损伤作以评价，所以只研究水中冲击波的影响作用［7］。

目前，水下爆炸的初始参数数值计算不如空中爆炸问题那样系统、详细，但对水下爆炸问题，已有相当详细的实验数据和经验公式可供参考，根据大量实验资料整理得出，水中冲击波波阵面最大压力（或称峰值压力）的计算公式如下：

式中 Pm为水中冲击波波阵面峰值压力（MPa）；ω为TNT装药重量（kg）；r为冲击波波阵面半径或距爆炸中心处的距离（m）；k、α为试验系数值，均由试验确定（几种常见炸药的试验系数值见表2）。

表2 Pm计算公式中的试验系数值

4.3 水中冲击波对密封件冲击损伤评估

由以上的公式可知，螺旋桨密封件受到的压力冲击与爆炸物种类、当量和距离有关，舰船航行过程中爆炸点与螺旋桨位置如图2所示，爆炸声源距螺旋桨的距离为r，我们可以根据公式计算得出最大冲击压力值，并与系统本身的压力值做比较，从而进一步评估螺旋桨损伤程度。

图2 爆炸点与螺旋桨位置图

该型船的螺旋桨位于水下5.6m吃水处，重力油柜位于水面上10.4m处，我们假设滑油系统所能承受水中冲击压力最大值为P0，则该压力值为滑油系统本身压力值与水下海水压力值之差，即P0＝ρ油gh-ρ海gh，式中，把滑油的密度值按0.88×103kg/m3计算，海水密度值按1.05×103kg/m3计算，可得 P0＝0.080（MPa）。

通过以上计算，可以得到不同种类声源在水中爆炸时，所产生的最大冲击压力值，为了方便对比，我们选取四种常用典型声源，舰船按10节航速计算，所得结果做成表格（表3）进行分析研究。

表3 水中冲击波最大压力计算表

通过表3可以看出，使用TNT装药量100g不带尾翼7m定深声源和TNT装药量1000g不带尾翼50m定深声源，爆炸后产生的最大冲击压力分别是0.261MPa和0.081MPa，大于滑油系统所能承受水中冲击压力最大值为0.080MPa，所以外部海水压力会瞬间大于螺旋桨密封压力，导致海水进入系统，海水累积多了以后会造成系统故障［8］。其他两种声源的爆炸最大压力小于系统压力，不会对系统造成损伤。

5 主要应对措施

5.1 减小炸药重量

减小炸药重量会大大降低最大冲击压力，我们以上面计算过的TNT炸药装药量1000g不带尾翼50m定深声源为例，现在把TNT当量减小到500g，在舰船为10节的航速下，通过计算可得Pm为0.062MPa，此值小于系统压力值，可以确定爆炸对螺旋桨的影响是安全的，所以减小炸药重量是应对措施之一［9］。

5.2 提高舰船航行速度

提高舰船航行速度，可以加大爆炸作用距离，从而降低最大冲击压力，我们还是以上面计算过的TNT装药量1000g不带尾翼50m定深声源为例，现在把舰船的航速提高到15节，折算后的航速s=7.71m/s，深弹爆炸时间t=60s，计算可得r=464.73，最后得出Pm为0.052MPa，说明舰船航速增大后，爆炸对螺旋桨的冲击减小了。

5.3 声源改用发射装置投放

目前，海洋调查作业中，投放声源的方式主要是人工投放，一般距离舰船本身很近，爆炸距离小，最后产生的爆炸冲击力很大，我们可以考虑用发射装置投放声源，此类装置类似鱼雷气动发射装置一样，使用高压空气推动，这样既可以保证安全，又能使声源在安全距离以外爆炸，保证把爆炸冲击力降到最小［10］。

5.4 声源加装缓降装置

延缓声源下沉速度，以保证舰船有足够的时间远离爆炸声源，也能保证螺旋桨受到的冲击最小，我们也可以考虑设计一种缓降装置，通俗地讲，就是给声源安装一种类似降落伞一样的装置，用于控制声源下沉速度，延长爆炸时间，进而减小冲击压力［11］。

6 结语

在海洋经济高速发展的时代，人们对海洋的探究也是无止境的，本文仅仅对海洋调查工作面临的一些具体实际问题加以分析研究，提出了个人的一点看法，可能还不够深入，仅仅起到抛砖引玉的作用。本文所选取的舰船，包括其他一些计算参数，不一定非常准确，但具有一定代表性，我们的损伤评估结果最终以量化的方式体现，对比性很强，判断起来也简单易行，希望能给读者提供有益参考［12］。