密度跃层对潜艇操纵运动的影响及应对措施研究

2021-05-06张建华黄海峰胡坤刘广旭

兵器装备工程学报 2021年4期

张建华，黄海峰，胡坤，刘广旭

(1.海军潜艇学院，山东青岛 266199； 2.中国人民解放军92815部队，浙江象山 315717)

由于风搅拌或者其他混合过程，在海洋上层会形成一层温度与密度较均匀的水层，称为上混合层[1]，在混合层下面，通常还存在着一层密度随深度增大而快速增大(或减小)的水层，称之为密度跃层。密度跃层作为一种特殊的海洋环境现象，对于海洋水声通讯、探测、监听等海上军事活动，特别是对潜艇的航行状态及其航行安全均有着至关重要的影响。若海水密度随深度呈正梯度变化，则通常称其为“液体海底”，潜艇向下变深时受到的浮力会越来越大，好似潜艇越潜越“轻”，相对应地向上变深时所受浮力会越来越小，好似潜艇越浮越“重”，造成的直观后果就是“既潜不下去，又浮不上来”，这极大地影响了潜艇的水下变深机动能力；若海水密度随深度呈负梯度变化，此时情况正好相反，潜艇向下变深时所受浮力越来越小，潜艇会显得越来越“重”，进而加速其下潜，当向上变深时则反之，因此负梯度跃层通常也被学术界形象地称之为“海中断崖”，它极易导致潜艇失控掉深或被“托”出海面。据报道，2014年我某常规潜艇执行任务中突发掉深险情可能就是遭遇了“海中断崖”这种特殊海洋环境。因此，开展密度跃层等特殊海洋环境的特征分析及其对潜艇运动特性的影响，探究潜艇在密度跃层中的安全操纵方法具有重要的军事意义，近几年已引起了国内外诸多有关学者的兴趣与重视[2-10]。

1 密度跃层分类及其分布特性

当一个密度剖面中某一段的垂直梯度大于等于密度跃层临界值时，确定该段为密度跃层[11]。根据跃层强度变化趋势的不同，可将密度跃层分为正跃层和逆跃层两类。正跃层即在跃层剖面上，密度随深度增大而增大，跃层强度为正值，如图1所示；逆跃层即在跃层剖面上，密度随深度增大而减小，跃层强度为负值，如图2所示。

图1 正跃层示意图图2 逆跃层示意图

根据跃层上界深度的大小，又可将正跃层分为浅跃层和深跃层两类。不同类型跃层的强度临界值如表1所示[2]：

表1 密度跃层强度临界值判定表 (kg·m-4)

浅跃层主要分布在中国近海陆架区及外海深水区的上层，其主要特征是上界深度浅(0～20 m)、厚度薄(10～50 m)、强度大(0.1～0.5 kg·m-4)，具有明显的季节变化；深跃层主要分布在南海中部的大部海域，黑潮流域及其以东深海区，其主要特征是上界深度较深(50～200 m)，厚度较大(25～100 m)，强度较弱(0.015～0.3 kg·m-4)，季节变化不明显，夏季范围稍广；逆跃层在全年各海区的浅水区域均存在，以渤海、黄海最强，东海次之，南海最弱；时间上多发生在秋冬季节。

2 密度跃层对潜艇运动的影响

2.1 潜艇浮力变化模型

在跃层范围内，由于垂直方向上海水密度变化剧烈，因此不同深度上潜艇受到的浮力也将出现较大变化，该浮力变化量可由下式进行计算：

ΔB=▽·K·Δζ/1 000

(1)

式中：▽为潜艇水下全排水量；K为跃层强度；Δζ为深度变化量。

以上述浅跃层为例，其厚度约10～50 m、强度约为0.1～0.5 kg·m-4，则不考虑艇体压缩情况下，潜艇每1 000 t排水量每10 m深度差浮力变化最大可达5 t。根据公开资料报道，世界各国海军常规潜艇与核潜艇水下全排水量分别在 3 000 t左右和15 000 t左右的量级，因此其在浅跃层上下界所受到的浮力差分别最大可达75 t和375 t，这必将严重影响到潜艇的航行状态及其操纵性。

2.2 潜艇运动模型

由于潜艇水下运动过程中突遇海水密度发生变化时，通常仅会在垂直方向上产生力与力矩的改变，因此可忽略水平面上的受力，采用垂直面操纵运动非线性方程式来描述潜艇的运动规律,如式(1)～式(4)所示[12-13]:

(1)

(2)

(3)

(4)

3 仿真结果与分析

由于浅跃层和深跃层均为正跃层，仅跃层强度有所不同，因此其对潜艇操纵运动规律的影响都是相似的，而逆跃层引起的潜艇的浮力变化规律却与正跃层正好相反，因此，本文基于潜艇垂直面操纵运动模型，就正跃层和逆跃层分别对潜艇变深操纵的影响进行仿真分析，以探究潜艇突遇密度跃层后的安全操纵方法。

3.1 正跃层对潜艇变深操纵的影响及应对措施

图3为潜艇速度3节，初始深度100 m，跃层强度分别为K=0 kg·m-4、K=0.05 kg·m-4和K=0.3 kg·m-4时，单操首下潜舵20°(δb=-20°)时的深度变化曲线。

仿真结果表明：当海水垂直方向无密度变化，即不存在密度跃层时，若单操首下潜舵，潜艇将以一定首倾，进入匀速下潜状态；当海区存在正密度跃层时，随着下潜深度的增大，潜艇所受到的浮力也逐渐变大，单操首下潜舵情况下，潜艇最终会在某一深度上以一定首倾保持定深航行，此时，首舵舵力、艇体水动力与密度变化引起的浮力增量相等，潜艇进入新的平衡状态；且在相同航速与舵角条件下，密度跃层强度越强，潜艇的深度变化范围则越小，达到稳定航行状态所需的时间也越短。因此，当潜艇在正跃层中向下变深时，单操升降舵可能无法到达预定深度，此时还需采取其他辅助措施。

图3 正跃层对首舵下潜舵20°变深效果的影响曲线

如图4所示为潜艇在正跃层中采取不同操纵措施时的深度变化曲线。仿真条件：潜艇速度3节，初始深度100 m，跃层强度K=0.3 kg·m-4。

操纵措施：

① 单操首下潜满舵(δb=-30°)；

②t=500 s时刻增速至5节，其余同①；

③t=1 500 s时刻向尾压水1.5 t，其余同②；

④t=2 200 s时刻向浮调水舱注水，其余同③。

从图4中可以看出，增大舵角和增速均能使潜艇在正密度跃层中获得更大的变深范围，且由于舵力与速度平方成正比[14]，增速的变深效果明显优于增大舵角的效果；但应注意的是，舵力矩也与速度平方成正比，因此增速后潜艇必然会产生较大首倾，此时需向尾压水加以控制，但该措施同时又会导致艇体水动力减小而使艇上浮，如图4(c)所示；而从图4(d)可发现，为克服潜艇向下变深时因密度变化产生的正浮力差，向浮力调整水舱注水最为有效，该措施能够从根本上使潜艇恢复受力平衡，同时避免潜艇在变深过程中产生较大首倾，而注水量的大小则取决于跃层强度。

图4 潜艇深度对不同操纵措施的响应曲线(K=0.3 kg·m-4)

当潜艇在正跃层内向上变深时，由于其运动模型和操纵原理均与向下变深时相同，仅浮力差的变化趋势相反，因此应及时由浮力调整水舱向外排水，以抵消密度变小而产生的负浮力差，若需加快变深速率，则可增速或增大舵角。

3.2 逆跃层对潜艇变深操纵的影响及应对措施

3.2.1逆跃层中潜艇变深操纵运动规律

图5为跃层强度分别为K=-0.015 kg·m-4和K=-0.05 kg·m-4时，单操首下潜满舵(δb=-30°)或上浮满舵(δb=30°)时潜艇的深度变化曲线。

图5 逆跃层中潜艇深度对单操首舵的响应曲线

由图5可知，潜艇在逆跃层中采用单操升降舵的方式变深时，其变深速率为非恒定值，潜艇将做变加速下潜(或上浮)运动，且跃层强度越强，深度变化越快。因此潜艇水下航行过程中若遇到逆密度跃层，则变深时应时刻密切关注深度变化率，防止下潜速度过快导致失控而引发掉深险情或上浮速度过快而造成暴露甚至与水面船只发生碰撞。

3.2.2逆跃层中潜艇受扰后的自由运动规律

当潜艇在逆跃层中因某种扰动(如海洋内波)导致深度发生变化时，其所受浮力同时也将发生相应改变，进而在垂直方向上会产生不平衡力，且该不平衡力的方向与潜艇变深方向相一致，即Δζ| Δζ=ΔF| ΔF，因此，有必要对潜艇在逆密度跃层中的受扰运动进行分析研究。以下仿真中，采用首升降舵操下潜或上浮满舵的方式来模拟潜艇突然受到的向下或向上的力的扰动，扰动持续时间为60 s。

图6(a)～(d)为不同强度逆跃层中，潜艇受到向下或向上扰动力后的自由运动仿真曲线。

由仿真结果可知：

1) 潜艇在逆密度跃层中航行时，不具有方向稳定性，即艇体若突然受到外界扰动力作用，当扰动消失后，潜艇无法在新的深度保持定深航行，而是沿扰动力的方向继续做变加速运动；

2) 逆跃层的强度越强，潜艇受扰后的深度变化越快，情况也越危险；尤其是向下运动时，若不能及时采取有效措施，可能会超越极限深度，造成进水沉没的灾难性后果。

图6 潜艇受扰后的自由运动仿真曲线

3.2.3逆跃层中潜艇安全操纵方法

图7和图8分别为潜艇在t=30～90 s期间受到向下和向上扰动力(此处用操首舵满舵来模拟)，扰动消失后，航速不变，立即操相对舵(向下扰动时δb=30°，δs=-10°；向上扰动时δb=-30°，δs=10°)进行挽回，潜艇的纵倾和深度变化曲线。

图7 潜艇逆密度跃层中受向下扰动后操舵挽回的纵倾和深度曲线

图8 潜艇逆密度跃层中受向上扰动后操舵挽回的纵倾和深度曲线

由图可知，当潜艇在逆密度跃层中低速航行，受到某种扰动使其深度发生变化时，若仅靠采取操舵措施，虽然能够较快使潜艇形成有利纵倾，但仍可能无法成功挽回潜艇深度。这是因为在采取挽回措施的初始阶段，潜艇已经形成下潜或上浮惯性，虽然此时舵力和艇体水动力大于因密度变化引起的浮力变化量，但潜艇在惯性作用下将继续下潜或上浮一段时间，该段时间内潜艇浮力差变化量将进一步累积，最终导致挽回措施失败，因此还应辅助以其他措施。

图9为潜艇在受到向下扰动之后，立即采取增速(3节→5节)和操舵措施进行挽回，潜艇的纵倾与深度变化曲线。