海军潜艇学院 张昆山 刘汉明 刘富友 

摘 要： 本文通过对潜艇失事后，潜艇内固壳舱及主、付水柜的各种可能进水情况的分析，建立了比较完善的潜艇水中重量和潜艇打捞出水后的增重计算模型，从而为潜艇打捞的水中重量计算奠定了理论基础。 

　　•  前言

　　潜艇水中重量重心计算的准确性如何，直接影响到潜艇打捞方案的设计质量甚至潜艇打捞的成败。因此，如何准确计算潜艇水中重量是十分重要的。由于潜艇在水下具有均衡性，通常在计算当中采用气垫计算法。但是潜艇舱柜数量、类型多，进水情况复杂，给计算带来了很大的困难。过去对潜艇水中重量的计算比较粗略，对许多因素没有做具体的考虑，使得对潜艇水中重量重心的计算的准确性可靠性不高。本文在对潜艇失事后各种进水情况进行具体分析的基础上，综合考虑各种因素，把潜艇固壳舱、主水柜及付水柜内的气垫分别进行研究，对不能准确计算的部分采用三段力计算法进行了研究，即最大，最可能及最小水中重量三种情况，给出了每一部分气垫的体积及其容积中心的计算模型。文章最后对出水后潜艇水中重量的计算模型也做了研究。

2. 潜艇整体水中重量重心的计算

　　由于潜艇水下具有均衡性，因此潜艇水中重量就是潜艇沉没后，舱柜内进水所增加部分的重量。在计算中采用气垫法，假定付水柜在沉没前全部是空的，具体的计算公式如下：

　　潜艇水中重量 = 固壳舱净容积 + 付水柜总容积—固壳舱内气垫容积—主水柜内气垫容积—付水柜内气垫容积

　　图 2 — 1 给出了潜艇水中重量重心的计算结构。图中各项的最大进水量相加可以得到潜艇最大水中重量，以此类推，可得最小水中重量及最可能水中重量。

　　在计算潜艇水中重心位置时，可以认为舱柜进水后重心的横向和纵向位置不变，只有垂向位置发生变化，并可根据气垫和进水的合重心就在进水前潜艇舱柜的重心处的假定进行计算。经过实践检验，该假定满足实际工程的需要。

　　由公式可知，潜艇水中重量主要由潜艇沉没前的舱柜的状态和沉没后的舱柜内的气垫情况决定，以下就各舱柜对潜艇水中重量的影响分别进行说明。

　　•  固壳舱气垫容积及其容积中心计算

　　固壳舱内进水主要有以下几种情况：一是潜艇由于碰撞，受到鱼雷攻击等破损进水；二是潜艇各舱间隔墙的耐压性能有限，当失事水深超过隔墙耐压强度和各舱反压之和时，相邻舱进水；三是艇员从一、三、七舱脱险后，这些舱室也将进水。在确定了舱室的进水原因，舱室初始状态之后，便可计算各舱的气垫容积及其容积中心。

2.1.1 破损进水情况下气垫体积及气垫容积中心的计算

　　舱室破损以后，海水将涌入舱内，破损位置以下的气体将溢出，破损位置以上的气体将被压缩成气垫，压缩以后的气垫体积可按式（ 2 — 1 ）计算。

 

（ 2 — 1 ） 式中：

—舱室进水前的气体压力，单位 N/m 2 ；—— 海平面上的大气体压力，单位 N/m 2 ；

—破损位置以上的气体体积，单位 m 3 ；—气垫体积，单位 m 3 ；

—海水比重，单位 N/m 3 ；—破损位置距海平面的距离，单位 m 。

气垫容积中心高可按（ 2 — 2 ）式进行计算：

（ 2 — 2 ）

式中：

—舱室净容积，单位 m 3 ；—舱室净容积中心高，单位 m ；

—破损后的进水体积， = — ， 即为上式所求气垫体积，单位 m 3 ；

—进水容积中心高，可通过抗沉图本查得，单位 m ；—气垫容积中心高，单位 m 。

式（ 2 — 1 ）是个近似公式，在计算气垫稳定以后的压力时，近似认为同破损位置的压力相同，但实际上海水涌入舱内以后水面会慢慢上涨，最后水面也一定会高于破损位置，但当水深较深时，可以近似认为气垫压力同破损位置的水压相同，由（ 2 — 1 ）式所得的值可直接作为最终结果；当水深较浅时，可以用下面的方法进行逼近，以确定舱内气垫的最终体积：

　　由物理意义可知，气垫的最终高度必存在于 [0,H 0 ] 之间， H 0 为破损位置距舱顶的高度，求解方法如下：

　　•  由（ 2 — 1 ）式所得的 V 根据几何关系求得气垫高度 h 1 ，把 h 1 处的压力 P 代入到（ 2 — 1 ）式中，求得气垫体积 V 1 ；

　　•  由 V 1 求得气垫高度 h 2 ，把 h 2 处的气体压力 P 1 代入到（ 2 — 1 ）式中，求得气垫体积 V 2 ；

…………

　　（ｎ）由 V n-1 求得气垫高度 h n ，把 h n 处的气体压力 P n-1 代入到（ 2 — 1 ）式中，求得气垫体积 V n ；

当 时，计算停止，这时的 即为所求， 为指定的精度。

　　•  艇员脱险后进水情况下气垫体积及气垫容积中心的计算

　　潜艇失事以后，艇员可以根据实际情况分别从Ⅰ舱的鱼雷发射管，Ⅲ舱的耐压指挥室，Ⅶ舱的鱼雷发射管和升降口脱险，脱险后舱内将进水。脱险方式不同，进水量也不相同。

　　（一）对于Ⅰ舱来说，艇员可以从鱼雷发射管脱险，脱险方式主要有两种，设闸脱险和不设闸脱险。

　　（ 1 ） 鱼雷发射管设闸脱险

　　当采用这种方式脱险后，每脱险一组艇员舱内将进一个鱼雷发射管体积的海水，因此，舱内气垫体积可以按（ 2 — 3 ）式计算：

（ 2 — 3 ）式中：

—Ⅰ舱内气垫体积，单位 m 3 ；—Ⅰ舱净容积，单位 m 3 ； — 脱险组数，单位 组。

— 鱼雷发射管体积，单位 m 3 ；

　　（ 2 ） 不设闸鱼雷发射管脱险

　　用这种方式脱险后，舱内水面将达到所用发射器的上缘，舱内气压将和舷外水压力相等，因此，舱内气垫体积可以按（ 2 — 4 ）式计算

（ 2 — 4 ）式中：

—舱内进水体积，它可根据发射管上缘的高度 h ，查抗沉图本得到，单位 m 3 ；

—Ⅰ舱净容积，单位 m 3 ；—气垫容积，单位 m 3 。

　　（二）对于Ⅲ舱来说，脱险方式主要有两种：耐压指挥室设闸法和Ⅲ舱设闸法。

　　（ 1 ）当艇员采用耐压指挥室设闸法脱险后，舱内将进一救生闸套体积的海水，因此，舱内气垫体积可以按（ 2 — 4 ）式进行计算，但这里的 为Ⅲ舱净容积， 为救生闸套体积。

　　（ 2 ）当艇员采用Ⅲ舱设闸法脱险后，舱内进水将达到三舱闸套下缘 300~400 ㎜，舱内外压力相等，故气垫体积也可按（ 2 — 4 ）式进行计算， 可根据进水高度查抗沉图本求得。

　　（三） 对于Ⅶ舱来说，脱险方式主要有鱼雷发射管脱险和救生闸套脱险，脱险后的气垫体积气垫容积计算同（一）（二）中所述。

脱险后的气垫容积中心高均可按（ 2 — 2 ）式进行计算。

2.1.3 舱门耐压强度不够破损进水情况下舱室内的气垫体积及其容积中心的计算

　　当舱室破损以后，舱内进水，邻舱舱门就会受到水的压力作用，舱门就有可能因为耐压强度不够破损进水 。由于进水情况不能确定，因此我们分三种情况进行讨论：

　　（ 1 ） 最大进水量计算
假定破损以后气体全部溢出，此时舱内将进满水，气垫体积为零。这种假设可用于最大打捞重量计算。

　　（ 2 ） 最可能进水量计算

　　假定舱门破损以后，破损位置以下的气体全部溢出，剩余气体被压缩，压缩后的气垫体积及其容积中心可按（ 2 — 1 ），（ 2 — 2 ）式计算。

　　（ 3 ） 最小进水量计算

　　假定舱门破损以后，舱内气体没有溢出而是被压缩，压缩后的 气垫体积及其容积中心可按（ 2 — 1 ）式，（ 2 — 2 ）式进行计算，但这里的 是舱室的净容积，其他相同。这种假设可用于最小打捞重量计算。

2.2 主水柜气垫体积的计算

　　潜艇处于不同的航行状态，其主水柜内的水量变化是不同的，因此在计算时要根据其沉没前的状态进行分类计算。

2.2.1 沉没前潜艇处于水面正常装载燃油航行状态

　　当潜艇处于水面航行状态时，其所有主水柜内是没有水的。因此沉没后柜内的水量即为沉没后的进水量。

2.2.1 .1 破损情况下的气垫体积及其容积中心的计算

　　这种情况下的计算同对固壳舱的计算。

2.2.1 .2 耐压强度不够破损进水情况下的气垫体积及其容积中心的计算

　　（一） 1 、 10 、 11 号主水柜

　　由于 1 、 10 、 11 号主水柜没有注水弇，潜艇沉没后这些水柜不会由于耐压强度不够破损进水，但是由于潜艇沉没后水深增大，柜内气体将会被压缩成气垫。压缩后的气垫体积气垫容积中心可分别按（ 2 — 1 ）式、（ 2 — 2 ）式计算。

（二） 2 — 9 号主水柜

　　2 — 9 号主水柜有注水弇，由于沉没前柜内没有水，因此，当潜艇沉没处水深超过一定深度后，这些水柜会由于耐压强度不够而破损进水。进水后的情况分析，研究方法同舱室由于耐压强度不够进水。

2.2.2 沉没前潜艇处于水面超载燃油航行状态

　　潜艇处于水面超载燃油航行状态时， 4 、 7 、 8 号主水柜内装满燃油，破损进水以后，海水要代替燃油，由此将会产生一个相当进水量，即 P=( )V ，由于沉没后无法得知各油舱的油量，而且相当进水量不大，因此可不予考虑。而其他水柜进水情况同 2.2.1 。

　　2.2.3 沉没前潜艇处于水下航行状态

　　在这种情况下，潜艇在沉没前主水柜内是注满水的，因此，不管潜艇沉没后主水柜是否进水，都将不会有气垫存在，可不予考虑。

　　2.3 付水柜气垫体积及其容积中心的计算

　　潜艇付水柜包括舱外付水柜和舱内付水柜两种，舱外付水柜有 1 、 2 号浮力调整柜和速潜柜及燃油柜，由于燃油柜内总是充满油或者油水混合物，因此可以不做考虑；舱内付水柜比较多，进水情况较复杂，需要分类分情况进行研究。

　　2.3.1 1 、２ 号浮力调整柜和速潜柜

　　1 、 2 号浮力调整水柜和速潜柜用于保证潜艇均衡和速潜机动，柜内并不经常注满海水， 其耐压强度和固壳相同，他们都布置在潜艇重心附近。

　　2.3.1 .1 破损进水情况下的气垫体积及其容积中心的计算

　　当这些水柜破损以后，柜内将进水，破洞以下部分的气体将溢出，以上部分的气体将被压缩，进水后的气垫体积气垫容积中心高可分别由（ 2 — 1 ）式， (2 — 2) 式求得。

　　2.3.1 .2 耐压强度不够而破损进水情况下的气垫体积及其容积中心的计算

　　由于柜内并不经常注满海水，因此当沉没处水深超过一定深度以后，水柜会由于耐压强度不够破损进水。分析方法计算模型同舱门由于耐压强度不够进水的情况。

　　2.3.2 固壳舱内付水柜气垫体积及其容积中心的计算

　　如果舱内各柜所在的舱没有损坏，或进水压力没有超过这些水柜的耐压强度，那么此舱内的各柜可以不考虑；否则，潜艇水中重量计算要包括这一部分进水量。但由于这些水柜的破损情况及水柜内的初始水量难以准确得知，因此，我们分三种情况计算：

　　•  最小进水量计算

　　假定潜艇沉没前舱内各水柜是注满水或油的，那么在计算当中可以不考虑这一部分的影响。这种处理方法所得的结果与实际结果相比偏小，可用于最小打捞重量计算。

　　•  最可能进水量计算

　　舱内的付水柜破损以后，根据破损前的状态，柜内的进水量可以进行计算，其进水量就等于水柜的净容积减去其初始水油的体积。

　　•  最大进水量计算

　　假定潜艇沉没前舱内各水柜是空的，沉没后破损进满水，气垫体积为零。这种处理方法用于最大打捞重量计算。

　　由于一般说来付水柜对整个潜艇水中重量及其中心的计算的影响较小，而且进水后的容积中心又较难确定，因此这里假定进水后的容积中心不变。

　　３ . 潜艇出水后水中重量的计算

　　潜艇出水后水中重量将会发生变化，其中，上层建筑出水后浮力的减少，主甲板以下部分出水后浮力的减少将使潜艇水中重量增加。在计算中建议采用将潜艇出水后重量视为潜艇在空气中的重量加上潜艇舱内进水量，再减去潜艇水下部分排水量的计算思想，该方法的特点在于思路清晰，计算简单。公式如下：

P CS =P K + W 1 + W 2 — P F （３— 1 ）式中：

P CS —潜艇出水后重量，单位 T　P K —潜艇在空气中的重量，单位 T W 1 —潜艇舱内进水量，单位 T

W 2 —潜艇柜内进水量，单位 T 　P F —潜艇水下部分排水量，单位 T 　　

　　（一）潜艇在空气中的重量 P K 计算

　　P K 由舰体、机械、电气、武备、观通设备、系统及装置组成，其数据可取自潜艇重量计算书。

　　（二）舱柜内剩余水量 W 1 、 W 2 计算

　　潜艇在上浮过程中舱柜内的水量由于气体膨胀而不断减少，当潜艇破损位置出水以后，水还会从破损位置流出，因此舱柜内剩余水量 W 1 、 W 2 可以分成以下两种情况进行计算：

　　•  破损位置没有出水

　　如果破损位置没有出水，舱柜内的水量只会因为气体的膨胀而减少，舱柜内的剩余水量就可以通过（ 3 — 2 ）式计算。

（ 3 — 2 ）式中：

—舱柜内的剩余水量，单位 m 3 ；—舱柜的净容积，单位 m 3 ；—潜艇起浮前舱柜内的压力 , 单位 N/m 2 ；

—潜艇起浮前舱柜内的气垫体积 , 单位 m 3 ；—海水比重，单位 N/m 3 ；

—出水后破损位置距海平面的距离，单位 m ；—水面的大气压力 , 单位 N/m 2 。

上式中的 已知； 、 则可直接使用潜艇水中重量计算中的计算结果。 求得以后， W 1 、 W 2 便可得到。

　　•  破损位置出水

　　破损位置出水以后，舱内的水面到达破损位置，这时，舱室和主水柜内的剩余水量只要根据破损位置查抗沉图本即可，浮力调整柜、速潜柜以及付水柜内的剩余水量则可假定和破损位置出水前的相同。

　　（三）潜艇水下部分排水量 P F 计算

　　P F 可以根据静水力曲线查得或根据邦戎曲线计算得到。

4. 结论

　　本文对各种情形下的进水情况进行了详细、全面的分析，包括破损，脱险以及舱柜由于耐压强度不够而破损进水的情况，构建了全面实用的计算模型，从而提高了潜艇水中重量计算的准确性和可靠性；同时，对潜艇出水后的水中重量计算模型也进行了系统的研究，并给出了计算模型。文章给出的计算模型和结论为下一步程序设计奠定了基础。

参考文献

　　•  刘汉明 臧海鹏 “沉船打捞工程”，海军潜艇学院， 2001.6 ；

　　•  “潜艇构造” 海军潜艇学院 1982.12 ；

　　•  “潜艇抗沉图本” 海军工程学院 1980.1 ；

　　•　“潜艇救生” 海军潜艇学院 1988.9 ； 　　

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