半潛載體的耐波性和浮態(tài)穩(wěn)性研究

張睿

摘 要：一般深海探測的方式上都存在重心不足的問題，電磁波在水里的衰減速度非常高，因而，聲波探測成為偵查水下物體最為廣泛的手段。現(xiàn)在戰(zhàn)爭中，蛙人是弱勢一方獲得不對稱優(yōu)勢的重要手段，各國海軍都大力發(fā)展蛙人特種部隊(duì)，在抗美援越戰(zhàn)爭中，北越蛙人據(jù)稱取得了極大的戰(zhàn)果，據(jù)稱擊沉美帝和南越近千艘船只。因此，作為海軍強(qiáng)國都對如何對抗蛙人襲擊有著很大的軍事需求，這方面首要的軍事需求就是如何知道蛙人靠近。作為水下探測的第一有用手段——聲吶必然在蛙人探測方面有著自己極大的用武之地。該文采用動(dòng)力和浮力概算得出最優(yōu)解決方式，該系統(tǒng)從耐波性和浮態(tài)穩(wěn)性等方面進(jìn)行了研究，通過聲吶探測的方式實(shí)現(xiàn)了自主式半潛反蛙人探測。

關(guān)鍵詞：半潛載體 耐波性 浮態(tài)穩(wěn)性

中圖分類號：U695.26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0041-01

1 聲吶的概況

聲吶實(shí)際上就是通過聲波來對水下目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際的定位與探測，其最初被英國海軍劉易斯·尼克松于1906年發(fā)明，用于偵測冰山。為了能夠滿足距離的探測與識別的要求，主動(dòng)聲吶開始轉(zhuǎn)向發(fā)展為被動(dòng)聲吶，繼而發(fā)展成為低頻和大孔徑聲吶。執(zhí)行海床探測任務(wù)的聲吶可以探測到15000 m甚至更深的水域的動(dòng)靜。目前常用的聲吶傳感器如圖1所示。

探測方式主要分為球型和柱型兩種，球型聲吶的特點(diǎn)主要是方向性好，可以通過改變基陣的相位來控制聲吶的掃描方向和距離。缺點(diǎn)是體積大，能耗也大，技術(shù)含量高，而且造價(jià)也高，目前主要裝備在核潛艇上。而柱型聲吶沒有球型的探測距離遠(yuǎn)，回波的方向性和強(qiáng)度也沒球型的好，但是其技術(shù)含量低，體積小。造價(jià)低，主要裝備在常規(guī)潛艇上。該文中所研究的模型主要采用被動(dòng)聲吶中的柱型聲吶。

2 載體的整體構(gòu)造

整個(gè)載體外形為降落傘形狀，這種構(gòu)造上面是弧面，可增大接收面積，下面為圓錐，在移動(dòng)的時(shí)候相對阻力較小。載體的內(nèi)部共由五部分組成，由下至上分別是電矢量推進(jìn)裝置，電池，GPS接收機(jī)，聲吶反射面，天線。天線是聲吶被動(dòng)發(fā)出波動(dòng)的裝置，是探測蛙人的主要設(shè)備，對天線的保護(hù)尤為重要。為確保天線的信號接收，經(jīng)過壓力測試后，決定采用玻璃鋼罩。而聲吶的反射面是單方面反射，因此將其按照玻璃鋼罩的弧度鋪設(shè)在天線下以增大接收面積。此外為確保投放載體的穩(wěn)定性并盡可能的節(jié)約資源，半潛載體之間采用三角形的連接方式。

3 半潛載體的耐波性研究

一般探測方法依賴于聲學(xué)傳遞浮標(biāo)和水下運(yùn)載體相對位置的信息，需要事先設(shè)置水聲基陣，作業(yè)區(qū)域有限，受海洋和氣象條件影響較大，水面船舶保障任務(wù)重，且作業(yè)效率較低，測量工序繁瑣耗時(shí)，且難以滿足水下運(yùn)行器大范圍快速作業(yè)需求?，F(xiàn)有的水下定位技術(shù)，根據(jù)是否需要設(shè)置聲基陣，分為水聲定位技術(shù)和激光聲遙感技術(shù)兩大類。目前普遍使用系統(tǒng)為長基線、短基線和超短基線等水下聲定位系統(tǒng)。但由于這些系統(tǒng)在布設(shè)、校準(zhǔn)等方面都比較困難，費(fèi)時(shí)耗資，靈活性差，不能機(jī)動(dòng)，作用范圍有限，不能滿足水下定位的需求。而半潛載體體積相對較小，采用電矢量推動(dòng)裝置，在風(fēng)浪較大的海面具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。整個(gè)系統(tǒng)重心低，耐波性較強(qiáng)。

4 半潛載體的浮態(tài)穩(wěn)性研究

關(guān)于半潛載體的浮態(tài)穩(wěn)性研究我們采用了兩種方法，第一種是離散組合法，我們將半潛載體離散成基本的體素單元，借助AutoCAD平臺進(jìn)行建模，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ê虯utoCAD提供的Object ARX二次開發(fā)工具，對半潛載體在不同水線面下進(jìn)行靜水力要素的計(jì)算，然后進(jìn)行組合，求得浮體的靜穩(wěn)性曲線。同時(shí)，引入傾斜角的概念，通過求取不同排水量下的穩(wěn)性曲面，可以得到不同吃水、不同水線面下的穩(wěn)性曲線。第二種則是表面壓力法，這種方法受啟發(fā)于流體動(dòng)力學(xué)中的有限元思想，是把浮體表面采用三角形剖分技術(shù)對曲面進(jìn)行分割，這樣表面就分解成許多小的曲面單元，以平面三角形集合代替曲面，然后計(jì)算在某一傾角下每個(gè)小單元所承受的靜壓力，對靜壓力進(jìn)行積分就可得到浮力的大小、方向和作用線，從而算出某傾角下的穩(wěn)性曲線。通過研究可以得出半潛載體的浮態(tài)穩(wěn)性相較與其他反蛙人探測設(shè)備有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

半潛載體要配備有國際領(lǐng)先的GPS的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，船舶動(dòng)態(tài)可適當(dāng)修剪，適當(dāng)?shù)匕才蓬A(yù)設(shè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過半潛載體的穩(wěn)定性和壓艙水穩(wěn)處維護(hù)半潛載體的擺動(dòng)周期。半潛載體被投放后，利用GPS相對定位原理確定水上GPS浮標(biāo)坐標(biāo)位置，然后再基于空間后方交會(huì)原理，利用超聲波定位的方式，確定水下用戶位置的水面-水下立體定位。然后再利用電矢量推動(dòng)裝置將其推回原設(shè)定地點(diǎn)。

5 結(jié)語

中國在半潛船的生產(chǎn)過程中，注重了半潛船的核心生產(chǎn)技術(shù)，在上海、廣州造船最相關(guān)的設(shè)計(jì)院常用的國際船舶，屬于未發(fā)表的研究的內(nèi)部信息技術(shù)。國內(nèi)外各大船社很少如此表現(xiàn)艇試驗(yàn)，半潛船的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并不成熟，缺乏半潛船技術(shù)創(chuàng)新方面的計(jì)劃，并缺少半潛船浮態(tài)穩(wěn)性的結(jié)論。因此，這并不意味半潛載體的研究毫無頭緒。半潛載體的耐波理論研究對半潛載體的安全具有積極意義，水流通常是均勻、連續(xù)的，水流是不可壓縮的，研究半潛載體流波性時(shí)，假定水流非粘性的轉(zhuǎn)動(dòng)流體?？梢杂脕砝绽狗匠瘫磉_(dá)滿足流場的速度潛力。此外，水流具有自由表面，能夠滿足半潛載體表面浮性。

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