潛用拋棄式有線浮標(biāo)及其關(guān)鍵技術(shù)

劉瑞海，徐文濤，張 良

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

潛用拋棄式有線浮標(biāo)及其關(guān)鍵技術(shù)

劉瑞海，徐文濤，張 良

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

潛用拋棄式有線浮標(biāo)可作為水下潛艇隱蔽獲取水面外部信息的一種特殊手段。本文介紹了潛用拋棄式有線浮標(biāo)的功能和組成，對設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決思路。

拋棄式有線浮標(biāo)；潛艇；技術(shù)

0 引 言

潛艇作為一種水下作戰(zhàn)平臺，以海水為天然掩體，比水面艦艇具有更好的隱蔽性，但在隱蔽自身的同時，也因此失去了水面航行狀態(tài)所具有的連續(xù)獲取衛(wèi)星/無線電等外部信息的便利條件。由于無線電信號不能在水中傳播，潛艇在水下要獲取水面外部（如導(dǎo)航校準(zhǔn)、通信等）信息，必須上浮至潛望狀態(tài)將天線等傳感器升出水面，以實現(xiàn)與外部平臺間的信息收發(fā)。但隨著現(xiàn)代反潛技術(shù)的飛速發(fā)展，對潛偵察手段不斷得到增強，特別是天基偵察設(shè)施的迅速發(fā)展，潛艇上浮到近水面被發(fā)現(xiàn)的概率不斷增大，因此潛艇一般處于較大的航行深度，且盡量減少近水面活動次數(shù)。在偵察和反偵察的對抗中，潛望狀態(tài)獲取外部信息方式越來越影響潛艇的隱蔽性，增加了潛艇的暴露率，容易導(dǎo)致潛艇被各種反潛平臺發(fā)現(xiàn)，從而使?jié)撏幱诒桓櫋⑸踔潦艿焦舻奈ｋU境地，已無法滿足潛艇的作戰(zhàn)使用需求，潛艇迫切需要具備水下隱蔽深度與外界進(jìn)行通信、導(dǎo)航定位等信息交互的能力。為解決該難題，一般采用拖曳浮標(biāo)，如德國的卡里斯托（Calisto）通信浮標(biāo)，但其被潛艇拖曳時在水面的航跡仍然能被發(fā)現(xiàn)。一次性多功能拋棄式浮標(biāo)則更多用于潛艇的對外發(fā)送信息，由于其在潛艇拋射后經(jīng)一定延時再發(fā)送信息，能避免因無線電通信使?jié)撏П粋蓽y定位的問題，但該浮標(biāo)沒有與潛艇的信息傳輸通道，只能對外發(fā)送信息，無法隱蔽獲取信息。而采用拋棄式有線浮標(biāo)搭載特定功能的傳感器上浮到水面進(jìn)行信息交互，并將信息通過連接導(dǎo)線傳回艇內(nèi)的方法，可保持獲取信息傳送到潛艇過程中的隱蔽性，是在特殊情況下解決該問題的一種有效途徑。

1 浮標(biāo)功能及組成

潛用拋棄式有線浮標(biāo)由潛艇在水下一定深度通過艇上武器發(fā)射裝置發(fā)射并依靠自身的浮力上浮，在上浮過程中浮標(biāo)和潛艇兩端均自由放線，保證兩者間通過導(dǎo)線可靠連接；浮標(biāo)上浮至水面后呈豎立狀態(tài)漂浮，在特定海況下其頭部應(yīng)露出水面一定高度，利用安裝在頭部的相應(yīng)功能傳感器接收外部信息或?qū)ν獍l(fā)送信息，并將收到的外部信息通過與潛艇之間的連接導(dǎo)線傳送至艇內(nèi)顯示控制設(shè)備，為本艇的作戰(zhàn)使用提供技術(shù)支持。信息交互完畢，由艇內(nèi)顯示控制設(shè)備控制浮標(biāo)啟動自毀機構(gòu)，使浮標(biāo)進(jìn)水并沉入海底，艇內(nèi)控制將連接導(dǎo)線切斷，發(fā)射裝置關(guān)閉前蓋并進(jìn)行恢復(fù)，從而完成一次本艇在水下的對外信息交互過程。

依據(jù)上述功能，潛用拋棄式有線浮標(biāo)系統(tǒng)組成應(yīng)包括有線浮標(biāo)、艇內(nèi)顯示控制設(shè)備和浮標(biāo)釋放裝置三部分，詳見圖 1。其中，有線浮標(biāo)為無動力水下運動浮體，為實現(xiàn)相應(yīng)功能，浮標(biāo)內(nèi)應(yīng)搭載功能傳感器及控制單元、電源、放線機構(gòu)、自沉機構(gòu)等；浮標(biāo)顯示控制設(shè)備安裝于艇內(nèi)，浮標(biāo)釋放裝置可借助艇上現(xiàn)有武器發(fā)射裝置實現(xiàn)浮標(biāo)體的釋放。

2 關(guān)鍵技術(shù)及其解決思路

2.1 有線浮標(biāo)總體設(shè)計技術(shù)

首先，有線浮標(biāo)由潛艇上的中小口徑武器發(fā)射裝置發(fā)射離艇，其外形、尺寸應(yīng)滿足發(fā)射裝置對器材的要求，具有良好的水動力外形，一般采用水中兵器的細(xì)長圓柱外形。

其次，在浮標(biāo)的整個運動過程中，浮標(biāo)的衡重參數(shù)對其運動受力影響極大，決定著浮標(biāo)的空間運動姿態(tài)和上浮時間，因此浮標(biāo)的衡重參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中有著非常重要的地位。由于浮標(biāo)上浮到水面時要求為直立狀態(tài)并露出水面一定高度，故浮標(biāo)在海水中的浮力應(yīng)大于重力一定值，同時浮標(biāo)的浮心在上、重心在下，在保證浮標(biāo)能夠安全發(fā)射離艇的前提下，應(yīng)盡量增大兩者的間距以保證浮標(biāo)在海面波浪中具有較好的姿態(tài)穩(wěn)定性。在設(shè)計中，應(yīng)綜合權(quán)衡浮標(biāo)內(nèi)各種部件的安裝位置和重量，同時盡量采用中心對稱的圓盤形布置，避免偏心。

第三，根據(jù)浮標(biāo)總體布置情況進(jìn)行分區(qū)，適當(dāng)設(shè)置水密耐壓艙段的長度，結(jié)構(gòu)上盡量采用模塊化設(shè)計以方便組裝。依據(jù)功能要求，可將浮標(biāo)上部區(qū)域設(shè)置為水密耐壓艙用于提供浮力，下部區(qū)域可設(shè)置為非水密艙。為保證浮標(biāo)在水面與其他平臺進(jìn)行信息交互，功能傳感器應(yīng)安裝在浮標(biāo)露出水面的頭部艙段內(nèi)，頂部配置滿足信號穿透性要求和水密耐壓要求的非金屬天線罩。浮標(biāo)主體圓柱段可采用密度小、強度高、穩(wěn)定性好的殼體材料。

最后，根據(jù)總體性能要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使浮標(biāo)體重心位置盡量向尾部延伸，必要時可增加配重，確保達(dá)到預(yù)期的衡重參數(shù)，保證浮標(biāo)體浮出水面后露出預(yù)定高度，且浮標(biāo)體軸線垂直于水平面并具備良好的穩(wěn)性。

2.2 導(dǎo)線動態(tài)安全釋放技術(shù)

導(dǎo)線是浮標(biāo)與潛艇之間的傳輸通道，是唯一的物理連接。因此，保證整個系統(tǒng)導(dǎo)線的連續(xù)順暢放線，是浮標(biāo)設(shè)計的另一個關(guān)鍵點。在保證信息傳輸要求的前提下，導(dǎo)線應(yīng)具有較小的線徑、抗拉強度高、外表涂覆層光滑，且密度與海水相當(dāng)。從各方面性能比較來看，可優(yōu)選光纖導(dǎo)線。

定義1 由m×n個數(shù)aij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)排成的m行n列的數(shù)表，并用大寫黑體字母表示，記作

有線浮標(biāo)可以采用單端放線技術(shù)，也可以采用雙端放線技術(shù)。但綜合考慮有線浮標(biāo)發(fā)射離艇后，一方面浮標(biāo)在自身浮力作用下不斷向上運動，除需滿足不斷放線要求外還需考慮浮標(biāo)體可能存在的旋轉(zhuǎn)問題，在浮標(biāo)體的上升過程中導(dǎo)線不能纏繞或斷線；另一方面潛艇作為導(dǎo)線的另一終端并不是靜止在發(fā)射位置，而是在繼續(xù)低速移動，浮標(biāo)與潛艇二者的相對位置始終在不斷變化。為確保該過程中導(dǎo)線始終不受到過大的外力作用，可參考借鑒線導(dǎo)魚雷放線機構(gòu)相關(guān)技術(shù)，采用浮標(biāo)和潛艇兩端各安裝一個線團(tuán)的雙向拉伸自由放線的雙端放線方式。此外，還需考慮導(dǎo)線在發(fā)射管管口區(qū)不能受損并遠(yuǎn)離易導(dǎo)致斷線的潛艇表層紊流區(qū)，可通過設(shè)置保護(hù)軟管使?jié)撏Ф藢?dǎo)線能夠連續(xù)動態(tài)安全布放。

2.3 有線浮標(biāo)發(fā)射適配技術(shù)

潛艇上的中小口徑發(fā)射裝置一般布置在舷側(cè)，有的采用發(fā)射管斜向上方布置的水壓平衡式發(fā)射裝置；有的采用發(fā)射管水平橫向布置的氣動活塞不平衡式發(fā)射裝置。因此，在浮標(biāo)滿足發(fā)射裝置外形尺寸要求的前提下，應(yīng)根據(jù)發(fā)射裝置的發(fā)射原理，以不影響原有器材發(fā)射技術(shù)狀態(tài)為原則，綜合考慮發(fā)射管內(nèi)的結(jié)構(gòu)空間和浮標(biāo)總體狀態(tài)，采取必要的技術(shù)措施實現(xiàn)有線浮標(biāo)的發(fā)射。

由于中小口徑發(fā)射裝置所發(fā)射的器材一般不帶導(dǎo)線，發(fā)射離艇后即可不管；而有線浮標(biāo)與潛艇之間要通過導(dǎo)線傳輸信息，即浮標(biāo)在裝入發(fā)射管后導(dǎo)線需要引出發(fā)射管與艇內(nèi)浮標(biāo)顯示控制設(shè)備連接起來，這樣才能在浮標(biāo)與顯示控制設(shè)備之間建立有線信息傳輸?shù)耐ǖ?，在信息交互完成后還要將導(dǎo)線切斷并使之從艇上脫離。因此，其難點是如何在特定發(fā)射管內(nèi)的狹小空間中實現(xiàn)艇端線團(tuán)和切割裝置的布置，以及如何將導(dǎo)線引出發(fā)射裝置與艇內(nèi)顯示控制設(shè)備連接。

對于水壓平衡式發(fā)射裝置，可借鑒魚雷發(fā)射管發(fā)射線導(dǎo)魚雷的方法，考慮將艇端線團(tuán)和切割裝置固定在發(fā)射管后蓋上，通過水密連接器穿過后蓋使浮標(biāo)導(dǎo)線與艇內(nèi)顯示控制設(shè)備連接起來。對于氣動活塞不平衡式發(fā)射裝置，由于管內(nèi)的發(fā)射活塞在武器發(fā)射時是運動部件，且具有將發(fā)射活塞前端海水與后端發(fā)射氣體隔離的功能，因此導(dǎo)線還需水密穿過發(fā)射活塞。如將艇端線團(tuán)和切割裝置固定在發(fā)射管后蓋內(nèi)壁上，艇端線團(tuán)內(nèi)導(dǎo)線難以水密動態(tài)穿過活塞布放到水中。為此，可考慮將艇端線團(tuán)和切割裝置固定在發(fā)射活塞內(nèi)，再將導(dǎo)線水密穿過活塞和發(fā)射管后蓋，此時只需實現(xiàn)靜態(tài)水密即可滿足要求，從而降低技術(shù)實現(xiàn)難度。

2.4 浮標(biāo)離管安全控制技術(shù)

浮標(biāo)離管安全控制技術(shù)可通過研究浮標(biāo)在不同出管速度下的管內(nèi)彈道軌跡，分析與發(fā)射管內(nèi)壁的接觸情況確定其安全出管速度。

在管內(nèi)末彈道階段，浮標(biāo)在運動過程中與發(fā)射管體為點接觸，是點約束下的運動。圖 2 給出了浮標(biāo)出管運動示意圖，同時給出了坐標(biāo)系。在一點約束下，即浮標(biāo)與發(fā)射管內(nèi)壁存在一個接觸點，浮標(biāo)運動具有2 個自由度，取浮標(biāo)的轉(zhuǎn)角 θ 及由約束點 o 到浮標(biāo)質(zhì)心 C 的軸向距離 l 為 2 個獨立的廣義坐標(biāo)，則浮標(biāo)質(zhì)心的 x，y 坐標(biāo)與廣義坐標(biāo) θ，l 的關(guān)系為

式中 r 為支點 O 到質(zhì)心 C 的徑向距離，是浮標(biāo)坐標(biāo)系中 x 坐標(biāo)的已知函數(shù)，因此 r 也可轉(zhuǎn)化為 l 的已知函數(shù)，以 r = r（l）表示。

浮標(biāo)在管內(nèi)末彈道階段，受到的主動力可能有：重力 mg，流體動力 Fx和 Fy，根據(jù)虛位移原理，廣義力 Fl與 Fθ分別為：

代入第二類拉格朗日方程

得到浮標(biāo)管內(nèi)末彈道的動力學(xué)方程組

再加上運動學(xué)方程

以及關(guān)系式（1），便構(gòu)成了一點約束下完整的浮標(biāo)管內(nèi)末彈道方程組。通過計算得出浮標(biāo)下部后端點與管體內(nèi)壁存在間隙時，即可判定浮標(biāo)能夠安全離管；若求得浮標(biāo)下部后端點與管體內(nèi)壁不存在間隙，即浮標(biāo)與發(fā)射管發(fā)生兩點約束，此時浮標(biāo)離管安全性存在隱患，應(yīng)通過增加浮標(biāo)出管速度等措施進(jìn)一步提高離管安全性。

2.5 浮標(biāo)在海面的姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)

浮標(biāo)在海面應(yīng)能抵御一定級別海況的影響，在隨波浪搖擺的同時，搭載的傳感器始終保持對外信息交互不能中斷。因此，通過設(shè)計過程中的理論計算，在增大浮標(biāo)的重浮心距離，使重力矩始終成為穩(wěn)定力矩的同時，盡可能將浮標(biāo)重心布置于中軸線上，以使浮標(biāo)在靜水中保持直立狀態(tài)，在中小級風(fēng)浪下不會大幅傾搖。為使浮標(biāo)具備抵御水面較大風(fēng)浪的能力，減小浮標(biāo)在水中上下起伏的幅度，可在不影響浮標(biāo)發(fā)射出管安全的前提下，通過設(shè)置能在水面打開的浮囊、折疊式減搖鰭等措施予以解決。

3 國外應(yīng)用情況

國外潛艇使用拋棄式通信浮標(biāo)進(jìn)行隱蔽通信已有數(shù)十年的歷史，該類浮標(biāo)不帶導(dǎo)線，主要用來實現(xiàn)潛艇隱蔽對岸指的單向通信，提升了潛艇向岸指緊急發(fā)信時的隱蔽性。使用時由潛艇將該浮標(biāo)拋射離艇，浮標(biāo)上浮到水面附近并根據(jù)預(yù)先設(shè)定經(jīng)過延時后，再將信息發(fā)送出去，完成任務(wù)后沉沒自毀。

英國 Plessey Marine 公司在 20 世紀(jì) 80 年代就研制了一次性潛艇通信浮標(biāo)，用來為水下潛艇向水面船只和飛機發(fā)送戰(zhàn)術(shù)情報和提供與搶救隊緊急通訊的手段。該浮標(biāo)直徑約 10 cm，用 VHF 和 UHF 頻段，由潛艇信號彈射器把浮標(biāo)發(fā)射出去，浮標(biāo)漂浮到水面上，展開可充氣的天線，重復(fù)發(fā)送若干次后自動銷毀。

潛用拋棄式有線浮標(biāo)也已在國外得到應(yīng)用，主要用于潛艇獲取通信信息、導(dǎo)航定位、探測水下各深度剖面的溫鹽深信息等。如美國海軍核潛艇即可利用有線通信浮標(biāo)進(jìn)行通信，浮標(biāo)由艇上釋放并通過光纖與艇上保持連接；浮標(biāo)上浮到水面后，頭部鼻錐彈開，露出水面，隨后氣囊充氣，使浮標(biāo)浮在水面保持工作狀態(tài)，通過衛(wèi)星與岸基進(jìn)行通信。

21 世紀(jì)初，英美兩國又聯(lián)合開展了潛用可回收光纖系留浮標(biāo)系統(tǒng)（RTOF）的研制。該系統(tǒng)的系留浮標(biāo)體相對較大，尾部帶有一根光纜與絞車裝置連接。浮標(biāo)體從裝在潛艇上的存儲艙中放出后，靠自身浮力漂浮至水面，同時潛艇上的絞車裝置不斷釋放光纜使其幾乎不受拉力。該浮標(biāo)體可搭載通信、導(dǎo)航、偵察等功能部件，浮標(biāo)體到達(dá)水面后漂浮在海面執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，而潛艇繼續(xù)根據(jù)航行速度不斷布放光纜以避免產(chǎn)生大的拉力，保持浮標(biāo)體在海面的位置基本不變；在任務(wù)完成后，絞車反轉(zhuǎn)，拖動浮標(biāo)體收回到潛艇。

4 結(jié) 語

潛用拋棄式有線浮標(biāo)可作為應(yīng)用平臺，根據(jù)不同的任務(wù)需求搭載相應(yīng)功能的單元模塊，如對外發(fā)送信息的單元模塊、探測單元模塊、偵察單元模塊等，由潛艇施放后上浮到水面執(zhí)行通信、探測、偵察等任務(wù)，通過連接導(dǎo)線與潛艇進(jìn)行信息交互，從而既可滿足潛艇對外界信息的獲取要求，又保持了潛艇的水下隱蔽性。潛用拋棄式有線浮標(biāo)的部分技術(shù)還與可回收式系留浮標(biāo)技術(shù)類似，可進(jìn)一步用于可回收式系留浮標(biāo)的研制，因此具有較好的技術(shù)應(yīng)用前景。

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Submarine wired disposable buoy and key techniques

LIU Rui-hai, XU Wen-tao, ZHANG Liang
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Submarine wired disposable buoy(SWDB) could be deployed to the surface to receive information by submerged submarine. In this paper, the function and components of SWDB are introduced; the key techniques and solution considerations are also presented.

wired disposable buoy；submarine；technique

TN967.1

A

1672 - 7619(2017)02 - 0137 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.027

2016 - 03 - 29；

2016 - 09 - 05

劉瑞海(1970 - )，男，高級工程師，研究方向為艦船武器系統(tǒng)。