海水密度的人工躍變技術(shù)研究

何升陽，金良安，張志友，胡廣友

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018）

海水密度的人工躍變技術(shù)研究

何升陽，金良安，張志友，胡廣友

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018）

提出一種海水密度的人工躍變技術(shù)，其核心思想是利用專門的材料和設(shè)備，通過特定機(jī)理在設(shè)定海域產(chǎn)生大量均勻分布的氣泡，以形成足夠規(guī)模的低密度海水區(qū)域，從而影響潛艇正常航行。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，分析不同大小及數(shù)密度的人工氣泡制造海水躍變的實(shí)施效果和影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在靜水中，氣泡越小對(duì)潛艇航行“掉深”影響越大；在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加氣泡的數(shù)密度能明顯加大“掉深”深度。研究結(jié)論證明海水密度人工躍變思想的可行性與有效性，為潛艇軍事打擊手段的進(jìn)一步完善以及裝置的研制提供必要的基礎(chǔ)和依據(jù)。

艦船；海水密度；人工躍變；軍事應(yīng)用

0 引 言

海水密度躍層導(dǎo)致潛艇損毀的事故經(jīng)常發(fā)生，因此，海水密度躍層的形成機(jī)理及應(yīng)用一直是國內(nèi)外船舶工程和軍事科技等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。海水密度躍變層對(duì)于潛艇的航行主要有以下兩種影響：1）潛艇進(jìn)入海水密度躍變區(qū)時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的縱搖（縱傾），并且不能穩(wěn)定懸浮[1-2]；2）作為潛艇最重要的通信、探測(cè)信號(hào)，聲波在經(jīng)過海水密度躍變層時(shí)會(huì)伴有顯著的不規(guī)則反射和折射效應(yīng)，將直接制約潛艇的探測(cè)、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)等行為的正常實(shí)施[3]。因此，海水密度躍變層的相關(guān)研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值，若能對(duì)其有效控制，就可以積極對(duì)敵營造不利的海水環(huán)境，達(dá)到對(duì)抗敵潛艇的目的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)海水密度躍層進(jìn)行了大量的研究，但主要集中在海水密度躍層的分布、自然形成機(jī)理等方面[4-5]，對(duì)于海水密度躍層的工程運(yùn)用，尤其是人工形成方法的研究幾乎無人涉及。本文基于軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了一種新型的潛艇對(duì)抗方式：海水密度的人工躍變技術(shù)，搭建專門的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，分別通過控制氣量控制閥、排氣量來改變氣泡大小及氣泡數(shù)密度，探索該技術(shù)的實(shí)施效果。為該技術(shù)的工程化應(yīng)用提供相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 海水密度人工躍變的技術(shù)思想

1.1 技術(shù)思想的提出

海水密度躍層對(duì)潛艇的航行、通信等活動(dòng)有著嚴(yán)重的影響，對(duì)敵我雙方都會(huì)帶來災(zāi)難性的打擊。如果我方能控制海水密度躍層的形成及分布，并將其布設(shè)在敵潛艇航行軌跡前方，將對(duì)其產(chǎn)生致命打擊，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)抗敵潛艇的目的。由于海水密度躍層的自然分布存在著固有規(guī)律，難以進(jìn)行人為干預(yù)，因此，人工制造出海水密度躍變區(qū)，積極控制其分布特點(diǎn)，并充分研究其應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)，是利用密度躍層的特有危害來對(duì)抗敵潛艇的可行方法。

海水密度主要由鹽度、溫度、壓力及其組分決定，以上任何一個(gè)因素發(fā)生變化，都會(huì)對(duì)海水密度產(chǎn)生較大影響[6]。因此，只要針對(duì)海水的鹽度、溫度、壓力或組分進(jìn)行改造，就能產(chǎn)生相應(yīng)的海水密度躍變區(qū)。由于海水的鹽度、溫度、壓力基本是固定的，改造難度、成本很大；而改變海水組分只需向海水里添加其他物質(zhì)即可，其中，添加密度小且不溶于水的氣體可降低海水密度，從而形成負(fù)海水密度躍變區(qū)。根據(jù)這個(gè)思路，提出了一種海水密度人工躍變的具體實(shí)現(xiàn)途徑。

考慮上述因素以及海水密度躍層的自然形成機(jī)理，本文創(chuàng)新性地提出通過施放大量氣泡來形成海水密度人工躍變區(qū)的技術(shù)思想。本技術(shù)通過專用設(shè)備裝載能生成特定氣體的化學(xué)藥品，將其布放在設(shè)定海域。當(dāng)敵潛艇觸發(fā)引信后，會(huì)打開隔離藥品與海水的閥門，使藥品與水接觸而反應(yīng)生成大量特定氣體，經(jīng)過氣泡發(fā)生器的作用，形成相應(yīng)尺寸的氣泡，并在設(shè)定海域擴(kuò)散而降低該海域的總體密度，形成足量的海水密度人工躍變區(qū)。敵潛艇被該氣泡水域包圍后則可能因浮力減小和通信受阻而發(fā)生事故。

1.2 技術(shù)思想的原理

海水密度人工躍變區(qū)會(huì)嚴(yán)重影響敵方潛艇的航行及通信狀態(tài)。

當(dāng)大量氣泡擴(kuò)散到海水中，該海域的總體密度必然會(huì)降低，使途經(jīng)該海域的潛艇所受浮力減小，直接破壞其受力平衡和正常航行狀態(tài)，發(fā)生縱搖、縱傾甚至沉沒[7]。

氣泡群在上升過程中會(huì)產(chǎn)生一定的上升流；上升氣泡與壁面接觸時(shí)會(huì)在潛艇外殼發(fā)生多次彈性觸碰，并將動(dòng)能傳給潛艇[8]；同時(shí)，氣泡與壁面相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生朝向壁面的射流[9]。這些作用會(huì)形成向上的升力，對(duì)潛艇產(chǎn)生的效應(yīng)與所受浮力減小產(chǎn)生的效應(yīng)大體上是相反的。在多個(gè)力的共同作用下，潛艇就會(huì)上下反復(fù)運(yùn)動(dòng)、左右搖晃，而導(dǎo)致操作人員暫時(shí)失去操縱指揮能力，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)蓄水、潛艇機(jī)動(dòng)等避開危險(xiǎn)區(qū)域的操縱行為，使?jié)撏簳r(shí)處于失控狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生更嚴(yán)重的“掉深”或觸礁事故[10]。

此外，潛艇航行進(jìn)入海水密度人工躍變區(qū)后，由于氣泡群對(duì)聲波強(qiáng)烈的折射、吸收和散射效應(yīng)，其基于聲波信號(hào)的通信、探測(cè)、武器制導(dǎo)等活動(dòng)都會(huì)受到嚴(yán)重影響，而處于“失明”狀態(tài)，對(duì)潛艇作戰(zhàn)而言這是極危險(xiǎn)的。

1.3 技術(shù)思想的實(shí)現(xiàn)

海水密度人工躍變技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示：1）敵潛艇觸發(fā)引信后，特有裝置的隔離閥門打開，裝載的藥品與海水接觸，并快速反應(yīng)生成大量所需氣泡；2）氣泡在海水中擴(kuò)散后作用于潛艇，圖中G為重心，F(xiàn)為浮心，C為水動(dòng)力中心，ΔB為重力浮力差，M為力矩。氣泡覆蓋潛艇周圍后，氣泡群以及海水對(duì)潛艇的作用力矩M與浮力變化量ΔB共同引起其運(yùn)動(dòng)速度的改變。

考慮到實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用問題，設(shè)計(jì)了兩種使用方式：1）設(shè)計(jì)為一種自動(dòng)尋的攻擊武器，在知道敵潛艇航行軌跡后，將其投放在敵潛艇將到達(dá)的區(qū)域，找到目標(biāo)后自動(dòng)觸發(fā)而產(chǎn)生跟潛艇尺寸規(guī)模相當(dāng)?shù)臍馀萑?，潛艇就?huì)由于浮力減小而失控；2）類似于水雷的設(shè)計(jì)，將其布放在設(shè)定海域，當(dāng)潛艇經(jīng)過該海域時(shí)，就會(huì)觸發(fā)引信而被氣泡群吞沒乃至損毀。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c整體思路

圖1 海水密度人工躍變技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

通過對(duì)布放氣泡裝置的設(shè)計(jì)及控制，改變氣泡群的特征，對(duì)比不同特征下，及潛艇處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)效果。為表征對(duì)該模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，選用“掉深”深度作為測(cè)試值?！暗羯睢鄙疃葹樵撃Ｐ蛷暮叫形恢玫舻阶钌钌疃戎g的垂直距離，“掉深”深度越深則說明影響效果越明顯。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，為驗(yàn)證海水密度人工躍變技術(shù)思想的可行性，通過改變氣泡的半徑及其數(shù)密度，研究不同特征氣泡群對(duì)潛艇模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響效果。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，水缸中為海水，為了避免氣泡群邊際以及水缸邊際的上升流影響，特選用3個(gè)微孔陶瓷管作為產(chǎn)氣裝置，并將其置于水缸中間，確保產(chǎn)生的氣泡能夠全部覆蓋模型，不受氣泡群外海水上升流的影響[11]。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)如下：

1）在靜水中，設(shè)定空氣壓縮機(jī)氣體流量為6L/min，通過氣量控制閥來調(diào)整人工生成氣泡大小，將不同氣泡大小對(duì)潛艇模型影響效果進(jìn)行對(duì)比。

圖2 海水密度人工躍變技術(shù)驗(yàn)證裝置示意圖

2）在氣泡半徑為3mm的實(shí)驗(yàn)條件下，控制空氣壓縮機(jī)的氣體流量來改變?nèi)斯馀輸?shù)密度。將不同氣泡數(shù)密度對(duì)潛艇模型影響效果進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先按圖2搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，打開氣泵放氣，以檢查是否存在漏氣，再將微孔陶瓷管固定在特定位置，并且保證所產(chǎn)生的氣泡能夠覆蓋潛艇模型所在區(qū)域；其次，將模型放置微孔陶瓷管上方指定位置，并讓其穩(wěn)定懸浮，再將直尺固定于水缸外側(cè)，以便觀察模型所處位置；最后，打開氣泵，分別控制氣量控制閥和空氣壓縮機(jī)的氣體流量產(chǎn)生氣泡群，利用高速攝像機(jī)進(jìn)行圖像記錄，以讀取潛艇模型下降深度。

由于測(cè)試環(huán)境中的水深、測(cè)試區(qū)域、海水物性等都將影響潛艇模型“掉深”深度，實(shí)驗(yàn)初始條件及數(shù)據(jù)測(cè)量和處理方式保持一致，避免人為因素可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的誤差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在靜止流場(chǎng)下，通過對(duì)“掉深”深度的測(cè)量來檢測(cè)密度躍變區(qū)對(duì)潛艇航行的影響，并多次實(shí)驗(yàn)以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組測(cè)量重復(fù)15次。此外，為排除粗大誤差，篩選淘汰波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)，取每組實(shí)驗(yàn)的10次數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)量結(jié)果。

3.1 氣泡半徑對(duì)航行影響效果實(shí)驗(yàn)

氣泡半徑大小通過氣量控制閥的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)探索，氣泡的半徑產(chǎn)生范圍為1～5mm，為此實(shí)驗(yàn)時(shí)選定氣泡的半徑為1，3，5mm的3組實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表可知，當(dāng)氣泡半徑分別為1，3，5mm時(shí)，潛艇模型“掉深”深度分別為 19.41，15.39，13.25cm。氣泡群密度相同時(shí)，氣泡半徑越小效果越好。

小氣泡群相對(duì)于大氣泡所引起的上升流要小，對(duì)浮力減小產(chǎn)生的相抵效果也就小；單個(gè)氣泡的尺寸越小，導(dǎo)致氣泡群里，氣泡之間間隔就越小，氣泡群越集中，這就使氣泡群排出潛艇周圍的水就越多，浮力變化也就越大，影響效果就越好。

表1 人工氣泡半徑對(duì)模型“掉深”影響實(shí)驗(yàn)

表2 人工氣泡數(shù)密度對(duì)模型“掉深”影響實(shí)驗(yàn)

3.2 氣泡數(shù)密度對(duì)航行影響效果實(shí)驗(yàn)

氣泡數(shù)密度大小的改變通過調(diào)整空氣壓縮機(jī)排氣量來控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)探索，設(shè)定空氣壓縮機(jī)的氣體流量為4，6，8L/min的3組實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

當(dāng)氣泡密度分別對(duì)應(yīng)氣體流量為4，6，8 L/min時(shí)，潛艇模型在靜水條件下的下降深度分別為13.24，15.39，16.76cm，當(dāng)氣體處于低體積流量時(shí)，隨著人工氣泡數(shù)密度的增大，深度下降快且明顯，證明在此階段內(nèi)，氣泡直徑相同時(shí)，人工氣泡數(shù)密度的增加對(duì)潛艇模型“掉深”深度影響較大，氣泡群密度越大，“掉深”深度越大，且所用時(shí)間越短，也就是效果越好。氣泡群密度越大，排出水的體積就越大，導(dǎo)致浮力減小就越大。但過度增大人工氣泡數(shù)密度將減弱影響效果，在本次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)氣體流量達(dá)到8 L/min時(shí)，潛艇模型在靜水條件的下降趨勢(shì)減弱。說明在人工氣泡半徑及數(shù)密度一定的情況下，海水密度的人工躍變具有特定的臨界點(diǎn)。此臨界點(diǎn)會(huì)隨實(shí)際海況環(huán)境，潛艇尺寸等條件不同而改變。

在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加人工氣泡的數(shù)密度能增加潛艇的“掉深”深度，從實(shí)驗(yàn)上證明了利用海水密度的人工躍變技術(shù)對(duì)抗敵方潛艇的可行性。

4 結(jié)束語

本文提出的海水密度人工躍變技術(shù)一方面可以減小特定海域的整體密度，形成海水密度躍變區(qū)，而影響到該海域內(nèi)潛艇的航行，另一方面氣泡群對(duì)潛艇通信所依賴的聲信號(hào)有著嚴(yán)重的干擾作用。該技術(shù)可以作為對(duì)敵潛艇的有效干擾手段，能夠?yàn)檐娛聭?yīng)用技術(shù)提供技術(shù)儲(chǔ)備，以期提升對(duì)潛艇的打擊效果。

本文主要針對(duì)海水密度人工躍變技術(shù)的提出，及該技術(shù)對(duì)潛艇航行“掉深”影響進(jìn)行了初步研究。證明在一定范圍內(nèi)，氣泡的半徑越小，氣泡數(shù)密度越大，則潛艇的掉深深度越大。在今后的工作中，需對(duì)海水密度人工躍變區(qū)對(duì)聲波傳播的干擾，以及在海流流場(chǎng)作用下人工氣泡的作用效果作進(jìn)一步探索。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)氣泡生成的具體配方、氣泡群在海水中擴(kuò)散的控制、載藥裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)問題深入研究，實(shí)現(xiàn)成熟的技術(shù)裝置。

[1]郝英澤，何斌.海水密度變化對(duì)潛艇懸停垂向運(yùn)動(dòng)的影響仿真研究[J].船海工程，2008（2）：117-119.

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（編輯：莫婕）

Research on artificial pycnocline technology of seawater density

HE Shengyang， JIN Liang’an，ZHANG Zhiyou， HU Guangyou
（Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

An artificial pycnocline technology of seawater density is proposed in the paper and its core concept is to use special materials and equipment to generate a large number of evenly distributed bubbles in the special sea area via specific mechanism，so as to form a low-density sea water area in sufficient scale and affect the normal navigation of submarine.Through a specialized verification test，the effect and influence laws of seawater pycnocline caused by different artificial bubble radius and bubble number density are analyzed and the test results show that， in a stationary flow field， the influence on senktiefe of submarine-navigation is deeper as the bubble size is smaller，and an appropriate increase in the number density of bubble can significantly increase the senktiefe in a certain range.Research conclusion proves the feasibility and effectiveness of the artificial pycnocline technology of seawater density，which will provide a foundation and basis for further perfection of submarine military strike means and device development.

warship； seawater density； artificial pycnocline； military application

A

1674-5124（2017）09-0139-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.025

2017-01-19；

2017-03-25

海軍國防預(yù)研課題（401040301）

何升陽（1992-），男，重慶市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。

張志友（1989-），男，遼寧大連市人，博士研究生，研究方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。