一種半自由水下攔截網(wǎng)性能研究

宋君才，閆 崢

(1. 海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海 201108；2. 水聲對抗技術(shù)重點實驗室，上海 201108)

0 引 言

網(wǎng)是一種常見的水下作業(yè)工具，從漁業(yè)到環(huán)保，都有其廣闊的用武之地。其一種重要的作用就是攔截，如漁網(wǎng)即是對進入網(wǎng)體的魚的一種攔截，而環(huán)保中也常常利用網(wǎng)來對漂浮或淺沒的固體垃圾實施攔截。推而廣之，在水下作戰(zhàn)中，也可以利用同樣的理念進行應(yīng)用方面的探索。

即使是看似平靜的水面，其下也可能有波濤的洶涌，特別是海上作業(yè)時。作為一種自由/半自由的網(wǎng)體，在水下的姿態(tài)變化將大大影響需要其有效攔截面積來表征的攔截效能。

本文首先研究水流和波浪對半自由網(wǎng)體水下姿態(tài)的影響，并對其攔截特定目標(biāo)的性能進行仿真和試驗研究。其結(jié)果對其使用可望起到一定的參考作用。

1 半自由柔性網(wǎng)動力學(xué)仿真結(jié)果

本文的研究對象是一種帶浮體氣囊和配重的半自由柔性網(wǎng)體。本節(jié)將對其動力學(xué)建模及計算方法進行系統(tǒng)研究。

網(wǎng)的動力學(xué)建模研究包括網(wǎng)衣和浮體氣囊的建模；計算方法研究包括網(wǎng)衣簡化方法和動力學(xué)模型數(shù)值求解方法[1–6]。課題研究前期的仿真成果已在文獻[7]中表述。為下一部分試驗對比，此處列出其結(jié)果。

1.1 網(wǎng)的物理模型

網(wǎng)衣由普通錦綸線制成，尺寸為20 m×10 m，具體由2根長為10 m的復(fù)合氣囊組成。單個復(fù)合氣囊空氣中質(zhì)量為23 kg（配重為5 kg，在底端均勻分布；網(wǎng)衣為3.9 kg；氣囊14.1 kg），網(wǎng)格尺寸為10 cm×10 cm。

1.2 仿真條件

采用網(wǎng)目群化算法簡化得等效網(wǎng)衣參數(shù)如表1所示。仿真時間步長設(shè)定為1/5 000 s，總仿真時間為10 s。忽略攔截網(wǎng)充氣展開過程，設(shè)定攔截網(wǎng)t=0 s時刻初始狀態(tài)處于y=0的縱向全展開狀態(tài)，對1 kn水流作用下攔截網(wǎng)隨時間推進的形變過程進行動力學(xué)仿真。

表1 等效網(wǎng)衣參數(shù)Tab. 1 Equivalent net parameters

1.3 仿真結(jié)果及分析

圖1為速度是1 kn水流作用下網(wǎng)的形變仿真結(jié)果。仿真時間間隔為0.1 s（取2幅）。

圖2為網(wǎng)的投影面積隨時間變化曲線。

綜上仿真結(jié)果可以看出，水流作用于網(wǎng)時，約初始1 s內(nèi)網(wǎng)衣有一定曲變，隨著時間推進，網(wǎng)衣曲變逐漸減小，約2 s后基本保持穩(wěn)定形態(tài)隨水逐流，約4 s后網(wǎng)衣投影面積基本恒定，約為173 m2。

2 水流下網(wǎng)的動力學(xué)水池試驗

2.1 試驗條件

圖3為具有造波造浪功能的試驗水池示意。

相關(guān)試驗條件和設(shè)備參數(shù)如下：

1）水池幾何尺寸長50 m，寬40 m，深10 m；

2）模擬風(fēng)速最大10 m/s；

3）模擬浪高最大0.3 m；

4）模擬海流最大0.4 m/s（全水池造流，表面最大0.2 m/s，水底略低）；

5）網(wǎng)上邊長6.5 m，下邊長6.3 m，網(wǎng)格線長約6.8 m，側(cè)邊長3.2 m，網(wǎng)格線長約3.5 m。面積約為22.4 m2。

2.2 試驗布置

試驗布置如圖4所示。

攝像機掛在行車上，隨行車移動。攝像頭1，2，3拍攝網(wǎng)的豎直邊，攝像頭4，5，6，7，8拍攝網(wǎng)的底邊。攝像機1，3間隔為1.1 m；攝像頭4～8距離水下為3.2 m，間隔為1.6 m。試驗時利用行車的移動，使攝像機拍攝到網(wǎng)的水下姿態(tài)。

2.3 試驗過程及結(jié)果分析

2.3.1 試驗過程

開啟水池造流系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)節(jié)至水池最大能力，至狀態(tài)穩(wěn)定，釋放攔截網(wǎng)至自由狀態(tài)。

網(wǎng)隨著流的方向按一定的速度漂移，調(diào)整行車的位置和速度，使懸掛在航車上的攝像頭可以清晰地拍攝到攔截網(wǎng)的水下姿態(tài)，拍攝流的作用下網(wǎng)的水上、水下姿態(tài)。當(dāng)行車至水池的邊緣，拉回攔截網(wǎng)，重復(fù)測量。

2.3.2 試驗結(jié)果及分析

通過攝像機角度校正及多攝像機結(jié)果拼接，得到網(wǎng)在水流作用下的形態(tài)圖像，如圖5所示。

網(wǎng)的等效截面如圖6所示。

近似等效為2個梯形和1個三角形。按比例尺計算2個配重邊緣點距離為5.7 m，2個拐點的距離為5.4 m。計算得到網(wǎng)的截面積為S=19.3+1.7+0.3=21.3 m2。

比例與仿真計算相當(dāng)。

3 網(wǎng)體攔截性能仿真研究

本節(jié)針對特定運動目標(biāo)遂行攔截功能的攔截網(wǎng)性能開展仿真研究。

3.1 仿真研究對象

3.1.1 攔截網(wǎng)

攔截網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)如下：

材料尼龍；

楊氏模量2 GPa；

網(wǎng)線直徑1 mm；

密度1.15 g/cm3；

配重0.5 kg/m，均布；

上邊框浮標(biāo)固定。

3.1.2 運動體

高速運動體模型參數(shù)如下：

材料鋁合金；

回轉(zhuǎn)體外徑533 mm；

長度7.8 m；

重量1 600 kg；

速度25.7 m/s（50 kn）。

3.2 仿真結(jié)果及分析

仿真態(tài)勢：運動體垂直撞擊網(wǎng)的中心。

圖7為撞擊過程中運動體速度變化。

可見，撞擊發(fā)生后，運動體速度下降可以忽略。

圖8為撞擊過程示意。

圖8為截取仿真動畫0.5 s時的一幀?？梢?，運動體高速打穿網(wǎng)體。

綜合圖7和圖8，可見在這種態(tài)勢下，由于運動體高速運動沖量極大，網(wǎng)體幾乎達不到攔截效能。

選擇不同的撞擊點位置和角度，結(jié)果類似。

因此，為提升攔截效能，需要對網(wǎng)體參數(shù)進行修正。簡單考慮采用更粗的網(wǎng)線，仿真結(jié)果表明，網(wǎng)線直徑達到1.9 mm時，將能包裹運動體，兩者作為一個統(tǒng)一的運動體繼續(xù)行進。

如圖9為網(wǎng)線直徑為2 mm的網(wǎng)體的攔截效能。

4 網(wǎng)體攔截性能水洞試驗

由于試驗條件所限，首先開展了水洞模擬試驗。

圖10為試驗用水洞照片及其工作段試驗配置示意。

根據(jù)水洞的具體尺寸及安裝要求，實驗中網(wǎng)具的尺寸如下：H=110 mm，L=200 mm，a=10 mm；利用乒乓球模擬運動體。利用高速攝像機進行拍攝，試驗照片如圖1所示。

根據(jù)試驗條件，對不同水速（模擬運動速度）下的撞擊過程進行。具體速度分別為1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s。

試驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較見表2。

表2 實驗記錄表Tab. 2 Experiment results

可見，在可擬的縮比條件下，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相當(dāng)。

5 攔截網(wǎng)應(yīng)用思路

以上對水下半自由柔性網(wǎng)體的動力學(xué)性能和攔截性能進行了仿真和試驗研究。進一步的試驗正在構(gòu)思，以得到進一步的結(jié)論。

在水下戰(zhàn)中，使用攔截網(wǎng)對敵來襲武器進行攔截，也將是一種可選的對抗方式。

圖12給出了一種可能的水面艦艇使用攔截網(wǎng)對抗來襲尾流自導(dǎo)魚雷的方案[5]。

配以其他對抗措施，將大大增加水面艦艇對抗來襲魚雷的成功概率。

6 結(jié) 語

本文針對柔性網(wǎng)體在水下受水流作用姿態(tài)變化問題開展研究，重點是考察其形變以及由此帶來的有效面積的變化過程。同時對網(wǎng)體攔截運動體的過程進行了仿真和縮比試驗研究，證明了理論分析和仿真的有效性。在此基礎(chǔ)上，提出了攔截網(wǎng)應(yīng)用于水下戰(zhàn)的可能思路。

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