一種水聲應(yīng)答器的浮體設(shè)計(jì)?

（91388部隊(duì)96分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下運(yùn)動位置監(jiān)測的長基線水聲定位系統(tǒng)有兩種［1］，分別是浮標(biāo)式和潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)。潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)由聲學(xué)應(yīng)答器分系統(tǒng)、浮標(biāo)中繼站分系統(tǒng)、基站分系統(tǒng)等三部分組成的。聲學(xué)應(yīng)答器分系統(tǒng)負(fù)責(zé)水下目標(biāo)位置的聲學(xué)測量；加裝了合作信標(biāo)的水下被測目標(biāo)在陣內(nèi)運(yùn)動時，發(fā)射Pinger信號。聲學(xué)應(yīng)答器中的水聽器接收到水聲信號，送往水聲信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到并記錄到達(dá)時刻與參考時刻的差［3］；主控計(jì)算機(jī)對布放的聲學(xué)應(yīng)答器陣單元中的三個（或四個）潛標(biāo)的數(shù)據(jù)采用球面交匯技術(shù)（或雙曲面交匯技術(shù)）解算出目標(biāo)位置。當(dāng)目標(biāo)連續(xù)發(fā)射Pinger信號時，系統(tǒng)可測量出目標(biāo)的三維運(yùn)動軌跡［4］。

單個應(yīng)答器工作狀態(tài)如圖（1）所示，此時應(yīng)答器通過鋼纜與重物連接，錨于海底。收到釋放指令后，應(yīng)答器脫開重物，由浮體或浮球帶動，上浮至海面，如圖（2）所示。

圖1 同步模式潛艇自導(dǎo)航工作態(tài)勢圖（4元陣元）

圖2 應(yīng)答器工作及釋放狀態(tài)示意圖

本文主要討論的是淺海試驗(yàn)中應(yīng)答器在釋放上浮過程中，防止?jié)O網(wǎng)纏繞及應(yīng)答器換能器磕撞采用環(huán)抱式浮體-浮力夾克設(shè)計(jì)［4］。

2 浮力夾克設(shè)計(jì)方案

在較淺水域使用應(yīng)答器時，需要使用浮球提供浮力［5］。由于海底環(huán)境較為復(fù)雜，浮球容易被漁網(wǎng)掛住，降低應(yīng)答器回收可靠性，所以考慮設(shè)計(jì)浮力夾克安裝于應(yīng)答器外殼上。

浮力夾克為分瓣對稱式結(jié)構(gòu)，中心為圓形與應(yīng)答器外形配合，通過螺桿夾緊實(shí)現(xiàn)連接，兩端與應(yīng)答器端部配合，防止軸向串動。浮力夾克內(nèi)部采用輕質(zhì)浮材，外表面涂覆致密防水層，具有韌性，防沖擊，降低吸水率。根據(jù)應(yīng)答器所需浮力，對浮力夾克的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)［6］。其外形如圖3所示。

圖3 浮力夾克結(jié)構(gòu)示意圖

此外，應(yīng)答器安裝浮力夾克后，可在釋放上浮后實(shí)現(xiàn)自動翻轉(zhuǎn)功能，保證應(yīng)答器換能器始終保持在水中，可在水面正常接收與發(fā)射信號，方便應(yīng)答器回收。其工作狀態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)答器釋放后翻轉(zhuǎn)示意圖

3 應(yīng)答器姿態(tài)控制

應(yīng)答器穿上浮力馬甲在海底工作時，受到浮力、重力、拉力、海流推力的綜合作用，整體潛沒于水下，受力狀態(tài)表現(xiàn)為潛體。潛體的浮心位于物體的形心，不因?yàn)閮A斜而變化。

海流推力可忽略時，應(yīng)答器受力狀態(tài)如圖5所示［7］，浮力B通過浮心b，垂直向上。重力G垂直向下，重心為g。纜繩的拉力T作用在下端，垂直向下。受力分析如下［8］：

圖5 應(yīng)答器海底受力狀態(tài)A

考慮海流推力R時，應(yīng)答器發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傾角為α，重心為g'點(diǎn)，浮心為b'點(diǎn)。纜繩拉力T'作用在下端o點(diǎn)［9］，傾角為β，推力R與軸線垂直，作用在形心r'［10］。如圖 6 所示。

圖6 應(yīng)答器海底受力狀態(tài)B

垂直方向：

水平方向：

式中：B為浮力，N；CD為流阻系數(shù)；G為重力，N；D為物體尺度，m；T為拉力，N；μ為動力粘性系數(shù)，kg·m-1·s-1；R為海流推力，N；v為流速，m/s；ρ為流體質(zhì)量密度，kg·m-3；A為迎流面積，m2。

穩(wěn)定性分析：

浮力產(chǎn)生的恢復(fù)力矩：

應(yīng)答器重力產(chǎn)生的傾覆力矩：

海流推力產(chǎn)生的傾覆力矩：

合力矩：

海流推力：

應(yīng)答器釋放后浮出水面時，浮體與水面相交的平面稱為浮面，垂直浮面并通過重心的垂線稱為浮軸。當(dāng)浮體處于平衡狀態(tài)時，浮心b和重心g均在浮軸上。當(dāng)浮體轉(zhuǎn)動時，浮心將移到另一位置b，通過浮心b的浮力作用線將與原浮軸交于一點(diǎn)M，M稱為定傾中心。定傾中心M到原浮點(diǎn)b的距離ρ稱為定傾半徑，重心和原浮心的距離稱為偏心距e。

浮體的穩(wěn)定性取決于定傾中心M與重心g的位置關(guān)系。如果定傾中心M高于重心g，即ρ＞e，轉(zhuǎn)動后浮力和重力產(chǎn)生恢復(fù)力矩，浮體是穩(wěn)定的。反之，如果定傾中心M低于重心g，即ρ＜e，轉(zhuǎn)動后浮力和重力產(chǎn)生傾覆力矩，則浮體是不穩(wěn)定的。ρ=e為隨遇平衡。

釋放后，應(yīng)答器上浮，處于浮體狀態(tài)。由于重心位于浮心之上，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖7 應(yīng)答器浮體狀態(tài)穩(wěn)定性分析

經(jīng)過計(jì)算，以應(yīng)答器艙筒的中心為基準(zhǔn)點(diǎn)，應(yīng)答器和浮力馬甲的整體重心約為7.4mm，浮心約為-54.7mm。當(dāng)應(yīng)答器在海流0.5節(jié)并姿態(tài)角約為15°時，定傾半徑ρ約為23.4mm，偏心距e約為62.1mm。如上圖所示，ρ＜e，應(yīng)答器處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受傾覆力矩，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，換能器指向水下，符合設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

水下布放3套聲學(xué)應(yīng)答器，船載分系統(tǒng)置于測量船上。在船載分系統(tǒng)對各聲學(xué)應(yīng)答器進(jìn)行測陣后，測量船在應(yīng)答器陣內(nèi)某處停船漂泊。船載分系統(tǒng)周期性發(fā)射詢問信號，船載分系統(tǒng)檢測詢問信號和各應(yīng)答器的應(yīng)答信號，船載顯控分系統(tǒng)解算艇載發(fā)射換能器的大地坐標(biāo)，并統(tǒng)計(jì)均方根誤差，統(tǒng)計(jì)次數(shù)100。分別進(jìn)行了三種詢問應(yīng)答模式和一種雙詢問雙應(yīng)答模式下的系統(tǒng)定位精度測試，同時對應(yīng)答器進(jìn)行了釋放檢測，試驗(yàn)結(jié)果顯示，浮力夾克在不影響水聲換能器的工作狀態(tài)下，上浮姿勢良好，完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 測試試驗(yàn)對比圖

5 結(jié)語

經(jīng)過理論分析和海上試驗(yàn)證明，針對水聲應(yīng)答器的浮力夾克設(shè)計(jì)是合理的，對后續(xù)的水聲工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。