潛航體激發(fā)海洋內(nèi)波概述

陳夫余，王東陽(yáng)

（中國(guó)人民解放軍91404 部隊(duì)41 分隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

0 引言

水下潛艇以其隱蔽的作戰(zhàn)形式，是海上戰(zhàn)爭(zhēng)中極具威脅的突襲手段之一。現(xiàn)階段使用最廣泛的潛艇探測(cè)技術(shù)是聲學(xué)探測(cè)，同時(shí)，一些物理學(xué)中的相關(guān)原理和特性也加入進(jìn)來(lái)，作為聲學(xué)探測(cè)的輔助手段，這些以物理學(xué)原理（如熱力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)原理等）為依據(jù)的探測(cè)方法稱(chēng)為非聲學(xué)探測(cè)[1]。表1 為非聲學(xué)探測(cè)方法的基本原理和局限性。

表1 非聲學(xué)探測(cè)方法的基本原理和局限性

但是，隨著潛艇降噪技術(shù)以及隱身水平的提高，如仿生、超導(dǎo)磁流體以及核動(dòng)力等的應(yīng)用，傳統(tǒng)潛艇探測(cè)在較深水域變得非常困難。同時(shí)，海洋環(huán)境十分復(fù)雜，海洋的水文、氣象和生物環(huán)境都會(huì)對(duì)潛艇探測(cè)造成影響，如在200～300 m 的深度以下，進(jìn)入海洋躍層時(shí)，聲吶探測(cè)的聲波在躍層處會(huì)發(fā)生折射，聲學(xué)探測(cè)基本就會(huì)失效。這些因素都會(huì)極大地限制傳統(tǒng)聲學(xué)探測(cè)以及部分非聲學(xué)探測(cè)的能效，在客觀(guān)上呼喚著新的探測(cè)技術(shù)與手段的出現(xiàn)。

新形勢(shì)下的軍事化斗爭(zhēng)需要新的潛艇探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，在這種背景下，研究人員發(fā)現(xiàn)了基于海洋內(nèi)波現(xiàn)象的水動(dòng)力學(xué)特征，這種特征可以進(jìn)行非聲學(xué)探測(cè)；海洋內(nèi)波的水動(dòng)力學(xué)特征有多種表現(xiàn)形式，而潛航體在分層流體中激發(fā)內(nèi)波又是其中重要的一個(gè)分支。

1 海洋內(nèi)波概述

海洋內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部的一種常見(jiàn)波動(dòng)，在1893～1896 年間，“弗雷姆”號(hào)觀(guān)測(cè)船在北極海附近探險(xiǎn)時(shí)，F(xiàn).Nansen 發(fā)現(xiàn)當(dāng)船在冰剛?cè)诨牡砻婧Ｓ蛑行羞M(jìn)時(shí)，船的速度會(huì)變慢；經(jīng)研究后，他認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是冰融化后的淡水覆蓋在密度較大的海水之上，產(chǎn)生密度分層界面，當(dāng)船運(yùn)動(dòng)時(shí)，船的推動(dòng)力會(huì)有一部分作用在這個(gè)界面上，產(chǎn)生的能量會(huì)在水體內(nèi)部產(chǎn)生一種上下振動(dòng)的波動(dòng)——內(nèi)波之中消耗掉[2,3]。

海洋內(nèi)波產(chǎn)生的2 個(gè)條件為：1）海水密度穩(wěn)定分層，2）擾動(dòng)源；兩者必須同時(shí)存在。日常觀(guān)察到的波浪生成原理為：海水與空氣的密度不同，在風(fēng)擾動(dòng)的情況下，海面上的波浪就會(huì)出現(xiàn)。同樣，海水的密度穩(wěn)定分層，再加上外力擾動(dòng)（如地震、大氣壓力變化、水體內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)等）就會(huì)在海水內(nèi)部引發(fā)內(nèi)波。

海洋中的鹽度、溫度和深度的分布具有非均勻性，導(dǎo)致海水的密度在全球的分布也會(huì)存在不均勻性，這種非均勻性在深度方向上具有很大的表現(xiàn)；海洋內(nèi)波就發(fā)生在這些內(nèi)部的密度不均勻海水層面中。

由于海洋中存在海底地震、引潮力、海面氣壓場(chǎng)和海底地形等多種擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的擾動(dòng)場(chǎng)存在隨機(jī)性和多重時(shí)空尺度等特征，這種擾動(dòng)源會(huì)產(chǎn)生尺度范圍很寬的內(nèi)波；內(nèi)波的傳播速度從每秒幾十厘米到每秒幾米，內(nèi)波波長(zhǎng)從幾百米到幾公里甚至幾百公里，內(nèi)波周期可以從5～10 min 到幾個(gè)小時(shí)不等，內(nèi)波的振幅有10～20 m，也可以達(dá)到100 m 以上[4]。

海洋的密度躍層以及地形會(huì)直接影響到海洋內(nèi)波的生成、發(fā)展、消弱以及衰減過(guò)程，而海域的風(fēng)浪、潮流以及太陽(yáng)輻射（即溫度變化）都會(huì)影響到密度分層。這會(huì)導(dǎo)致海洋內(nèi)波具有如下特點(diǎn)：1）內(nèi)波是斜壓波；2）內(nèi)波速度很慢，振幅一般較大；3）內(nèi)波的回復(fù)力為重力與浮力之差（即約化重力）；4）具有較為復(fù)雜的垂直結(jié)構(gòu)[5,6]。

潛航體在海水中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的水動(dòng)力學(xué)特征研究可以作為潛航體探測(cè)的依據(jù)和參考，歸納起來(lái)，潛航體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水動(dòng)力學(xué)特征可以分為以下幾個(gè)方面：

1）運(yùn)動(dòng)潛航體水面興波：潛航體在海水中運(yùn)動(dòng)，由于海水的不可壓縮性產(chǎn)生的排水效應(yīng)，會(huì)在潛航體上方水面引起水面隆起，這種隆起又被稱(chēng)為“伯努利水丘”。這種水面興波的波高與潛航體的下潛深度和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，文獻(xiàn)[7]表明，當(dāng)潛航體的下潛深度越深、運(yùn)動(dòng)速度越低時(shí)，潛航體的水面隆起高度越小。

2）尾跡漩渦：在水下高速運(yùn)動(dòng)的潛航體，會(huì)由于水體的粘滯效應(yīng)產(chǎn)生尾跡漩渦（即卡門(mén)渦街）。尾跡漩渦向上演化，在水面可以形成可見(jiàn)的渦旋。研究表明，潛航體改變航行狀態(tài)（即加速、減速或者改變航向）時(shí)，會(huì)消耗巨大的能量，這些能量傳遞給周?chē)黧w時(shí)，會(huì)產(chǎn)生直徑可以達(dá)到數(shù)公里的尾跡漩渦，同時(shí)這種漩渦的衰減速度較慢，衰減時(shí)間可以達(dá)到幾天時(shí)間。

3）尾跡內(nèi)波：潛航體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于環(huán)境不同，影響因素不同，會(huì)在潛航體尾部留下不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的內(nèi)波尾跡。潛航體在密度均勻的流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，影響內(nèi)波尾跡的主要因素為粘性力和慣性力，由于粘性力的存在，尾跡會(huì)耗散在粘性消耗上而很快消失。在密度分層的流體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，影響因素除了粘性力和慣性力之外，還存在“浮力震蕩效應(yīng)”，所以在密度分層環(huán)境中，潛航體激發(fā)的尾跡形態(tài)較為復(fù)雜。

潛航體在分層流體中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)波，可以按照擾動(dòng)源不同分為以下四類(lèi)內(nèi)波：1）物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的排水效應(yīng)同密度分層流體之間的相互作用激發(fā)的內(nèi)波；2）物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦街以及湍流尾跡會(huì)成為持續(xù)的擾動(dòng)源產(chǎn)生內(nèi)波；3）物體運(yùn)動(dòng)尾跡與密度分層流體作用，產(chǎn)生重力塌陷，這種塌陷會(huì)激發(fā)內(nèi)波；4）物體運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的尾跡中，存在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也會(huì)激發(fā)內(nèi)波。第一種尾跡內(nèi)波為體積效應(yīng)內(nèi)波（又稱(chēng)Lee 波），其波長(zhǎng)是定長(zhǎng)的；其他幾種主要由水下潛航體運(yùn)動(dòng)的尾跡產(chǎn)生的，水動(dòng)力研究學(xué)者將其統(tǒng)稱(chēng)為尾跡內(nèi)波。

2 結(jié)語(yǔ)

本文介紹潛航體運(yùn)動(dòng)激發(fā)內(nèi)波的研究歷史、形成原因、水動(dòng)力力學(xué)特征等內(nèi)容，可見(jiàn)潛航體運(yùn)動(dòng)激發(fā)內(nèi)波具有明顯的信號(hào)特征及較遠(yuǎn)的傳播距離，在特征信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，有望成為新形勢(shì)軍事化斗爭(zhēng)下的重要非聲探測(cè)手段。