光纖拖曳浮標設計與水動力數值分析*

梁 權，李 莉，薛耀輝

(西安現代控制技術研究所， 西安 710065)

0 引言

光纖制導潛射巡飛偵察彈具有偵察、探測、通信等多任務能力，是未來潛艇前出作戰(zhàn)必備的利器之一。它通過高強制導光纖與潛艇保持實時聯絡，可為水下航行潛艇提供周邊海域岸、海、空目標態(tài)勢，也可提供與衛(wèi)星、飛機及UUV等協(xié)同作戰(zhàn)的高速數據通信鏈路，大幅拓展?jié)撏г谒碌拇蠓秶兄芰腕w系協(xié)同作戰(zhàn)能力[1-2]。作為光纖制導潛射巡飛偵察彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，光纖拖曳浮標伴隨潛艇水下作拖曳運動，可滿足光纖纏繞、存儲與釋放要求，同時，可有效解決潛艇機動及艇身流場對近艇端光纖長時補償放線安全的影響。

目前國內研究主要在傳感器浮標、聲吶浮標、雷達浮標、通信浮標[3-4]等方面，而對具有穩(wěn)定放線功能的光纖拖曳浮標研究較少。國外研究以美、歐為主，包括“海上搜索者”[5]、“鸕鶿”[6]、“彈簧折刀”[7]等，但以上潛射巡飛彈與潛艇之間均依靠無線數據鏈進行通信，無類似的拖曳浮標系統(tǒng)。

文中先采用線導魚雷[8]的基本設計方法，確定了光纖拖曳浮標的相關參數，然后再結合水下滑翔器[9]及高速拖體[10]設計時所涉及的主要參數，確定了光纖拖曳浮標的外形結構布局。設計了一種中低速拖曳條件下，相對升阻比高、橫側及縱向穩(wěn)定性好、抗瞬時干擾能力強的光纖拖曳浮標，滿足光纖水下長時穩(wěn)定可靠釋放的要求，解決了近艇端光纖補償放線的安全性問題。利用Star CCM+軟件，對光纖拖曳浮標進行了水動特性計算分析，確定了光纖拖曳浮標受到瞬時擾動后快速恢復到平衡姿態(tài)的條件。

1 光纖拖曳浮標外形結構設計

光纖拖曳浮標外形結構設計的重點，是保證其伴隨潛艇航行時能以穩(wěn)定的姿態(tài)長時可靠放線，消除潛艇機動及艇身流場對釋放光纖安全的影響?？傮w構型需要在考慮光纖拖曳浮標長細比、浮重比以及拖點位置的基礎上，具有相對較高的升阻比、姿態(tài)穩(wěn)定性及抗瞬時干擾能力。光纖拖曳浮標在中低速拖曳運動時，需要一定的升力來保證其攜帶的光纖遠離艇身。與線導魚雷、水下滑翔器一樣，其升力一部分來自于自身的正浮力，另一部分則由水平翼來提供。同時，通過鰭翼與水平翼配合產生的流體動力效應，保證航行時的姿態(tài)穩(wěn)定性及抗瞬時干擾能力。

光纖拖曳浮標與彈體一起從潛艇魚雷管中發(fā)射出去，依靠高強拖纜的作用力隨潛艇在水下100～300 m航行。因此，文中先采用線導魚雷的設計方法，確定光纖拖曳浮標的基本參數，然后再結合水下滑翔器及高速拖體的設計方法，優(yōu)化光纖拖曳浮標相關的水動性能參數。為了對光纖拖曳浮標的外部構型進行定量描述，建立相應坐標系，如圖1所示。以光纖拖曳浮標頭部某點作為坐標原點O，光纖拖曳浮標縱軸指向尾部方向為X軸，對稱面內垂直X軸且指向其左方的為Y軸，垂直于對稱面且指向上方的為Z軸。

圖1 坐標系示意圖

1.1 光纖拖曳浮標頭部外形

相對于空氣，海水的運動粘性為0.001 003 kg/(m·s)，密度為1 025 kg/m3是前者的約800倍。因此，水下航行體的頭部整流外形設計[11-12]非常關鍵、要求更高。相對較高的海水密度，使得光纖拖曳浮標水下航行時的阻力很大，包括其外形迎流面產生的水動阻力以及浸潤面產生的粘滯阻力。文中以升阻比為主要基礎設計參數，分別對球錐形、尖錐形、半球形及橢球形整流罩進行了研究，計算分析了2 m/s、5 m/s、8 m/s來流速度下的升阻比大小。圖2為4種整流罩的光纖拖曳浮標模型，圖3為4型整流罩下的升阻比曲線。

從圖3可以看出：光纖拖曳浮標中低速(小于5 m/s)運動時，尖錐形整流罩的升阻比明顯低于其它3種，而在高速(大于等于5 m/s)時4型整流罩升阻比趨于一致，半球形整流罩的升阻比為4.25，是其中性能最優(yōu)的。 考慮總體結構設計及加工工藝等，光纖拖曳浮標頭部設計為球錐形整流罩外形。

圖2 4種整流罩光纖拖曳浮標模型

圖3 四型整流罩升阻比曲線

1.2 光纖拖曳浮標翼板及翼板附體

光纖拖曳浮標要隨潛艇作機動航行，同時，要具有一定的正浮力或升力，保證拖曳運動過程中姿態(tài)穩(wěn)定，使得制導光纖能順利從浮標尾部釋放出來。因此，水平翼板及翼板附體的設計尤為重要。相關資料表明，平面翼板簡單、易于加工、成本低廉，但相應的流體動力性能比曲面翼板差得多，易發(fā)生流動分離使阻力增大。而曲面翼板則相反，不易發(fā)生流動分離現象。目前，絕大多數空中飛行器及水下航行器的翼板均選擇NACA系列翼型。文中光纖拖曳浮標水平翼板采用低速高升力的NACA4412翼型[13-14]，翼展356 mm，翼根弦長120 mm，翼尖弦長70 mm。通過增加小翼、浮筒以及端板設計，提高光纖拖曳浮標航行過程中的橫向穩(wěn)定性，同時，通過翼板安裝攻角設計，進一步提高其升阻比。

圖4是NACA4412翼板及翼板附體模型，圖5是NACA4412翼板及翼板附體0°攻角升阻比曲線，圖6是NACA4412+小翼不同攻角的升阻比曲線。由此可見，NACA4412+小翼5°攻角的翼型，在5 m/s中速條件下其升阻比略高于其它3種情況。因此，光纖拖曳浮標翼板及翼板附體設計為NACA4412+小翼5°攻角的翼型。

圖4 NACA4412翼板及翼板附體

圖5 NACA4412翼板及翼板附體0°攻角升阻比曲線

圖6 NACA4412+小翼0°、5°、10°攻角的升阻比曲線

1.3 光纖拖曳浮標鰭翼

鰭翼設計要保證光纖拖曳浮標在最大速度及帶攻角運動時具有足夠的效率，并通過與翼板的配合產生流體動力，提供水下光纖拖曳浮標航向的穩(wěn)定性，使光纖拖曳浮標具有一定的抗橫滾擾動和偏航擾動能力。通過對比分析幾種翼型的計算數據，文中鰭翼選用NACA0012翼型，采用V形布局，減小了光纖拖曳浮標的浸潤面積、結構重量以及干擾阻力。

圖7是二鰭翼V形布局、三鰭翼丄形布局、四鰭翼十形布局示意圖，圖8是3種鰭翼布局升阻比曲線。由此可見，光纖拖曳浮標二鰭翼V形布局的性能最優(yōu)。

圖7 二鰭翼V形、三鰭翼丄形、四鰭翼十形布局示意圖

圖8 光纖拖曳浮標3種鰭翼布局升阻比曲線

2 光纖拖曳浮標水動力性能計算與分析

2.1 光纖拖曳浮標水動力性能計算

光纖拖曳浮標最優(yōu)的工作狀態(tài)是正浮拖曳狀態(tài)，因此，主要考慮正浮拖曳狀態(tài)時的穩(wěn)定性問題。如圖9所示，建立光纖拖曳浮標受力分析圖，坐標原點取在拖點上。

當外界使拖體有一個縱傾角干擾Δθ，去除后作用于拖體的縱傾力矩M與縱傾角θ的關系為：

M=-L(XAcosθ+ZAsinθ)-D(-XCsinθ+ZCcosθ)-W(XGcosθ-ZGsinθ)-F浮(XBcosθ-ZBsinθ)

(1)

(2)

當外界使拖體有一個橫滾角干擾Δα，去除后作用于拖體的橫滾力矩M與橫滾角α的關系為：

M=-W·ZG·sinα+F浮·ZB·sinα

(3)

(4)

圖10為光纖拖曳浮標以2 m/s速度航行時的姿態(tài)圖。從圖10可看出，偏航擾動不僅會帶來偏航力矩的變化，也會帶來橫滾力矩的變化。偏航角變化引起的偏航力矩變化，稱為航向穩(wěn)定性位置導數。當拖體具有一定面積立尾時，該導數值必為負值。同時，由于拖點通常位于水動力作用中心前方，因此，帶端板水平翼或翼梢小翼拖體的航向穩(wěn)定性大大提高。橫滾力矩對偏航角的導數，稱為有效二面角系數。若水平翼展向上平行于Y軸且不帶端板或小翼，則偏航角變化( 或側漂)不會引起橫滾力矩變化。若水平翼展向上具有二面角或平直水平翼帶有端板/翼梢小翼，則偏航角變化會引起水動力對拖點橫滾力矩的變化。因此，有效二面角系數越大橫側穩(wěn)定性越好。對于縱向穩(wěn)定性，只要拖力軸線處于水動力作用中心的上方，則浮標具備一定的恢復力矩，其大小主要取決于拖點距水動力作用中心的距離，靠前的拖點位置使浮標具有較好的縱向穩(wěn)定性。

圖9 光纖拖曳浮標受力分析圖

圖10 光纖拖曳浮標正浮拖曳姿態(tài)云圖

2.2 光纖拖曳浮標穩(wěn)定性分析

由于光纖拖曳浮標自身不具備操縱性，其穩(wěn)定性主要從受力平衡和靜穩(wěn)定性方面進行分析。與航空飛行器的運動相似，光纖拖曳浮標在水下的運動實質上是其受外力及力矩達到平衡狀態(tài)的過程。光纖拖曳浮標在外力及力矩平衡的基礎上，受到瞬時干擾后是否具有恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢，用靜穩(wěn)定性縱向力矩來表征?？v向力矩使得光纖拖曳浮標繞拖體軸線做抬頭或低頭轉動，通常為狀態(tài)變量和操縱變量的函數。

3 結論

文中完成了光纖拖曳浮標頭部整流罩、水平翼板/翼板附件及背鰭的外形設計，并以升阻比為主要考量參數，確定了光纖拖曳浮標的總體構型。分析計算了光纖拖曳浮標的水動特性、穩(wěn)定性及瞬時抗干擾性能，得到了光纖拖曳浮標瞬時擾動后快速恢復平衡的條件。結果表明，光纖拖曳浮標滿足橫側及縱向穩(wěn)定性要求，可以保證近艇端光纖長時間可靠補償放線。文中的研究對于光纖制導潛射巡飛偵察彈工程研制具有一定的參考意義。