水下拖曳系統(tǒng)定深和展開(kāi)性能湖上試驗(yàn)研究

李超， 艾艷輝， 佘湖清， 江興隆， 宋雯婧， 王盟

(中船重工第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000)

拖曳系統(tǒng)作為一種海洋目標(biāo)探測(cè)手段具有重要的軍事和科研價(jià)值，其性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響設(shè)備探測(cè)效果，如何設(shè)計(jì)和精確預(yù)報(bào)拖曳系統(tǒng)性能也是各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)。目前，研究方法主要有數(shù)值方法和試驗(yàn)方法，數(shù)值方法側(cè)重方法的完善[1-3]、纜姿態(tài)的模擬[4-7]及拖曳系統(tǒng)水動(dòng)力性能的研究[8-9]；試驗(yàn)方法注重拖纜阻力及振蕩特性的測(cè)量[10-11]。試驗(yàn)方法中的湖、海試驗(yàn)是反應(yīng)拖曳系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最直接方法，Rrispin[12]開(kāi)展了拖纜海上試驗(yàn)，該數(shù)據(jù)也常用于數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證；葉凡滔[13]通過(guò)湖試測(cè)量了不同航速下拖船直航和回轉(zhuǎn)狀態(tài)水下拖曳線(xiàn)列陣阻力；王巖峰[14]設(shè)計(jì)了用于500 m定深的拖曳系統(tǒng)并開(kāi)展湖上和海上試驗(yàn)。湖、海試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴、過(guò)程繁瑣，目前關(guān)于拖曳系統(tǒng)的湖、海試驗(yàn)尚未形成較為成熟的試驗(yàn)準(zhǔn)則。本文提出一種兼具定深和展開(kāi)功能的探測(cè)拖體，在介紹湖試內(nèi)容、測(cè)試設(shè)備和流程的基礎(chǔ)上開(kāi)展拖曳試驗(yàn)，研究拖曳系統(tǒng)定深和展開(kāi)性能，掌握各因素影響規(guī)律，提出擬合函數(shù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皟?nèi)容

1.1 系統(tǒng)組成及試驗(yàn)設(shè)備

水下拖曳系統(tǒng)由拖體、標(biāo)志浮體和拖纜組成。拖纜為聚酯纖維纜，直徑12 mm，密度1.2 g/mm，法向阻力系數(shù)1.9。拖體(圖1)由4個(gè)浮筒、一對(duì)上下對(duì)稱(chēng)的水平翼板、一對(duì)左右對(duì)稱(chēng)的垂直翼板和位于翼板后方的4塊舵板組成，水平翼板和垂直翼板分別產(chǎn)生主要定深力和展開(kāi)力，使拖體保持在目標(biāo)定深和展寬；舵板用于調(diào)整拖體初始姿態(tài)。標(biāo)志浮體(圖2)主要用于顯示水下拖體的大致位置。以上裝置主要參數(shù)見(jiàn)表1，拖曳系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

圖2 標(biāo)志浮體

表1 主要參數(shù)

圖3 拖曳系統(tǒng)示意

拉力計(jì)安裝在船艉絞車(chē)上(圖4)，用于測(cè)量拖纜受力，壓力傳感器、水聲應(yīng)答器、傾角傳感器(圖5)安裝于拖體內(nèi)部，分別用于測(cè)量拖體定深、展寬、橫滾角和俯仰角。

圖4 拉力計(jì)安裝

圖5 測(cè)量?jī)x器

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

水下拖曳系統(tǒng)湖試目的是初步掌握拖體水動(dòng)力性能，研究航速、翼板攻角、纜長(zhǎng)對(duì)拖體姿態(tài)、拖纜張力以及整個(gè)系統(tǒng)定深和展開(kāi)性能的影響，并根據(jù)結(jié)果制定定深和展開(kāi)策略。拖曳航速為4、5和6 kn，拖纜長(zhǎng)度30、50、80 m，水平舵角調(diào)節(jié)范圍[-10°，10°]，垂直舵角調(diào)節(jié)范圍[-15°，15°]。試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北宜昌清江水域隔河巖至巴山段。湖試內(nèi)容主要包括試拖試驗(yàn)和正式拖曳試驗(yàn)。

正式拖曳之前要進(jìn)行拖體試拖試驗(yàn)，根據(jù)試拖結(jié)果通過(guò)水平舵或垂直舵對(duì)拖體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使拖體達(dá)到正浮狀態(tài)，之后開(kāi)展正式拖曳試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖6。

圖6 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)中拖體定深以靜水面為基準(zhǔn)，展寬以船中縱軸線(xiàn)為基準(zhǔn)。壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量拖體深度，水聲應(yīng)答器通過(guò)船端基陣應(yīng)答來(lái)確定拖體的相對(duì)位置，結(jié)合基陣的GPS坐標(biāo)最終得出拖體的實(shí)際位置，傾角傳感器通過(guò)母船控制端實(shí)時(shí)讀出俯仰及橫滾數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中拖體姿態(tài)角及翼板攻角方向按照?qǐng)D7中右手坐標(biāo)系，即：拖體仰艏為正，埋艏為負(fù)，右傾為正，左傾為負(fù)，拖體水平翼板攻角和水平舵板舵角向上為正，向下為負(fù)，垂直翼板攻角和垂直舵板舵角右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負(fù)。

圖7 隨體坐標(biāo)系

2.1 試拖試驗(yàn)

試拖試驗(yàn)?zāi)康氖浅醪搅私馔象w重浮心和拖曳點(diǎn)的匹配度。低航速下拖體受到流體力較小，更易反映出拖體自身性能。以航速4 kn作為初始航速開(kāi)展試拖試驗(yàn)。

圖8為不同攻角下俯仰和橫滾變化曲線(xiàn)，俯仰角變化范圍5°～6°，水平翼板力的作用點(diǎn)位于質(zhì)心后方，隨著攻角的增大，產(chǎn)生抬首力矩。俯仰角始終保持在5.50左右，拖體本身作為一個(gè)大升力體會(huì)產(chǎn)生向上升力，需通過(guò)后水平舵板將主拖體調(diào)節(jié)到正浮狀態(tài)；橫滾角范圍-0.40°～0.7°，角度較小符合試驗(yàn)要求，無(wú)需對(duì)橫滾進(jìn)行調(diào)整。

圖8 俯仰和橫滾變化

圖9為不同航速下舵板對(duì)俯仰姿態(tài)的調(diào)節(jié)結(jié)果。隨著水平舵板舵角β的增加，拖體逐漸接近正浮姿態(tài)，改變拖曳航速后需重復(fù)操作，確保拖體姿態(tài)滿(mǎn)足拖曳要求，航速4、5、6 kn水平舵板角度分別為15°、15°、12°，不同航速下正式拖曳時(shí)，保持各自舵板角度不再調(diào)整。

圖9 舵板調(diào)節(jié)能力

2.2 正式拖曳試驗(yàn)

將姿態(tài)調(diào)整后的拖體重新布放下水，放纜長(zhǎng)度30 m，穩(wěn)定拖曳之后，改變水平翼板或垂直翼板攻角，每改變一次攻角，穩(wěn)定拖曳時(shí)間不少于5 min，得到不同航速和纜長(zhǎng)情況下拖體定深、展寬和拖纜受力情況。

2.2.1 定深試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)改變水平翼板攻角、航速和纜長(zhǎng)探索影響拖體定深和干端拉力的主要因素，研究拖體定深規(guī)律。對(duì)于拖曳系統(tǒng)而言，干端指船艉和拖纜相連接的位置，該位置拖纜受力最大，也是拖纜破斷拉力校核的基礎(chǔ)拉力。

圖10和圖11為改變航速和攻角得到的定深和拖曳力變化曲線(xiàn)，拖體定深和干端拉力與翼板水平攻角呈線(xiàn)性關(guān)系，翼板攻角越大，定深越深，干端拉力越大，30 m纜長(zhǎng)的最大定深近25 m。隨著航速的增加，拖體升阻力和拖纜切、法向阻力增加，使得重力在整個(gè)拖曳系統(tǒng)受力中的比例降低，引起垂直干端角度φ(船艉處拖纜切線(xiàn)與作用點(diǎn)法線(xiàn)方向所成夾角，tanφ=(w+FL)/FF，w為拖曳系統(tǒng)重浮力差，F(xiàn)L為升力，F(xiàn)F為阻力)逐漸減小，拖纜后伸距離增加，定深減小。干端拉力隨航速的增加而變大，航速越高，翼板所能產(chǎn)生的升阻力越大，圖11中曲線(xiàn)斜率越大，干端拉力對(duì)攻角變化也就越敏感。降低航速和增加翼板攻角都能起到增加拖體定深的效果。

圖10 定深隨攻角和航速變化

圖11 拖曳力隨攻角和航速變化

對(duì)不同航速下拖體定深效率進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖12所示，圖中定深效率為深長(zhǎng)比，即d=D/L×100%。隨著翼板攻角的增加，拖體定深效率逐漸變大，最大達(dá)到80%。原因在于：翼板攻角變大，翼板升阻比增加，流體力占比提高，拖纜垂直干端角變大，翼板阻力增加所引起拖纜的后伸效果要弱于升力增加所引起的定深效果；由于低航速下，重力對(duì)定深起到主要作用，所以航速越低，定深效率越高，定深效果越好。拖曳航速過(guò)低雖可以在有限纜長(zhǎng)下增加探測(cè)范圍，但也會(huì)增加拖曳探測(cè)的時(shí)間成本，拖曳航速過(guò)快則會(huì)加大拖曳定深的難度。

圖12 不同航速下拖體定深效率

保持6 kn航速，將纜長(zhǎng)由30 m逐漸增加到50 m和80 m，分析不同纜長(zhǎng)對(duì)拖曳定深和干端拉力的影響。

由圖13和圖14結(jié)果來(lái)看，隨著纜長(zhǎng)的增加，拖體定深逐漸增加，曲線(xiàn)斜率變大，定深對(duì)翼板攻角的變化越敏感。纜長(zhǎng)的增加也會(huì)引起拖曳系統(tǒng)所受重力比例增加，垂直干端角變大，引起空間內(nèi)纜型發(fā)生變化。放纜50 m，干端拉力平均增加力500 N，可見(jiàn)，拖曳系統(tǒng)干端拉力的增加主要是由拖體翼板攻角變化引起，但對(duì)于纜長(zhǎng)達(dá)上千米的深拖而言，纜長(zhǎng)對(duì)干端拉力的影響不能忽略。

圖13 定深隨攻角和纜長(zhǎng)變化

圖14 拖曳力隨攻角和纜長(zhǎng)變化

根據(jù)圖15結(jié)果分析，不同纜長(zhǎng)情況下，定深效率皆隨攻角增加而變大，最大70%。隨著纜長(zhǎng)的增加，定深效率逐漸降低，纜長(zhǎng)增加所引起的阻力增值要大于重力增值，造成定深效率降低，如何降低拖纜的切、法向阻力也是增加拖曳定深的一種思路。

圖15 不同纜長(zhǎng)下拖體定深效率

目前增加定深的方式主要有增大翼板攻角，降低航速和增加纜長(zhǎng)3種，其中通過(guò)翼板攻角進(jìn)行定深調(diào)節(jié)更便于深度的控制，優(yōu)先考慮該種定深方式。本文涉及的拖體為重力型拖體，拖曳航速一般6 kn以?xún)?nèi)，單獨(dú)通過(guò)翼板定深有較大局限性，對(duì)定深影響因素進(jìn)行多元擬合，得到非線(xiàn)性擬合函數(shù)：

繪制各影響因素以及擬合圖形如圖16所示。圖16中數(shù)據(jù)點(diǎn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲面為擬合曲面，數(shù)據(jù)點(diǎn)大多落在曲面上，擬合函數(shù)有較高的準(zhǔn)確性。相比于通過(guò)收放纜來(lái)調(diào)節(jié)定深，改變航速具有更高的效率，但一般海洋拖探對(duì)時(shí)間有較高的要求，且母船拖曳航速變化范圍有限，加之攻角改變和定深呈線(xiàn)性關(guān)系，因此優(yōu)先考慮通過(guò)增加翼板攻角完成定深，在增加翼板攻角仍無(wú)法達(dá)到定深的情況下再通過(guò)放纜來(lái)增加定深，最后考慮降低航速。

圖16 定深擬合函數(shù)

2.2.2 展開(kāi)試驗(yàn)結(jié)果

本文拖曳系統(tǒng)中的拖體兼具定深和展開(kāi)功能，需要增加探測(cè)寬度時(shí)，拖體通過(guò)自身垂直翼板可實(shí)現(xiàn)展開(kāi)功能。通過(guò)展開(kāi)試驗(yàn)研究垂直翼板攻角、航速、纜長(zhǎng)對(duì)展寬的影響，初步探索有效調(diào)節(jié)展寬的方法。

圖17可知，垂直翼板攻角與展寬呈線(xiàn)性關(guān)系，攻角越大，展寬越寬，最大展寬達(dá)到15 m，展開(kāi)率最大達(dá)50%。展寬隨航速的變化不明顯，原因在于展寬方向上沒(méi)有重力的參與，拖體自身升阻力是展開(kāi)過(guò)程中的主要作用力，翼板攻角作為升阻力變化的主要因素，其升阻比隨航速變化不明顯，水下纜型變化隨航速未發(fā)生明顯變化，拖體展寬受航速影響很小。

圖17 展寬隨攻角和航速變化

圖18可見(jiàn)，拖纜張力與垂直翼板攻角呈二次函數(shù)關(guān)系，垂直翼板攻角大于9°后，張力急劇增加。對(duì)比圖19和圖12，相同航速和翼板攻角下，展開(kāi)引起的拖纜張力最值要小于定深。

圖18 拖曳力隨攻角角和航速變化

圖19 展寬隨攻角和纜長(zhǎng)變化

對(duì)比圖20中不同攻角、不同航速下拖體展開(kāi)效率不難發(fā)現(xiàn)：隨著翼板攻角角的增加，翼板升阻比增加，拖纜水平干端角γ(船艉處拖纜展開(kāi)力方向與作用點(diǎn)法線(xiàn)方向所成夾角，tanγ=FZ/FF，F(xiàn)Z為展開(kāi)力，F(xiàn)F為阻力)變大，拖體展開(kāi)效率增加，最大達(dá)到50%；展開(kāi)效率隨航速變化不明顯。

圖20 不同航速下拖體展開(kāi)效率

保持6 kn航速，將纜長(zhǎng)由30 m逐漸增加到50 m和80 m，進(jìn)一步研究不同纜長(zhǎng)對(duì)展寬和干端拉力的影響。

隨著纜長(zhǎng)的增加，拖體展寬逐漸增加，圖19中曲線(xiàn)斜率也逐漸變大，表示展寬對(duì)垂直翼板攻角的變化越敏感。纜長(zhǎng)的增加會(huì)引起拖曳系統(tǒng)阻力的增加，帶來(lái)干端拉力變大，如圖21所示。相同翼板攻角下，干端拉力的變化主要是由于纜長(zhǎng)引起，進(jìn)一步對(duì)比纜長(zhǎng)對(duì)展開(kāi)效率的影響，見(jiàn)圖22。

圖21 拖曳力隨攻角和纜長(zhǎng)變化

圖22 不同纜長(zhǎng)下拖體展開(kāi)效率

拖體展開(kāi)效率隨纜長(zhǎng)增加而降低，該規(guī)律與定深相同。隨著纜長(zhǎng)的增加，拖纜切向阻力和法向阻力皆增加，二力在縱向合力要大于橫向合力，引起水平干端角變小，展開(kāi)效率降低。

對(duì)定深影響因素進(jìn)行多元擬合，得到擬合函數(shù)：

K=0.035 8V2-0.13V-0.001L2+0.138L-

0.625α-0.011αL-3.86

繪制如圖23所示的擬合圖形。

圖23 展寬擬合函數(shù)

目前增加展寬的方式主要有增大翼板攻角和增加纜長(zhǎng)，航速小范圍變化對(duì)拖體展寬和展開(kāi)效率的影響較小，本文涉及的拖曳系統(tǒng)不考慮該種調(diào)節(jié)方式。通過(guò)翼板攻角進(jìn)行展寬調(diào)節(jié)更加便利、有效，優(yōu)先采用該方式對(duì)展寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，其次可通過(guò)收放纜進(jìn)行進(jìn)一步展寬調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

1)本文試驗(yàn)的拖體具有良好的定深和展開(kāi)性能，最大定深和展開(kāi)效率分別為80%和50%，進(jìn)行類(lèi)似拖體設(shè)計(jì)時(shí)，該種結(jié)構(gòu)和姿態(tài)調(diào)節(jié)方式可為今后設(shè)計(jì)提供參考；

2)拖體定深主要受航速、翼板攻角和纜長(zhǎng)影響，展寬主要受翼板攻角和纜長(zhǎng)影響，且都與翼板攻角呈線(xiàn)性關(guān)系，在定深或展寬范圍變化不大的情況下通過(guò)翼板調(diào)節(jié)最便利；

3)增加水平翼板下攻角、降低航速、增加纜長(zhǎng)皆可以增加定深，增加垂直翼板攻角、增加纜長(zhǎng)可以增加展寬，但纜長(zhǎng)的增加也會(huì)引起拖體定深和展開(kāi)效率的降低；

4)各影響因素對(duì)拖曳定深、展開(kāi)的作用規(guī)律及耦合影響可以通過(guò)定深、展開(kāi)擬合函數(shù)體現(xiàn)。

本試驗(yàn)研究得出的結(jié)論以及回歸函數(shù)適用于纜長(zhǎng)較短的拖曳系統(tǒng)，對(duì)于上千米的深拖還需進(jìn)一步研究。