海洋環境對UUV作戰使用影響研究

何青海 ，丁文強 ，吳文龍（ 海軍潛艇學院，山東 青島 266199）

海洋環境對UUV作戰使用影響研究

何青海 ，丁文強 ，吳文龍
（ 海軍潛艇學院，山東 青島 266199）

UUV的航行安全和所裝載的武器、探測設備作戰效能受海洋環境影響很大，是確定 UUV 航線和深度等具體方案時需重點考慮的因素。從海流、海況、內波、聲場特征和密度躍層 5個方面論述它們對 UUV的影響，建立海流對 UUV 航速和航向影響的數學模型，并對模型進行計算分析。結果表明，對海洋環境加大研究至關重要。

海洋環境；UUV；作戰使用

0　引 言

UUV（水下無人潛航器）在作戰使用中會受到諸多海洋環境要素的影響，其性能與海洋環境要素的基本特性和分布規律密切相關。因此，UUV 在水下執行任務時，應該加大對它的海洋環境保障力度，以便充分發揮其效能和功用［1-3］。

影響 UUV 及其裝載的武器、探測設備整體技戰術性能的海洋氣象、海洋水文和海洋地質等方面的自然條件有：UUV的穩定性和操縱性會受到海流、海況和內波的影響；所裝載武器的作戰效能會受到強流、海況和聲場環境的影響；聲吶探測效能發揮會受到溫躍層、聲躍層、內波和中尺度漩渦的嚴重制約［4］。對海洋環境總的利用原則是“趨利避害”，即對有利的海洋環境多進行利用，而對不利的海洋環境應盡量避開。

1　海流對 UUV的影響

海流影響到 UUV 在水下的航速、航向與機動性能，進而影響到航行安全。當 UUV 航行方向與海流方向一致時，航速增加，可節省時間和燃料；相反，頂流航行時航速會降低，燃料消耗增大，時間延長。當UUV航向與流向成一定角度時，在較大橫流作用下，可使其偏離預定航向，特別是在狹窄航道航行或者通過障礙物時，可能會發生航行碰撞，出現航海事故。

1.1數學模型及計算

受海流影響后的UUV 實際航速航向如圖1所示，假定 UUV 在某點 O的計劃航向為 0°，計劃航速VUUV，海域流速為 V流，流向為 α（α 即流向與 UUV 計劃航向之間的夾角，取流向從 UUV 左舷流向右舷，0°≤α≤180°，流向從右舷流向左舷時與此對稱），UUV 受海流影響后的實際流速為 V相對，實際航向與計劃航向之間的夾角為 β，根據矢量合成原理，可得：

圖1　受海流影響后的UUV 實際航速航向Fig.1　Realistic velocity and azimuth of UUV affected by ocean curent

式中 β為海流造成的UUV 航向誤差。

取 UUV 計劃航速 4kn和 6kn，計劃航向 0°，海流速度 1kn，2kn，3kn，流向與 UUV 航向夾角在 0 ～180°之間間隔 15°取值，計算得到的UUV 實際航速值、航向誤差值分別如表1和表2所示。

表1　UUV 實際航速值Tab.1 Realistic velocity of UUV

表2　UUV 實際航向與計劃航向差值（即航向誤差大小）Tab.2 D-value about realistic velocity and planned velocity of UUV

1.2計算結果分析

1.2.1海流對 UUV 航速影響分析

從表1可看出，UUV速度和流速值確定時，UUV實際航速隨流向與 UUV 航向夾角值 α 增大而減小。UUV速度 6kn，流速 1kn，2kn，3kn 時 UUV 實際航速隨夾角值 α的變化情況如圖2所示。

圖2　UUV速度 6kn，流速 1kn、2kn、3kn 時 UUV 實際航速Fig.2　Realistic velocity of UUV（UUV：6kn，Ocean current：1，2，3kn）

由圖2可知，UUV速度確定時，流速越大，UUV實際航速值隨流向變化越劇烈，即 UUV 航速誤差越大；UUV速度和流速確定時，順流和逆流對航速大小影響最大，而橫向流影響相對較小，從圖中可以看出，橫向流并非流向與UUV計劃航向夾角成 90°的海流，而是略大于 90°，根據式（1），當航速誤差為 0時，可得：

即流向滿足式（3）時航速誤差最小，因此橫向流應為流向與 UUV 航向夾角滿足式（3）的流。取 UUV速度 6kn，流速 0～3kn，計算航速誤差最小的流向如圖3所示，在 90°～105°之間。

圖3　UUV速度 6kn，流速 0～3kn 時航速誤差最小的流向Fig.3　The azimuth of ocean current when velocity error is minimum（UUV：6kn，Ocean current：0～3kn）

1.2.2海流對 UUV 航向影響分析

從表2可看出，UUV速度、流向確定時，其航向誤差隨流速增大而增大（順流、逆流除外），取 UUV速度 6kn，流向 30°，90°，150°時，航向誤差隨流速變化情況如圖4所示。

圖4　航向誤差隨流速變化情況圖Fig.4　The change of azimuth error adapted to the velocity of ocean current

取 UUV速度 6kn，流速 1kn，2kn，3kn，航向誤差隨航向夾角 α 變化情況如圖5所示。

由圖5可知，UUV速度、流速確定時，UUV的航向誤差隨流向與 UUV 航向夾角增大出現先增大再變小趨勢，流速越大，航向誤差越大，相同流速條件下，接近順流或逆流時航向誤差越小，橫向流造成的航向誤差較大。

圖5　航向誤差隨航向夾角變化情況圖Fig.5　The change of azimuth error adapted to the included angle

2　海況對 UUV的影響

海況是指風力作用下海面的外貌特征，描述海況等級主要依據為海浪的大小。海浪主要對處于水面或近水面狀態航行的UUV的航行安全產生影響，主要有以下幾個方面：

1）UUV 頂浪航行時的影響

當 UUV 頂浪航行時，海浪會增加航行阻力、降低航速；巨浪的沖擊會造成拍底、螺旋槳打空車而損壞UUV 殼體、設備、舵和螺旋槳。同時，由于 UUV 與海浪的相對運動，使兩者的相遇周期縮短，從而加劇了UUV的搖擺。

2）UUV 順浪航行時的影響

當風浪不大時，UUV 順浪航行可以達到省時省力的效果。若航速小于波速，UUV 又處于波谷之中，則波浪會沖擊 UUV 尾部，使推進器和尾軸遭到損害；若航速和波速基本相當時，UUV 位于波浪前部斜面或波谷時易發生偏轉，使艇體橫對風浪，造成艇體傾斜，對航行安全極為不利。

3）UUV 航向與波浪方向相垂直時的影響

UUV 航行方向與波浪傳播方向垂直時將產生橫搖，大浪不斷地拍打沖擊，會加劇艇體的傾斜，容易喪失橫穩性，對航行安全造成嚴重危害。

UUV 在水下航行一定的距離后需要上浮到近水面進行定位，此時 UUV 抗擊風浪的能力較差，因此建議采取在航行中進行導航定位，同時提高導航定位效率，降低導航定位時間。

除影響航行安全外，海況還對 UUV 聲吶的探測效能產生影響。當海浪大時，海面粗糙程度就大，易形成海面混響，影響水中 UUV 聲吶的探測效能。

3　內波對 UUV的影響

海洋內波的存在使海洋內部產生大振幅垂向波動，當 UUV 穿越內波影響區域時，其運動穩定性或運動姿態會發生變化，從而改變其運動軌跡，UUV的安全性會受到影響［5］。停坐在躍層上的UUV，在隨躍層處海洋內波做大幅度的上下波動時，當 UUV的艇長尺度遠小于內波的波長時，UUV 隨著內潮波波浪起伏，一般比較平穩，如圖6（a）所示；當 UUV的艇長尺度遠大于內波的波長時，內波只能使 UUV 產生幅度較小的上下顛簸，如圖6（b）所示；而當 UUV的艇長尺度與內波的波長大小相當時，UUV 隨內孤立波的顛簸就比較大，如圖6（c）所示，此時深度和縱傾變化劇烈，如果UUV 潛深較淺（接近水面）或者潛深較深（接近海底），容易發生事故。在選取 UUV 航線時，必須利用內波分布特征背景知識，避開海洋內波多發的區域。

圖6　內波對 UUV的影響Fig.6　The influence on UUV by internal wave

4　聲場特征對 UUV的影響

聲速是一個非常重要的海洋環境要素，它決定著聲波的傳播路線，通常把聲波在海洋環境下所呈現的普遍和異常變化特征稱之為“水聲環境效應”。聲波在垂直域可呈現出不同的聲速剖面結構［6］，對 UUV 會產生不同的影響。

聲波以“向海面偏轉”和“聲道傳播”模式傳播時，通過反復的折射和反射，聲波被束縛在聲道和近海面區域，形成聲道效應和海面波導效應，在這些聲線會聚區 UUV 可進行長距離聲吶探測，而聲線會聚區以外為聲影區，處于該區域的UUV 可避免被主動聲吶探測。

負聲速梯度易在海表附近形成聲盲區，有助于UUV 避開聲吶偵察進行潛航和聲隱蔽。

利用深海水下聲道產生的會聚區效應，可將聲吶作用距離擴大至幾個會聚區距離上，UUV 聲吶可以利用聲傳播過程中形成的會聚區，增大聲吶的探測距離，做到遠距離先敵發現。

指揮員應確定作戰海區聲場特征，根據 UUV所遂行的任務，確定其航行深度，此深度應當有利于保證UUV 最大的隱蔽性或發揮 UUV的最佳觀察效能，而不利于敵方的搜索與跟蹤。

5　密度躍層對 UUV的影響

密度躍層有正密度躍層和負密度躍層 2 種，如圖7所示。正密度躍層是指隨深度增加密度逐漸變大，對水下航行比較有利。UUV 在這種海域中執行任務時，便于 UUV的操縱，這種躍層又稱為“液體海底”；負密度躍層是指隨深度增加密度逐漸降低，這種躍層極不穩定，一旦受到干擾，上層密度大的海水就會下沉，使 UUV 操縱性能變差，造成失控的結果，這種躍層也稱為“海底斷崖”。

圖7　兩種密度躍層Fig.7　Two density skip floors

6　結 語

海流、海況等海洋環境要素對 UUV 航行安全和作戰效能有著重要的影響。UUV 在作戰使用中面臨的戰場海洋環境是無法控制和改變的，但是可以通過周密的作戰計劃制定和完善的海洋環境保障建設而趨其利避其害，最大限度發揮裝備的戰斗力。因此，對 UUV的海洋環境保障建設必須高度重視，超前準備。

［1］莫軍，田亞龍.海洋環境對水下航行安全影響的綜合評估［J］.艦船科學技術，2012，34（10）：89-93.MO Jun，TIAN Ya-long.The comprehensive assessment about the marine environment on submarine novigation safety influence［J］.Ship Science and Technology，2012，34（10）：89-93.

［2］中國船舶重工集團公司.海軍武器裝備與海戰場環境概論［M］.北京：海洋出版社，2007.

［3］劉森民，宋劍.潛艇航行安全戰場海洋環境評估［J］.指揮控制與仿真，2008，30（3）：85-88.LIU Sen-min，SONG Jian.Evaluation on battlefield environment for submarine navigation safety［J］.Command Control & Simulation，2008，30（3）：85-88.

［4］方書甲.海洋環境對海軍裝備性能的影響分析［J］.艦船科學技術，2004，26（2）：5-10.FANG Shu-jia.Analysis of the ocean environment influences on the performance of the navy equipment［J］.Ship Science and Technology，2004，26（2）：5-10.

［5］方欣華，杜濤.海洋內波基礎和中國海內波［M］.青島：中國海洋大學出版社，2005.

［6］ETTER P C.水聲建模與仿真［M］.蔡志明，譯.北京：電子工業出版社，2005：19-21.

Research on operational influence of ocean environment on UUV

HE Qing-hai ，DING Wen-qiang ，WU Wen-long
（ Navy Submarine Academy，Qingdao 266199，China）

Ocean environment has important impact to the navigational safety and fighting efficiency of UUV.It is taken into account by the command when defining navigation route and depth of UUV.From five aspects（ocean current，ocean surface conditions，internal waves，sound field characteristics，pycnocline），the influences of the ocean environment on the UUV are discussed.The mathematical model of the ocean current impact on speed and azimuth of UUV is established，and the calculation result is analysed.It is very significant to increase research on ocean environment.

ocean environment；UUV；operational use

P731

A

1672-7619（2016）07-0099-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.022

2015-11-05；

2016-01-06

何青海（1985-），男，博士，講師，研究方向為海洋環境效應及潛艇戰術學。