潛用拋棄式有線浮標及其關鍵技術

劉瑞海，徐文濤，張 良

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

潛用拋棄式有線浮標及其關鍵技術

劉瑞海，徐文濤，張 良

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

潛用拋棄式有線浮標可作為水下潛艇隱蔽獲取水面外部信息的一種特殊手段。本文介紹了潛用拋棄式有線浮標的功能和組成，對設計中的關鍵技術進行分析，并提出相應的解決思路。

拋棄式有線浮標；潛艇；技術

0 引 言

潛艇作為一種水下作戰平臺，以海水為天然掩體，比水面艦艇具有更好的隱蔽性，但在隱蔽自身的同時，也因此失去了水面航行狀態所具有的連續獲取衛星/無線電等外部信息的便利條件。由于無線電信號不能在水中傳播，潛艇在水下要獲取水面外部（如導航校準、通信等）信息，必須上浮至潛望狀態將天線等傳感器升出水面，以實現與外部平臺間的信息收發。但隨著現代反潛技術的飛速發展，對潛偵察手段不斷得到增強，特別是天基偵察設施的迅速發展，潛艇上浮到近水面被發現的概率不斷增大，因此潛艇一般處于較大的航行深度，且盡量減少近水面活動次數。在偵察和反偵察的對抗中，潛望狀態獲取外部信息方式越來越影響潛艇的隱蔽性，增加了潛艇的暴露率，容易導致潛艇被各種反潛平臺發現，從而使潛艇處于被跟蹤、甚至受到攻擊的危險境地，已無法滿足潛艇的作戰使用需求，潛艇迫切需要具備水下隱蔽深度與外界進行通信、導航定位等信息交互的能力。為解決該難題，一般采用拖曳浮標，如德國的卡里斯托（Calisto）通信浮標，但其被潛艇拖曳時在水面的航跡仍然能被發現。一次性多功能拋棄式浮標則更多用于潛艇的對外發送信息，由于其在潛艇拋射后經一定延時再發送信息，能避免因無線電通信使潛艇被偵測定位的問題，但該浮標沒有與潛艇的信息傳輸通道，只能對外發送信息，無法隱蔽獲取信息。而采用拋棄式有線浮標搭載特定功能的傳感器上浮到水面進行信息交互，并將信息通過連接導線傳回艇內的方法，可保持獲取信息傳送到潛艇過程中的隱蔽性，是在特殊情況下解決該問題的一種有效途徑。

1 浮標功能及組成

潛用拋棄式有線浮標由潛艇在水下一定深度通過艇上武器發射裝置發射并依靠自身的浮力上浮，在上浮過程中浮標和潛艇兩端均自由放線，保證兩者間通過導線可靠連接；浮標上浮至水面后呈豎立狀態漂浮，在特定海況下其頭部應露出水面一定高度，利用安裝在頭部的相應功能傳感器接收外部信息或對外發送信息，并將收到的外部信息通過與潛艇之間的連接導線傳送至艇內顯示控制設備，為本艇的作戰使用提供技術支持。信息交互完畢，由艇內顯示控制設備控制浮標啟動自毀機構，使浮標進水并沉入海底，艇內控制將連接導線切斷，發射裝置關閉前蓋并進行恢復，從而完成一次本艇在水下的對外信息交互過程。

依據上述功能，潛用拋棄式有線浮標系統組成應包括有線浮標、艇內顯示控制設備和浮標釋放裝置三部分，詳見圖 1。其中，有線浮標為無動力水下運動浮體，為實現相應功能，浮標內應搭載功能傳感器及控制單元、電源、放線機構、自沉機構等；浮標顯示控制設備安裝于艇內，浮標釋放裝置可借助艇上現有武器發射裝置實現浮標體的釋放。

2 關鍵技術及其解決思路

2.1 有線浮標總體設計技術

首先，有線浮標由潛艇上的中小口徑武器發射裝置發射離艇，其外形、尺寸應滿足發射裝置對器材的要求，具有良好的水動力外形，一般采用水中兵器的細長圓柱外形。

其次，在浮標的整個運動過程中，浮標的衡重參數對其運動受力影響極大，決定著浮標的空間運動姿態和上浮時間，因此浮標的衡重參數在結構設計中有著非常重要的地位。由于浮標上浮到水面時要求為直立狀態并露出水面一定高度，故浮標在海水中的浮力應大于重力一定值，同時浮標的浮心在上、重心在下，在保證浮標能夠安全發射離艇的前提下，應盡量增大兩者的間距以保證浮標在海面波浪中具有較好的姿態穩定性。在設計中，應綜合權衡浮標內各種部件的安裝位置和重量，同時盡量采用中心對稱的圓盤形布置，避免偏心。

第三，根據浮標總體布置情況進行分區，適當設置水密耐壓艙段的長度，結構上盡量采用模塊化設計以方便組裝。依據功能要求，可將浮標上部區域設置為水密耐壓艙用于提供浮力，下部區域可設置為非水密艙。為保證浮標在水面與其他平臺進行信息交互，功能傳感器應安裝在浮標露出水面的頭部艙段內，頂部配置滿足信號穿透性要求和水密耐壓要求的非金屬天線罩。浮標主體圓柱段可采用密度小、強度高、穩定性好的殼體材料。

最后，根據總體性能要求進行適當的調整，使浮標體重心位置盡量向尾部延伸，必要時可增加配重，確保達到預期的衡重參數，保證浮標體浮出水面后露出預定高度，且浮標體軸線垂直于水平面并具備良好的穩性。

2.2 導線動態安全釋放技術

導線是浮標與潛艇之間的傳輸通道，是唯一的物理連接。因此，保證整個系統導線的連續順暢放線，是浮標設計的另一個關鍵點。在保證信息傳輸要求的前提下，導線應具有較小的線徑、抗拉強度高、外表涂覆層光滑，且密度與海水相當。從各方面性能比較來看，可優選光纖導線。

定義1 由m×n個數aij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)排成的m行n列的數表，并用大寫黑體字母表示，記作

有線浮標可以采用單端放線技術，也可以采用雙端放線技術。但綜合考慮有線浮標發射離艇后，一方面浮標在自身浮力作用下不斷向上運動，除需滿足不斷放線要求外還需考慮浮標體可能存在的旋轉問題，在浮標體的上升過程中導線不能纏繞或斷線；另一方面潛艇作為導線的另一終端并不是靜止在發射位置，而是在繼續低速移動，浮標與潛艇二者的相對位置始終在不斷變化。為確保該過程中導線始終不受到過大的外力作用，可參考借鑒線導魚雷放線機構相關技術，采用浮標和潛艇兩端各安裝一個線團的雙向拉伸自由放線的雙端放線方式。此外，還需考慮導線在發射管管口區不能受損并遠離易導致斷線的潛艇表層紊流區，可通過設置保護軟管使潛艇端導線能夠連續動態安全布放。

2.3 有線浮標發射適配技術

潛艇上的中小口徑發射裝置一般布置在舷側，有的采用發射管斜向上方布置的水壓平衡式發射裝置；有的采用發射管水平橫向布置的氣動活塞不平衡式發射裝置。因此，在浮標滿足發射裝置外形尺寸要求的前提下，應根據發射裝置的發射原理，以不影響原有器材發射技術狀態為原則，綜合考慮發射管內的結構空間和浮標總體狀態，采取必要的技術措施實現有線浮標的發射。

由于中小口徑發射裝置所發射的器材一般不帶導線，發射離艇后即可不管；而有線浮標與潛艇之間要通過導線傳輸信息，即浮標在裝入發射管后導線需要引出發射管與艇內浮標顯示控制設備連接起來，這樣才能在浮標與顯示控制設備之間建立有線信息傳輸的通道，在信息交互完成后還要將導線切斷并使之從艇上脫離。因此，其難點是如何在特定發射管內的狹小空間中實現艇端線團和切割裝置的布置，以及如何將導線引出發射裝置與艇內顯示控制設備連接。

對于水壓平衡式發射裝置，可借鑒魚雷發射管發射線導魚雷的方法，考慮將艇端線團和切割裝置固定在發射管后蓋上，通過水密連接器穿過后蓋使浮標導線與艇內顯示控制設備連接起來。對于氣動活塞不平衡式發射裝置，由于管內的發射活塞在武器發射時是運動部件，且具有將發射活塞前端海水與后端發射氣體隔離的功能，因此導線還需水密穿過發射活塞。如將艇端線團和切割裝置固定在發射管后蓋內壁上，艇端線團內導線難以水密動態穿過活塞布放到水中。為此，可考慮將艇端線團和切割裝置固定在發射活塞內，再將導線水密穿過活塞和發射管后蓋，此時只需實現靜態水密即可滿足要求，從而降低技術實現難度。

2.4 浮標離管安全控制技術

浮標離管安全控制技術可通過研究浮標在不同出管速度下的管內彈道軌跡，分析與發射管內壁的接觸情況確定其安全出管速度。

在管內末彈道階段，浮標在運動過程中與發射管體為點接觸，是點約束下的運動。圖 2 給出了浮標出管運動示意圖，同時給出了坐標系。在一點約束下，即浮標與發射管內壁存在一個接觸點，浮標運動具有2 個自由度，取浮標的轉角 θ 及由約束點 o 到浮標質心 C 的軸向距離 l 為 2 個獨立的廣義坐標，則浮標質心的 x，y 坐標與廣義坐標 θ，l 的關系為

式中 r 為支點 O 到質心 C 的徑向距離，是浮標坐標系中 x 坐標的已知函數，因此 r 也可轉化為 l 的已知函數，以 r = r（l）表示。

浮標在管內末彈道階段，受到的主動力可能有：重力 mg，流體動力 Fx和 Fy，根據虛位移原理，廣義力 Fl與 Fθ分別為：

代入第二類拉格朗日方程

得到浮標管內末彈道的動力學方程組

再加上運動學方程

以及關系式（1），便構成了一點約束下完整的浮標管內末彈道方程組。通過計算得出浮標下部后端點與管體內壁存在間隙時，即可判定浮標能夠安全離管；若求得浮標下部后端點與管體內壁不存在間隙，即浮標與發射管發生兩點約束，此時浮標離管安全性存在隱患，應通過增加浮標出管速度等措施進一步提高離管安全性。

2.5 浮標在海面的姿態穩定技術

浮標在海面應能抵御一定級別海況的影響，在隨波浪搖擺的同時，搭載的傳感器始終保持對外信息交互不能中斷。因此，通過設計過程中的理論計算，在增大浮標的重浮心距離，使重力矩始終成為穩定力矩的同時，盡可能將浮標重心布置于中軸線上，以使浮標在靜水中保持直立狀態，在中小級風浪下不會大幅傾搖。為使浮標具備抵御水面較大風浪的能力，減小浮標在水中上下起伏的幅度，可在不影響浮標發射出管安全的前提下，通過設置能在水面打開的浮囊、折疊式減搖鰭等措施予以解決。

3 國外應用情況

國外潛艇使用拋棄式通信浮標進行隱蔽通信已有數十年的歷史，該類浮標不帶導線，主要用來實現潛艇隱蔽對岸指的單向通信，提升了潛艇向岸指緊急發信時的隱蔽性。使用時由潛艇將該浮標拋射離艇，浮標上浮到水面附近并根據預先設定經過延時后，再將信息發送出去，完成任務后沉沒自毀。

英國 Plessey Marine 公司在 20 世紀 80 年代就研制了一次性潛艇通信浮標，用來為水下潛艇向水面船只和飛機發送戰術情報和提供與搶救隊緊急通訊的手段。該浮標直徑約 10 cm，用 VHF 和 UHF 頻段，由潛艇信號彈射器把浮標發射出去，浮標漂浮到水面上，展開可充氣的天線，重復發送若干次后自動銷毀。

潛用拋棄式有線浮標也已在國外得到應用，主要用于潛艇獲取通信信息、導航定位、探測水下各深度剖面的溫鹽深信息等。如美國海軍核潛艇即可利用有線通信浮標進行通信，浮標由艇上釋放并通過光纖與艇上保持連接；浮標上浮到水面后，頭部鼻錐彈開，露出水面，隨后氣囊充氣，使浮標浮在水面保持工作狀態，通過衛星與岸基進行通信。

21 世紀初，英美兩國又聯合開展了潛用可回收光纖系留浮標系統（RTOF）的研制。該系統的系留浮標體相對較大，尾部帶有一根光纜與絞車裝置連接。浮標體從裝在潛艇上的存儲艙中放出后，靠自身浮力漂浮至水面，同時潛艇上的絞車裝置不斷釋放光纜使其幾乎不受拉力。該浮標體可搭載通信、導航、偵察等功能部件，浮標體到達水面后漂浮在海面執行相應任務，而潛艇繼續根據航行速度不斷布放光纜以避免產生大的拉力，保持浮標體在海面的位置基本不變；在任務完成后，絞車反轉，拖動浮標體收回到潛艇。

4 結 語

潛用拋棄式有線浮標可作為應用平臺，根據不同的任務需求搭載相應功能的單元模塊，如對外發送信息的單元模塊、探測單元模塊、偵察單元模塊等，由潛艇施放后上浮到水面執行通信、探測、偵察等任務，通過連接導線與潛艇進行信息交互，從而既可滿足潛艇對外界信息的獲取要求，又保持了潛艇的水下隱蔽性。潛用拋棄式有線浮標的部分技術還與可回收式系留浮標技術類似，可進一步用于可回收式系留浮標的研制，因此具有較好的技術應用前景。

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Submarine wired disposable buoy and key techniques

LIU Rui-hai, XU Wen-tao, ZHANG Liang
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Submarine wired disposable buoy(SWDB) could be deployed to the surface to receive information by submerged submarine. In this paper, the function and components of SWDB are introduced; the key techniques and solution considerations are also presented.

wired disposable buoy；submarine；technique

TN967.1

A

1672 - 7619(2017)02 - 0137 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.027

2016 - 03 - 29；

2016 - 09 - 05

劉瑞海(1970 - )，男，高級工程師，研究方向為艦船武器系統。