一種半自由水下攔截網性能研究

宋君才，閆 崢

(1. 海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室，上海 201108；2. 水聲對抗技術重點實驗室，上海 201108)

0 引 言

網是一種常見的水下作業工具，從漁業到環保，都有其廣闊的用武之地。其一種重要的作用就是攔截，如漁網即是對進入網體的魚的一種攔截，而環保中也常常利用網來對漂浮或淺沒的固體垃圾實施攔截。推而廣之，在水下作戰中，也可以利用同樣的理念進行應用方面的探索。

即使是看似平靜的水面，其下也可能有波濤的洶涌，特別是海上作業時。作為一種自由/半自由的網體，在水下的姿態變化將大大影響需要其有效攔截面積來表征的攔截效能。

本文首先研究水流和波浪對半自由網體水下姿態的影響，并對其攔截特定目標的性能進行仿真和試驗研究。其結果對其使用可望起到一定的參考作用。

1 半自由柔性網動力學仿真結果

本文的研究對象是一種帶浮體氣囊和配重的半自由柔性網體。本節將對其動力學建模及計算方法進行系統研究。

網的動力學建模研究包括網衣和浮體氣囊的建模；計算方法研究包括網衣簡化方法和動力學模型數值求解方法[1–6]。課題研究前期的仿真成果已在文獻[7]中表述。為下一部分試驗對比，此處列出其結果。

1.1 網的物理模型

網衣由普通錦綸線制成，尺寸為20 m×10 m，具體由2根長為10 m的復合氣囊組成。單個復合氣囊空氣中質量為23 kg（配重為5 kg，在底端均勻分布；網衣為3.9 kg；氣囊14.1 kg），網格尺寸為10 cm×10 cm。

1.2 仿真條件

采用網目群化算法簡化得等效網衣參數如表1所示。仿真時間步長設定為1/5 000 s，總仿真時間為10 s。忽略攔截網充氣展開過程，設定攔截網t=0 s時刻初始狀態處于y=0的縱向全展開狀態，對1 kn水流作用下攔截網隨時間推進的形變過程進行動力學仿真。

表1 等效網衣參數Tab. 1 Equivalent net parameters

1.3 仿真結果及分析

圖1為速度是1 kn水流作用下網的形變仿真結果。仿真時間間隔為0.1 s（取2幅）。

圖2為網的投影面積隨時間變化曲線。

綜上仿真結果可以看出，水流作用于網時，約初始1 s內網衣有一定曲變，隨著時間推進，網衣曲變逐漸減小，約2 s后基本保持穩定形態隨水逐流，約4 s后網衣投影面積基本恒定，約為173 m2。

2 水流下網的動力學水池試驗

2.1 試驗條件

圖3為具有造波造浪功能的試驗水池示意。

相關試驗條件和設備參數如下：

1）水池幾何尺寸長50 m，寬40 m，深10 m；

2）模擬風速最大10 m/s；

3）模擬浪高最大0.3 m；

4）模擬海流最大0.4 m/s（全水池造流，表面最大0.2 m/s，水底略低）；

5）網上邊長6.5 m，下邊長6.3 m，網格線長約6.8 m，側邊長3.2 m，網格線長約3.5 m。面積約為22.4 m2。

2.2 試驗布置

試驗布置如圖4所示。

攝像機掛在行車上，隨行車移動。攝像頭1，2，3拍攝網的豎直邊，攝像頭4，5，6，7，8拍攝網的底邊。攝像機1，3間隔為1.1 m；攝像頭4～8距離水下為3.2 m，間隔為1.6 m。試驗時利用行車的移動，使攝像機拍攝到網的水下姿態。

2.3 試驗過程及結果分析

2.3.1 試驗過程

開啟水池造流系統，參數調節至水池最大能力，至狀態穩定，釋放攔截網至自由狀態。

網隨著流的方向按一定的速度漂移，調整行車的位置和速度，使懸掛在航車上的攝像頭可以清晰地拍攝到攔截網的水下姿態，拍攝流的作用下網的水上、水下姿態。當行車至水池的邊緣，拉回攔截網，重復測量。

2.3.2 試驗結果及分析

通過攝像機角度校正及多攝像機結果拼接，得到網在水流作用下的形態圖像，如圖5所示。

網的等效截面如圖6所示。

近似等效為2個梯形和1個三角形。按比例尺計算2個配重邊緣點距離為5.7 m，2個拐點的距離為5.4 m。計算得到網的截面積為S=19.3+1.7+0.3=21.3 m2。

比例與仿真計算相當。

3 網體攔截性能仿真研究

本節針對特定運動目標遂行攔截功能的攔截網性能開展仿真研究。

3.1 仿真研究對象

3.1.1 攔截網

攔截網的相關參數如下：

材料尼龍；

楊氏模量2 GPa；

網線直徑1 mm；

密度1.15 g/cm3；

配重0.5 kg/m，均布；

上邊框浮標固定。

3.1.2 運動體

高速運動體模型參數如下：

材料鋁合金；

回轉體外徑533 mm；

長度7.8 m；

重量1 600 kg；

速度25.7 m/s（50 kn）。

3.2 仿真結果及分析

仿真態勢：運動體垂直撞擊網的中心。

圖7為撞擊過程中運動體速度變化。

可見，撞擊發生后，運動體速度下降可以忽略。

圖8為撞擊過程示意。

圖8為截取仿真動畫0.5 s時的一幀。可見，運動體高速打穿網體。

綜合圖7和圖8，可見在這種態勢下，由于運動體高速運動沖量極大，網體幾乎達不到攔截效能。

選擇不同的撞擊點位置和角度，結果類似。

因此，為提升攔截效能，需要對網體參數進行修正。簡單考慮采用更粗的網線，仿真結果表明，網線直徑達到1.9 mm時，將能包裹運動體，兩者作為一個統一的運動體繼續行進。

如圖9為網線直徑為2 mm的網體的攔截效能。

4 網體攔截性能水洞試驗

由于試驗條件所限，首先開展了水洞模擬試驗。

圖10為試驗用水洞照片及其工作段試驗配置示意。

根據水洞的具體尺寸及安裝要求，實驗中網具的尺寸如下：H=110 mm，L=200 mm，a=10 mm；利用乒乓球模擬運動體。利用高速攝像機進行拍攝，試驗照片如圖1所示。

根據試驗條件，對不同水速（模擬運動速度）下的撞擊過程進行。具體速度分別為1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s。

試驗結果與仿真結果比較見表2。

表2 實驗記錄表Tab. 2 Experiment results

可見，在可擬的縮比條件下，試驗結果與仿真結果相當。

5 攔截網應用思路

以上對水下半自由柔性網體的動力學性能和攔截性能進行了仿真和試驗研究。進一步的試驗正在構思，以得到進一步的結論。

在水下戰中，使用攔截網對敵來襲武器進行攔截，也將是一種可選的對抗方式。

圖12給出了一種可能的水面艦艇使用攔截網對抗來襲尾流自導魚雷的方案[5]。

配以其他對抗措施，將大大增加水面艦艇對抗來襲魚雷的成功概率。

6 結 語

本文針對柔性網體在水下受水流作用姿態變化問題開展研究，重點是考察其形變以及由此帶來的有效面積的變化過程。同時對網體攔截運動體的過程進行了仿真和縮比試驗研究，證明了理論分析和仿真的有效性。在此基礎上，提出了攔截網應用于水下戰的可能思路。

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