深海多功能浮標(biāo)設(shè)計

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(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

目前“蛟龍?zhí)枴薄吧詈Ｓ率俊钡壬詈］d人平臺主要依靠水面支持母船，實現(xiàn)深海高精度定位，以及與岸基之間的遠(yuǎn)距離通信。但隨著深海載人平臺續(xù)航能力的提升，對其自主能力提出了更高的要求，不再依賴水面母船的支持。因此，深海載人平臺獨(dú)自在深海長時間航行作業(yè)期間，如何獲取高精度的位置信息和實現(xiàn)與外界信息的遠(yuǎn)距離交互，成為深海載人平臺的迫切需求。

為此，國外相繼發(fā)展了多種體制的多功能浮標(biāo)技術(shù)和裝備，基本途徑是在水下釋放搭載導(dǎo)航定位、通信、光電探測等多種傳感器的浮體，上浮出水面快速執(zhí)行任務(wù)后立即回收或拋棄。按照浮標(biāo)是否可重復(fù)使用，可分為消耗型浮標(biāo)和可回收型浮標(biāo)；按浮標(biāo)的連接方式，可分為有纜浮標(biāo)和無纜浮標(biāo)2種；按使用方式分主要有拋棄式浮標(biāo)、拖曳式浮標(biāo)和系留式浮標(biāo)3種[1]，見表1。

國外多功能浮標(biāo)在設(shè)計時，為提高深海載人平臺的隱蔽性，未采用聲學(xué)定位的方式進(jìn)行水下位置的精確校準(zhǔn)，因此浮標(biāo)雖能夠?qū)崿F(xiàn)自身高精度定位，但深海載人平臺無法獲得更為精確的水下位置。針對深海載人平臺的迫切需求，提出一種深海多功能浮標(biāo)的總體技術(shù)方案，以期實現(xiàn)深海載人平臺水下絕對位置的精確校準(zhǔn)，遠(yuǎn)距離的語音和數(shù)據(jù)通信。

表1 國外多功能浮標(biāo)技術(shù)特點[2-4]

1 深海多功能浮標(biāo)技術(shù)指標(biāo)對比

1.1 多功能浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)要求

多功能浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 多功能浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)[5]

1.2 有纜浮標(biāo)與無纜浮標(biāo)方案對比

有纜浮標(biāo)與無纜浮標(biāo)區(qū)別主要在于：深海載人平臺與多功能浮標(biāo)之間的數(shù)據(jù)傳輸及供電。

有纜浮標(biāo)優(yōu)點是深海載人平臺與多功能浮標(biāo)之間數(shù)據(jù)傳輸可靠，深海載人平臺能夠為多功能浮標(biāo)提供能源供給，能有效地減小多功能浮標(biāo)的重量和體積。其缺點是在深海載人平臺上需要增加收放多功能浮標(biāo)的絞車和電纜等設(shè)備，并且，由于多功能浮標(biāo)工作時，距離深海載人平臺有數(shù)千米的距離，多功能浮標(biāo)與深海載人平臺之間的電纜可能會對深海載人平臺的水下安全產(chǎn)生影響，同時浮標(biāo)也可能無法正常工作。

因此，為保證深海載人平臺水下航向作業(yè)的安全，以及減輕深海載人平臺總體負(fù)擔(dān)，初步考慮采用無纜浮標(biāo)的方案。

2 多功能浮標(biāo)總體技術(shù)方案

2.1 多功能浮標(biāo)組成

多功能浮標(biāo)主要由控制主機(jī)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲學(xué)應(yīng)答器、能源供應(yīng)系統(tǒng)、測量傳感器、設(shè)備艙、安裝固定裝置等組成[6]，見圖1。

1)系統(tǒng)控制主機(jī)。系統(tǒng)控制主機(jī)用于深海載人平臺遙控多功能浮標(biāo)中各設(shè)備的啟停，以降低多功能浮標(biāo)各設(shè)備的功耗，控制主機(jī)平時處于休眠狀態(tài)，通過用聲學(xué)應(yīng)答器對其喚醒開始工作。它通過聲學(xué)應(yīng)答器接收深海載人平臺發(fā)送的遙控指令及發(fā)送相關(guān)信息到深海載人平臺。

2)衛(wèi)星通信定位設(shè)備及天線。衛(wèi)星通信定位設(shè)備及天線用于深海載人平臺水下作業(yè)時與支持母船或岸基之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及接收全球定位數(shù)據(jù)以確定多功能浮標(biāo)的絕對定位坐標(biāo)。天線安裝在多功能浮標(biāo)上，工作時要求浮在水面以上；收發(fā)主機(jī)則安裝在設(shè)備艙內(nèi)，二者之間通過水密電纜相連實現(xiàn)微波通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的啟停由控制主機(jī)控制。

3)聲學(xué)應(yīng)答器。聲學(xué)應(yīng)答器主要建立多功能浮標(biāo)與深海載人平臺之間的通信，同時確定多功能浮標(biāo)相對于水下深海載人平臺的相對位置。聲學(xué)應(yīng)答器包括控制主機(jī)和換能器兩部分。

4)高性能鋰電池。高性能鋰電池主要為多功能浮標(biāo)上的設(shè)備進(jìn)行供電。蓄電池量應(yīng)不小于60 Ah，因此選用軟包裝的24 V、20 Ah動力鋰電池三組并聯(lián)使用。

鋰電池組統(tǒng)一或單獨(dú)安裝在設(shè)備艙內(nèi)，鋰電池組使用過程中的狀態(tài)通過多功能浮標(biāo)主機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到水下深海載人平臺。

5)其他設(shè)備。其他設(shè)備為可選設(shè)備，主要包括物化傳感器和CTD傳感器。主要用于在多功能浮標(biāo)的上浮過程中，對海洋物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行剖面測量。

2.2 多功能浮標(biāo)工作原理

按照對多功能浮標(biāo)的功能需求，與多功能浮標(biāo)相關(guān)的整個系統(tǒng)分為多功能浮標(biāo)、深海載人平臺和母船或岸基三部分，其工作原理如圖2所示。多功能浮標(biāo)與深海載人平臺不通過電纜連接，二者之間主要使用水聲信號進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，工作時多功能浮標(biāo)由深海載人平臺水下釋放，多功能浮標(biāo)被釋放后依靠自身浮力浮到海面后開始建立通信鏈路，多功能浮標(biāo)把所接收到的水聲信號變成微波信號。通過通信衛(wèi)星實現(xiàn)與母船或岸基之間的通信，還可以接收定位衛(wèi)星信號以確定其在水面位置，然后深海載人平臺通過水聲定位或位置推算的方法在水下對其導(dǎo)航定位位置進(jìn)行校準(zhǔn)。多功能浮標(biāo)工作完成后水面母船或深海載人平臺通過作業(yè)潛器等方式回收。

3 浮標(biāo)橫搖性能分析

3.1 浮標(biāo)在靜水中的自由橫搖

假設(shè)浮標(biāo)在靜水中自由橫搖，忽略其阻尼力矩，只考慮慣性力矩和恢復(fù)力矩，則可計算浮標(biāo)自由橫搖的近似固有頻率nφ

(1)

式中：D為浮標(biāo)排水量；h為浮標(biāo)初穩(wěn)心高；Jφφ為浮標(biāo)轉(zhuǎn)動慣量；ΔJφφ為浮標(biāo)附加轉(zhuǎn)動慣量。

由式(1)可得浮標(biāo)自由橫搖的近似固有周期Tφ為

(2)

由式(2)可見，浮標(biāo)作小角度橫搖時，其橫搖固有周期同橫搖角的大小及持續(xù)時間無關(guān)，僅僅取決于浮標(biāo)的排水量，初穩(wěn)心高及轉(zhuǎn)動慣量。

實踐表明轉(zhuǎn)動慣量對橫搖固有周期不很敏感，因此通常采用杜埃爾公式[7-9]進(jìn)行估算。

(3)

式中：g為重力加速度；B為浮標(biāo)直徑；zg為浮標(biāo)重心距基線的高度。當(dāng)h>0.15 m時，依據(jù)式(2)、式(3)可得

(4)

當(dāng)h<0.05 m時，

(5)

式中：φmax為最大橫搖角；r為橫穩(wěn)心半徑。

當(dāng)0.05≤h≤0.15 m時，可取式(4)、式(5)兩式計算結(jié)果的平均值。

3.2 浮標(biāo)在規(guī)則波中的橫搖運(yùn)動

浮標(biāo)在波浪上的橫搖運(yùn)動，歸結(jié)為分析計算浮標(biāo)在波浪上橫搖運(yùn)動的受力，并建立和求解的橫搖運(yùn)動方程。

浮標(biāo)橫搖主擾動力矩的計算，可根據(jù)傅汝德關(guān)于船在正橫波中的橫搖經(jīng)典理論[9-11]，假定：

1)作用于浮標(biāo)上的規(guī)則波是穩(wěn)定的平面進(jìn)行波。

2)浮標(biāo)的存在不影響波浪質(zhì)點運(yùn)動。

3)浮標(biāo)處在正橫波上，其直徑、吃水與波長比較是很小的。

4)不考慮阻尼及附加質(zhì)量影響。

如圖3所示，假設(shè)浮標(biāo)在正橫波中的一個瞬時狀態(tài)，它傾斜一個角度φ，水的作用力矩為

(6)

式中：α為波面角；h為初穩(wěn)心高。

假設(shè)附加質(zhì)量和阻尼力矩很小，可以忽略[12]，且在小角度橫搖時,

(7)

式中：Jθθ為浮標(biāo)本身轉(zhuǎn)動慣量；Dhφ為浮標(biāo)橫傾角φ引起的恢復(fù)力矩；Dhα為波浪主擾動力矩。

整理(7)可得

(8)

式中：Tφ為浮標(biāo)橫搖的近似固有周期；Tα為波浪周期。

當(dāng)自由阻尼橫搖振幅衰減為0時，浮標(biāo)最大橫搖角為

(10)

式中：H為波高；L為波長。

3.3 多功能浮標(biāo)橫搖仿真驗證

浮標(biāo)在波浪中的橫搖性能與浮標(biāo)橫搖的固有周期和波浪周期有關(guān)。

由式(4)可知，浮標(biāo)橫搖的固有周期與浮標(biāo)直徑B、浮標(biāo)重心距基線的高度zg以及浮標(biāo)初穩(wěn)性高h(yuǎn)有關(guān)。浮標(biāo)在設(shè)計時，可減小浮標(biāo)直徑，降低浮標(biāo)重心位置。

浮標(biāo)重心為

(11)

將表3中浮標(biāo)設(shè)備的重量及尺寸代入式(11)中，可得浮標(biāo)重心距基線的高度zg約為0.21 m。

多功能浮標(biāo)需要在5級海況正常工作，為保證其定位和通信質(zhì)量，要求其橫搖角不大于10°。

經(jīng)查閱海上標(biāo)準(zhǔn)可知，5級海況平均波高H

表3 多功能浮標(biāo)主要設(shè)備參數(shù)統(tǒng)計表

為1.311 m，平均波長L為30.18 m，波浪周期Tα為5.4 s，則多功能浮標(biāo)橫搖角度隨其固有周期的變化規(guī)律如圖4。

由圖4可見，為保證多功能浮標(biāo)具有較小的橫搖角度，則其固有周期應(yīng)盡量避開波浪周期。

多功能浮標(biāo)的總重量約為55.3 kg，則浮標(biāo)的排水體積D為0.054 m3，浮標(biāo)穩(wěn)心距基線的高度為zB，則橫穩(wěn)心半徑為

(12)

(13)

由式(4)、式(5)可繪制出多功能浮標(biāo)固有周期隨浮標(biāo)直徑的變化值，見圖5。

由圖5可見，多功能浮標(biāo)直徑選擇時，應(yīng)避開共振區(qū)，即B應(yīng)盡量遠(yuǎn)離0.5～0.6 m。

綜合考慮多功能浮標(biāo)直徑為0.3 m，浮標(biāo)穩(wěn)心距基線的高度zB為0.38 m，初穩(wěn)心高h(yuǎn)為0.16 m，在5級海況的最大橫搖角φmax為8.29°，浮標(biāo)橫搖角符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

深海多功能浮標(biāo)具有體積小、重量輕、易搭載等特點，適合大部分深海載人平臺，有利于提高其水下高精度定位、遠(yuǎn)距離通信以及遇險救生通信的能力，為深海載人平臺水下導(dǎo)航和通信提供了新的手段。

后續(xù)將對圓柱形深海多功能浮標(biāo)在不規(guī)則波中的橫搖性能進(jìn)行分析和仿真，進(jìn)一步優(yōu)化深海多功能浮標(biāo)的直徑，并在水池中對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證，以使其在5級海況下具備最優(yōu)的橫搖性能。

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