一種水聲應答器的浮體設計?

（91388部隊96分隊 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下運動位置監(jiān)測的長基線水聲定位系統(tǒng)有兩種［1］，分別是浮標式和潛標式水聲定位系統(tǒng)。潛標式水聲定位系統(tǒng)由聲學應答器分系統(tǒng)、浮標中繼站分系統(tǒng)、基站分系統(tǒng)等三部分組成的。聲學應答器分系統(tǒng)負責水下目標位置的聲學測量；加裝了合作信標的水下被測目標在陣內(nèi)運動時，發(fā)射Pinger信號。聲學應答器中的水聽器接收到水聲信號，送往水聲信號處理系統(tǒng)進行處理，得到并記錄到達時刻與參考時刻的差［3］；主控計算機對布放的聲學應答器陣單元中的三個（或四個）潛標的數(shù)據(jù)采用球面交匯技術（或雙曲面交匯技術）解算出目標位置。當目標連續(xù)發(fā)射Pinger信號時，系統(tǒng)可測量出目標的三維運動軌跡［4］。

單個應答器工作狀態(tài)如圖（1）所示，此時應答器通過鋼纜與重物連接，錨于海底。收到釋放指令后，應答器脫開重物，由浮體或浮球帶動，上浮至海面，如圖（2）所示。

圖1 同步模式潛艇自導航工作態(tài)勢圖（4元陣元）

圖2 應答器工作及釋放狀態(tài)示意圖

本文主要討論的是淺海試驗中應答器在釋放上浮過程中，防止?jié)O網(wǎng)纏繞及應答器換能器磕撞采用環(huán)抱式浮體-浮力夾克設計［4］。

2 浮力夾克設計方案

在較淺水域使用應答器時，需要使用浮球提供浮力［5］。由于海底環(huán)境較為復雜，浮球容易被漁網(wǎng)掛住，降低應答器回收可靠性，所以考慮設計浮力夾克安裝于應答器外殼上。

浮力夾克為分瓣對稱式結構，中心為圓形與應答器外形配合，通過螺桿夾緊實現(xiàn)連接，兩端與應答器端部配合，防止軸向串動。浮力夾克內(nèi)部采用輕質(zhì)浮材，外表面涂覆致密防水層，具有韌性，防沖擊，降低吸水率。根據(jù)應答器所需浮力，對浮力夾克的尺寸進行設計［6］。其外形如圖3所示。

圖3 浮力夾克結構示意圖

此外，應答器安裝浮力夾克后，可在釋放上浮后實現(xiàn)自動翻轉(zhuǎn)功能，保證應答器換能器始終保持在水中，可在水面正常接收與發(fā)射信號，方便應答器回收。其工作狀態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 應答器釋放后翻轉(zhuǎn)示意圖

3 應答器姿態(tài)控制

應答器穿上浮力馬甲在海底工作時，受到浮力、重力、拉力、海流推力的綜合作用，整體潛沒于水下，受力狀態(tài)表現(xiàn)為潛體。潛體的浮心位于物體的形心，不因為傾斜而變化。

海流推力可忽略時，應答器受力狀態(tài)如圖5所示［7］，浮力B通過浮心b，垂直向上。重力G垂直向下，重心為g。纜繩的拉力T作用在下端，垂直向下。受力分析如下［8］：

圖5 應答器海底受力狀態(tài)A

考慮海流推力R時，應答器發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傾角為α，重心為g'點，浮心為b'點。纜繩拉力T'作用在下端o點［9］，傾角為β，推力R與軸線垂直，作用在形心r'［10］。如圖 6 所示。

圖6 應答器海底受力狀態(tài)B

垂直方向：

水平方向：

式中：B為浮力，N；CD為流阻系數(shù)；G為重力，N；D為物體尺度，m；T為拉力，N；μ為動力粘性系數(shù)，kg·m-1·s-1；R為海流推力，N；v為流速，m/s；ρ為流體質(zhì)量密度，kg·m-3；A為迎流面積，m2。

穩(wěn)定性分析：

浮力產(chǎn)生的恢復力矩：

應答器重力產(chǎn)生的傾覆力矩：

海流推力產(chǎn)生的傾覆力矩：

合力矩：

海流推力：

應答器釋放后浮出水面時，浮體與水面相交的平面稱為浮面，垂直浮面并通過重心的垂線稱為浮軸。當浮體處于平衡狀態(tài)時，浮心b和重心g均在浮軸上。當浮體轉(zhuǎn)動時，浮心將移到另一位置b，通過浮心b的浮力作用線將與原浮軸交于一點M，M稱為定傾中心。定傾中心M到原浮點b的距離ρ稱為定傾半徑，重心和原浮心的距離稱為偏心距e。

浮體的穩(wěn)定性取決于定傾中心M與重心g的位置關系。如果定傾中心M高于重心g，即ρ＞e，轉(zhuǎn)動后浮力和重力產(chǎn)生恢復力矩，浮體是穩(wěn)定的。反之，如果定傾中心M低于重心g，即ρ＜e，轉(zhuǎn)動后浮力和重力產(chǎn)生傾覆力矩，則浮體是不穩(wěn)定的。ρ=e為隨遇平衡。

釋放后，應答器上浮，處于浮體狀態(tài)。由于重心位于浮心之上，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖7 應答器浮體狀態(tài)穩(wěn)定性分析

經(jīng)過計算，以應答器艙筒的中心為基準點，應答器和浮力馬甲的整體重心約為7.4mm，浮心約為-54.7mm。當應答器在海流0.5節(jié)并姿態(tài)角約為15°時，定傾半徑ρ約為23.4mm，偏心距e約為62.1mm。如上圖所示，ρ＜e，應答器處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受傾覆力矩，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，換能器指向水下，符合設計要求。

4 試驗驗證

水下布放3套聲學應答器，船載分系統(tǒng)置于測量船上。在船載分系統(tǒng)對各聲學應答器進行測陣后，測量船在應答器陣內(nèi)某處停船漂泊。船載分系統(tǒng)周期性發(fā)射詢問信號，船載分系統(tǒng)檢測詢問信號和各應答器的應答信號，船載顯控分系統(tǒng)解算艇載發(fā)射換能器的大地坐標，并統(tǒng)計均方根誤差，統(tǒng)計次數(shù)100。分別進行了三種詢問應答模式和一種雙詢問雙應答模式下的系統(tǒng)定位精度測試，同時對應答器進行了釋放檢測，試驗結果顯示，浮力夾克在不影響水聲換能器的工作狀態(tài)下，上浮姿勢良好，完全符合設計要求。

圖8 測試試驗對比圖

5 結語

經(jīng)過理論分析和海上試驗證明，針對水聲應答器的浮力夾克設計是合理的，對后續(xù)的水聲工程實驗設計具有借鑒意義。