一種海上浮標(biāo)陣精確點位布放方法?

朱元林 徐國貴

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

在利用浮標(biāo)陣裝載水聲采集設(shè)備對水下目標(biāo)進行定位，以及對水下運動目標(biāo)軌跡跟蹤測量時，需要測量設(shè)備自身的位置能夠精確。在湖上或是其他內(nèi)陸水域，布放過程簡單，不需要考慮較大的水流影響，水中只拋入一定的重物，確保不隨風(fēng)漂移即可。然而在復(fù)雜的海域進行大范圍的定位、跟蹤目標(biāo)，浮標(biāo)陣的布放變得較為復(fù)雜。

海上實施浮標(biāo)陣的布放時，為了能夠固定，需要布放鐵錨錨住浮標(biāo)，構(gòu)成浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)。該系統(tǒng)在波浪以及海流等環(huán)境條件作用下，其動力響應(yīng)和錨泊線的載荷確定是一個較復(fù)雜的力學(xué)問題［1］。

文中根據(jù)單點系泊海洋浮標(biāo)動力的相關(guān)分析以及錨系設(shè)計，結(jié)合浮標(biāo)本身特性和實際中布放的經(jīng)驗，總結(jié)出海上浮標(biāo)陣布放方法，并通過海上驗證，證明了該方法的科學(xué)可靠性。

2 浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)受力理論計算

浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)懸浮在海面上的部分，受波浪和風(fēng)力較大，在海水下面部分受海流作用大，兩者之間又彼此相互作用。并且，由于海域的不同，波浪、海流相差很大。南海西邊界流最大流速范圍為30cm/s～67cm/s［2］，一般南海流速小于 2kn（1m/s），而在渤海海域一般大于2kn。

下面給出單點系泊系統(tǒng)系泊力F理論計算公式［3～5］：

式中：Fw、FC為風(fēng)力、水流力引起的船舶系泊力；vw、vc為風(fēng)速、水流速度（m/s）；A為縱向上受風(fēng)面積。Fdc為動水壓力，即形體阻力，又稱繞流力（kN）；Fsc為水流摩擦力，即摩擦阻力（kN）；kw為風(fēng)引起的船舶偏蕩運動時體形增大系數(shù)或稱風(fēng)偏蕩系數(shù)；kc為流引起的船舶偏蕩運動時體形增大系數(shù)或稱流偏蕩系數(shù)；kd為計算船體水下正投影面積時的船體流線折減系數(shù)，kd=0.6；kl為與船長有關(guān)的系數(shù)，偏于安全取 kl=0.01；Ad為船舶水下部分縱向投影面積（m2）；S為船舶浸水面積（m2）。

一般浮標(biāo)是桿狀，其所受的風(fēng)力、波浪作用力相對水流力小［6］，故而可以省略，只考慮水流力。浮標(biāo)與錨的連接采用的是尼龍繩，省卻了錨鏈的沉重。

3 錨重與沉塊的計算

錨重的選擇，是由錨的系留力與浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)受力決定的。錨的系留力是錨的抓力與錨鏈的摩擦力之和［7］，實際中沒有必要使用錨鏈，多采用尼龍繩，故而錨鏈與海底底質(zhì)的摩擦力不計入。錨的抓力P=Waλ，Wa是錨在水中的重力（乘以9.8N/kg），錨在水中的質(zhì)量為本身質(zhì)量乘以0.876，λ是抓力系數(shù)。

抓力系數(shù)由錨型、海底底質(zhì)、錨的抓底姿態(tài)、水深決定的［8］。小船和帆船使用的錨一般是海軍錨。海軍錨是一種有桿錨，錨桿和錨爪為一整體，錨爪固定不動。錨桿上有一固定的橫桿，橫桿與錨爪平面互相垂直。這種錨結(jié)構(gòu)簡單、抓重比大（錨產(chǎn)生的抓力與錨重之比），一般為4～8［9］。日式錨有雙爪，在錨冠處有橫桿，可以阻止錨爪的傾翻，具有穩(wěn)定的作用。它是日本漁船經(jīng)常用的一種錨型。

浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)一般采用小船用錨，比如海軍錨。海軍錨的抓力系數(shù)4～8，取值4作為選擇錨重的依據(jù)。

錨的抓力是在較理想情況下的值，實際錨的抓底姿態(tài)也是關(guān)鍵因素。一般船用錨，會采用錨鏈，錨鏈長于海深，在海底是拖底姿態(tài)，而試驗用的是尼龍繩，為了確保錨抓底是水平，需要在離錨一定距離處（2m～3m即可），在錨繩上加沉塊。沉塊重量的選擇與錨繩的繞流力有關(guān)，其受力分析如圖1。錨繩牽引力與重力反方向的夾角，由錨繩的長和水深決定。

圖1 沉塊受力分析

4 布放方法

4.1 布放前準(zhǔn)備

水聲數(shù)據(jù)采集設(shè)備的處理。浮標(biāo)上好水聲數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在其下端綁上負重（沉塊），目的在于保證設(shè)備豎直在海水中；沉塊的重量依據(jù)浮標(biāo)的浮力決定。

浮標(biāo)的處理。浮標(biāo)重心兩側(cè)，系上一根繩的兩端，便于起吊。提起繩的中部，此時繩與浮標(biāo)構(gòu)成一個三角型，那段繩簡稱三角繩。三角繩的高度，取決于船舷的高度。在起吊的時候，能夠用手拉緊三角繩，而浮標(biāo)依舊躺于水中，三角繩的長度以此標(biāo)準(zhǔn)為宜。若布放的船只有起吊設(shè)備，可以借助該設(shè)備，此時三角繩的高度不能過高，而達到起吊高度的極限。

錨繩長度選擇。錨繩長度的選取，取決于浮標(biāo)布放點精度的要求，和是否能提供足夠錨的抓力。水深在50m內(nèi)的，可以使用2～4倍的繩體。較深水，可以采用低倍數(shù)繩，但要確保錨的抓力能夠錨住浮標(biāo)。錨繩在鐵錨一端綁上沉塊，另一端通過浮球系于三角繩，綁上浮球的作用在于讓浮標(biāo)在布放點自由狀態(tài)漂浮。

4.2 布放

海上的布放，因為海況較湖水惡劣，布放船只平穩(wěn)性低，布放過程時刻需要注意人身安全。

拋下浮標(biāo)和采集設(shè)備。確定浮標(biāo)偏離錨的大概距離L（L與海深、錨繩長構(gòu)成直角三角形），在布放船接近錨點L距離時，可將浮標(biāo)連同水聲采集設(shè)備先布放下去。采集設(shè)備一般是較長的電纜，需要先布放于海中，留一定的空余長度，立即將浮標(biāo)（和浮球）布放下去，同時釋放水聲采集設(shè)備和浮標(biāo)。

拋下錨與沉塊。船行到錨點（布放點）時，將錨和沉塊布放下去，這時連接錨和浮標(biāo)的繩子，會隨錨的下沉和浮標(biāo)的漂浮拉動，浮標(biāo)的漂浮力拉動小，錨的下沉拉速快。錨的位置確定，浮標(biāo)會隨錨的錨定而回到布放點附近。

圖2 浮標(biāo)布放示意圖

圖3 浮標(biāo)錨泊姿態(tài)示意圖

5 海上驗證

浮標(biāo)陣布放方法的驗證是在南海海域進行，選用的錨繩直徑0.008m，水深100m，錨繩取1.5倍長，水聽器電纜長50m，直徑0.02m。南海海域水流速小于2kn（約為1m/s）。

圖4 浮標(biāo)布放圖

錨繩受的繞流力Fdc=0.246kN，水聽器電纜的繞流力Fdc=0.31kN，浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)受力為556N。選擇錨時，取錨的抓力為浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)受力1.2倍，錨抓力為667N，可以計算出錨的重量約為20kg。依據(jù)錨繩的繞流力和系統(tǒng)受力分析，可以計算出鐵錨處沉塊的重量為12kg。

按照布放前的準(zhǔn)備，以及布放的方法進行海上作業(yè)。整個過程，布放實施效率高，浮標(biāo)姿態(tài)好，浮標(biāo)陣位置精確，并未出現(xiàn)走錨現(xiàn)象，說明了這種布放方法的可靠性。

6 結(jié)語

海上浮標(biāo)陣精確點位布放方法，由單點系泊海洋浮標(biāo)動力理論，粗略計算浮標(biāo)陣所需要的錨繩長、錨重、沉塊重等錨泊參數(shù)；根據(jù)浮標(biāo)自由漂泊及實際情況需要，確定了浮標(biāo)的系法；聲學(xué)采集設(shè)備在海水中受流影響大，考慮測陣精度的要求，在其下端加入沉塊，確保豎直。布放中，根據(jù)浮標(biāo)海面漂泊位置偏離布放點的這段距離，采用了在航行接近布放點該距離時，提前布放浮標(biāo)，縮短了布放時間。該方法理論計算與實際操作經(jīng)驗相結(jié)合，并通過海上驗證說明了方法的科學(xué)與高效，為相關(guān)領(lǐng)域提供了布放實施的思路和依據(jù)。