尾部阻尼模塊提高拖體拖曳穩(wěn)定性的應(yīng)用

郭 鵬，朱張立

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，杭州 310012）

0 引言

拖體是安裝光學(xué)、聲學(xué)和其他探測傳感器的水下集成平臺[1-3]。水下探測設(shè)備的廣泛使用和發(fā)展，我國海洋探測技術(shù)也在不斷迎來新的突破，水下拖體的發(fā)展也迎來了新機遇。聲吶拖體中搭載了越來越多的精密儀器，這些儀器設(shè)備對拖體都有相應(yīng)的拖曳穩(wěn)定性指標(biāo)要求，因此拖體的拖曳穩(wěn)定性成為了保證這些精密儀器正常發(fā)揮其工作性能的重要前提之一。目前高端探測設(shè)備一般要求拖體在其拖行過程中的偏航角小于3°，俯仰小于5°。隨著設(shè)備拖體的拖曳穩(wěn)定性提出的要求越來越高，拖體的設(shè)計難度也隨之大大增加。

目前，提高拖體拖曳穩(wěn)定性主要方式[4-7]：（1）設(shè)計時盡可能降低拖體重心、抬高浮心、增大水中凈重，以增大拖體的縱傾靜恢復(fù)力矩和橫傾靜恢復(fù)力矩；（2）將拖體外形設(shè)計成流線型，以減少拖體外形成不穩(wěn)定的流體力；（3）安裝調(diào)整翼來平衡姿態(tài)。大多數(shù)情況下以上方法都行之有效，但實際情況中仍存在拖體外形加工不對稱、調(diào)整翼效果不足等情況最終可能導(dǎo)致拖體拖曳穩(wěn)定性不滿足使用要求的情況，此外由于拖體在高速拖曳時，拖體拖速的不同和姿態(tài)的改變會形成不平衡水動力，也會使得拖體的姿態(tài)變得不穩(wěn)定。因此需要找更多提高拖體拖曳穩(wěn)定性的方法。

尾部阻尼模塊是一種具有零浮力、耐海水腐蝕、方便拆裝操作等優(yōu)點，可以提供一定阻力的外掛模塊，本文提出并探討將尾部阻尼模塊作為拖體拖曳穩(wěn)定性提高手段的可行性。

1 拖體拖曳穩(wěn)定性

為了探討尾部阻尼模塊在拖體拖曳穩(wěn)定性提高上的應(yīng)用，首先要了解如何判斷拖體是否具有良好的拖曳穩(wěn)定性，然后分析哪些因素影響了拖體拖曳穩(wěn)定性。

1.1 判定方法

參照潛艇運動穩(wěn)定性的研究方法[8]，判斷拖體在某平衡位置是否穩(wěn)定的方法：給拖體瞬時小擾動，使拖體偏離原平衡狀態(tài)，然后看物體是否能自行回到原來的平衡狀態(tài)，如果能回到未受擾動時的狀態(tài)，則此平衡位置相對于這種微擾動來說是穩(wěn)定的，相反則是不穩(wěn)定的。拖體運動穩(wěn)定性主要研究拖體角度變化，因此主要通過流體力的力矩的作用趨向即可判斷拖體運動穩(wěn)定性。

1.2 影響因素

拖體在水中拖曳時，外部流的擾動或加工的不對稱性引起拖體與航向之間的偏轉(zhuǎn)角，該偏轉(zhuǎn)角的作用使得流動時產(chǎn)生對拖體的側(cè)向力[9]。側(cè)向力的作用使得拖體往航行一側(cè)運動，并且該側(cè)向力引起的偏轉(zhuǎn)角由增加的阻力平衡。由于一般的拖體阻力作用點位于拖點后較近位置，力臂較短，產(chǎn)生的力矩不足以立即使得拖體恢復(fù)正向航行，拖體在側(cè)向力加速度的作用下產(chǎn)生整體偏航和橫傾。拖體產(chǎn)生的偏航和橫傾主要依靠重力來進(jìn)行平衡，拖體的設(shè)計中會在拖體主體尾部布置的垂直尾翼來增加拖體在受到擾動時的糾偏能力。

1.3 保證手段

良好的拖體拖曳穩(wěn)定型首先依賴于成熟的系統(tǒng)設(shè)計方法。為了拖體高速拖曳時擁有良好姿態(tài)和穩(wěn)定性，拖體通常為左右舷對稱的設(shè)計，拖體設(shè)計完成后，計算拖體的重力、重心、浮力、浮心，及其水中靜置時姿態(tài)角度，當(dāng)靜姿態(tài)角不滿足要求時，則通過增加重塊或浮塊來調(diào)節(jié)[10-12]。低速拖體主要考慮拖體質(zhì)量與拖點的配置關(guān)系，高速拖體主要考慮自身外形和增加水動力部件。通過流體力學(xué)計算模擬拖體的水流作用力隨拖體航行角度的變化，得出拖體水動力作用中心的位置。對于受所安裝設(shè)備的限制，高速拖體的主要外形并非呈軸對稱回轉(zhuǎn)體特征的部分高速拖體，水流作用力的合力作用點隨著拖速的波動和姿態(tài)的變化而移動，形成不平衡水動力，使得拖體的俯仰角變得不穩(wěn)定。設(shè)計中會在此類拖體上安裝調(diào)整式翼舵來改進(jìn)姿態(tài)。

2 尾部阻尼模塊應(yīng)用分析

首先通過理論分析尾部阻尼模塊是否具有改善拖體拖曳穩(wěn)定性的作用，并通過應(yīng)用驗證尾部阻尼模塊對拖體拖曳穩(wěn)定性的提高的實際效果。

參照參照潛艇平面運動假設(shè)，將拖體的空間運動分解成垂直和水平兩個平面運動[10]。建立兩個坐標(biāo)系，一個坐標(biāo)原點O′為拖體重心，x′方向指向拖體尾部，y′方向指向拖體左舷，z′方向垂直向下的全局坐標(biāo)O′-xy′z′。一個坐標(biāo)原點O為拖點，X方向指向拖體首部，y方向指向拖體右舷，z方向垂直向下的拖體動坐標(biāo)系O-xyz。水動力在坐標(biāo)系O′-x′y′z′上力的投影分別為X′、Y′、Z′，力矩的投影分別為K′、M′、N′。對于拖體的運動中所受的力、力矩參照流體力學(xué)習(xí)慣分別采用以下符號：拖體相對地球的速度為V，V在O-xyz坐標(biāo)系上的投影為縱向速度u，橫向速度v，垂向速度w；拖體以角速度Ω，Ω在O-xyz坐標(biāo)系上的投影為縱傾角α，偏航β，橫傾角γ；所受流體力F，縱向力X，橫向力Y，垂向力Z， 力矩M，橫傾力矩K，縱傾力矩M，偏航力矩N。尾部阻尼模塊產(chǎn)生拉力T在O-x′y′z′坐標(biāo)系上的投影為T′，尾部阻尼模塊懸掛點坐標(biāo)（a，b，c）。當(dāng)a＜0、b=0、c=0 時，尾部阻尼單元產(chǎn)生的沿拖體與前進(jìn)方向相反的拉力T，阻尼模塊力產(chǎn)生額外的俯仰力矩為MT=T× sinα×a，阻尼單元拉力產(chǎn)生的額外的偏航力矩為NT=T× sinβ×a，此時：

其中，lα、hα分別為增加尾部阻尼模塊后垂直面水動力中心在xOz坐標(biāo)系中x、z的坐標(biāo)值，hα可取為拖體主體形心的高度。則有：

水平面水動力中心計算時，需要計算出產(chǎn)生微小偏航角β時由主體、尾翼共同產(chǎn)生的縱向力X、偏航力Y、偏航力矩N。則有：

其中，lβ是水動力中心在xOz坐標(biāo)系中x的坐標(biāo)值，則有：

經(jīng)過推導(dǎo)并與文獻(xiàn)對比可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在拖體的拖點后正后方增加尾部阻尼模塊后，縱傾恢復(fù)力矩和偏航恢復(fù)力矩比不加裝尾部阻尼模塊時更大，并且垂直面和水平面水動力中心都會向后移動。證明此時拖體的縱傾、航向會趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 尾部阻尼模塊提高拖體拖曳穩(wěn)定性應(yīng)用

某水下探測拖體受收放設(shè)備拖曳力和裝船空間的限制要求長度不大于1 500 mm，寬度不大于510 mm，空氣中質(zhì)量不大于120 kg。對探測拖體姿態(tài)穩(wěn)定性要求：航向、縱搖、橫搖均方根值不大于2°，瞬時縱搖、橫搖和偏航不大于±3°（6 節(jié)勻速直航條件）。按照設(shè)計要求，項目組設(shè)計了一款拖體，對其三維模型進(jìn)行了流體力學(xué)仿真計算，仿真計算表明當(dāng)拖體發(fā)生俯仰或偏航情況時，流體力的力矩的作用趨向使攻角或偏航角趨向于0。最終加工完成的拖體長度1 500 mm，寬度510 mm，空氣中質(zhì)量118 kg，水中凈重15 kg。拖體外形如圖1所示。

圖1 探測拖體外形

在拖體完成加工后，項目組進(jìn)行了拖體拖曳穩(wěn)定性試驗，在平靜水面6 節(jié)勻速直航條件下采集拖體航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，最終取得數(shù)據(jù)為拖體的平均縱搖值為-3°，平均橫搖值為15°，平均偏航值為7°，縱搖均方根值為1.3°，橫搖均方根值為1.2°，偏航均方根值為2.4°，拖體姿態(tài)穩(wěn)定性較差，遠(yuǎn)不能滿足指標(biāo)要求。經(jīng)過一系列比對試驗和分析發(fā)現(xiàn)拖體拖曳穩(wěn)定性差的原因：拖體外殼左右加工的不對稱導(dǎo)致拖體左側(cè)所受壓力小于右側(cè)而使拖體產(chǎn)生了一個向左的側(cè)向滑動，水中凈重15 kg導(dǎo)致重力的恢復(fù)力矩不足，加之垂直尾翼的產(chǎn)生的水動力顯然不足以產(chǎn)生足夠大的使拖體“回正”的力矩，最終在拖體重力、拖體浮力、流體力和拖纜拉力達(dá)到相對平衡后，拖體拖曳姿態(tài)以偏航和橫傾的拖曳姿態(tài)向前運動。

根據(jù)第2節(jié)所述，拖體拖點后方增加尾部阻尼模塊可以起到增加拖體恢復(fù)力矩的作用，起到改善拖體拖曳穩(wěn)定性的效果。項目組設(shè)計了一款尾部阻尼模塊，該阻尼模塊長度為3 m（含繩），最大直徑15 cm，6 節(jié)航速下可產(chǎn)生阻力10 kg。將尾部阻尼模塊掛在拖體拖點后方0.8 m 處。經(jīng)理論推算6節(jié)航速下當(dāng)拖體發(fā)生10°俯仰時，尾部阻尼模塊額外的俯仰恢復(fù)力矩約13.6 N·m，當(dāng)拖體發(fā)生10°偏航時，尾部阻尼模塊額外的偏航恢復(fù)力矩約13.6 N·m。

圖2 尾部阻尼模塊

對加裝尾部阻尼模塊的拖體按照原拖曳條件再次進(jìn)行試驗并采集拖體航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，取得數(shù)據(jù)為拖體的平均縱搖值為-3.2°，平均橫搖值為4.8°，平均偏航值為3.5°，縱搖均方根值為1.8°，橫搖均方根值為1.5°，偏航均方根值為1.3°，拖體姿態(tài)穩(wěn)定性對比未增加尾部阻尼模塊狀態(tài)有了大幅提高，但是仍不能很好地滿足探測拖體姿態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)要求。試驗驗證了尾部阻尼模塊有很好的提高拖體拖曳穩(wěn)定性的可行性。

項目組隨后使用了更大阻力的尾部阻尼模塊安裝在拖體的相同位置再次進(jìn)行相同拖曳條件的拖曳試驗。測得拖體姿態(tài)為平均縱搖值為-1.2°，平均橫搖值為1.3°，平均偏航值為0.8°，縱搖均方根值為0.8°，橫搖均方根值為0.9°，偏航均方根值為0.7°，拖體姿態(tài)穩(wěn)定性對比未增加尾部阻尼模塊狀態(tài)有了大幅提高，可以滿足探測拖體姿態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)要求。不同狀態(tài)的拖體拖曳姿態(tài)對照如表1所示。

表1 拖體拖曳姿態(tài)對照表

4 應(yīng)用效果

根據(jù)試驗驗證取得的結(jié)果驗證了加裝大阻力尾部阻尼模塊的拖體可以達(dá)到拖體拖曳穩(wěn)定性設(shè)計要求，項目組最終確定了拖體加裝尾部阻尼模塊來提高拖體的拖曳穩(wěn)定性方案。在拖體后續(xù)實際使用中取得了很好的效果。

5 結(jié)束語

通過理論分析，得出尾部阻尼模塊能增加拖體的俯仰恢復(fù)力矩和偏航恢復(fù)力矩并使拖體的垂直面和水平面水動力中心后移從而提高拖體拖曳穩(wěn)定性的作用的結(jié)論。將使用尾部阻尼模塊作為提高拖體拖曳穩(wěn)定性的手段進(jìn)行了實物驗證，獲取了有價值的試驗結(jié)果，證明了尾部阻尼模塊有提高拖體拖曳穩(wěn)定性的作用。驗證過程中還發(fā)現(xiàn)尾部阻尼模塊操作簡便，成本低等優(yōu)點，認(rèn)為尾部阻尼模塊在提高拖體拖曳穩(wěn)定性方面具有很好的推廣應(yīng)用前景。今后的研究中，可以繼續(xù)開展尾部阻尼模塊和拖體的匹配設(shè)計，使得尾部阻尼模塊可以發(fā)揮更大作用。