半潛載體的耐波性和浮態穩性研究

張睿

摘 要：一般深海探測的方式上都存在重心不足的問題，電磁波在水里的衰減速度非常高，因而，聲波探測成為偵查水下物體最為廣泛的手段。現在戰爭中，蛙人是弱勢一方獲得不對稱優勢的重要手段，各國海軍都大力發展蛙人特種部隊，在抗美援越戰爭中，北越蛙人據稱取得了極大的戰果，據稱擊沉美帝和南越近千艘船只。因此，作為海軍強國都對如何對抗蛙人襲擊有著很大的軍事需求，這方面首要的軍事需求就是如何知道蛙人靠近。作為水下探測的第一有用手段——聲吶必然在蛙人探測方面有著自己極大的用武之地。該文采用動力和浮力概算得出最優解決方式，該系統從耐波性和浮態穩性等方面進行了研究，通過聲吶探測的方式實現了自主式半潛反蛙人探測。

關鍵詞：半潛載體 耐波性 浮態穩性

中圖分類號：U695.26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0041-01

1 聲吶的概況

聲吶實際上就是通過聲波來對水下目標進行實際的定位與探測，其最初被英國海軍劉易斯·尼克松于1906年發明，用于偵測冰山。為了能夠滿足距離的探測與識別的要求，主動聲吶開始轉向發展為被動聲吶，繼而發展成為低頻和大孔徑聲吶。執行海床探測任務的聲吶可以探測到15000 m甚至更深的水域的動靜。目前常用的聲吶傳感器如圖1所示。

探測方式主要分為球型和柱型兩種，球型聲吶的特點主要是方向性好，可以通過改變基陣的相位來控制聲吶的掃描方向和距離。缺點是體積大，能耗也大，技術含量高，而且造價也高，目前主要裝備在核潛艇上。而柱型聲吶沒有球型的探測距離遠，回波的方向性和強度也沒球型的好，但是其技術含量低，體積小。造價低，主要裝備在常規潛艇上。該文中所研究的模型主要采用被動聲吶中的柱型聲吶。

2 載體的整體構造

整個載體外形為降落傘形狀，這種構造上面是弧面，可增大接收面積，下面為圓錐，在移動的時候相對阻力較小。載體的內部共由五部分組成，由下至上分別是電矢量推進裝置，電池，GPS接收機，聲吶反射面，天線。天線是聲吶被動發出波動的裝置，是探測蛙人的主要設備，對天線的保護尤為重要。為確保天線的信號接收，經過壓力測試后，決定采用玻璃鋼罩。而聲吶的反射面是單方面反射，因此將其按照玻璃鋼罩的弧度鋪設在天線下以增大接收面積。此外為確保投放載體的穩定性并盡可能的節約資源，半潛載體之間采用三角形的連接方式。

3 半潛載體的耐波性研究

一般探測方法依賴于聲學傳遞浮標和水下運載體相對位置的信息，需要事先設置水聲基陣，作業區域有限，受海洋和氣象條件影響較大，水面船舶保障任務重，且作業效率較低，測量工序繁瑣耗時，且難以滿足水下運行器大范圍快速作業需求。現有的水下定位技術，根據是否需要設置聲基陣，分為水聲定位技術和激光聲遙感技術兩大類。目前普遍使用系統為長基線、短基線和超短基線等水下聲定位系統。但由于這些系統在布設、校準等方面都比較困難，費時耗資，靈活性差，不能機動，作用范圍有限，不能滿足水下定位的需求。而半潛載體體積相對較小，采用電矢量推動裝置，在風浪較大的海面具有更強的適應性。整個系統重心低，耐波性較強。

4 半潛載體的浮態穩性研究

關于半潛載體的浮態穩性研究我們采用了兩種方法，第一種是離散組合法，我們將半潛載體離散成基本的體素單元，借助AutoCAD平臺進行建模，運用面向對象的方法和AutoCAD提供的Object ARX二次開發工具，對半潛載體在不同水線面下進行靜水力要素的計算，然后進行組合，求得浮體的靜穩性曲線。同時，引入傾斜角的概念，通過求取不同排水量下的穩性曲面，可以得到不同吃水、不同水線面下的穩性曲線。第二種則是表面壓力法，這種方法受啟發于流體動力學中的有限元思想，是把浮體表面采用三角形剖分技術對曲面進行分割，這樣表面就分解成許多小的曲面單元，以平面三角形集合代替曲面，然后計算在某一傾角下每個小單元所承受的靜壓力，對靜壓力進行積分就可得到浮力的大小、方向和作用線，從而算出某傾角下的穩性曲線。通過研究可以得出半潛載體的浮態穩性相較與其他反蛙人探測設備有較強的優勢。

半潛載體要配備有國際領先的GPS的動態定位系統，船舶動態可適當修剪，適當地安排預設遠程控制系統，通過半潛載體的穩定性和壓艙水穩處維護半潛載體的擺動周期。半潛載體被投放后，利用GPS相對定位原理確定水上GPS浮標坐標位置，然后再基于空間后方交會原理，利用超聲波定位的方式，確定水下用戶位置的水面-水下立體定位。然后再利用電矢量推動裝置將其推回原設定地點。

5 結語

中國在半潛船的生產過程中，注重了半潛船的核心生產技術，在上海、廣州造船最相關的設計院常用的國際船舶，屬于未發表的研究的內部信息技術。國內外各大船社很少如此表現艇試驗，半潛船的設計結構并不成熟，缺乏半潛船技術創新方面的計劃，并缺少半潛船浮態穩性的結論。因此，這并不意味半潛載體的研究毫無頭緒。半潛載體的耐波理論研究對半潛載體的安全具有積極意義，水流通常是均勻、連續的，水流是不可壓縮的，研究半潛載體流波性時，假定水流非粘性的轉動流體。可以用來拉普拉斯方程表達滿足流場的速度潛力。此外，水流具有自由表面，能夠滿足半潛載體表面浮性。

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