一種水下測量載體的設(shè)計分析

許杰

【摘 要】海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及其軍事戰(zhàn)略意義對每個國家十分重要，人們探索海洋的活動也日趨活躍。各類水下傳感器、探測儀器、電子設(shè)備等紛紛出現(xiàn)，而承載這些儀器設(shè)備的水下載體越來越多，如各類水下密封艙、浮降裝置、定深裝置等。本文闡述了一種簡單的水下測量載體的設(shè)計原理及設(shè)計思路。該裝置用于裝載實(shí)驗所需的各種測量設(shè)備，通話無線水聲控制系統(tǒng)，可使裝置自動浮潛，節(jié)省了海上作業(yè)的人力和物力。

【關(guān)鍵詞】測量 載體 設(shè)計

1 水下測量載體的組成及設(shè)計原理

本載體包括：結(jié)構(gòu)框架、氣室、高壓氣瓶、高壓氣管構(gòu)成、電動閥、水聲無線自動控制單元、電源、平衡配重、頻閃燈、GPS等組成。

氣室為內(nèi)空的圓形殼體，有進(jìn)出氣閥門與外部相通。氣室通過電動閥與高壓氣瓶連通。高壓氣瓶、電動閥及高壓氣管固定在結(jié)構(gòu)框架上，電動閥連接無線水聲控制線。

本裝置在下沉過程中，排水電磁閥觸發(fā)，此狀態(tài)將氣室的上部與大氣相通，裝置依靠自身重力，將氣室內(nèi)部的空氣排空，然后關(guān)閉排水電磁閥，載體下沉入水下。當(dāng)需要上浮時，充氣電磁閥接收測量設(shè)備給出的信號帶電（如電流不夠，可加一個小電流驅(qū)動繼電器），此時，充氣電磁閥將高壓氣瓶與氣室連通，將高壓氣體送入氣室，排出氣室中的水，減輕載體重量，使正浮力大于重力，從而使載體浮起。

2 水下測量載體的設(shè)計

本裝置作為傳感器和采集系統(tǒng)的載體可以滿足二個基本使用要求，一是布放和回收功能，二是沉浮升降動能。為減輕載體重量，我們本次把載體結(jié)構(gòu)設(shè)計為聚氯乙烯即PVC。

2.1載體結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計：

載體由下平臺、中平臺、上平臺組成。下平臺是載體的浮潛艙，設(shè)計為一個直徑Φ1300mm，高400mm中空的圓柱體，艙容積為0.4m3，其上方有進(jìn)出氣孔，下方有進(jìn)出水孔。中、上平臺為直徑Φ920mm，厚度為25mm的園板。各平臺之間用8根Φ60mm柱子支撐，形成設(shè)備的安裝空間。其橫向最大尺寸為Φ1350，高為1800mm。載體下部設(shè)置了三個直徑為Φ400mm的支腿，以提高載體沉入海底的平穩(wěn)性。為降低重心，增加了載體的穩(wěn)性，在每個支腿中加入了一定重量的鉛柱配重。

2.2承載設(shè)備的布置

按設(shè)計要求載體上一般要布放測量設(shè)備、搜索設(shè)備及警報設(shè)備。為保證載體有重心平穩(wěn)，較重的設(shè)備盡量都布置在下平臺，較輕的設(shè)備放在上、中平臺。對電池、GPS等設(shè)備要密封起來。

2.3水下載體的浮力計算

載體的重量、浮力按理論計算如下：（1）重量：載體結(jié)構(gòu)在空氣中的重量為300kg（配重可調(diào)節(jié)），測量設(shè)備重量約60kg，其他設(shè)備空氣中重量為70kg左右，因此總重量為430 kg。（2）浮力：載體、測量設(shè)備、保障設(shè)備的總浮力在浮潛艙總浮力為800kg。因此，載體在水中正浮力為270kg。

從上可以看出，要想使載體沉入水中，必須加大于270kg的重量。而浮潛艙就是這個作用，當(dāng)載體放入水中后，浮潛艙慢慢進(jìn)水直至進(jìn)滿（400kg），載體逐漸沉入水中。當(dāng)需要升上時，無線控制開啟閥門，高壓氣體排出浮潛艙水，直至拍空，載體浮起

3 載體回收、搜索系統(tǒng)

由于海洋面積很廣，并且海流流速、流向不定，因此放到海底的載體很可能被海流沖出一段距離（上浮的過程中也可能被海流帶走），這樣的話，載體浮起后的搜尋工作是必須要面對的問題。為了更快、更準(zhǔn)確地找到載體，我們在載體上設(shè)計了無線電信標(biāo)。這個信標(biāo)包含了GPS、無線電臺、天線等設(shè)備。信標(biāo)升出水面后，電臺發(fā)射無線電信號，將GPS的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，回收船上接收到這個數(shù)據(jù)，即可確定載體的位置。

4 安全設(shè)計

4.1從電的方面考慮

由于載體為無線通訊控制、設(shè)備自動充氣上浮，因此，如果通訊失敗，將會導(dǎo)致裝置不能上浮，設(shè)備丟失。為了避免這種情況的發(fā)生，我們設(shè)計了定時上浮機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)完全獨(dú)立，與無線通訊控制設(shè)備分開，如果到達(dá)設(shè)定的時間，仍然沒有指令到達(dá)，將會自動動作，將電磁閥上電，使氣瓶為氣室充氣，從而將設(shè)備浮出水面。

4.2從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮

如果氣瓶氣體泄漏，或電磁閥被卡死，將導(dǎo)致充氣不能進(jìn)行，上浮失敗。為了避免這種情況，我們設(shè)計了頻閃燈上浮密封艙裝置。頻閃燈上浮密封艙裝置是一套獨(dú)立的上浮裝置，它通過釋放機(jī)構(gòu)與載體相連，可通過無線通訊，或定時器控制啟動釋放機(jī)構(gòu)，指示燈密封艙將與載體本體脫離，并上浮出水面。密封艙下端連一根線纜，此線纜與載體本體相連，找到密封艙后，通過線纜，將載體及設(shè)備拉起。密封艙中的頻閃燈，由太陽能電池板供電，白天自動熄滅，晚上自動點(diǎn)亮，最少可持續(xù)7天。

為了保證電磁閥內(nèi)部的動作正常，在電磁閥與外部連接的高壓氣管上，設(shè)計了兩個螺旋裝置，以保證把一定的空氣封在閥芯內(nèi)部，使閥芯與海水隔離開。同時，氣路的頭部，都加裝過濾網(wǎng)，以過濾雜質(zhì)。

5 載體的使用

測量設(shè)備及保障設(shè)備按要求都固定好，尤其是密封耐壓設(shè)備一定要仔細(xì)安裝，保證有良好的密封性。

首先，用尼龍繩穿過載體上平臺中間的吊環(huán)，實(shí)驗船上的吊車把載體放到海水中，用小艇或自動脫鉤裝置把吊繩能解脫載體開始下沉到海底。這時通過水倉進(jìn)水口及排氣閥，使沉浮艙內(nèi)充滿海水。

其次，實(shí)驗完成，載體欲回收時，用遙控信號打開連接氣瓶的閥口，開始向水艙充氣，載體開始上浮，直到浮上水面。

再次，通過GPS及頻閃燈，找到載體，用小艇載人駛到載體旁，掛上吊繩用船上的吊車吊起載體放到船甲板上。

最后，若沉浮系統(tǒng)失靈，則啟動應(yīng)急搜索系統(tǒng)。用遙控信號把頻閃燈下面的釋放機(jī)構(gòu)打開，用連接的繩索把載體吊起來。

6 使用環(huán)境要求

本載體的布放和回收作業(yè)要求在4級海況下進(jìn)行。本裝置不能布放在海底為較深的淤泥（大于40cm）或流沙嚴(yán)重的海域。宜選擇海底較為平坦的海區(qū)作為布放點(diǎn)，地形坡度不大于20°。條件允許的情況下進(jìn)行掃海測底，如條件不允許，則可以用海圖提供的數(shù)據(jù)作為參考。