無人水下發射試驗設施方案設計構想

宋 杰

無人水下發射試驗設施方案設計構想

宋 杰

(中國人民解放軍91550部隊, 遼寧 大連, 116023)

為考核水下發射技術并有效規避水下發射航行器的試驗風險, 發展無人水下發射試驗設施已成為開展水下發射技術研究的重要技術途徑。文中在借鑒國外試驗設施設計思路的基礎上, 根據任務需求提出了錨泊式、樁腿自升式和沉箱式3種海上無人水下發射試驗設施方案設計構想, 分別簡述了系統組成和功能、系統工作原理以及工作過程。3種方案均基于真實的海洋環境條件, 較為逼真地模擬了真實的水下發射平臺發射條件; 采用無人值守方式以保證方案的安全性; 并借鑒船舶、潛艇和海上平臺設計等成熟技術增加了試驗設施設計方案的可行性。最后從技術難點、組織實施和逼真程度等方面對3種方案進行了比較分析。分析結果可知, 從海洋環境要素、組織實施、維護保養及技術實現難度等方面來看, 3種方案均可滿足航行器水下發射和測試需求, 其中錨泊式發射平臺方案最具優勢。

無人水下發射試驗設施; 錨泊式;測試

0 引言

各國工程實踐表明, 水下發射技術作為水下發射航行器研制的核心技術, 是公認的世界難題。直接在真實水下發射平臺上開展水下發射技術研究將使人員和裝備承受較大的安全風險, 同時受真實水下發射平臺安裝空間限制, 能夠獲取的試驗數據有限, 因此發展無人水下發射試驗設施是研究水下發射技術的重要技術途徑。

美國、俄羅斯、法國等國都十分重視水下試驗設施的建設, 均建造了全尺寸的試驗設施, 但相關方案設計研究的報道較少。文獻[1]介紹了美國2種試驗設施的主要用途, 但未涉及系統組成等內容; 文獻[2]對美國和法國的相關試驗設施進行了綜述, 但只介紹了設施的系統組成; 文獻[3]介紹了美國拖曳式水下發射試驗平臺的工作原理和系統組成, 但該平臺仍屬于美國早期的試驗平臺。基于此, 文中在借鑒國外試驗設施設計思路的基礎上, 采用航天、船舶、潛艇和海上平臺設計與建造等成熟技術[4-7], 提出了錨泊式、樁腿自升式和沉箱式3種無人水下發射試驗設施設計構想, 從逼真程度、技術成熟度、測量通信、安全性、施工難度、組織實施等方面對3種方案進行了研究分析, 可以看出這些方案具有理論上的可行性, 能夠滿足航行器水下發射及測試需求。

1 需求分析

1.1 航行器發射條件需求

1) 發射平臺有速發射。為充分模擬真實發射環境, 獲得完整可靠的水下發射參數, 考核不同牽連速度下航行器水下動力學環境, 平臺能實現航行器水下發射試驗的有速發射。

2) 不同深度發射。根據航行器發射對深度要求的不同, 平臺能實現不同深度的發射。

3) 航行器遠程測試與發射。為滿足試驗安全要求, 無人水下發射平臺需要在安全區外進行航行器的測試準備和發射控制。

1.2 平臺自身需求

1) 實現深水遠程控制。通過有線遠程控制實現水下發射平臺的上浮和下潛、發射模塊的牽引、航行器的測試和發射等。

2) 適應高海況環境。水下發射試驗平臺能夠在高海況下具備升降和發射試驗能力。平臺自調平與定位, 平臺下沉后, 能夠控制平臺調平并定位。

3) 滿足航行器外形、質量、發射后坐力需求。發射平臺應滿足所需試驗航行器發射裝置的安裝要求, 能承受所試驗航行器在發射瞬間產生的后坐力。

4) 合適的艙室環境、分區的封閉艙室。水下發射平臺應能夠將艙室溫度、濕度等環境參數控制在要求范圍內。為滿足水下測量通信等設備的安裝使用需求, 水下發射試驗平臺應具有適量的封閉艙室。

2 無人水下發射試驗設施方案

2.1 錨泊式方案

2.1.1 方案概述

錨泊式水下發射試驗設施采用航天、船舶和海上平臺等成熟技術, 即在海底設置某種位置固定的基底設備, 用錨纜將水面或水中發射平臺與基底設備連接起來, 以限制平臺的移位。具體來說, 就是利用吸力錨產生向下的拉力, 將平臺臺體整體固定于某一深度, 在浮動平臺上牽引滑動平臺運動實現航行器定深帶速發射, 其海上布局示意圖如圖1所示。

圖1 錨泊式水下發射試驗設施海上布局示意圖

2.1.2 系統組成及功能

錨泊式水下發射試驗設施主要由遙控船、試驗平臺、錨泊定位系統及測量通信系統等組成。

1) 遙控船

遙控船的主要功能是實現對無人水下試驗平臺的遠程操控, 并提供測試、操控和遙控專用場地, 為水下平臺供電、供氣及供油, 進行指揮控制及信息轉發。遙控船與水下試驗平臺之間可通過光電復合纜進行信息傳遞。

2) 試驗平臺

試驗平臺由浮動平臺、滑動平臺、注排水系統以及移動與安全防護系統等組成。浮動平臺提供水下穩定基礎, 抵抗航行器發射后坐力, 由錨泊系統牽拉使其保持在水中的一定深度, 其整體入水和出水的運動需要靠大量注水和充氣來實現。滑動平臺裝載著水下發射航行器, 由移動與安全防護系統牽引, 可在浮動平臺上滑行, 達到模擬真實發射平臺水下水平運動的效果。

3) 錨泊定位系統

錨泊定位系統主要由錨絞車、鋼纜、4個垂向吸力錨、4個斜向吸力錨、液壓系統和控制系統等組成。其主要功能是提供試驗平臺在水下試驗狀態下的垂向系錨力, 并保證在航行器發射后坐力下的安全性; 提供試驗平臺的縱向及側向系錨力, 保證試驗過程中平臺的運動參數滿足試驗要求[8-9]。

4) 測量通信系統

測量系統用于獲取試驗平臺的運動、姿態信息和發射系統水下發射過程中的諸多參數, 并對水下物理過程進行光學測量和拍攝。測量設備水下終端布置于試驗平臺上, 水面的顯示控制終端位于遙控船上, 水下的測量數據、圖像視頻、設備狀態信息, 水面的遠程控制信號等均由遙控船與試驗平臺之間的信號光纜負責傳遞。

通信系統主要將水下的數據、圖像等信息通過光纜傳輸到遙控船上, 會同遙控船上的調度、電話、圖像等信號通過微波通信系統傳送到岸站, 再利用光纖通信系統傳送到陸上指揮部位。

2.1.3 可行性分析

1)試驗平臺與海底采用柔性聯接方式, 發射過程中的運動特性與真實發射平臺最為接近, 具有真實海洋環境優勢, 能模擬真實發射平臺發射條件。浮動平臺和滑動平臺能滿足航行器發射時的速度和姿態要求, 可在適當海域進行大范圍的深度調節, 符合航行器的不同發射深度試驗需求。

2) 平臺主體距離海底有一定距離, 而且采用吸力錨技術, 對海底地質地貌要求較低, 無需進行復雜的地質勘探及海底作業施工, 可以選擇更多的發射海域, 便于多處選址, 可根據試驗需要較為靈活地選擇發射海域。

3) 系泊結構物和其錨泊系統整體處于波浪等外力作用下, 其運動和受力相互影響, 相互耦合, 系泊結構的漂移量在各種條件下的穩定保證了設施的工程實現。

2.2 樁腿自升式方案

2.2.1 方案概述

樁腿自升式水下發射試驗設施以半潛式采油平臺技術為基礎, 即在海底固定4根樁腿, 浮動平臺穿過樁腿利用自身的注排水實現升降后, 由樁腿鎖定系統完成鎖定, 在浮動平臺上牽引滑動平臺運動實現航行器定深帶速發射, 其結構示意圖如圖2所示。

圖2 樁腿自升式水下發射試驗設施結構示意圖

2.2.2 系統組成及功能

樁腿自升式水下發射試驗設施主要由遠程控制平臺、浮動平臺、樁腿及測量通信系統等組成。

1) 遠程控制平臺

根據樁腿式水下發射試驗設施在海上的位置來決定遠程控制平臺采用海上遙控船或岸基控制指揮所。具體功能同錨泊式方案的遙控船。

2) 試驗平臺

試驗平臺由基礎平臺、滑動平臺以及移動與安全防護系統等組成。基礎平臺應有足夠的強度承受航行器發射過載, 通過注排水系統向壓載水艙注水或排水, 實現壓樁和基礎平臺升降操作。由移動與安全防護系統牽引, 可在浮動平臺上滑行, 達到模擬真實發射平臺水下水平運動的效果。

3) 樁腿

樁腿可采用圓柱式樁腿或桁架式樁腿。樁腿上有齒條, 為基礎平臺升降提供導向及鎖定基礎, 是抵抗航行器發射后坐力的關鍵部件。柱腿上的升降/鎖定系統可實現基礎平臺沿樁腿的升降運動及鎖定。

4) 測量通信系統

與錨泊式方案基本相同。

2.2.3 可行性分析

1) 樁腿式水下發射試驗設施對海底地貌要求較低, 技術上可行, 但需要對海底地質進行勘查, 然后確定能否壓樁并獲取壓樁深度。

2) 目前海上自升式鉆井平臺使用齒輪齒條作為升降/鎖定系統部件, 單套升降/鎖定機構靜態載荷可達到2 000 t, 動態載荷可達800 t。采用多套升降/鎖定機構, 承力結構靜態及動態承載力均能滿足樁腿式水下發射試驗設施的需求。通過采用液壓馬達驅動以及合理可靠的水密措施, 可解決平臺升降系統的水密問題[10-11]。

3) 針對滑動平臺沿導軌有速運動情況, 滑動平臺與導軌之間的設計需滿足強度要求, 并與足夠數量的滾輪組連接。設計上下雙層導軌和側面滾輪組, 可以防止發射模塊左右傾覆; 導軌設置反向運動滾輪, 可以防止滑動模塊前后傾覆。

2.3 沉箱式方案

2.3.1 方案概述

沉箱式水下發射試驗設施以半潛式采油平臺技術和潛艇設計為基礎, 即由沉箱實現平臺的上浮下潛, 由樁腿及升降/鎖定系統實現滑動平臺的定深, 通過導軌與牽引系統實現滑動平臺的水平運動, 其結構示意圖如圖3所示。

圖3 沉箱式水下發射試驗設施結構示意圖

2.3.2 系統組成及功能

沉箱式水下發射試驗設施主要由遙控船、沉箱、滑動平臺及測量通信系統等組成。

1) 遙控船

與錨泊式遙控船方案基本相同。

2) 沉箱

沉箱主要由沉箱本體、注排水系統、樁腿及升降/鎖定系統、導軌與牽引系統等組成。本體有足夠的強度承受航行器發射過載。通過注排水系統向壓載水艙注水或排水, 實現平臺整體上浮、下潛操作。樁腿及升降/鎖定系統實現滑動平臺的升降, 導軌與牽引系統實現滑動平臺的運動。

3) 滑動平臺

滑動平臺主要由航行器發射裝置、簡易發射保障系統、發射動力系統、艙室等組成, 并為相應測量通信及監測設備提供安裝基礎, 提供一定浮力以降低模塊對導軌的壓載。

4) 測量通信系統

與錨泊式方案基本相同。

2.3.3 可行性分析

1) 沉箱式水下發射試驗設施對海底地質地貌要求較高, 有2種坐底方式選擇, 一種是對海底進行平整施工, 另一種是直接使用相對平整海域。

2) 沉箱式平臺整體(含滑動模塊)海上運輸, 可以借鑒海上自升式鉆井平臺拖頭式或側跨式拖航技術。

3) 對于有速滑動平臺, 為減小滑動平臺水阻力和附加質量, 降低滑動平臺牽引系統功率需求, 滑動平臺設計為流線型。根據航行器發射方式不同可選擇安裝垂直發射模塊和水平發射模塊。

3 分析比較

3.1 錨泊式方案

錨泊式方案試驗平臺距離海底有5 m以上的距離, 對海底地質地貌要求較低, 無需進行復雜的地質勘探及海底作業施工, 可選擇更多的發射海域。方案所涉及的吸力錨、試驗平臺升降、滑動平臺移動等技術相對成熟。試驗平臺還可模擬真實發射平臺發射航行器時的瞬時下沉。但該方案布錨數量多, 聯合控制平臺姿態算法較為復雜。錨泊系統需滯留海上相對較長時間, 故選擇海域時應避開海上航道, 避免對船只航行造成影響。

3.2 樁腿自升式方案

樁腿自升式方案借鑒的自升式鉆井平臺技術已相當成熟, 涉及到的載荷及穩定性問題有充分的理論和實踐依據[12]。在現有自升式鉆井平臺中每根樁腿抗風暴能力可達20 000 t, 足以支撐整個平臺平穩工作。樁褪可承受橫向力約100~200 t, 初步估計可以滿足滑動平臺水下運動時所產生的驅動反力及水下橫流產生的力量。但基礎平臺下潛時樁腿會伸出海平面, 存在航行器發射及下落過程中碰撞樁腿的風險, 需要進行風險評估, 并制定完備的樁腿被撞預案及維修方案。

3.3 沉箱式方案

沉箱式方案充分借鑒融合了沉箱坐底和海上石油平臺自升降技術, 不但實現了發射深度以及發射平臺運動速度的模擬和控制, 而且很好地解決了航行器落水引起的水面以上結構物碰撞風險和發射后坐力問題。另外, 方案建設和操作使用相對靈活方便, 海上固定設施相對較少, 只需要對海底簡單施工, 便可方便地實現多處選址試驗。但整個平臺系統海上拖帶復雜, 速度較慢, 海上穩定性有待進一步精確計算, 且不能模擬航行器發射真實發射平臺的瞬時下沉。

綜上所述, 3種方案在海洋環境下都具備海流、海浪、深度及速度等要素。且從海洋環境要素、組織實施、維護保養及技術實現的難度等方面來看, 錨泊式發射平臺方案最具優勢。

4 結束語

文中從方案概述、系統組成與功能、可行性分析3個方面論證了3種無人水下發射試驗設施方案構想, 并進行了分析比較。構想的3種無人水下發射試驗設施具備完成不同航行器水下發射試驗的功能。各方案都較為逼真地模擬了真實的水下發射平臺發射條件, 均采用無人值守方式, 充分降低了對人員的風險, 并借鑒船舶、潛艇和海上平臺設計等成熟技術增加了試驗設施設計方案的可行性。

文中對于水下發射試驗設施的可行性分析僅為理論分析和一些結構強度、試驗設施規模的計算, 尚未進行大量仿真分析計算。試驗設施建設是一項復雜的系統工程, 技術新、難度大、要求高, 尤其是其在海上特有技術問題方面, 未來還需開展更為深入的研究論證和計算分析工作。

[1] 黃海龍, 權曉波, 魏海鵬, 等. 美國潛射戰略導彈水下發射技術試驗設施分析與啟示[J]. 導彈與航天運載技術, 2014(2): 27-30.Huang Hai-long, Quan Xiao-bo, Wei Hai-peng, et al. Ana- lysis and Enlightenment on the US Test Equipment of Un- derwater Launch Technology[J]. Missiles and Space Vehi- cles, 2014(2): 27-30.

[2] 藍仁恩, 馬艷麗, 蔡菀, 等. 水下無人發射平臺發展綜述[J]. 飛航導彈, 2015(5): 58-61

[3] 呂小紅. 牽引式水下發射平臺[J]. 飛航導彈, 2002(12): 29-31.

[4] 張鐵棟. 潛水器設計原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2011.

[5] 謝永和, 吳劍國, 李俊來. 船舶結構設計[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2011.

[6] 張大剛. 深海浮式結構設計基礎[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2012.

[7] 秦大同, 謝里陽. 機架、導軌及機械振動設計[M]. 北京:化學工業出版社, 2013.

[8] 霍文軍. 海洋錨泊定位系統操作控制及布放實踐[J]. 機電設備, 2018, 35(5): 23-26. Huo Wen-jun. Operation Control and Positioning Place- ment of Marine Anchor Mooring Positioning System[J]. Electromechanical Equipment, 2018, 35(5): 23-26.

[9] 潘方豪, 單鐵兵. 深水半潛式生產平臺錨泊定位系統配置簡述[J]. 中國海洋平臺, 2017, 32(1): 1-6.Pan Fang-hao, Shan Tie-bing. Introduction to Mooring Positioning System of Deep Water Semrsubmersible Production Platform[J]. China Offshore Platform, 2017, 32(1): 1-6.

[10] 付勤業. 海洋石油931鉆井平臺升降系統的分析[J]. 中國修船, 2009, 22(1): 49-51.

Fu Qin-ye. Jack-up System on 931 Offshore Drilling Platform[J]. China Ship Repair, 2009, 22(1): 49-51.

[11] 黃維學, 劉放. 自升式海上鉆井平臺升降系統技術特點分析[J]. 設計與計算, 2011(2): 1-3.Huang Wei-xue, Liu Fang. Technical Characteristics Ana- lysis of Jacking System of Offshore Jack-Up Drilling Pl- atform[J]. Design and Calculation, 2011(2): 1-3.

[12] 李英, 吳子昂, 程陽, 等. 自升式平臺圓柱式樁腿水動力載荷試驗[J]. 中國海洋平臺, 2018, 33(4): 45-50.Li Ying, Wu Zi-ang, Cheng Yang, et al. Test on Hydrodynamic Loads of Pipe Leg of Jack-Up Platform[J]. China Offshore Platform, 2018, 33(4): 45-50.

Design Ideas of Unmanned Underwater Launch Test Facility

SONG Jie

(91550thUnit, The People’s Liberation Army of China, Dalian 116023, China)

To assess underwater launching technology and avoid test risk of underwater launching vehicle effectively, three design ideas of unmanned underwater launch test facilities of anchoring type, pile leg self-lifting type and caisson type are put forward according to the task requirements with reference to the corresponding foreign design ideas. The composition and function, working principle, working process of the system are briefly described. Based on the real marine environment conditions, the three schemes simulate the launch conditions of the real underwater launch platform realistically, adopt the unmanned mode to ensure their safety, and increase the feasibility of the test facility design schemes with reference to the mature technologies about the designs of such as ships, submarines and offshore platforms. The three schemes are compared in terms of technical difficulties, organization and implementation, and fidelity. The analysis results show that from the aspects of marine environment elements, organization and implementation, maintenance and technical implementation difficulty, all three schemes can meet the underwater launch and test needs of the vehicle, among which the anchored launch platform scheme has the most advantages.

unmanned underwater launch test facility; anchoring type; test

TJ65; TJ762.4

A

2096-3920(2020)02-0220-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.016

2019-05-08;

2019-08-30.

宋 杰(1982-), 男, 工程師, 主要研究方向為裝備試驗與仿真.

宋杰. 無人水下發射試驗設施方案設計構想[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(2): 220-224.

(責任編輯: 楊力軍)