潛航體激發海洋內波概述

陳夫余，王東陽

（中國人民解放軍91404 部隊41 分隊，河北 秦皇島 066000）

0 引言

水下潛艇以其隱蔽的作戰形式，是海上戰爭中極具威脅的突襲手段之一。現階段使用最廣泛的潛艇探測技術是聲學探測，同時，一些物理學中的相關原理和特性也加入進來，作為聲學探測的輔助手段，這些以物理學原理（如熱力學、電磁學、光學、生物學原理等）為依據的探測方法稱為非聲學探測[1]。表1 為非聲學探測方法的基本原理和局限性。

表1 非聲學探測方法的基本原理和局限性

但是，隨著潛艇降噪技術以及隱身水平的提高，如仿生、超導磁流體以及核動力等的應用，傳統潛艇探測在較深水域變得非常困難。同時，海洋環境十分復雜，海洋的水文、氣象和生物環境都會對潛艇探測造成影響，如在200～300 m 的深度以下，進入海洋躍層時，聲吶探測的聲波在躍層處會發生折射，聲學探測基本就會失效。這些因素都會極大地限制傳統聲學探測以及部分非聲學探測的能效，在客觀上呼喚著新的探測技術與手段的出現。

新形勢下的軍事化斗爭需要新的潛艇探測技術的出現，在這種背景下，研究人員發現了基于海洋內波現象的水動力學特征，這種特征可以進行非聲學探測；海洋內波的水動力學特征有多種表現形式，而潛航體在分層流體中激發內波又是其中重要的一個分支。

1 海洋內波概述

海洋內波是發生在海洋內部的一種常見波動，在1893～1896 年間，“弗雷姆”號觀測船在北極海附近探險時，F.Nansen 發現當船在冰剛融化的淡水表面海域中行進時，船的速度會變慢；經研究后，他認為產生這種現象的原因是冰融化后的淡水覆蓋在密度較大的海水之上，產生密度分層界面，當船運動時，船的推動力會有一部分作用在這個界面上，產生的能量會在水體內部產生一種上下振動的波動——內波之中消耗掉[2,3]。

海洋內波產生的2 個條件為：1）海水密度穩定分層，2）擾動源；兩者必須同時存在。日常觀察到的波浪生成原理為：海水與空氣的密度不同，在風擾動的情況下，海面上的波浪就會出現。同樣，海水的密度穩定分層，再加上外力擾動（如地震、大氣壓力變化、水體內物體運動等）就會在海水內部引發內波。

海洋中的鹽度、溫度和深度的分布具有非均勻性，導致海水的密度在全球的分布也會存在不均勻性，這種非均勻性在深度方向上具有很大的表現；海洋內波就發生在這些內部的密度不均勻海水層面中。

由于海洋中存在海底地震、引潮力、海面氣壓場和海底地形等多種擾動，會導致產生的擾動場存在隨機性和多重時空尺度等特征，這種擾動源會產生尺度范圍很寬的內波；內波的傳播速度從每秒幾十厘米到每秒幾米，內波波長從幾百米到幾公里甚至幾百公里，內波周期可以從5～10 min 到幾個小時不等，內波的振幅有10～20 m，也可以達到100 m 以上[4]。

海洋的密度躍層以及地形會直接影響到海洋內波的生成、發展、消弱以及衰減過程，而海域的風浪、潮流以及太陽輻射（即溫度變化）都會影響到密度分層。這會導致海洋內波具有如下特點：1）內波是斜壓波；2）內波速度很慢，振幅一般較大；3）內波的回復力為重力與浮力之差（即約化重力）；4）具有較為復雜的垂直結構[5,6]。

潛航體在海水中運動，產生的水動力學特征研究可以作為潛航體探測的依據和參考，歸納起來，潛航體運動產生的水動力學特征可以分為以下幾個方面：

1）運動潛航體水面興波：潛航體在海水中運動，由于海水的不可壓縮性產生的排水效應，會在潛航體上方水面引起水面隆起，這種隆起又被稱為“伯努利水丘”。這種水面興波的波高與潛航體的下潛深度和運動速度有關，文獻[7]表明，當潛航體的下潛深度越深、運動速度越低時，潛航體的水面隆起高度越小。

2）尾跡漩渦：在水下高速運動的潛航體，會由于水體的粘滯效應產生尾跡漩渦（即卡門渦街）。尾跡漩渦向上演化，在水面可以形成可見的渦旋。研究表明，潛航體改變航行狀態（即加速、減速或者改變航向）時，會消耗巨大的能量，這些能量傳遞給周圍流體時，會產生直徑可以達到數公里的尾跡漩渦，同時這種漩渦的衰減速度較慢，衰減時間可以達到幾天時間。

3）尾跡內波：潛航體在流體中運動時，由于環境不同，影響因素不同，會在潛航體尾部留下不同形態結構的內波尾跡。潛航體在密度均勻的流體中運動時，影響內波尾跡的主要因素為粘性力和慣性力，由于粘性力的存在，尾跡會耗散在粘性消耗上而很快消失。在密度分層的流體環境中運動時，影響因素除了粘性力和慣性力之外，還存在“浮力震蕩效應”，所以在密度分層環境中，潛航體激發的尾跡形態較為復雜。

潛航體在分層流體中運動產生的內波，可以按照擾動源不同分為以下四類內波：1）物體運動產生的排水效應同密度分層流體之間的相互作用激發的內波；2）物體運動產生的渦街以及湍流尾跡會成為持續的擾動源產生內波；3）物體運動尾跡與密度分層流體作用，產生重力塌陷，這種塌陷會激發內波；4）物體運動后產生的尾跡中，存在不穩定結構，這種結構也會激發內波。第一種尾跡內波為體積效應內波（又稱Lee 波），其波長是定長的；其他幾種主要由水下潛航體運動的尾跡產生的，水動力研究學者將其統稱為尾跡內波。

2 結語

本文介紹潛航體運動激發內波的研究歷史、形成原因、水動力力學特征等內容，可見潛航體運動激發內波具有明顯的信號特征及較遠的傳播距離，在特征信號探測領域具有良好的應用前景，有望成為新形勢軍事化斗爭下的重要非聲探測手段。