國外水下渦流探測技術研究進展

何心怡, 程善政, 盧 軍, 祝 琳

國外水下渦流探測技術研究進展

何心怡, 程善政, 盧 軍, 祝 琳

(海軍研究院, 北京, 100161)

受復雜海洋環境以及不斷提升的潛艇隱蔽性能的影響, 為了進一步提高探潛能力, 開展新型非聲探測技術迫在眉睫。基于此, 文中綜述了國外在水下渦流探測技術領域的研究進展, 闡述了潛艇渦流生成機理及探測可行性。通過對比水下渦流仿生探測技術、基于粒子圖像測速的探測技術以及激光探測技術的特點可知, 水下渦流激光探測技術以其非接觸、靈敏度高、結構簡單等特點, 具有良好的發展潛力, 值得深入研究。

潛艇; 水下渦流; 仿生探測; 粒子圖像測速探測; 激光探測

0 引言

2015年, 美國戰略與預算評估中心發布了《水下戰新紀元報告》, 認為非聲探測技術的出現與推廣應用將使未來水下作戰環境更為復雜, 并對美國水下安全構成嚴峻挑戰[1]。

長期以來, 聲吶一直是探潛的主戰裝備, 但隨著潛艇隱蔽性能的不斷提升以及復雜海洋環境的影響, 急需開展新型非聲探測技術以提高探潛能力。為此, 國外海軍強國先后開展了多類型水下非聲探測技術研究, 如英國、芬蘭、美國和俄羅斯等國先后研制了多種磁、水壓等探測系統, 以實現對潛艇的有效探測[2-4]。最近數十年, 針對潛艇水動力特性中的渦流特性而出現的探潛技術, 具有探測距離遠、抗干擾能力強的特點, 已逐步由理論研究向實際應用發展, 有望顯著提高探潛能力。公開發表的文獻可知: 俄羅斯已掌握了利用渦流檢測潛艇的技術, 并成功進行了實驗[5-6]; 美國利用潛艇渦流信息探測到在300 m水深航行的前蘇聯潛艇, 甚至可能通過攜載的渦流探測系統, 發現潛艇通過數小時后的渦流, 從而實現對潛艇的可靠探測[6-7]。文中從水下非聲渦流探測技術出發, 基于國外研究情況, 給出潛艇的渦流特性, 重點論述了國外針對潛艇渦流特性的探測技術進展, 可為反潛戰提供新的技術參考。

1 潛艇渦流特性

1979年, Lin等[8]通過對沉浸在密度分層液體中物體的運動特性研究發現, 其尾部會產生漩渦狀尾流, 其主要原因是由于運動體打破了分層液體平衡, 液體在浮力與重力的作用下重新分配, 進而形成漩渦。

圖1 潛艇模型加速運動產生的渦流場

2000年, Arizona國立大學研究表明[10], 分層流體中的潛艇加速、減速或改變航向時, 會將巨大的能量傳遞給周圍的流體, 導致產生異乎尋常的渦流, 該渦流遠大于海洋中穩態產生的漩渦, 其尺度有數公里之巨, 持續時間可達數天。潛艇渦流特性為[10]: 航行0.5 h后, 其渦流橫截面可擴展到80~100 m、寬度約20 m; 航行1.5 h后, 潛艇渦流橫截面為喇叭口狀, 高度約40 m, 寬度達150~200 m; 之后渦流開始發散, 形成單個渦流團分布在相對較大的立體空間內。基于潛艇的渦流特性, 有望實現探潛技術的突破性進展。

2013年, 美國海軍作戰中心Yashodhararao對潛艇模型尾流特性進行了染色可視化實驗[11], 潛艇模型如圖2所示。

圖2 實驗所用潛艇模型

在實驗水槽中放入染色劑, 潛艇模型航行速度為16 km/h, 觀察記錄染色劑的形態變化。通過實驗發現, 潛艇模型前端會產生馬蹄形渦, 如圖3(a)所示; 隨后染色劑沿潛艇側壁擴散, 如圖3(b)所示; 最后該染色劑沿潛艇模型末端形成渦流, 如圖3(c)所示。

(A) 前端; (B) 周邊; (C) 渦流

綜上分析可知, 潛艇在分層液體中, 其尾部會產生渦流, 該渦流具有持續時間長、分布區域廣等特點, 可作為新型探潛技術的信息源, 提高探潛能力。

2 水下渦流仿生探測技術

生物學家發現, 在混濁昏暗、能見度只有幾米的海水中, 海豹依然能找到并捕捉到快速游動的魚, 原因在于它們具有獨一無二的胡須。生物學家的解釋是: 海豹的胡須具備一種獨特功能, 即檢測水中微弱的波動, 因為任何物體在水中活動時都會留下小型漩渦, 而且這些小型旋渦均將保持一段時間后才會慢慢消失, 這就是海豹捕魚的機理。據美國《大眾機械》網站報道[12]: 美、韓兩國科學家正對海豹的“胡須技術”進行聯合攻關, 如果這項技術得以成功應用, 將大幅提升對敵方潛艇的探測能力, 因為無論航行與否, 潛艇都會在水中留下微小漩渦, 從而被發現。基于該原理, 美國福尼亞大學提出了基于潛艇渦流特性的仿生探測系統[13], 利用電容電感原理進行陣列組合構建仿海豹胡須探測系統, 如圖4所示。

圖4 仿生胡須結構示意圖

利用仿生胡須對潛艇模型渦流進行了性能測試, 方法如圖5所示。圖中, 黃色路徑為潛艇模型運行路徑, 紅色路徑為仿生胡須結構跟蹤路徑。通過測試發現, 仿生胡須可給出潛艇模型的行進路徑方向信號。

圖5 仿生胡須對潛艇模型的跟蹤實驗

3 水下渦流光學探測技術

3.1 基于粒子圖像測速的水下渦流探測技術

粒子圖像測速(particle image velocimetry, PIV)技術是在傳統流動顯示技術的基礎上, 充分吸收現代計算機技術、光學技術以及數字圖像技術而形成的新型流場測試技術。利用相機、示蹤粒子和綠光照明光源對物體運動尾流進行信息采集, 以實現對尾流的成像, 其系統組成如圖6所示。該技術適配于小區域系統檢測。

圖7為以色列理工學院航空航天工程學院針對水翼船模型進行的尾流PIV成像探測實驗[14],探測結果發現其尾流呈現漩渦狀, 圖中: “×”為漩渦核; 橫、縱坐標分別表示水平和縱向距離與艇深長度的比值。該實驗表明在密度分層水體中, 尾流遠場形態呈現為漩渦狀態。

圖6 PIV探測系統結構

圖7 密度分層液體中水翼船加速后的尾流

3.2 水下渦流激光探測技術

潛艇在水下航行時, 打破了水下平衡環境, 其尾部將產生渦流, 可通過探測激光檢測光特性的變化情況發現渦流。基于該原理, 印度威洛爾大學開展了激光傳輸特性原理下的渦流探測研究[15], 探測原理如圖8所示。

圖8 激光束偏轉探測原理

探測激光發射后, 激光經由水介質傳輸后由光電探測器接收, 所接收的激光信號被探測器轉換以電流方式輸出。當所探測的水介質存在渦流時, 其探測激光特性將發生變化, 通過對該變化進行信號處理即可檢測潛艇產生的渦流, 最終實現對潛艇的探測。基于此, 印度于2013年研制出了相應測試系統, 如圖9所示。該測試系統安裝于海洋考察船的船錨上, 船錨放置于水下42 m, 對A74海洋聲學研究船進行監測, 成功地檢測到其尾部渦流。

圖9 印度研發的激光測試系統

4 結束語

文中綜述了國外在水下渦流探測技術的研究進展, 包括潛艇渦流的生成機理與特性以及可能的探測技術途徑。潛艇渦流的衰減周期長、渦流尺度大, 水平尺度可達數公里、垂直尺度可達數十米。基于潛艇的渦流特性, 國外開展了仿生探測、PIV圖像探測及激光探測渦流技術研究, 其技術至少處于原理樣機階段, 并已通過實驗驗證初步證明了渦流探測技術的可行性。仿生探測技術通過電容電感的電學信號測量水下渦流, 由于受電學測量靈敏度的限制, 難以實現對潛艇遠場渦流探測; PIV通過示蹤粒子來實現尾流場檢測, 不適用于廣域海況探測; 而激光探測以其非接觸、靈敏度高、結構簡單等特點, 是一種具有良好發展潛力的渦流探測技術, 值得開展深入研究。

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Research Progress in Foreign Underwater Vortex Detection Technology

HE Xin-yi, CHENG Shan-zheng, LU Jun, ZHU Lin

(Naval Academy of Armament, Beijing, 100161, China)

Considering complex marine environments and the regular improvement of submarine stealth performance, developing a new non-acoustic detection technology to further improve the ability of submarine detection has become urgent. Accordingly, this study summarizes the research on foreign underwater vortex detection technology and explains both the mechanism of submarine vortex generation and the feasibility of detection. The characteristics of underwater vortex biomimetic detection, particle image velocimetry(PIV) detection, and laser detection technology are compared. Comparative results reveal that underwater vortex laser detection technology has good developmental potential because of its non-contact nature, high sensitivity, and simple structure, thus making it worthy of further study.

submarine; underwater vortex; biomimetic detection; particle image velocimetrydetection; laser detection

TJ630.3; TN973.3

A

2096-3920(2021)01-0001-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.001

何心怡, 程善政, 盧軍, 等. 國外水下渦流探測技術研究進展[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(1): 1-5.

2020-12-01;

2021-01-10.

何心怡(1976-), 男, 博士, 正高級工程師, 主要研究方向為水中兵器、水聲信號處理技術.

(責任編輯: 楊力軍)