半潛載體的耐波性和浮態(tài)穩(wěn)性研究

【文章摘要】

一般深海探測(cè)的方式上都存在重心不足的問(wèn)題，電磁波在水里的衰減速度非常高，因而，聲波探測(cè)成為偵查水下物體最為廣泛的手段。本文采用動(dòng)力和浮力概算得出最優(yōu)解決方式，該系統(tǒng)從耐波性和浮態(tài)穩(wěn)性等方面進(jìn)行了研究，通過(guò)聲吶探測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)了自主式半潛反蛙人探測(cè)。

【關(guān)鍵詞】

半潛載體；耐波性；浮態(tài)穩(wěn)性

1 聲吶的概況

聲吶實(shí)際上就是通過(guò)聲波來(lái)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際的定位與探測(cè)，其最初被英國(guó)海軍劉易斯• 尼克松于1906 年發(fā)明， 用于偵測(cè)冰山。為了能夠滿足距離的探測(cè)與識(shí)別的要求，主動(dòng)聲吶開(kāi)始轉(zhuǎn)向發(fā)展為被動(dòng)聲吶，繼而發(fā)展成為低頻和大孔徑聲吶。執(zhí)行海床探測(cè)任務(wù)的聲吶可以探測(cè)到15000 米甚至更深的水域的動(dòng)靜。目前常用的聲吶傳感器如圖1 所示。

探測(cè)方式主要分為球型和柱型兩種， 球型聲吶的特點(diǎn)主要是方向性好，可以通過(guò)改變基陣的相位來(lái)控制聲吶的掃描方向和距離。缺點(diǎn)是體積大，能耗也大，技術(shù)含量高，而且造價(jià)也高，目前主要裝備在核潛艇上。而柱型聲吶沒(méi)有球型的探測(cè)距離遠(yuǎn)，回波的方向性和強(qiáng)度也沒(méi)球型的好，但是其技術(shù)含量低，體積小。造價(jià)低，主要裝備在常規(guī)潛艇上。本文中所研究的模型主要采用被動(dòng)聲吶中的柱型聲吶。

2 載體的整體構(gòu)造

整個(gè)載體外形為降落傘形狀，這種構(gòu)造上面是弧面，可增大接收面積，下面為圓錐，在移動(dòng)的時(shí)候相對(duì)阻力較小。載體的內(nèi)部共由五部分組成，由下至上分別是電矢量推進(jìn)裝置，電池，GPS 接收機(jī)，聲吶反射面，天線。天線是聲吶被動(dòng)發(fā)出波動(dòng)的裝置，是探測(cè)蛙人的主要設(shè)備，對(duì)天線的保護(hù)尤為重要。為確保天線的信號(hào)接收，經(jīng)過(guò)壓力測(cè)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(shè)在天線下以增大接收面積。此外為確保投放載體的穩(wěn)定性并盡可能的節(jié)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(cè)方法依賴于聲學(xué)傳遞浮標(biāo)和水下運(yùn)載體相對(duì)位置的信息需要事先設(shè)置水聲基陣作業(yè)區(qū)域有限受海洋和氣象條件影響較大水面船舶保障任務(wù)重且作業(yè)效率較低測(cè)量工序繁瑣耗時(shí)且難以滿足水下運(yùn)行器大范圍快速作業(yè)需求。現(xiàn)有的水下定位技術(shù)根據(jù)是否需要設(shè)置聲基陣分為水聲定位技術(shù)和激光聲遙感技術(shù)兩大類。目前普遍使用系統(tǒng)為長(zhǎng)基線、短基線和超短基線等水下聲定位系統(tǒng)。但由于這些系統(tǒng)在布設(shè)、校準(zhǔn)等方面都比較困難，費(fèi)時(shí)耗資，靈活性差，不能機(jī)動(dòng)，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(duì)較小，采用電矢量推動(dòng)裝置，在風(fēng)浪較大的海面具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。整個(gè)系統(tǒng)重心低，耐波性較強(qiáng)。

4 半潛載體的浮態(tài)穩(wěn)性研究

關(guān)于半潛載體的浮態(tài)穩(wěn)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(tái)進(jìn)行建模，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ê?span>AutoCAD 提供的Object ARX 二次開(kāi)發(fā)工具對(duì)半潛載體在不同水線面下進(jìn)行靜水力要素的計(jì)算然后進(jìn)行組合， 求得浮體的靜穩(wěn)性曲線。同時(shí)引入傾斜角的概念通過(guò)求取不同排水量下的穩(wěn)性曲面可以得到不同吃水、不同水線面下的穩(wěn)性曲線。第二種則是表面壓力法這種方法受啟發(fā)于流體動(dòng)力學(xué)中的有限元思想是把浮體表面采用三角形剖分技術(shù)對(duì)曲面進(jìn)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(jì)算在某一傾角下每個(gè)小單元所承受的靜壓力對(duì)靜壓力進(jìn)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(wěn)性曲線。通過(guò)研究可以得出半潛載體的浮態(tài)穩(wěn)性相較與其他反蛙人探測(cè)設(shè)備有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

半潛載體要配備有國(guó)際領(lǐng)先的GPS 的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，船舶動(dòng)態(tài)可適當(dāng)修剪，適當(dāng)?shù)匕才蓬A(yù)設(shè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過(guò)半潛載體的穩(wěn)定性和壓艙水穩(wěn)處維護(hù)半潛載體的擺動(dòng)周期。半潛載體被投放后，利用GPS 相對(duì)定位原理確定水上GPS 浮標(biāo)坐標(biāo)位置，然后再基于空間后方交會(huì)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(dòng)裝置將其推回原設(shè)定地點(diǎn)。

5 總結(jié)

中國(guó)在半潛船的生產(chǎn)過(guò)程中，注重了半潛船的核心生產(chǎn)技術(shù)，在上海、廣州造船最相關(guān)的設(shè)計(jì)院常用的國(guó)際船舶，屬于未發(fā)表的研究的內(nèi)部信息技術(shù)。國(guó)內(nèi)外各大船社很少如此表現(xiàn)艇試驗(yàn)，半潛船的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并不成熟，缺乏半潛船技術(shù)創(chuàng)新方面的計(jì)劃，并缺少半潛船浮態(tài)穩(wěn)性的結(jié)論。因此，這并不意味半潛載體的研究毫無(wú)頭緒。半潛載體的耐波理論研究對(duì)半潛載體的安全具有積極意義，水流通常是均勻、連續(xù)的，水流是不可壓縮的，研究半潛載體流波性時(shí)，假定水流非粘性的轉(zhuǎn)動(dòng)流體。可以用來(lái)拉普拉斯方程表達(dá)滿足流場(chǎng)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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