付德強(qiáng)，胡迺成，侯寶娥

(海軍91439 部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

艦船抗沖擊試驗(yàn)由于被試艦船距離水雷較近，水雷爆炸時(shí)的強(qiáng)烈沖擊會(huì)造成靶船自身供電系統(tǒng)破壞，而不能對(duì)靶船上的試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行供電，必須考慮進(jìn)行外部供電。同時(shí)，測(cè)量設(shè)備分別布放在被試艦和測(cè)量船上，設(shè)備之間用光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像傳輸，而光纜海上布放安全風(fēng)險(xiǎn)高難度大，必須考慮安全可靠的光纜傳送方案。在靶場(chǎng)其他試驗(yàn)中也曾遇到過(guò)相似情況，那時(shí)的做法是選用鋼索作為承受拉力的拉力纜，將電纜或光纜與拉力纜捆綁在一起，并在拉力纜上等間隔綁上浮漂，由浮漂提供浮力，使電纜不致于沉入海底。如圖1 所示。

圖1 第三種方案示意圖

1 電纜及光纜傳輸方案論證

從理論上講，在海上將供電電纜和光纜從供電船傳送到被試艦上有3 種方案可以考慮:一是空中架線;二是沿海底傳送;三是沿水面?zhèn)魉?。? 種方案都不可取。沿水面?zhèn)魉?/p>

但是上述方法并不能用于水雷對(duì)實(shí)船的爆炸試驗(yàn)，其原因是這種方法實(shí)施復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，不符合艦船抗沖擊試驗(yàn)快捷安全的要求。對(duì)圖1 所示方法進(jìn)行改進(jìn)，研制一體化復(fù)合電纜，將電纜、拉力纜、光纜置于同一電纜內(nèi)，三纜之間用浮子填充，并由浮子提供原由浮漂產(chǎn)生的浮力，加工成一復(fù)合電纜。這樣不但能滿足電纜傳輸快捷安全的要求，同時(shí)把光纜放在浮子中進(jìn)行保護(hù)，也解決了測(cè)量設(shè)備所用光纜海上傳輸難題。

2 復(fù)合電纜方案設(shè)計(jì)論證

復(fù)合電纜具體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 復(fù)合電纜總體設(shè)計(jì)方案

2.1 復(fù)合電纜長(zhǎng)度確定

供電船與靶船間的安全距離為300 m，由于爆炸環(huán)境下海上實(shí)施比較復(fù)雜，復(fù)合電纜要有較大余量，因此復(fù)合電纜長(zhǎng)度取540 m。

2.2 浮子芯組

浮子芯組主要作用是為電纜提供足夠的浮力。浮子由發(fā)泡材料制成，由軟、硬浮子相間連接構(gòu)成，硬浮子較堅(jiān)硬，不易壓縮變形，軟浮子便于彎曲，以保證復(fù)合電纜的柔韌性。

在浮子圓截面共開(kāi)設(shè)1 個(gè)圓孔和4 個(gè)凹槽，圓孔位于浮子圓截面中心，用拉力纜貫穿其中，4 個(gè)凹槽分別放置電纜的3 根火線、1 根零線以及光纜。零線可用內(nèi)置鋼絲繩代替。

2.3 光纜

光纜置于復(fù)合電纜內(nèi)，在復(fù)合電纜的保護(hù)下可方便安全地進(jìn)行海上傳輸，光纜內(nèi)共配置5 對(duì)光纖，每對(duì)光纖用PBT管進(jìn)行保護(hù)，5 對(duì)光纖外采用芳綸加強(qiáng)，并用PVC 管進(jìn)行外圍防護(hù)，以免光纖受到壓迫而斷掉或變形。

2.4 供電電纜設(shè)計(jì)

1)供電相制選擇

供電電纜傳輸?shù)氖?80 V 三相交流電，因而供電電纜設(shè)計(jì)為三相四芯電纜:一零線和三火線。

2)電纜芯線材料選擇

由于銅導(dǎo)電性能良好，電纜芯線選為銅芯，考慮到電纜有柔韌性要求，可選銅絞線作為芯線。

3)線電流計(jì)算

已知條件:傳輸功率30 kW，三相交流電，線電壓380 V。可以推出線電流:

4)電壓降

線電流I=53(A)，20℃導(dǎo)體直流電阻R=0.727 Ω/km，線路長(zhǎng)度L=540 m，則電壓降

符合國(guó)家電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為±10%的規(guī)定。

5)功率損耗

滿足到靶船后最大功率大于25 kW 的指標(biāo)要求。

6)導(dǎo)體直流電阻

符合GB/T 3956—1997《電纜的導(dǎo)體》標(biāo)準(zhǔn)第二種導(dǎo)體的規(guī)定，20℃時(shí)導(dǎo)體最大電阻為0.727 Ω/km。供電電纜長(zhǎng)度取540 m(30 m 分體纜+450 m 復(fù)合纜+60 m 分體纜)，電纜總的電阻為

7)供電電纜的確定

由計(jì)算結(jié)果可知導(dǎo)線線芯橫截面積應(yīng)大于24 mm2。查閱電工手冊(cè)［2］，最終選定電纜線芯截面積為25 mm2。

2.5 拉力纜設(shè)計(jì)計(jì)算

拉力纜的主要作用是保證復(fù)合電纜在海上風(fēng)流作用下不被拉斷。由于復(fù)合電纜設(shè)計(jì)為正浮力電纜，因而電纜在海面的狀態(tài)應(yīng)是一部分浸在水中，一部分露出水面。在進(jìn)行拉力纜設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為穩(wěn)妥可靠且計(jì)算簡(jiǎn)單，按電纜全部浸入水中進(jìn)行計(jì)算，并取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

1)單位長(zhǎng)復(fù)合電纜所受流體動(dòng)力計(jì)算

研究電纜在水中的流體動(dòng)力，應(yīng)取速度坐標(biāo)系O-XYZ，其中Y 軸垂直水面向上為正。由于現(xiàn)在研究正浮力電纜，電纜浮在水面Y=0，則復(fù)合電纜流體動(dòng)力計(jì)算就簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題。單位長(zhǎng)度復(fù)合電纜在平面坐標(biāo)系中受流體動(dòng)力情況如圖3 所示。

圖3 單位長(zhǎng)度復(fù)合電纜受流體動(dòng)力情況示意圖

其中X 軸正向與水流速度方向相反，Z 軸與水流速度方向垂直，正向按右手螺旋法則確定如圖3 所示。

α 角為水流速度方向與復(fù)合電纜夾角。如圖3 所示將速度V 沿復(fù)合電纜法向和切向方向分解

令Cx90o代表復(fù)合電纜的軸垂直于水流方向時(shí)的阻力系數(shù);Cxf代表復(fù)合電纜的軸平行于水流方向時(shí)的阻力系數(shù)。則

其中:τN為單位長(zhǎng)度復(fù)合電纜所受流體動(dòng)力法向分量(kg);τt為單位長(zhǎng)度復(fù)合電纜所受流體動(dòng)力切向分量(kg);ρ 為流體密度，ρ=104 kg·S2/m4;V 為水流速度(m/s);d 為復(fù)合電纜外徑(m)。

系數(shù)Cx90°、Cxf取值可近似取掃雷具鋼索計(jì)算的流體動(dòng)力系數(shù)值，掃雷具鋼索的系數(shù)分別為

考慮到復(fù)合電纜外徑較掃雷具鋼索光滑，Cx90°可取下限值，即Cx90°=1.0。

同時(shí)，考慮到海域水面水流流速一般都不會(huì)超過(guò)2 節(jié)，則水中流速取為:V=1 m/s。

在上述情況下:

2)復(fù)合電纜拉力纜拉力計(jì)算

根據(jù)復(fù)合電纜受力分析可知，重力與浮力相平衡，拉力纜拉力決定于復(fù)合電纜所受流體動(dòng)力大小，即T=R。

復(fù)合電纜順流布放時(shí):

當(dāng)α=0°時(shí)，即復(fù)合電纜順流布放時(shí)

假設(shè)d=0.05 m，L=300 m，則

兩船間連線與流向垂直時(shí):

當(dāng)兩船間連線與流向垂直時(shí)，復(fù)合電纜在水中態(tài)勢(shì)如圖4 所示。

可利用雙艦拖纜掃雷計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］，有

其中:L 為水中復(fù)合電纜長(zhǎng)度的1/2(m);Z 為兩船間直線距離的1/2(m);X 為復(fù)合電纜后延距離(m);T 為復(fù)合電纜拉力(kg);α 為電纜初端與流向間的夾角;α0為電纜中部與流向間的夾角。

在圖4 中α0=90°，則:

取Z 為兩船間安全距離的一半，即

當(dāng)電纜外徑d=0.05 m，L 取不同值時(shí)，可得表1，如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果（Z=150 m，d=0.05 m）

通過(guò)上述計(jì)算可知，當(dāng)復(fù)合電纜外徑為0.05 m，并且順流布放300 m 時(shí)，復(fù)合電纜拉力纜拉力僅需16 kg。因而，復(fù)合電纜順流布放時(shí)受力很小，但考慮到試驗(yàn)期間，流向會(huì)不斷發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致復(fù)合電纜與流向處于垂直狀態(tài)，這樣就會(huì)大大增加復(fù)合電纜的拉力，因此，復(fù)合電纜中拉力纜拉力指標(biāo)應(yīng)以與流向垂直狀態(tài)進(jìn)行考慮。試驗(yàn)時(shí)，電纜是順流布放，復(fù)合電纜也不宜放太長(zhǎng)，復(fù)合電纜太長(zhǎng)有可能漂到供電船底部，發(fā)生纏繞現(xiàn)象。綜合考慮以上因素，兩船間距離為300 m 時(shí)，放纜長(zhǎng)度為340 ～360 m 左右為宜，由表1可知:

當(dāng)L=170 m 時(shí)，T=439 kg。

考慮到電纜在爆炸環(huán)境下使用，電纜拉力應(yīng)取一定的安全系數(shù)。為穩(wěn)妥考慮，取拉力纜拉力T=1.2 t。

3)拉力纜選取

選取鋼索做拉力纜，當(dāng)鋼索直徑φ 為4 mm 時(shí)，破斷拉力為1.2 t;當(dāng)鋼索直徑φ 為5 mm 時(shí)，破斷拉力為1.8 t，因此，可選用直徑φ 為4 ～5 mm 的鋼索作為拉力纜。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了電纜、光纜、拉力纜三纜合一的一體化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了具體指標(biāo)設(shè)計(jì)論證，為解決艦船抗沖擊試驗(yàn)海上供電與信息傳輸兩大難題提供了科學(xué)的辦法和途徑，必將為各型號(hào)艦船抗沖擊試驗(yàn)的順利進(jìn)行發(fā)揮重要作用，具有良好的應(yīng)用前景和較高的軍事價(jià)值。

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