宋 杰

無人水下發(fā)射試驗設(shè)施方案設(shè)計構(gòu)想

宋 杰

(中國人民解放軍91550部隊, 遼寧 大連, 116023)

為考核水下發(fā)射技術(shù)并有效規(guī)避水下發(fā)射航行器的試驗風險, 發(fā)展無人水下發(fā)射試驗設(shè)施已成為開展水下發(fā)射技術(shù)研究的重要技術(shù)途徑。文中在借鑒國外試驗設(shè)施設(shè)計思路的基礎(chǔ)上, 根據(jù)任務(wù)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(fā)射試驗設(shè)施方案設(shè)計構(gòu)想, 分別簡述了系統(tǒng)組成和功能、系統(tǒng)工作原理以及工作過程。3種方案均基于真實的海洋環(huán)境條件, 較為逼真地模擬了真實的水下發(fā)射平臺發(fā)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(shè)計等成熟技術(shù)增加了試驗設(shè)施設(shè)計方案的可行性。最后從技術(shù)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(jié)果可知, 從海洋環(huán)境要素、組織實施、維護保養(yǎng)及技術(shù)實現(xiàn)難度等方面來看, 3種方案均可滿足航行器水下發(fā)射和測試需求, 其中錨泊式發(fā)射平臺方案最具優(yōu)勢。

無人水下發(fā)射試驗設(shè)施; 錨泊式;測試

0 引言

各國工程實踐表明, 水下發(fā)射技術(shù)作為水下發(fā)射航行器研制的核心技術(shù), 是公認的世界難題。直接在真實水下發(fā)射平臺上開展水下發(fā)射技術(shù)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(fā)射平臺安裝空間限制, 能夠獲取的試驗數(shù)據(jù)有限, 因此發(fā)展無人水下發(fā)射試驗設(shè)施是研究水下發(fā)射技術(shù)的重要技術(shù)途徑。

美國、俄羅斯、法國等國都十分重視水下試驗設(shè)施的建設(shè), 均建造了全尺寸的試驗設(shè)施, 但相關(guān)方案設(shè)計研究的報道較少。文獻[1]介紹了美國2種試驗設(shè)施的主要用途, 但未涉及系統(tǒng)組成等內(nèi)容; 文獻[2]對美國和法國的相關(guān)試驗設(shè)施進行了綜述, 但只介紹了設(shè)施的系統(tǒng)組成; 文獻[3]介紹了美國拖曳式水下發(fā)射試驗平臺的工作原理和系統(tǒng)組成, 但該平臺仍屬于美國早期的試驗平臺?；诖? 文中在借鑒國外試驗設(shè)施設(shè)計思路的基礎(chǔ)上, 采用航天、船舶、潛艇和海上平臺設(shè)計與建造等成熟技術(shù)[4-7], 提出了錨泊式、樁腿自升式和沉箱式3種無人水下發(fā)射試驗設(shè)施設(shè)計構(gòu)想, 從逼真程度、技術(shù)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(fā)射及測試需求。

1 需求分析

1.1 航行器發(fā)射條件需求

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

2) 不同深度發(fā)射。根據(jù)航行器發(fā)射對深度要求的不同, 平臺能實現(xiàn)不同深度的發(fā)射。

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

1.2 平臺自身需求

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

2) 適應(yīng)高海況環(huán)境。水下發(fā)射試驗平臺能夠在高海況下具備升降和發(fā)射試驗?zāi)芰?。平臺自調(diào)平與定位, 平臺下沉后, 能夠控制平臺調(diào)平并定位。

3) 滿足航行器外形、質(zhì)量、發(fā)射后坐力需求。發(fā)射平臺應(yīng)滿足所需試驗航行器發(fā)射裝置的安裝要求, 能承受所試驗航行器在發(fā)射瞬間產(chǎn)生的后坐力。

4) 合適的艙室環(huán)境、分區(qū)的封閉艙室。水下發(fā)射平臺應(yīng)能夠?qū)⑴撌覝囟?、濕度等環(huán)境參數(shù)控制在要求范圍內(nèi)。為滿足水下測量通信等設(shè)備的安裝使用需求, 水下發(fā)射試驗平臺應(yīng)具有適量的封閉艙室。

2 無人水下發(fā)射試驗設(shè)施方案

2.1 錨泊式方案

2.1.1 方案概述

錨泊式水下發(fā)射試驗設(shè)施采用航天、船舶和海上平臺等成熟技術(shù), 即在海底設(shè)置某種位置固定的基底設(shè)備, 用錨纜將水面或水中發(fā)射平臺與基底設(shè)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(chǎn)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(xiàn)航行器定深帶速發(fā)射, 其海上布局示意圖如圖1所示。

圖1 錨泊式水下發(fā)射試驗設(shè)施海上布局示意圖

2.1.2 系統(tǒng)組成及功能

錨泊式水下發(fā)射試驗設(shè)施主要由遙控船、試驗平臺、錨泊定位系統(tǒng)及測量通信系統(tǒng)等組成。

1) 遙控船

遙控船的主要功能是實現(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)。遙控船與水下試驗平臺之間可通過光電復(fù)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(tǒng)以及移動與安全防護系統(tǒng)等組成。浮動平臺提供水下穩(wěn)定基礎(chǔ), 抵抗航行器發(fā)射后坐力, 由錨泊系統(tǒng)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(xiàn)?；瑒悠脚_裝載著水下發(fā)射航行器, 由移動與安全防護系統(tǒng)牽引, 可在浮動平臺上滑行, 達到模擬真實發(fā)射平臺水下水平運動的效果。

3) 錨泊定位系統(tǒng)

錨泊定位系統(tǒng)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(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其主要功能是提供試驗平臺在水下試驗狀態(tài)下的垂向系錨力, 并保證在航行器發(fā)射后坐力下的安全性; 提供試驗平臺的縱向及側(cè)向系錨力, 保證試驗過程中平臺的運動參數(shù)滿足試驗要求[8-9]。

4) 測量通信系統(tǒng)

測量系統(tǒng)用于獲取試驗平臺的運動、姿態(tài)信息和發(fā)射系統(tǒng)水下發(fā)射過程中的諸多參數(shù), 并對水下物理過程進行光學測量和拍攝。測量設(shè)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(shù)據(jù)、圖像視頻、設(shè)備狀態(tài)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(tǒng)主要將水下的數(shù)據(jù)、圖像等信息通過光纜傳輸?shù)竭b控船上, 會同遙控船上的調(diào)度、電話、圖像等信號通過微波通信系統(tǒng)傳送到岸站, 再利用光纖通信系統(tǒng)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(lián)接方式, 發(fā)射過程中的運動特性與真實發(fā)射平臺最為接近, 具有真實海洋環(huán)境優(yōu)勢, 能模擬真實發(fā)射平臺發(fā)射條件。浮動平臺和滑動平臺能滿足航行器發(fā)射時的速度和姿態(tài)要求, 可在適當海域進行大范圍的深度調(diào)節(jié), 符合航行器的不同發(fā)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(shù), 對海底地質(zhì)地貌要求較低, 無需進行復(fù)雜的地質(zhì)勘探及海底作業(yè)施工, 可以選擇更多的發(fā)射海域, 便于多處選址, 可根據(jù)試驗需要較為靈活地選擇發(fā)射海域。

3) 系泊結(jié)構(gòu)物和其錨泊系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的漂移量在各種條件下的穩(wěn)定保證了設(shè)施的工程實現(xiàn)。

2.2 樁腿自升式方案

2.2.1 方案概述

樁腿自升式水下發(fā)射試驗設(shè)施以半潛式采油平臺技術(shù)為基礎(chǔ), 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(xiàn)升降后, 由樁腿鎖定系統(tǒng)完成鎖定, 在浮動平臺上牽引滑動平臺運動實現(xiàn)航行器定深帶速發(fā)射, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 樁腿自升式水下發(fā)射試驗設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 系統(tǒng)組成及功能

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

1) 遠程控制平臺

根據(jù)樁腿式水下發(fā)射試驗設(shè)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(chǔ)平臺、滑動平臺以及移動與安全防護系統(tǒng)等組成。基礎(chǔ)平臺應(yīng)有足夠的強度承受航行器發(fā)射過載, 通過注排水系統(tǒng)向壓載水艙注水或排水, 實現(xiàn)壓樁和基礎(chǔ)平臺升降操作。由移動與安全防護系統(tǒng)牽引, 可在浮動平臺上滑行, 達到模擬真實發(fā)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(chǔ)平臺升降提供導向及鎖定基礎(chǔ), 是抵抗航行器發(fā)射后坐力的關(guān)鍵部件。柱腿上的升降/鎖定系統(tǒng)可實現(xiàn)基礎(chǔ)平臺沿樁腿的升降運動及鎖定。

4) 測量通信系統(tǒng)

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(fā)射試驗設(shè)施對海底地貌要求較低, 技術(shù)上可行, 但需要對海底地質(zhì)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(tǒng)部件, 單套升降/鎖定機構(gòu)靜態(tài)載荷可達到2 000 t, 動態(tài)載荷可達800 t。采用多套升降/鎖定機構(gòu), 承力結(jié)構(gòu)靜態(tài)及動態(tài)承載力均能滿足樁腿式水下發(fā)射試驗設(shè)施的需求。通過采用液壓馬達驅(qū)動以及合理可靠的水密措施, 可解決平臺升降系統(tǒng)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(shè)計需滿足強度要求, 并與足夠數(shù)量的滾輪組連接。設(shè)計上下雙層導軌和側(cè)面滾輪組, 可以防止發(fā)射模塊左右傾覆; 導軌設(shè)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(fā)射試驗設(shè)施以半潛式采油平臺技術(shù)和潛艇設(shè)計為基礎(chǔ), 即由沉箱實現(xiàn)平臺的上浮下潛, 由樁腿及升降/鎖定系統(tǒng)實現(xiàn)滑動平臺的定深, 通過導軌與牽引系統(tǒng)實現(xiàn)滑動平臺的水平運動, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 沉箱式水下發(fā)射試驗設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 系統(tǒng)組成及功能

沉箱式水下發(fā)射試驗設(shè)施主要由遙控船、沉箱、滑動平臺及測量通信系統(tǒng)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(tǒng)、樁腿及升降/鎖定系統(tǒng)、導軌與牽引系統(tǒng)等組成。本體有足夠的強度承受航行器發(fā)射過載。通過注排水系統(tǒng)向壓載水艙注水或排水, 實現(xiàn)平臺整體上浮、下潛操作。樁腿及升降/鎖定系統(tǒng)實現(xiàn)滑動平臺的升降, 導軌與牽引系統(tǒng)實現(xiàn)滑動平臺的運動。

3) 滑動平臺

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

4) 測量通信系統(tǒng)

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(fā)射試驗設(shè)施對海底地質(zhì)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(cè)跨式拖航技術(shù)。

3) 對于有速滑動平臺, 為減小滑動平臺水阻力和附加質(zhì)量, 降低滑動平臺牽引系統(tǒng)功率需求, 滑動平臺設(shè)計為流線型。根據(jù)航行器發(fā)射方式不同可選擇安裝垂直發(fā)射模塊和水平發(fā)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(zhì)地貌要求較低, 無需進行復(fù)雜的地質(zhì)勘探及海底作業(yè)施工, 可選擇更多的發(fā)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(shù)相對成熟。試驗平臺還可模擬真實發(fā)射平臺發(fā)射航行器時的瞬時下沉。但該方案布錨數(shù)量多, 聯(lián)合控制平臺姿態(tài)算法較為復(fù)雜。錨泊系統(tǒng)需滯留海上相對較長時間, 故選擇海域時應(yīng)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(shù)已相當成熟, 涉及到的載荷及穩(wěn)定性問題有充分的理論和實踐依據(jù)[12]。在現(xiàn)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(wěn)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(chǎn)生的驅(qū)動反力及水下橫流產(chǎn)生的力量。但基礎(chǔ)平臺下潛時樁腿會伸出海平面, 存在航行器發(fā)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(yù)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(shù), 不但實現(xiàn)了發(fā)射深度以及發(fā)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(jié)構(gòu)物碰撞風險和發(fā)射后坐力問題。另外, 方案建設(shè)和操作使用相對靈活方便, 海上固定設(shè)施相對較少, 只需要對海底簡單施工, 便可方便地實現(xiàn)多處選址試驗。但整個平臺系統(tǒng)海上拖帶復(fù)雜, 速度較慢, 海上穩(wěn)定性有待進一步精確計算, 且不能模擬航行器發(fā)射真實發(fā)射平臺的瞬時下沉。

綜上所述, 3種方案在海洋環(huán)境下都具備海流、海浪、深度及速度等要素。且從海洋環(huán)境要素、組織實施、維護保養(yǎng)及技術(shù)實現(xiàn)的難度等方面來看, 錨泊式發(fā)射平臺方案最具優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

文中從方案概述、系統(tǒng)組成與功能、可行性分析3個方面論證了3種無人水下發(fā)射試驗設(shè)施方案構(gòu)想, 并進行了分析比較。構(gòu)想的3種無人水下發(fā)射試驗設(shè)施具備完成不同航行器水下發(fā)射試驗的功能。各方案都較為逼真地模擬了真實的水下發(fā)射平臺發(fā)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(shè)計等成熟技術(shù)增加了試驗設(shè)施設(shè)計方案的可行性。

文中對于水下發(fā)射試驗設(shè)施的可行性分析僅為理論分析和一些結(jié)構(gòu)強度、試驗設(shè)施規(guī)模的計算, 尚未進行大量仿真分析計算。試驗設(shè)施建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 技術(shù)新、難度大、要求高, 尤其是其在海上特有技術(shù)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。

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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(fā)射試驗設(shè)施方案設(shè)計構(gòu)想[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(2): 220-224.

(責任編輯: 楊力軍)