王友東 李海兵， 付碧波 郭子偉， 劉華龍

（1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 青島 266237）（2.北京航天控制儀器研究所 北京 100039）

1 引言

水下拖曳系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)、海洋研究以及軍事等領(lǐng)域的水下探測(cè)裝置。在現(xiàn)代研究和開(kāi)發(fā)海洋的先進(jìn)技術(shù)手段中，拖曳系統(tǒng)裝備具有極其重大的意義［1］。水下拖曳系統(tǒng)通常由母船、甲板絞車(chē)、拖曳纜、拖體組成［2］，其中拖體是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它通過(guò)拖曳纜由母船在水中按規(guī)劃路線拖曳執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，拖體內(nèi)部根據(jù)不同任務(wù)搭載溫鹽深儀、流速計(jì)、磁力儀等探測(cè)海洋地質(zhì)、海洋水文和生態(tài)環(huán)境的傳感器。由于水下拖曳體具有廣泛的適應(yīng)性，且工作效果良好，便于探測(cè)海水底資源及各種有用信息［3］，所以如何根據(jù)任務(wù)需求在不改變拖體整機(jī)外形的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同載荷的快速搭建是評(píng)價(jià)拖體是否滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)實(shí)用具有市場(chǎng)推廣價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)。本文以此為目標(biāo)，介紹了一種模塊化探測(cè)拖體的設(shè)計(jì)方案，該拖體采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以基于任務(wù)需求快速增減模塊。拖體樣機(jī)通過(guò)海試試驗(yàn)驗(yàn)證，整機(jī)在水中運(yùn)行姿態(tài)穩(wěn)定，性能良好。

2 外形結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

拖體外形有多種不同形式，主要分為回轉(zhuǎn)體和非回轉(zhuǎn)體；回轉(zhuǎn)體形又可分為水滴形［4］、魚(yú)雷形和Myring 外形［5］。水滴形由首尾兩部分組成，中間無(wú)平行中體，首尾比較尖銳，線型光順，為典型的流線形外形；水滴形在水中所受阻力最小，一般適用于在水中高速行進(jìn)的航行器。魚(yú)雷形由首尾兩部分加中間平行中體組成，首部采用圓頭或者尖頭形式，中間有很長(zhǎng)的平行中體，尾部比較短。Myring線形是一種廣泛應(yīng)用于水下航行的主體線型，阻力相對(duì)很小，水下阻力性能稍差于水滴形，外形和魚(yú)雷形相似，所不同的是尾部包角θ值變化情況不同，尾部曲線斜率變化不一樣［6］。綜合考慮航行阻力和內(nèi)部布置空間因素，擬選用Myring線形作為本次拖體的外形。

3 模塊化艙段設(shè)計(jì)

為提高拖體使用的方便性，降低研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期，采用模塊化的理念設(shè)計(jì)拖體的各個(gè)艙段。模塊化設(shè)計(jì)不僅可以加強(qiáng)各個(gè)系統(tǒng)的融合程度，提升設(shè)備的整體性能，而且通過(guò)模塊化的組合還能輕松實(shí)現(xiàn)任務(wù)的擴(kuò)展和重構(gòu)［7］。拖體整機(jī)結(jié)構(gòu)按照模塊化理念設(shè)計(jì)，按功能模塊分為艏艙、系統(tǒng)控制艙、浮力調(diào)節(jié)艙、載荷艙和尾艙。其中系統(tǒng)控制艙和載荷艙為水密艙，其余艙段為非水密艙；水密艙由前后兩個(gè)密封蓋和中間圓柱形艙體構(gòu)成，采用O 形橡膠密封圈徑向密封。各個(gè)艙段之間通過(guò)法蘭連接，艙體通過(guò)螺釘徑向固定在法蘭上，艙段連接方式如圖1所示。

圖1 艙段連接方式示意圖

3.1 艏艙

艏艙設(shè)有導(dǎo)流罩、承重拖鉤和固定連桿。導(dǎo)流罩外形采用Myring線形公式計(jì)算定型，整體呈橢圓形，采用3D打印技術(shù)用ABS塑料一體加工而成，有效降低了拖曳過(guò)程中水流阻力。導(dǎo)流艙內(nèi)部剩余空間填充浮體材料，為拖體提供水中航行時(shí)所需浮力。艏艙的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)控制艙

系統(tǒng)控制艙是拖體的核心艙段，內(nèi)部設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)記錄儀、程控電源、主控計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)板、串口服務(wù)器、通信模塊等器件。數(shù)據(jù)記錄儀采用雙硬盤(pán)記錄，主要用于存儲(chǔ)磁力儀等載荷所采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)；程控電源實(shí)現(xiàn)電源管理和交直流變換，為內(nèi)部所有設(shè)備供電；主控計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)板用于艙段內(nèi)部設(shè)備管理，電源控制等；串口服務(wù)器將串口設(shè)備通信接口轉(zhuǎn)換為CAN 總線，實(shí)現(xiàn)總線輸出傳出和控制；以太網(wǎng)交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)遙控站與拖體之間的長(zhǎng)距離通信，載荷設(shè)備與記錄儀之間數(shù)據(jù)通信以及攝像頭數(shù)據(jù)的傳輸；北斗通信模塊實(shí)現(xiàn)遙控站與拖體的遠(yuǎn)距離衛(wèi)星通信，提供拖體的位置信息，用于拖體丟失后的搜索定位。系統(tǒng)控制艙結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 首艙結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 系統(tǒng)控制艙結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 浮力調(diào)節(jié)艙

浮力調(diào)節(jié)艙為非水密艙段，主要包含配重調(diào)節(jié)塊、浮體材料、平衡水翼以及艙段頂部的天線組件和應(yīng)急頻閃燈。配重調(diào)節(jié)模塊用于調(diào)節(jié)拖體重心，保證拖體整機(jī)重心低于浮心從而降低拖曳時(shí)發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)；平衡水翼采用碳纖維材料制作，對(duì)稱(chēng)安裝在艙段的左右兩側(cè)，用于增加拖體整機(jī)穩(wěn)定性，提升扶正力矩。浮體材料選用聚氨酯泡沫，密度0.38g∕cm3，用于提供拖體整機(jī)所需浮力，保證拖體在水中處于零浮力狀態(tài)。天線組件包括GPS 天線、銥星天線和無(wú)線電臺(tái)天線；GPS 天線露出水面時(shí)可以實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號(hào)接收，提供拖體的位置信息；銥星天線實(shí)現(xiàn)遙控站與拖體的遠(yuǎn)距離衛(wèi)星通信，用于拖體丟失后的搜索定位；無(wú)線電臺(tái)天線實(shí)現(xiàn)遙控站與拖體的近距離無(wú)線通信；應(yīng)急頻閃燈主要作用是天氣能見(jiàn)度不高或者夜間試驗(yàn)的時(shí)候便于發(fā)現(xiàn)拖體的位置。浮力調(diào)節(jié)艙段結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 浮力調(diào)節(jié)艙結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 載荷艙

載荷艙主要包括高精度光纖慣導(dǎo)、三分量磁力儀、時(shí)標(biāo)板和輔助傳感器組件。高精度光纖慣導(dǎo)通過(guò)測(cè)量拖體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率和加速度信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出拖體的航向角、俯仰角、滾動(dòng)角等姿態(tài)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行組合導(dǎo)航濾波，最終給出最優(yōu)化導(dǎo)航結(jié)果。三分量磁力儀主要用于高精度的弱磁測(cè)量，測(cè)量范圍包括空間磁場(chǎng)測(cè)量、交變磁場(chǎng)測(cè)量、環(huán)境磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)；與總場(chǎng)測(cè)量相比海洋地磁三分量側(cè)量能夠獲得更多的地磁場(chǎng)矢量信息［8］。時(shí)標(biāo)計(jì)算機(jī)為多個(gè)設(shè)備輸出無(wú)時(shí)間標(biāo)記的數(shù)據(jù)，添加時(shí)間信息，方便后期數(shù)據(jù)處理。輔助傳感器組包括溫、濕度傳感器和進(jìn)水傳感器，溫、濕度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷艙內(nèi)的溫濕度信息；進(jìn)水傳感器用于對(duì)載荷艙是否進(jìn)水檢測(cè)，如果進(jìn)水傳感器會(huì)觸發(fā)警報(bào)，提示操作人員及時(shí)將拖體拉出水面。載荷艙段示意圖如圖5所示。

圖5 載荷艙結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 尾艙

拖體在水中拖曳時(shí)不可避免收到水體粘性阻力和波浪的影響，所以減小行進(jìn)阻力和動(dòng)力消耗是設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要關(guān)鍵點(diǎn)［9］。拖體尾艙同樣采用Myring線形公式計(jì)算定型，與艏艙和中間艙段共同構(gòu)成拖體的流線形外形。尾部艙主要包括四個(gè)尾翼和兩臺(tái)舵機(jī)。尾翼外形采用NACA0012 對(duì)稱(chēng)翼型設(shè)計(jì)［10］，按照“十”字形安裝在尾艙外表面，尾翼和舵機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸相連，舵機(jī)可根據(jù)遙控站指令改變尾翼的角度，進(jìn)而調(diào)節(jié)拖體在水中的姿態(tài)。尾部艙結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 尾部艙結(jié)構(gòu)示意圖

4 整機(jī)流體仿真

若拖體在拖曳前進(jìn)過(guò)程中發(fā)生大幅度、高頻率的縱搖和升沉，則其搭載的傳感器就不能正常工作，甚至?xí)鬏敵鲥e(cuò)誤的探測(cè)信號(hào)。復(fù)雜的海況將給拖曳系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)擾動(dòng)，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有助于提高拖曳系統(tǒng)抵抗風(fēng)、浪、流干擾的能力［11］。水下拖體在運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的干擾主要由流場(chǎng)干擾組成［12］，本文基于Fluent仿真軟件對(duì)拖體工作時(shí)周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行了模擬。首先建立圓柱體數(shù)值水池，直徑10m，長(zhǎng)度16.5m，水池的入口出口分別設(shè)置為速度入口邊界、自由出口邊界，拖體表面設(shè)置為壁面邊界，來(lái)流速度設(shè)置為4kn，計(jì)算域如圖7所示。

圖7 拖體流體仿真計(jì)算域

通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)阻力較大的位置主要集中在拖體頭部和天線導(dǎo)流罩前部，隨著拖體線形逐漸往后減小，尾部后端阻力降至最小。拖體頭部、天線導(dǎo)流罩前端、尾部后端等處呈現(xiàn)了低速流動(dòng)區(qū)域；在頭部?jī)蓚?cè)等線性變動(dòng)比較大的部分呈現(xiàn)出高速流動(dòng)區(qū)域；流場(chǎng)整體過(guò)渡比較平滑，只在天線導(dǎo)流罩和尾翼附近的流場(chǎng)出現(xiàn)了局部紊亂，拖體的阻力出現(xiàn)小幅度的增加。從分析結(jié)果可以得出拖體的外形和水動(dòng)力部件的布置符合流體力學(xué)設(shè)計(jì)要求，可以使拖體獲得良好的拖航穩(wěn)定性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證拖體基本功能及探測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，2021年7 月在青島小管島海域進(jìn)行了海試。拖體的姿態(tài)穩(wěn)定性對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量具有關(guān)鍵的意義，試驗(yàn)過(guò)程利用高精度光纖慣導(dǎo)對(duì)拖體俯仰角、橫滾角的變化進(jìn)行了記錄。圖8 為拖曳速度為4 節(jié)時(shí)，拖體在水中的姿態(tài)圖，圖9 為海試過(guò)程中拖體俯仰角和橫滾角的變化情況。從圖中可以看出俯仰角的變化范圍在±5°之間，橫滾角的變化范圍在±10°之間，整個(gè)過(guò)程拖體姿態(tài)比較穩(wěn)定好，可以達(dá)到預(yù)計(jì)水平。

圖8 拖體海試圖

圖9 拖體海試俯仰角、橫滾角變化圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了模塊化拖體的設(shè)計(jì)過(guò)程，描述了艙段之間的連接方式及各個(gè)艙段的主要組成設(shè)備。經(jīng)過(guò)流體力學(xué)軟件仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該拖體性能穩(wěn)定可靠，拖曳時(shí)姿態(tài)穩(wěn)定性可以滿(mǎn)足要求，對(duì)后續(xù)拖體的總體設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。