水下拖曳浮标系统要素匹配性分析

水下拖曳浮标系统是水下航行器隐蔽通信和定位的重要手段之一, 浮标、拖缆和拖带平台三要素之间的相互匹配对系统的使用至关重要。基于Ablow和Schechter提出的经典拖缆动力学分析方法, 以某水下拖曳浮标系统为研究对象, 研究分析了拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角等因素变化对拖缆位形和张力的影响; 以满足拖带安全性和最小化拖带负荷为目标, 建立了一种浮标、拖缆与拖带平台三要素匹配分析方法, 分析了不同工况下的最优匹配规律, 并提出了绞车及浮标相应的控制期望目标。研究结果表明: 存在浮标最优俯仰角, 使水下拖曳浮标系统满足拖带安全性、拖带负荷最小等要求, 且最优俯仰角随拖曳速度的减小、拖带深度的增大而逐渐增大。

引言
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海洋拖曳系统在海洋探测、水文调查、海上打捞救援、军事反潜以及水声对抗等领域具有重要且广泛的应用[1]。水下拖曳浮标系统主要由浮标、拖缆和拖带平台三部分组成, 是水下航行器(拖带平台)隐蔽通信和定位的重要手段。以水下航行器作为拖带平台, 通过绞车放缆释放浮标至水面或近水面。浮标升起搭载的大尺寸倒伏天线, 出水完成导航定位和通信任务。任务完成后, 浮标收起天线, 绞车收缆, 回收浮标。水下拖曳浮标系统的工作流程如图1所示。

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图1  水下拖曳浮标系统使用过程示意图

水下拖曳浮标系统工作时, 拖曳速度、拖带深度以及浮标升阻特性影响着拖缆位形和张力, 拖缆位形及张力反过来又影响着拖带平台的拖带负荷、拖带平台及浮标的稳定控制等。另外, 从拖带平台与拖缆的安全性看, 当拖缆与拖带平台的夹角过小时, 拖缆很容易被航行器的螺旋桨吸入, 发生事故。因此, 构成水下拖曳浮标系统的浮标、拖缆和拖带平台三要素之间的相互匹配对拖曳浮标系统的使用至关重要。此外, 水下拖曳浮标系统的要素匹配性分析也是开展水下拖曳浮标系统优化设计的核心。然而, 在拖曳系统的研究方面, 国内外学者多聚焦于系统的运动预报, 未见对拖曳系统要素匹配性分析的相关研究报道[2-4]。

水下拖曳浮标系统的三要素互相耦合, 受力非常复杂。开展水下拖曳浮标系统的要素匹配性分析, 首先需要对三要素复杂的受力关系进行解耦。不难发现, 在三要素中, 浮标和拖带平台的运动均受拖缆受力影响较大, 因此, 解耦的关键是开展拖缆运动的动力学分析。

在拖缆运动的动力学分析研究中, 拖缆的数学建模方法主要有集中质量法[5]、有限差分法[6]、有限元法[7]和直接积分法[8]4种。其中Ablow和Schechter提出的有限差分法, 因在大时间步长的仿真中具有较好的稳定性而得到了广泛的应用[9]。国内外学者采用该方法对水面船拖曳线列阵和水下拖体、水下航行器拖曳线列阵和浮标的拖缆运动开展了大量研究, 能够准确地预报拖缆位形和张力[10-15]。

文中以某水下拖曳浮标系统为研究对象, 采用Ablow和Schechter提出的经典拖缆动力学分析方法, 研究分析拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角的变化对拖缆位形和张力的影响; 以满足拖带安全性和拖带负荷最小化为目标, 建立浮标、拖缆与拖带平台三要素匹配分析方法, 分析不同工况下的要素最优匹配规律, 为绞车和浮标使用提出相应的控制期望目标。

01拖缆动力学分析方法及验证

1.1  拖缆动力学分析方法

1.2  试验验证

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02研究对象及输入条件
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2.1  浮标升阻特性

2.2  拖缆参数

03拖缆动力学特性影响因素分析

以图5所示水下拖曳浮标系统为研究对象, 根据给定的输入条件, 研究分析拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角等因素对拖缆动力学特性的影响。

3.1  拖曳速度

拖带平台以航速4~8 kn、深度100 m直航拖曳浮标, 浮标俯仰角稳定在5°, 拖缆直径13 mm。仿真计算的拖缆位形和张力结果如表4、图8和图9所示。

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表4  不同拖曳速度的拖缆计算结果

图8  不同拖曳速度下的拖缆位形

图9  不同拖曳速度下的拖缆张力分布

对比可知, 不同拖曳速度下, 拖缆位形均呈抛物状, 拖缆张力分布趋势相同: 从拖缆首端至尾端, 缆上张力逐渐减小; 当拖曳速度增大时, 拖缆角随之增加, 维持拖带深度所需拖缆长度逐渐变短, 拖缆首端张力逐渐增大。

由表4可见, 4~8 kn拖曳速度范围内, 以5°俯仰角拖曳浮标, 拖缆位形均满足拖缆角不小于10°的使用要求。

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3.2  拖带深度

拖带平台以航速6 kn、深度80~120 m直航拖曳浮标, 浮标俯仰角稳定在5°。仿真计算的拖缆位形和张力结果如表5、图10和图11所示。

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表5  不同拖带深度的拖缆计算结果

图10  不同拖带深度下的拖缆位形

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图11  不同拖带深度下的拖缆张力分布

由表5、图10和图11可见, 不同拖带深度下, 拖缆位形均呈抛物状, 拖缆张力分布趋势相同; 当拖带深度逐渐增大时, 拖缆角随之减小, 维持拖带深度所需拖缆长度和拖缆首端张力逐渐增大。

3.3  浮标俯仰角

拖带平台以航速6 kn、深度100 m直航拖曳浮标, 浮标俯仰角取1°~5°范围。仿真计算的拖缆位形和张力结果如表6、图12和图13所示。

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表6  不同浮标俯仰角的拖缆计算结果

图12  不同俯仰角下的拖缆位形

图13  不同俯仰角下的拖缆张力分布

由表6、图12和图13可见, 不同俯仰角下, 拖缆位形均呈抛物状, 拖缆张力分布趋势相同; 当浮标俯仰角增大时, 拖缆角随之增加, 维持拖带深度所需拖缆长度逐渐变短, 拖缆首端张力逐渐增大。从表6还可以看出, 浮标俯仰角必须大于2°, 才能满足拖缆角不小于10°的要求。

04匹配性分析

在拖曳速度、拖带深度和浮标俯仰角3个参数中, 前两者由工作海域环境与实际任务决定, 浮标俯仰角则能够通过操舵实现自主控制。因此, 对不同的拖曳工况, 可以采用调节浮标俯仰角并配合收放拖缆的方式, 达到满足拖带安全性且拖带平台拖带负荷最小的拖曳状态。

结合俯仰角对拖缆角的影响规律, 建立浮标、拖缆和拖带平台3要素匹配分析流程如图14所示。对确定的水下拖曳浮标系统, 根据给定的拖曳速度和拖带深度, 通过迭代求解浮标俯仰角, 达到既满足拖缆使用安全性即拖缆角不小于10°, 又实现拖带平台拖带负荷最小的最优匹配目标, 得到该工况下浮标、拖缆和拖带平台的最优匹配关系。

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图14  匹配性分析流程图

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通过对不同拖曳速度、拖带深度等拖曳工况开展匹配分析, 可以得到不同工况下的最优匹配结果。将这些结果按变工况次序连接, 可以得到变工况下的要素最优匹配曲线。

4.1  变速工况

4.2  变深工况

4.3  变速变深工况

3 O! K# x. Y4 k( t; m9 O05结论

文中采用Ablow和Schechter提出的经典拖缆动力学分析方法, 以某水下拖曳浮标系统为研究对象, 研究分析了拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角等因素变化对拖缆位形和张力的影响, 并以满足拖带安全性和最小化拖带平台拖带负荷为目标, 建立了一种浮标、拖缆与拖带平台三要素匹配分析方法, 分析了不同工况下的要素最优匹配规律, 并对绞车及浮标提出了相应的控制期望目标, 具体结论如下。
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1) 不同拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角的工况下, 拖缆位形均呈抛物状, 拖缆张力分布趋势相同: 首端张力最大, 从首端至尾端逐渐减小;

2) 随着拖曳速度的增大、拖带深度的减小、浮标俯仰角的增大, 拖缆角逐渐增大, 所需的拖缆长度逐渐变短; 随着拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角的增大, 拖缆首端张力逐渐增大;

3) 不同拖曳工况下, 使拖曳系统在满足拖带安全性、拖带平台负荷最小的最优匹配结果呈现不同的规律: 当拖曳速度逐渐增大时, 最优俯仰角逐渐减小, 所需的拖缆长度逐渐增大; 当拖带深度逐渐增大时, 最优俯仰角和所需的拖缆长度都逐渐增大;

4) 基于优化匹配结果, 得到最优俯仰角及对应拖缆长度和首端张力与拖带深度、拖曳速度的函数关系, 提出了绞车和浮标的控制期望目标。

文中建立的匹配分析方法和得到的规律性成果对水下拖曳浮标系统优化设计具有现实的指导意义。需要指出的是, 该结果是在忽略风、浪及洋流等环境影响下得到的, 后续研究工作应将环境因素对水下拖曳浮标系统的影响考虑在内。

参考文献（略）

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原文刊登于《水下无人系统学报》2022年第30卷第2期，点击“阅读原文”查看完整文章

END水下无人系统学报

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