海水密度的人工跃变技术研究

何升阳，金良安，张志友，胡广友

（海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018）

海水密度的人工跃变技术研究

何升阳，金良安，张志友，胡广友

（海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018）

提出一种海水密度的人工跃变技术，其核心思想是利用专门的材料和设备，通过特定机理在设定海域产生大量均匀分布的气泡，以形成足够规模的低密度海水区域，从而影响潜艇正常航行。通过验证性实验，分析不同大小及数密度的人工气泡制造海水跃变的实施效果和影响规律。实验结果表明：在静水中，气泡越小对潜艇航行“掉深”影响越大；在一定范围内，适当增加气泡的数密度能明显加大“掉深”深度。研究结论证明海水密度人工跃变思想的可行性与有效性，为潜艇军事打击手段的进一步完善以及装置的研制提供必要的基础和依据。

舰船；海水密度；人工跃变；军事应用

0 引 言

海水密度跃层导致潜艇损毁的事故经常发生，因此，海水密度跃层的形成机理及应用一直是国内外船舶工程和军事科技等领域的研究热点。海水密度跃变层对于潜艇的航行主要有以下两种影响：1）潜艇进入海水密度跃变区时，会发生严重的纵摇（纵倾），并且不能稳定悬浮[1-2]；2）作为潜艇最重要的通信、探测信号，声波在经过海水密度跃变层时会伴有显著的不规则反射和折射效应，将直接制约潜艇的探测、识别、跟踪、制导等行为的正常实施[3]。因此，海水密度跃变层的相关研究具有重要的应用价值，若能对其有效控制，就可以积极对敌营造不利的海水环境，达到对抗敌潜艇的目的。

近年来，国内外学者对海水密度跃层进行了大量的研究，但主要集中在海水密度跃层的分布、自然形成机理等方面[4-5]，对于海水密度跃层的工程运用，尤其是人工形成方法的研究几乎无人涉及。本文基于军事领域的应用，提出了一种新型的潜艇对抗方式：海水密度的人工跃变技术，搭建专门的实验验证平台，分别通过控制气量控制阀、排气量来改变气泡大小及气泡数密度，探索该技术的实施效果。为该技术的工程化应用提供相应的理论和实验基础。

1 海水密度人工跃变的技术思想

1.1 技术思想的提出

海水密度跃层对潜艇的航行、通信等活动有着严重的影响，对敌我双方都会带来灾难性的打击。如果我方能控制海水密度跃层的形成及分布，并将其布设在敌潜艇航行轨迹前方，将对其产生致命打击，成功实现对抗敌潜艇的目的。由于海水密度跃层的自然分布存在着固有规律，难以进行人为干预，因此，人工制造出海水密度跃变区，积极控制其分布特点，并充分研究其应用战术，是利用密度跃层的特有危害来对抗敌潜艇的可行方法。

海水密度主要由盐度、温度、压力及其组分决定，以上任何一个因素发生变化，都会对海水密度产生较大影响[6]。因此，只要针对海水的盐度、温度、压力或组分进行改造，就能产生相应的海水密度跃变区。由于海水的盐度、温度、压力基本是固定的，改造难度、成本很大；而改变海水组分只需向海水里添加其他物质即可，其中，添加密度小且不溶于水的气体可降低海水密度，从而形成负海水密度跃变区。根据这个思路，提出了一种海水密度人工跃变的具体实现途径。

考虑上述因素以及海水密度跃层的自然形成机理，本文创新性地提出通过施放大量气泡来形成海水密度人工跃变区的技术思想。本技术通过专用设备装载能生成特定气体的化学药品，将其布放在设定海域。当敌潜艇触发引信后，会打开隔离药品与海水的阀门，使药品与水接触而反应生成大量特定气体，经过气泡发生器的作用，形成相应尺寸的气泡，并在设定海域扩散而降低该海域的总体密度，形成足量的海水密度人工跃变区。敌潜艇被该气泡水域包围后则可能因浮力减小和通信受阻而发生事故。

1.2 技术思想的原理

海水密度人工跃变区会严重影响敌方潜艇的航行及通信状态。

当大量气泡扩散到海水中，该海域的总体密度必然会降低，使途经该海域的潜艇所受浮力减小，直接破坏其受力平衡和正常航行状态，发生纵摇、纵倾甚至沉没[7]。

气泡群在上升过程中会产生一定的上升流；上升气泡与壁面接触时会在潜艇外壳发生多次弹性触碰，并将动能传给潜艇[8]；同时，气泡与壁面相互作用时，会产生朝向壁面的射流[9]。这些作用会形成向上的升力，对潜艇产生的效应与所受浮力减小产生的效应大体上是相反的。在多个力的共同作用下，潜艇就会上下反复运动、左右摇晃，而导致操作人员暂时失去操纵指挥能力，无法进行调节蓄水、潜艇机动等避开危险区域的操纵行为，使潜艇暂时处于失控状态，进而发生更严重的“掉深”或触礁事故[10]。

此外，潜艇航行进入海水密度人工跃变区后，由于气泡群对声波强烈的折射、吸收和散射效应，其基于声波信号的通信、探测、武器制导等活动都会受到严重影响，而处于“失明”状态，对潜艇作战而言这是极危险的。

1.3 技术思想的实现

海水密度人工跃变技术实现方式如图1所示：1）敌潜艇触发引信后，特有装置的隔离阀门打开，装载的药品与海水接触，并快速反应生成大量所需气泡；2）气泡在海水中扩散后作用于潜艇，图中G为重心，F为浮心，C为水动力中心，ΔB为重力浮力差，M为力矩。气泡覆盖潜艇周围后，气泡群以及海水对潜艇的作用力矩M与浮力变化量ΔB共同引起其运动速度的改变。

考虑到实战中的应用问题，设计了两种使用方式：1）设计为一种自动寻的攻击武器，在知道敌潜艇航行轨迹后，将其投放在敌潜艇将到达的区域，找到目标后自动触发而产生跟潜艇尺寸规模相当的气泡群，潜艇就会由于浮力减小而失控；2）类似于水雷的设计，将其布放在设定海域，当潜艇经过该海域时，就会触发引信而被气泡群吞没乃至损毁。

2 实验设计方法

2.1 实验目的与整体思路

图1 海水密度人工跃变技术实现方式

通过对布放气泡装置的设计及控制，改变气泡群的特征，对比不同特征下，及潜艇处于不同运动状态下的实验效果。为表征对该模型运动状态的影响，选用“掉深”深度作为测试值。“掉深”深度为该模型从航行位置掉到最深深度之间的垂直距离，“掉深”深度越深则说明影响效果越明显。

2.2 实验方法设计

实验中，为验证海水密度人工跃变技术思想的可行性，通过改变气泡的半径及其数密度，研究不同特征气泡群对潜艇模型运动状态的影响效果。设计实验装置如图2所示，水缸中为海水，为了避免气泡群边际以及水缸边际的上升流影响，特选用3个微孔陶瓷管作为产气装置，并将其置于水缸中间，确保产生的气泡能够全部覆盖模型，不受气泡群外海水上升流的影响[11]。

对比实验如下：

1）在静水中，设定空气压缩机气体流量为6L/min，通过气量控制阀来调整人工生成气泡大小，将不同气泡大小对潜艇模型影响效果进行对比。

图2 海水密度人工跃变技术验证装置示意图

2）在气泡半径为3mm的实验条件下，控制空气压缩机的气体流量来改变人工气泡数密度。将不同气泡数密度对潜艇模型影响效果进行对比。

实验时，首先按图2搭建实验平台，打开气泵放气，以检查是否存在漏气，再将微孔陶瓷管固定在特定位置，并且保证所产生的气泡能够覆盖潜艇模型所在区域；其次，将模型放置微孔陶瓷管上方指定位置，并让其稳定悬浮，再将直尺固定于水缸外侧，以便观察模型所处位置；最后，打开气泵，分别控制气量控制阀和空气压缩机的气体流量产生气泡群，利用高速摄像机进行图像记录，以读取潜艇模型下降深度。

由于测试环境中的水深、测试区域、海水物性等都将影响潜艇模型“掉深”深度，实验初始条件及数据测量和处理方式保持一致，避免人为因素可能会对实验造成的误差。

3 实验结果分析

在静止流场下，通过对“掉深”深度的测量来检测密度跃变区对潜艇航行的影响，并多次实验以提高数据的准确性，每组测量重复15次。此外，为排除粗大误差，筛选淘汰波动较大的数据，取每组实验的10次数据的平均值作为测量结果。

3.1 气泡半径对航行影响效果实验

气泡半径大小通过气量控制阀的调整来实现。经多次实验探索，气泡的半径产生范围为1～5mm，为此实验时选定气泡的半径为1，3，5mm的3组实验，所得实验结果如表1所示。

由表可知，当气泡半径分别为1，3，5mm时，潜艇模型“掉深”深度分别为 19.41，15.39，13.25cm。气泡群密度相同时，气泡半径越小效果越好。

小气泡群相对于大气泡所引起的上升流要小，对浮力减小产生的相抵效果也就小；单个气泡的尺寸越小，导致气泡群里，气泡之间间隔就越小，气泡群越集中，这就使气泡群排出潜艇周围的水就越多，浮力变化也就越大，影响效果就越好。

表1 人工气泡半径对模型“掉深”影响实验

表2 人工气泡数密度对模型“掉深”影响实验

3.2 气泡数密度对航行影响效果实验

气泡数密度大小的改变通过调整空气压缩机排气量来控制，经实验探索，设定空气压缩机的气体流量为4，6，8L/min的3组实验，所得实验结果如表2所示。

当气泡密度分别对应气体流量为4，6，8 L/min时，潜艇模型在静水条件下的下降深度分别为13.24，15.39，16.76cm，当气体处于低体积流量时，随着人工气泡数密度的增大，深度下降快且明显，证明在此阶段内，气泡直径相同时，人工气泡数密度的增加对潜艇模型“掉深”深度影响较大，气泡群密度越大，“掉深”深度越大，且所用时间越短，也就是效果越好。气泡群密度越大，排出水的体积就越大，导致浮力减小就越大。但过度增大人工气泡数密度将减弱影响效果，在本次实验中，当气体流量达到8 L/min时，潜艇模型在静水条件的下降趋势减弱。说明在人工气泡半径及数密度一定的情况下，海水密度的人工跃变具有特定的临界点。此临界点会随实际海况环境，潜艇尺寸等条件不同而改变。

在一定范围内，适当增加人工气泡的数密度能增加潜艇的“掉深”深度，从实验上证明了利用海水密度的人工跃变技术对抗敌方潜艇的可行性。

4 结束语

本文提出的海水密度人工跃变技术一方面可以减小特定海域的整体密度，形成海水密度跃变区，而影响到该海域内潜艇的航行，另一方面气泡群对潜艇通信所依赖的声信号有着严重的干扰作用。该技术可以作为对敌潜艇的有效干扰手段，能够为军事应用技术提供技术储备，以期提升对潜艇的打击效果。

本文主要针对海水密度人工跃变技术的提出，及该技术对潜艇航行“掉深”影响进行了初步研究。证明在一定范围内，气泡的半径越小，气泡数密度越大，则潜艇的掉深深度越大。在今后的工作中，需对海水密度人工跃变区对声波传播的干扰，以及在海流流场作用下人工气泡的作用效果作进一步探索。并在此基础上，对气泡生成的具体配方、气泡群在海水中扩散的控制、载药装置的结构设计等细节问题深入研究，实现成熟的技术装置。

[1]郝英泽，何斌.海水密度变化对潜艇悬停垂向运动的影响仿真研究[J].船海工程，2008（2）：117-119.

[2]丁风雷，刘常波.海水密度变化对潜艇运动状态的影响[J].四川兵工学报，2012（4）：11-13.

[3]FULLEKRUG M，MEZENTSEV A，WATSON R，et al.Array analysis of electromagnetic radiation from radio transmitters for submarine communication[J].Geophysical Research Letters，2015，41（24）：9143-9149.

[4]REGEV A， HASSID S， POREH M.Calculation of entrainment in density jumps[J].Environmental Fluid Mechanics，2006，6（5）：407-414.

[5]张林.浅海负跃层对声传播影响的仿真研究[J].声学技术，2013（12）：69-70.

[6]CHEN B B，ZOU D H.Altered seawater salinity levels affected growth and photosynthesis of ulva fasciata（Ulvales， Chlorophyta）germlings[J].Acta Oceanologica Sinica，2015（8）：108-113.

[7]JABALE M. The pillars of submarine safety[J].United States Naval Institute Proceedings，2014，140（6）：1336.

[8]李帅，张阿漫.上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究[J].物理学报，2014（5）：1-7.

[9]王诗平，朱枫.爆炸气泡与舰船相互作用的相似性方法研究[J].中国造船，2012（2）：30-38.

[10]GONG C G，ZHU X，PAN W，et al.Research on submarine straight-line track control underwater based on nonlinear proportion differential[J].Mathematical Problems in Engineering，2016：8432764.

[11]王诗平，张阿漫.气泡与弹性边界的相互作用研究[J].力学学报，2011（4）：688-698.

（编辑：莫婕）

Research on artificial pycnocline technology of seawater density

HE Shengyang， JIN Liang’an，ZHANG Zhiyou， HU Guangyou
（Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

An artificial pycnocline technology of seawater density is proposed in the paper and its core concept is to use special materials and equipment to generate a large number of evenly distributed bubbles in the special sea area via specific mechanism，so as to form a low-density sea water area in sufficient scale and affect the normal navigation of submarine.Through a specialized verification test，the effect and influence laws of seawater pycnocline caused by different artificial bubble radius and bubble number density are analyzed and the test results show that， in a stationary flow field， the influence on senktiefe of submarine-navigation is deeper as the bubble size is smaller，and an appropriate increase in the number density of bubble can significantly increase the senktiefe in a certain range.Research conclusion proves the feasibility and effectiveness of the artificial pycnocline technology of seawater density，which will provide a foundation and basis for further perfection of submarine military strike means and device development.

warship； seawater density； artificial pycnocline； military application

A

1674-5124（2017）09-0139-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.025

2017-01-19；

2017-03-25

海军国防预研课题（401040301）

何升阳（1992-），男，重庆市人，硕士研究生，专业方向为军事航海安全保障与防护技术。

张志友（1989-），男，辽宁大连市人，博士研究生，研究方向为军事航海安全保障与防护技术。