一种水声应答器的浮体设计∗

（91388部队96分队 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下运动位置监测的长基线水声定位系统有两种［1］，分别是浮标式和潜标式水声定位系统。潜标式水声定位系统由声学应答器分系统、浮标中继站分系统、基站分系统等三部分组成的。声学应答器分系统负责水下目标位置的声学测量；加装了合作信标的水下被测目标在阵内运动时，发射Pinger信号。声学应答器中的水听器接收到水声信号，送往水声信号处理系统进行处理，得到并记录到达时刻与参考时刻的差［3］；主控计算机对布放的声学应答器阵单元中的三个（或四个）潜标的数据采用球面交汇技术（或双曲面交汇技术）解算出目标位置。当目标连续发射Pinger信号时，系统可测量出目标的三维运动轨迹［4］。

单个应答器工作状态如图（1）所示，此时应答器通过钢缆与重物连接，锚于海底。收到释放指令后，应答器脱开重物，由浮体或浮球带动，上浮至海面，如图（2）所示。

图1 同步模式潜艇自导航工作态势图（4元阵元）

图2 应答器工作及释放状态示意图

本文主要讨论的是浅海试验中应答器在释放上浮过程中，防止渔网缠绕及应答器换能器磕撞采用环抱式浮体-浮力夹克设计［4］。

2 浮力夹克设计方案

在较浅水域使用应答器时，需要使用浮球提供浮力［5］。由于海底环境较为复杂，浮球容易被渔网挂住，降低应答器回收可靠性，所以考虑设计浮力夹克安装于应答器外壳上。

浮力夹克为分瓣对称式结构，中心为圆形与应答器外形配合，通过螺杆夹紧实现连接，两端与应答器端部配合，防止轴向串动。浮力夹克内部采用轻质浮材，外表面涂覆致密防水层，具有韧性，防冲击，降低吸水率。根据应答器所需浮力，对浮力夹克的尺寸进行设计［6］。其外形如图3所示。

图3 浮力夹克结构示意图

此外，应答器安装浮力夹克后，可在释放上浮后实现自动翻转功能，保证应答器换能器始终保持在水中，可在水面正常接收与发射信号，方便应答器回收。其工作状态示意图如图4所示。

图4 应答器释放后翻转示意图

3 应答器姿态控制

应答器穿上浮力马甲在海底工作时，受到浮力、重力、拉力、海流推力的综合作用，整体潜没于水下，受力状态表现为潜体。潜体的浮心位于物体的形心，不因为倾斜而变化。

海流推力可忽略时，应答器受力状态如图5所示［7］，浮力B通过浮心b，垂直向上。重力G垂直向下，重心为g。缆绳的拉力T作用在下端，垂直向下。受力分析如下［8］：

图5 应答器海底受力状态A

考虑海流推力R时，应答器发生偏转，倾角为α，重心为g'点，浮心为b'点。缆绳拉力T'作用在下端o点［9］，倾角为β，推力R与轴线垂直，作用在形心r'［10］。如图 6 所示。

图6 应答器海底受力状态B

垂直方向：

水平方向：

式中：B为浮力，N；CD为流阻系数；G为重力，N；D为物体尺度，m；T为拉力，N；μ为动力粘性系数，kg·m-1·s-1；R为海流推力，N；v为流速，m/s；ρ为流体质量密度，kg·m-3；A为迎流面积，m2。

稳定性分析：

浮力产生的恢复力矩：

应答器重力产生的倾覆力矩：

海流推力产生的倾覆力矩：

合力矩：

海流推力：

应答器释放后浮出水面时，浮体与水面相交的平面称为浮面，垂直浮面并通过重心的垂线称为浮轴。当浮体处于平衡状态时，浮心b和重心g均在浮轴上。当浮体转动时，浮心将移到另一位置b，通过浮心b的浮力作用线将与原浮轴交于一点M，M称为定倾中心。定倾中心M到原浮点b的距离ρ称为定倾半径，重心和原浮心的距离称为偏心距e。

浮体的稳定性取决于定倾中心M与重心g的位置关系。如果定倾中心M高于重心g，即ρ＞e，转动后浮力和重力产生恢复力矩，浮体是稳定的。反之，如果定倾中心M低于重心g，即ρ＜e，转动后浮力和重力产生倾覆力矩，则浮体是不稳定的。ρ=e为随遇平衡。

释放后，应答器上浮，处于浮体状态。由于重心位于浮心之上，发生偏转。

图7 应答器浮体状态稳定性分析

经过计算，以应答器舱筒的中心为基准点，应答器和浮力马甲的整体重心约为7.4mm，浮心约为-54.7mm。当应答器在海流0.5节并姿态角约为15°时，定倾半径ρ约为23.4mm，偏心距e约为62.1mm。如上图所示，ρ＜e，应答器处于不稳定状态，受倾覆力矩，发生偏转，换能器指向水下，符合设计要求。

4 试验验证

水下布放3套声学应答器，船载分系统置于测量船上。在船载分系统对各声学应答器进行测阵后，测量船在应答器阵内某处停船漂泊。船载分系统周期性发射询问信号，船载分系统检测询问信号和各应答器的应答信号，船载显控分系统解算艇载发射换能器的大地坐标，并统计均方根误差，统计次数100。分别进行了三种询问应答模式和一种双询问双应答模式下的系统定位精度测试，同时对应答器进行了释放检测，试验结果显示，浮力夹克在不影响水声换能器的工作状态下，上浮姿势良好，完全符合设计要求。

图8 测试试验对比图

5 结语

经过理论分析和海上试验证明，针对水声应答器的浮力夹克设计是合理的，对后续的水声工程实验设计具有借鉴意义。