一种座底式海洋环境数据监测平台的设计方法

孙 畅

(中国船舶重工集团有限公司 第七一O研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

海洋既是人类生存的基本空间，也是国际政治斗争的重要舞台，而政治斗争的中心就是海洋权益。从当前国际形势来看，海洋已成为国家利益拓展和安全空间延伸的一个重要战略领域。来自海洋方向的多种安全威胁日益严重，我国在南海问题上存在着主权被侵犯、岛礁被侵占、海域被分割、资源遭掠夺、开发被阻挠、安全受威胁的严重局面，东、南海危机亦步步升级。随着现代电子信息技术的发展和武器装备信息化水平的提高，战争要求能够有效地掌握战场态势，利用各种监视与侦察设备，全面了解战区的地理环境、地形特点、气象情况等信息，为作战行动提供可靠的依据。为此，我国应加大海洋环境观测领域的开发与建设[1]。目前使用的座底式海底监测平台存在的主要问题是：布放入水后监测平台呈类似于自由落体状态，在平台落入海底的过程中会受到海流或水中悬浮物等的影响，使平台可能出现倾斜，改变平台的座底姿态，甚至导致监测设备无法正常工作。为此，本文提出了一种新型的座底式海洋环境数据监测平台的设计方法。

1 座底式海洋监测平台设计思路

座底式海洋监测平台主要用于监测海洋环境、收集海洋相关数据。因此要求设计出的平台能适应使用环境和工况要求，做到结构简单、使用可靠并且便于布放与回收，保证平台在水中运行平稳、不受海流或漂浮物等的影响，从而提高采样数据的准确性及回传数据的有效性。

(1) 在使用工况下，座底平台能携带监测设备顺利落入指定区域的海底，且在海底具有一定的吸附力，保证设备能正常工作。

(2) 在使用过程中，监测平台受到外界环境因素的影响，应保证外力作用下平台运行时的姿态稳定性。

2 座底式海洋监测平台结构组成及动作原理

座底式海洋环境数据监测平台主要由浮球、设备固定架、声学应答模块、通信浮标、无线充电模块、水下绞车、声学释放器、翼板、控制单元、监测设备、压载锚等部分组成，其总体结构如图1所示。压载锚由电池舱、锚体、充气管道、座底吸盘、翻转皮囊等构成，如图2所示。其中锚体可由钢材或钢筋混泥土浇注成型，为保证电池舱的水密性，该构件采用金属材料，制造时预埋在锚体内部，充气管道同样预设在锚体内部，同时在锚体上端面设计安装固定架的限位槽[2]，最后将翻转皮囊与座底吸盘和锚体通过压环及紧固件装配成一体。

1-浮球；2-固定架；3-声学应答；4-通信浮标；5-无线充电模块；6-绞车； 7- 声学释放器 ；8-翼板；9-控制单元；10-监测设备； 11-压载锚

这样设计的目的是：①将固定架2底端放入限位槽17(如图3所示)内可以起到限位的作用；②翻转皮囊16设计成波纹形式，当平台入水后与之连接的座底吸盘15可以向上翻转压缩锚体腔内的空气[3]形成负压真空的吸盘效应；③可以通过充气单向阀18向充气管道的锚腔内充入一定压力的气体[4]。

座底式海洋监测平台动作原理如下：平台布放入水后在自身重力作用下开始下沉，在平台下沉过程中，由翼板8和浮球1起到稳定平台姿态的作用(如图4所示)，使平台在沉底时能够保持具有垂直向上的姿态，由于平台在入水过程中有一定的下沉速度，受水的阻力作用挤压座底吸盘，此时翻转皮囊向锚体空腔内翻转，并压缩空腔内的气体，当被压缩气体气压高于充气单向阀的额定阀值时，压缩气体由单向阀溢出；当平台沉入水底后，由于平台的自重，座底锚有缓慢下陷的趋势，与此同时皮囊底盘上表面与锚体底部弧面贴合，下表面与水底泥沙贴合，增大了平台底盘与泥沙的贴合面积，阻止平台的进一步下陷，这一结构具有类似于日常用的真空吸盘的效果，使平台最终能够稳固地座底于水底。

12-电池舱；13-锚体；14-充气管道；15-座底吸盘；16-翻转皮囊

17 -限位槽 ；18-充气单向阀

图4 平台入水流体特性示意图

3 结构设计

(1) 平台布放和回收：将需要回收的仪器设备通过固定架固定在压载锚上，使两者形成刚性连接状态。同时依据任务要求，需要满足设备固定架快速回收的要求，采用通过固定声学释放器的固定架上端与设备固定架连接固定，下端由连接环与压载锚上的预埋吊耳连接，同时为防止布放时设备固定架与压载锚发生相对位移，将设备固定架固定在设备固定架限位槽内。其目的是：若将设备固定架与压载锚用紧固件连接，可以满足平台布放座底，但需回收仪器设备时，需将整体平台回

收，而不能满足仅回收仪器设备的要求；如将设备固定架通过声学释放器的连接环将其固定在压载锚上的限位槽内，使固定架只有在释放器动作后，座底式监测平台在自身浮力的作用下做向上自由运动，这样设计既可以满足平台布放的运行姿态，保证平台座底稳定，又可以实现在高海况下回收重要仪器设备的功能。

(2) 为确保设备固定架在海洋环境的抗腐蚀性，设备固定架采用不锈钢和高强度非金属组合的形式，金属与金属或金属与非金属件间的连接采用铆接的形式，尽量不用焊接成型技术。

(3) 为保证海洋监测平台在水下运行时姿态的稳定性，在设备仪器固定架的纵梁上加装若干数量的翼板和外护罩，通过卡槽或螺栓固定在纵梁的固定座上。翼板外延上部设有稳定环，在稳定环上加装若干数量的浮球，浮球与稳定环之间连有高强度锦纶复丝绳系，其长度经试验验证控制在100 mm～300 mm以内较为合适。浮球的作用是：①调整平台的浮心与重心的距离，为平台座底提供垂直向上的分力，可进一步降低平台侧翻的可能性；②为今后回收仪器设备提供浮力。外护罩的作用是保护护罩内部的仪器设备免受海底水流的影响或损坏。翼板的作用是保持平台在下沉过程中稳定的垂直姿态，若平台有翻倒趋势时，会受到水流分力的阻力，使平台能够垂直座底而不至于翻倒；当平台倾斜到一定角度时，姿态传感器将信息传送给控制单元，由控制单元指令依据倾斜方向释放相应浮球。

4 座底式海洋监测平台的主要特点

按上述方法设计制造完成后的座底式海洋环境数据监测平台，经海上试验验证表明：该装置在水中运行时能保证姿态的稳定性，落入海底时不受海流等外部环境的影响，使用效果良好，工作性能稳定。座底式海洋监测平台具有以下主要特点：

(1) 在支架上加装若干数量的翼板和外护罩，在翼板上部的稳定环上加装若干数量的浮球，从而保证监测平台从船尾布放入水后能够垂直下落座底。

(2) 监测平台接收到回收数据的声信号指令后，控制单元控制收放系统释放通信浮标浮出水面进行数据传输，使数据的回收变得简单。

(3) 将翻转皮囊与座底吸盘和锚体通过压环及紧固件装配成一体，使监测平台座底后具有一定的吸力，提高平台受到外力作用时的姿态稳定性。