雙三角翼型拖曳體定深特性的水動力實驗研究

苑志江，金良安，遲衛(wèi)，田恒斗，盧祎斌

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連 116018；2.解放軍91439部隊，遼寧大連 116025）

雙三角翼型拖曳體定深特性的水動力實驗研究

苑志江1，金良安1，遲衛(wèi)1，田恒斗2，盧祎斌1

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連 116018；2.解放軍91439部隊，遼寧大連 116025）

為進一步提高海洋拖曳系統(tǒng)的定深性能，以滿足部分拖曳系統(tǒng)的高拖曳速度、大工作深度的需求，針對常規(guī)海洋拖曳體存在的控制機構復雜、體積大、定深特性較差等問題，提出一種結構簡單、體積小、定深特性好的雙三角翼型拖曳體設計思想，并在拖曳水池完成這一新型拖曳體定深特性的水動力實驗研究。結果表明：調整次纜長度比例關系、改變水翼張角等方式可以改變拖曳體的定深性能，且相對而言，調整次纜長度比例關系對于拖曳體定深特性的影響更為明顯。實驗結論不僅證明了雙三角翼型拖曳體良好的定深特性，并可為雙三角翼型拖曳體結構優(yōu)化以及控制方法設計等提供重要依據(jù)。

拖曳體；定深特性；雙三角翼；實驗

0 引言

拖曳體作為海洋拖曳系統(tǒng)重要的組成部分之一，其上可搭載溫、鹽、壓、光、聲納等多種探測傳感器，日益廣泛地應用于海洋探測、海洋考察、獵掃水雷、水聲對抗等諸多領域，具有很高的軍事和民用價值[1]。國內外研制了多種設計樣式的拖曳體[2-3]，如Foucus Vehicle、Nu-shuttle、SeaSoar、BATFISH、Flying Fish等?？傮w而言，拖曳體的功用主要包括：（1）作為傳感器的載體，提供安裝空間；（2）提供升力，保證拖曳系統(tǒng)的定深性能，滿足傳感器的工作要求[4]。其中拖曳體的定深性能往往直接影響系統(tǒng)的工作性能。因此，拖曳體定深性能成為設計的一個重要方面，提高拖曳體定深性能，便可用更短的拖纜以達到預定的工作深度，從而節(jié)省成本、降低造價，且可提高拖曳系統(tǒng)使用的便捷性和快速響應性[5]。

為保證拖曳體的定深性能，國內外學者提出了靜力型定深法和流體動力定深法等方法[1]。靜力型定深法是指依靠拖曳體自身的重力進行定深，但若要實現(xiàn)高拖曳速度下的系統(tǒng)定深，則要求拖曳體的質量很大，如TOSCA，其質量高達1 300kg，嚴重限制其使用的便捷性[2-3]；流體動力定深法是指依靠拖曳時拖曳體受到的流體作用力進行定深的方法，如SeaSoar、BATFISH、Flying Fish等拖曳體[6-7]均采用這一方法，其最明顯特征是加裝了大翼展的定深水翼，這不僅需占據(jù)大量的船用空間，更為重要的是由于翼展的增大，對水翼的強度提出了較高的要求，因而也難以滿足高航速、大定深的使用需求[3]。為滿足多樣性的海洋探測需求，急需一種體積小、重量輕，且定深性能優(yōu)良的新型拖曳體。

鑒于常規(guī)拖曳體設計存在的不足，本文基于拖曳體的流體動力定深法，提出一種雙三角翼型拖曳體的設計思想。為驗證設計結構的合理性，檢驗其定深性能，特設計制作原理實驗模型，并開展拖曳水池實驗。

1 雙三角翼型拖曳體的設計思想

采用流體動力定深法的常規(guī)拖曳體，通常運用加裝定深水翼的方法進行定深，加裝的對稱水翼往往安裝于拖曳體的主體部分，通過主體內部的機械控制裝置進行調節(jié)[8]。然而，這些機械控制裝置的結構往往比較復雜、占據(jù)空間較大、精確控制難度較高。并且，由于加裝了的機械控制機構，大幅度增大了拖曳體的體積，一方面造成拖曳體的浮力增加，則需要更大的升力進行定深；另一方面會直接影響拖曳體受到的流體作用力，特別是其軸向阻力受到的影響最為明顯。盡管大多數(shù)拖曳體采用了流線型主體設計，但仍在一定程度上影響著拖曳體的定深能力。此外，對于部分拖曳系統(tǒng)要求在高拖曳速度下滿足大定深工作，常用措施是調節(jié)水翼攻角，以產生足夠大的升力，這就要求水翼的面積要足夠大。但當拖曳速度較高時，由于面積的增大，必將導致水翼受到的流體作用力迅速增加，這對水翼的工作強度提出了很高要求。

顯然，為提高拖曳體的定深性能，以滿足高拖曳速度下的大定深工作需求，關鍵在于解決3個方面的問題：（1）優(yōu)化拖曳體的控制機構，增強調節(jié)能力；（2）減小拖曳體主體部分所占的空間，改善所受流體作用的特性；（3）改變水翼結構，增強其工作強度?；诖?，本文提出一種雙三角翼型新型拖曳體的設計思想，其設計原理如圖1所示。該拖曳體主要包括：兩塊同樣尺寸的三角形水翼、一條主纜（L3）、兩條次纜（L1和L2）、次纜長度液壓控制機構、水翼張角（α）固定裝置和垂直尾翼。

圖1 雙三角翼型拖曳體結構示意圖

雙三角翼型拖曳體各主要組成部分的功能為：（1）三角形水翼，提供拖曳體定深所需的升力；（2）主纜，連接拖曳母船與拖曳體，提供拖曳體運動的驅動力；（3）次纜，連接拖曳體的首尾兩端，調節(jié)拖曳體的攻角；（4）次纜長度液壓控制機構，通過改變液壓伸縮桿的長度，調節(jié)次纜長度比例關系；（5）水翼張角固定裝置，根據(jù)實際任務需求，將調節(jié)好的水翼張角進行固定；（6）垂直尾翼，保持拖曳體平衡，防止橫滾運動。

通過圖1可知其定深性能主要取決于水翼張角和次纜長度。其中，水翼張角的大小直接決定了水翼迎水面積的大小；當水翼張角設定后，通過調節(jié)次纜的長度，便可以改變拖曳體的攻角，從而改變拖曳體的定深能力。由于次纜長度液壓控制機構的體積較小，因此，相比于常規(guī)拖曳體而言，采用這一控制方式，可大幅度減小控制機構所占空間，降低主體部分的體積，增強拖曳體的定深能力。并且由于水翼張角可調，當系統(tǒng)不工作時，可將水翼合攏，這可大幅度減少拖曳體所占的船用空間，增強使用便捷性。此外，采用這一設計樣式，可以擴大水翼縱向長度，以增大水翼面積，從而避免因增大水翼的翼展而降低工作強度的問題。

當拖曳系統(tǒng)運動時，根據(jù)流體力學相關理論可知，雙三角型拖曳體受到流體作用力主要包括：與相對水流方向相同的流體阻力D；與D相垂直的升力L。拖曳體的升力和阻力特性，特別是升阻比（L/D）的大小，直接決定了拖曳體的定深性能。

2 實驗裝置和方法

2.1 測試系統(tǒng)

實驗是在海軍大連艦艇學院航海系研制的海洋結構物水動力特性實驗中心完成的。實驗測試系統(tǒng)主要由拖曳水池、拖車、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)等部分組成，圖2為雙三角翼型拖曳體定深特性測量系統(tǒng)結構示意圖。

圖2 實驗裝置簡圖

該拖曳水池為多功能水池，由鋼架結構和高強度有機玻璃組成，可完成實驗的全過程拍攝，并且既可完成靜水條件下的實驗，也可作為循環(huán)水池開展勻速水流條件下的相關實驗。實驗水池橫截面為0.75m×0.75m，拖速范圍為0.25～1.5m/s。

2.2 實驗模型

本實驗用的雙三角翼型拖曳體，由白鋼材料制成，厚度為1mm，如圖3所示。其中，拖曳體的單片三角翼的幾何尺寸：a1=16cm，a2=12cm，質量：m=0.26kg。

圖3 拖曳體實驗模型

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

如圖2所示，實驗中拖曳體通過細鋼絲（φ1mm）與拉力傳感器相連，拉力傳感器信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入計算機，處理后可以得到實時的拖曳體受力信息。與此同時，使用高速攝影系統(tǒng)拍攝主纜L3的傾角和拖曳體的姿態(tài)變化等情況，拍攝得到的圖像分辨率為1280pixel×512pixel，拍攝頻率為1 000 f/s，對高速攝影圖像進行后處理，即可得到拖曳體的傾角數(shù)值、深度等信息。

2.3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)的基本過程是將拉力傳感器信號與高速攝影圖像數(shù)據(jù)進行綜合處理與分析，解算得到拖曳體的定深特性。

由于拖曳體的拖曳過程是一個復雜的流固耦合現(xiàn)象，將受到流體粘性力、重力、浮力、慣性力和細鋼絲張力等多種作用力及其相應力矩的影響。基于對拖曳體定深特性方便的考慮，選擇拖曳體在水中的穩(wěn)態(tài)運動進行分析。

拖曳體到達穩(wěn)態(tài)運動時，即表明拖曳體受到的作用力和力矩均達到平衡?；诖?，測量此時拉力傳感器的拉力數(shù)值和主纜L3的傾角數(shù)值θ，通過式（1）、式（2），便可解算得到拖曳體的升阻比L/D，以此表征拖曳體的定深特性。

式中：T——拉力傳感器數(shù)值；

W——拖曳體重力減去水中浮力后的凈重力；

L——受到的升力；

D——受到的阻力；

θ——主纜L3的傾角值。

2.4 實驗方法

根據(jù)雙三角翼型拖曳體的結構特點，將分析次纜長度比例關系（L1/L2）和水翼張角（α）對拖曳體定深特性的影響。

如圖3所示，實驗選用的拖曳體模型，a1=16 cm，在調整次纜長度比例關系時，假定次纜長L2=14 cm，且固定不變，通過改變次纜L1的長度，以達到調整次纜長度比例關系（L1/L2）的目的。試驗中L1分別選擇：5，6，7，8，9，10，11，12，13，14 cm；水翼張角（α）分別設置為：50°，60°，70°，80°，90°，100°，110°，120°，130°，140°，150°，160°和170°。

（1）設定纜繩長度比例關系和水翼張角；

（2）調整拉力傳感器和高速攝影系統(tǒng)，使其處于正常工作狀態(tài)；

（3）拖曳體初始狀態(tài)調整為自然懸垂；

（4）啟動拖車，開始采集數(shù)據(jù)；

（5）拖曳系統(tǒng)逐漸進入穩(wěn)定拖曳狀態(tài)；

（6）拖車減速直至靜止；

（7）數(shù)據(jù)處理，計算雙三角翼型拖曳體定深特性（L/D）。

3結果分析與討論

3.1 次纜長度比例關系對定深特性的影響

為研究次纜長度比例關系對拖曳體定深特性的影響，實驗共設計了10種次纜長度比例關系：5/14～14/14，間隔1/14，且在每一種次纜長度比例關系下，分別選擇5種水翼張角：60°～140°，間隔20°。在設定某一種次纜長度比例關系和水翼張角的情況下，以速度0.75m/s進行拖曳，記錄拉力傳感器數(shù)值（T）和傾角（θ）數(shù)值，從而計算拖曳體的定深特性。

圖4給出了不同次纜長度比例關系下拉力傳感器的數(shù)值?？梢钥闯觯S著次纜長度比例值的降低，拉力傳感器數(shù)值逐漸增大，即L1的長度越短，拖曳體受到的外力越大，并且這一增長趨勢隨著L1長度的變短而變緩，明顯可以看出，當長度L1＜12 cm時，這一趨勢體現(xiàn)得更為明顯。

圖4 次纜長度比例關系對拖曳體受力的影響

圖5給出了不同次纜長度比例關系下的主纜傾角θ值。通過對比分析可知，隨著次纜長度比值的降低，主纜傾角θ值逐漸增大，近似呈線性增加，θ值越大，則表明拖曳體距離水平面越近，也就表明L1的長度越短，拖曳體的定深性能越差。

圖5 次纜長度比例關系對傾角θ的影響

圖6給出了實驗得到的拖曳體升阻比關系曲線，可見次纜長度比值越大，拖曳體的升阻比越大，定深性能越好，并且當次纜長度比值越接近1時，這一影響就越明顯。在相同的次纜長度比值下，拖曳體水翼張角越小，其升阻比數(shù)值越大。

圖6 次纜長度關系對拖曳體升阻比的影響

通過上述實驗結果可以看出次纜長度關系影響拖曳體的定深特性，并且當次纜比例關系接近1時，拖曳體的升阻比接近6∶1。

3.2 水翼張角對定深特性的影響

為檢驗水翼張角α對拖曳體定深特性的影響，實驗共設計了13種水翼張角：50°～170°，間隔10°，且每一種水翼張角下選擇5種次纜長度比例關系，L1長度范圍為10～14 cm，間隔1 cm。在設定某一種水翼張角和次纜比例關系的情況下，以速度0.75m/s進行拖曳，記錄拉力傳感器數(shù)值和傾角的數(shù)值，測量拖曳體的定深特性。

圖7 水翼張角對拖曳體受力的影響

圖7給出了拖曳體受力與水翼張角之間的關系曲線?？梢钥闯觯弦敷w受力隨水翼張角的增大而增大，近似呈現(xiàn)線性關系。隨著次纜L1長度的降低，這一曲線的斜率相應變大，拖曳體受力的增幅變小，當L1=10 cm，張角從50°變?yōu)?70°時，拖曳體受力從3.82N，增至9.02N，增幅136%，而當L1=14 cm時，拖曳體受力從2.84N，增至5.59N，增幅96.8%?？梢?，次纜L1越短，影響越為明顯。

圖8給出了拖曳時主纜L3的傾角θ與水翼張角α之間的關系曲線?？梢钥闯?，在相同次纜長度比例關系時，隨著水翼張角的增大，θ的數(shù)值也相應的增大，并且這一增大趨勢隨著α的增大有所減緩。根據(jù)實際可知，當θ值增大時，即表明拖曳體距離水面的距離在降低，則拖曳體的定深性能就越差?？傮w而言，無論采用何種次纜長度比例關系，均呈現(xiàn)先增加后變緩的趨勢。

圖8 水翼張角對傾角θ的影響

從圖8中還可看出，不同次纜長度比例關系時，水翼張角的影響并不相同?？梢?，次纜L1的長度越短，這一影響就越為明顯，例如，當次纜L1=10cm時，值由25.2°增至59.6°，增加了34.4°，而當L1=14 cm，增值僅為3.7°。

圖9為不同水翼張角下的拖曳體升阻比特性曲線?？梢钥闯?，隨著水翼張角α的增大，拖曳體升阻比L/D的數(shù)值逐漸降低。并且，次纜L1的數(shù)值越大，升阻比的數(shù)值越大。

4 結束語

本文提出了一種結構簡單、體積小、定深特性可調的雙三角翼型拖曳體，通過拖曳水池試驗，分析了影響這一新型拖曳體定深特性的關鍵因素，得到如下結論：

圖9 水翼張角對拖曳體升阻比的影響

（1）調整次纜長短比例關系，可改變拖曳體的定深特性，次纜L1的長度越長，主纜傾角θ值越小，拖曳體定深性能越好。

（2）調整水翼張角，也可改變拖曳體的定深特性，水翼張角越大，主纜傾角θ值越大，拖曳體定深特性越差。

相比較而言，調整次纜長度的方式對于拖曳體定深性能產生的影響更為明顯，因此，要根據(jù)實際使用情況，選擇合適的水翼張角，并調整次纜長度進行定深性能調節(jié)。上述結論可為雙三角翼型拖曳體的結構設計和控制方法選擇提供重要的參考依據(jù)。

[1]葉果洛夫.水下拖曳系統(tǒng)[M].北京：海洋出版社，1988：20-23.

[2]官晟.拖曳式測量系統(tǒng)剖面運動控制與數(shù)據(jù)產品制作[D].北京：中國科學院，2006.

[3]王巖峰.拖曳式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)的總體設計、功能評價及應用[D].北京：中國科學院，2006.

[4]任志良，張剛.無人水下航行器進展[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：101-104.

[5]榮建德.水下運載器性能的分析與設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：54-57.

[6]Lindsay Pender，Ian Helmond.SeasoarMetamorphosis[C]∥International Marine Technicians Workshop，1998.

[7]何志強.拖曳式水下運載器收放系統(tǒng)技術研究[J].聲學與電子工程，2009（1）：47-49.

[8]王巖峰.500m深度拖曳系統(tǒng)的設計與試驗[J].海洋技術，2011，30（3）：1-4.

Experiment on depth depressive characteristics of towed vehicle w ith double triangle w ings

YUAN Zhi-jiang1，JIN Liang-an1，CHIWei1，TIAN Heng-dou2，LU Yi-bin1
（1.Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China；
2.No.91439 PLA，Dalian 116025，China）

In order to satisfy the high towing speed and deep-working requirements of some underwater towed systems，a new design scheme of towed vehicle with double triangle wings was proposed to solve problems such as the control structure of underwater towed vehicle is complicated，volume is large and the characteristic of depressive depth is bad normally.The experiment on the characteristic of depressive of this towed vehicle was operated in the towed bank.The experimental results show that the measures changing the length of secondary towed cable and angle of wing influence the lift-drag ratio of towed vehicle.In comparison，the influence of changing the towed cable ratio is more obvious.The conclusions show the favorable depressor characteristic of towed vehicle with double triangle wings.Moreover，it can be used to optimize the structure of towed vehicle and design the control method.

towed vehicle；depressive depth characteristics；double triangle wings；experiment

P641；TP212；P331；X834

A

1674-5124（2013）03-0108-05

2012-09-10；

：2012-11-19

“十二五”國防預研項目（5131402031）

苑志江（1983-），男，河北邢臺市人，博士研究生，研究方向為軍事航海安全保障與防護技術。