苑志江，金良安，遲衛(wèi)，田恒斗，盧祎斌

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

雙三角翼型拖曳體定深特性的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(xué)院航海系，遼寧大連 116018；2.解放軍91439部隊(duì)，遼寧大連 116025）

為進(jìn)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(duì)常規(guī)海洋拖曳體存在的控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜、體積大、定深特性較差等問(wèn)題，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、定深特性好的雙三角翼型拖曳體設(shè)計(jì)思想，并在拖曳水池完成這一新型拖曳體定深特性的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：調(diào)整次纜長(zhǎng)度比例關(guān)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(duì)而言，調(diào)整次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系對(duì)于拖曳體定深特性的影響更為明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化以及控制方法設(shè)計(jì)等提供重要依據(jù)。

拖曳體；定深特性；雙三角翼；實(shí)驗(yàn)

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(cè)傳感器，日益廣泛地應(yīng)用于海洋探測(cè)、海洋考察、獵掃水雷、水聲對(duì)抗等諸多領(lǐng)域，具有很高的軍事和民用價(jià)值[1]。國(guó)內(nèi)外研制了多種設(shè)計(jì)樣式的拖曳體[2-3]，如Foucus Vehicle、Nu-shuttle、SeaSoar、BATFISH、Flying Fish等。總體而言，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(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，提高拖曳體定深性能，便可用更短的拖纜以達(dá)到預(yù)定的工作深度，從而節(jié)省成本、降低造價(jià)，且可提高拖曳系統(tǒng)使用的便捷性和快速響應(yīng)性[5]。

為保證拖曳體的定深性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了靜力型定深法和流體動(dòng)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(jìn)行定深，但若要實(shí)現(xiàn)高拖曳速度下的系統(tǒng)定深，則要求拖曳體的質(zhì)量很大，如TOSCA，其質(zhì)量高達(dá)1 300kg，嚴(yán)重限制其使用的便捷性[2-3]；流體動(dòng)力定深法是指依靠拖曳時(shí)拖曳體受到的流體作用力進(jìn)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(duì)水翼的強(qiáng)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(cè)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(shè)計(jì)存在的不足，本文基于拖曳體的流體動(dòng)力定深法，提出一種雙三角翼型拖曳體的設(shè)計(jì)思想。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，檢驗(yàn)其定深性能，特設(shè)計(jì)制作原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并開(kāi)展拖曳水池實(shí)驗(yàn)。

1 雙三角翼型拖曳體的設(shè)計(jì)思想

采用流體動(dòng)力定深法的常規(guī)拖曳體，通常運(yùn)用加裝定深水翼的方法進(jìn)行定深，加裝的對(duì)稱水翼往往安裝于拖曳體的主體部分，通過(guò)主體內(nèi)部的機(jī)械控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)[8]。然而，這些機(jī)械控制裝置的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)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(jī)械控制機(jī)構(gòu)，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(jìn)行定深；另一方面會(huì)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(shè)計(jì)，但仍在一定程度上影響著拖曳體的定深能力。此外，對(duì)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(diào)節(jié)水翼攻角，以產(chǎn)生足夠大的升力，這就要求水翼的面積要足夠大。但當(dāng)拖曳速度較高時(shí)，由于面積的增大，必將導(dǎo)致水翼受到的流體作用力迅速增加，這對(duì)水翼的工作強(qiáng)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(guān)鍵在于解決3個(gè)方面的問(wèn)題：（1）優(yōu)化拖曳體的控制機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)調(diào)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(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其工作強(qiáng)度?；诖耍疚奶岢鲆环N雙三角翼型新型拖曳體的設(shè)計(jì)思想，其設(shè)計(jì)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(zhǎng)度液壓控制機(jī)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；（3）次纜，連接拖曳體的首尾兩端，調(diào)節(jié)拖曳體的攻角；（4）次纜長(zhǎng)度液壓控制機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變液壓伸縮桿的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系；（5）水翼張角固定裝置，根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求，將調(diào)節(jié)好的水翼張角進(jìn)行固定；（6）垂直尾翼，保持拖曳體平衡，防止橫滾運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)圖1可知其定深性能主要取決于水翼張角和次纜長(zhǎng)度。其中，水翼張角的大小直接決定了水翼迎水面積的大??；當(dāng)水翼張角設(shè)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)次纜的長(zhǎng)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(zhǎng)度液壓控制機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)所占空間，降低主體部分的體積，增強(qiáng)拖曳體的定深能力。并且由于水翼張角可調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，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(qiáng)使用便捷性。此外，采用這一設(shè)計(jì)樣式，可以擴(kuò)大水翼縱向長(zhǎng)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(qiáng)度的問(wèn)題。

當(dāng)拖曳系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)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(duì)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(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)是在海軍大連艦艇學(xué)院航海系研制的海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)中心完成的。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

該拖曳水池為多功能水池，由鋼架結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度有機(jī)玻璃組成，可完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程拍攝，并且既可完成靜水條件下的實(shí)驗(yàn)，也可作為循環(huán)水池開(kāi)展勻速水流條件下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)水池橫截面為0.75m×0.75m，拖速范圍為0.25～1.5m/s。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本實(shí)驗(yàn)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(zhì)量：m=0.26kg。

圖3 拖曳體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中拖曳體通過(guò)細(xì)鋼絲（φ1mm）與拉力傳感器相連，拉力傳感器信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，處理后可以得到實(shí)時(shí)的拖曳體受力信息。與此同時(shí)，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(duì)高速攝影圖像進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本過(guò)程是將拉力傳感器信號(hào)與高速攝影圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)程是一個(gè)復(fù)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(xì)鋼絲張力等多種作用力及其相應(yīng)力矩的影響。基于對(duì)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(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

拖曳體到達(dá)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即表明拖曳體受到的作用力和力矩均達(dá)到平衡?；诖?，測(cè)量此時(shí)拉力傳感器的拉力數(shù)值和主纜L3的傾角數(shù)值θ，通過(guò)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(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)雙三角翼型拖曳體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將分析次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系（L1/L2）和水翼張角（α）對(duì)拖曳體定深特性的影響。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)選用的拖曳體模型，a1=16 cm，在調(diào)整次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系時(shí)，假定次纜長(zhǎng)L2=14 cm，且固定不變，通過(guò)改變次纜L1的長(zhǎng)度，以達(dá)到調(diào)整次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系（L1/L2）的目的。試驗(yàn)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(shè)置為：50°，60°，70°，80°，90°，100°，110°，120°，130°，140°，150°，160°和170°。

（1）設(shè)定纜繩長(zhǎng)度比例關(guān)系和水翼張角；

（2）調(diào)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(diào)整為自然懸垂；

（4）啟動(dòng)拖車，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)；

（5）拖曳系統(tǒng)逐漸進(jìn)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(jì)算雙三角翼型拖曳體定深特性（L/D）。

3結(jié)果分析與討論

3.1 次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系對(duì)定深特性的影響

為研究次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系對(duì)拖曳體定深特性的影響，實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10種次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系：5/14～14/14，間隔1/14，且在每一種次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系下，分別選擇5種水翼張角：60°～140°，間隔20°。在設(shè)定某一種次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系和水翼張角的情況下，以速度0.75m/s進(jìn)行拖曳，記錄拉力傳感器數(shù)值（T）和傾角（θ）數(shù)值，從而計(jì)算拖曳體的定深特性。

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

圖4 次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系對(duì)拖曳體受力的影響

圖5給出了不同次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系下的主纜傾角θ值。通過(guò)對(duì)比分析可知，隨著次纜長(zhǎng)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(zhǎng)度越短，拖曳體的定深性能越差。

圖5 次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系對(duì)傾角θ的影響

圖6給出了實(shí)驗(yàn)得到的拖曳體升阻比關(guān)系曲線，可見(jiàn)次纜長(zhǎng)度比值越大，拖曳體的升阻比越大，定深性能越好，并且當(dāng)次纜長(zhǎng)度比值越接近1時(shí)，這一影響就越明顯。在相同的次纜長(zhǎng)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(zhǎng)度關(guān)系對(duì)拖曳體升阻比的影響

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出次纜長(zhǎng)度關(guān)系影響拖曳體的定深特性，并且當(dāng)次纜比例關(guān)系接近1時(shí)，拖曳體的升阻比接近6∶1。

3.2 水翼張角對(duì)定深特性的影響

為檢驗(yàn)水翼張角α對(duì)拖曳體定深特性的影響，實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)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(zhǎng)度比例關(guān)系，L1長(zhǎng)度范圍為10～14 cm，間隔1 cm。在設(shè)定某一種水翼張角和次纜比例關(guān)系的情況下，以速度0.75m/s進(jìn)行拖曳，記錄拉力傳感器數(shù)值和傾角的數(shù)值，測(cè)量拖曳體的定深特性。

圖7 水翼張角對(duì)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(guān)系曲線?？梢钥闯?，拖曳體受力隨水翼張角的增大而增大，近似呈現(xiàn)線性關(guān)系。隨著次纜L1長(zhǎng)度的降低，這一曲線的斜率相應(yīng)變大，拖曳體受力的增幅變小，當(dāng)L1=10 cm，張角從50°變?yōu)?70°時(shí)，拖曳體受力從3.82N，增至9.02N，增幅136%，而當(dāng)L1=14 cm時(shí)，拖曳體受力從2.84N，增至5.59N，增幅96.8%?？梢?jiàn)，次纜L1越短，影響越為明顯。

圖8給出了拖曳時(shí)主纜L3的傾角θ與水翼張角α之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，在相同次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系時(shí)，隨著水翼張角的增大，θ的數(shù)值也相應(yīng)的增大，并且這一增大趨勢(shì)隨著α的增大有所減緩。根據(jù)實(shí)際可知，當(dāng)θ值增大時(shí)，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(wú)論采用何種次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系，均呈現(xiàn)先增加后變緩的趨勢(shì)。

圖8 水翼張角對(duì)傾角θ的影響

從圖8中還可看出，不同次纜長(zhǎng)度比例關(guān)系時(shí)，水翼張角的影響并不相同?？梢?jiàn)，次纜L1的長(zhǎng)度越短，這一影響就越為明顯，例如，當(dāng)次纜L1=10cm時(shí)，值由25.2°增至59.6°，增加了34.4°，而當(dāng)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(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、定深特性可調(diào)的雙三角翼型拖曳體，通過(guò)拖曳水池試驗(yàn)，分析了影響這一新型拖曳體定深特性的關(guān)鍵因素，得到如下結(jié)論：

圖9 水翼張角對(duì)拖曳體升阻比的影響

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

（2）調(diào)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(diào)整次纜長(zhǎng)度的方式對(duì)于拖曳體定深性能產(chǎn)生的影響更為明顯，因此，要根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇合適的水翼張角，并調(diào)整次纜長(zhǎng)度進(jìn)行定深性能調(diào)節(jié)。上述結(jié)論可為雙三角翼型拖曳體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法選擇提供重要的參考依據(jù)。

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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(guó)防預(yù)研項(xiàng)目（5131402031）

苑志江（1983-），男，河北邢臺(tái)市人，博士研究生，研究方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。