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(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

目前“蛟龍?zhí)枴薄吧詈Ｓ率俊钡壬詈］d人平臺主要依靠水面支持母船，實現(xiàn)深海高精度定位，以及與岸基之間的遠距離通信。但隨著深海載人平臺續(xù)航能力的提升，對其自主能力提出了更高的要求，不再依賴水面母船的支持。因此，深海載人平臺獨自在深海長時間航行作業(yè)期間，如何獲取高精度的位置信息和實現(xiàn)與外界信息的遠距離交互，成為深海載人平臺的迫切需求。

為此，國外相繼發(fā)展了多種體制的多功能浮標技術和裝備，基本途徑是在水下釋放搭載導航定位、通信、光電探測等多種傳感器的浮體，上浮出水面快速執(zhí)行任務后立即回收或拋棄。按照浮標是否可重復使用，可分為消耗型浮標和可回收型浮標；按浮標的連接方式，可分為有纜浮標和無纜浮標2種；按使用方式分主要有拋棄式浮標、拖曳式浮標和系留式浮標3種[1]，見表1。

國外多功能浮標在設計時，為提高深海載人平臺的隱蔽性，未采用聲學定位的方式進行水下位置的精確校準，因此浮標雖能夠實現(xiàn)自身高精度定位，但深海載人平臺無法獲得更為精確的水下位置。針對深海載人平臺的迫切需求，提出一種深海多功能浮標的總體技術方案，以期實現(xiàn)深海載人平臺水下絕對位置的精確校準，遠距離的語音和數據通信。

表1 國外多功能浮標技術特點[2-4]

1 深海多功能浮標技術指標對比

1.1 多功能浮標主要技術指標要求

多功能浮標主要技術指標見表2。

表2 多功能浮標主要技術指標[5]

1.2 有纜浮標與無纜浮標方案對比

有纜浮標與無纜浮標區(qū)別主要在于：深海載人平臺與多功能浮標之間的數據傳輸及供電。

有纜浮標優(yōu)點是深海載人平臺與多功能浮標之間數據傳輸可靠，深海載人平臺能夠為多功能浮標提供能源供給，能有效地減小多功能浮標的重量和體積。其缺點是在深海載人平臺上需要增加收放多功能浮標的絞車和電纜等設備，并且，由于多功能浮標工作時，距離深海載人平臺有數千米的距離，多功能浮標與深海載人平臺之間的電纜可能會對深海載人平臺的水下安全產生影響，同時浮標也可能無法正常工作。

因此，為保證深海載人平臺水下航向作業(yè)的安全，以及減輕深海載人平臺總體負擔，初步考慮采用無纜浮標的方案。

2 多功能浮標總體技術方案

2.1 多功能浮標組成

多功能浮標主要由控制主機、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲學應答器、能源供應系統(tǒng)、測量傳感器、設備艙、安裝固定裝置等組成[6]，見圖1。

1)系統(tǒng)控制主機。系統(tǒng)控制主機用于深海載人平臺遙控多功能浮標中各設備的啟停，以降低多功能浮標各設備的功耗，控制主機平時處于休眠狀態(tài)，通過用聲學應答器對其喚醒開始工作。它通過聲學應答器接收深海載人平臺發(fā)送的遙控指令及發(fā)送相關信息到深海載人平臺。

2)衛(wèi)星通信定位設備及天線。衛(wèi)星通信定位設備及天線用于深海載人平臺水下作業(yè)時與支持母船或岸基之間的數據傳輸，以及接收全球定位數據以確定多功能浮標的絕對定位坐標。天線安裝在多功能浮標上，工作時要求浮在水面以上；收發(fā)主機則安裝在設備艙內，二者之間通過水密電纜相連實現(xiàn)微波通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的啟停由控制主機控制。

3)聲學應答器。聲學應答器主要建立多功能浮標與深海載人平臺之間的通信，同時確定多功能浮標相對于水下深海載人平臺的相對位置。聲學應答器包括控制主機和換能器兩部分。

4)高性能鋰電池。高性能鋰電池主要為多功能浮標上的設備進行供電。蓄電池量應不小于60 Ah，因此選用軟包裝的24 V、20 Ah動力鋰電池三組并聯(lián)使用。

鋰電池組統(tǒng)一或單獨安裝在設備艙內，鋰電池組使用過程中的狀態(tài)通過多功能浮標主機進行監(jiān)控，并把相關數據發(fā)送到水下深海載人平臺。

5)其他設備。其他設備為可選設備，主要包括物化傳感器和CTD傳感器。主要用于在多功能浮標的上浮過程中，對海洋物理化學參數進行剖面測量。

2.2 多功能浮標工作原理

按照對多功能浮標的功能需求，與多功能浮標相關的整個系統(tǒng)分為多功能浮標、深海載人平臺和母船或岸基三部分，其工作原理如圖2所示。多功能浮標與深海載人平臺不通過電纜連接，二者之間主要使用水聲信號進行數據通信，工作時多功能浮標由深海載人平臺水下釋放，多功能浮標被釋放后依靠自身浮力浮到海面后開始建立通信鏈路，多功能浮標把所接收到的水聲信號變成微波信號。通過通信衛(wèi)星實現(xiàn)與母船或岸基之間的通信，還可以接收定位衛(wèi)星信號以確定其在水面位置，然后深海載人平臺通過水聲定位或位置推算的方法在水下對其導航定位位置進行校準。多功能浮標工作完成后水面母船或深海載人平臺通過作業(yè)潛器等方式回收。

3 浮標橫搖性能分析

3.1 浮標在靜水中的自由橫搖

假設浮標在靜水中自由橫搖，忽略其阻尼力矩，只考慮慣性力矩和恢復力矩，則可計算浮標自由橫搖的近似固有頻率nφ

(1)

式中：D為浮標排水量；h為浮標初穩(wěn)心高；Jφφ為浮標轉動慣量；ΔJφφ為浮標附加轉動慣量。

由式(1)可得浮標自由橫搖的近似固有周期Tφ為

(2)

由式(2)可見，浮標作小角度橫搖時，其橫搖固有周期同橫搖角的大小及持續(xù)時間無關，僅僅取決于浮標的排水量，初穩(wěn)心高及轉動慣量。

實踐表明轉動慣量對橫搖固有周期不很敏感，因此通常采用杜埃爾公式[7-9]進行估算。

(3)

式中：g為重力加速度；B為浮標直徑；zg為浮標重心距基線的高度。當h>0.15 m時，依據式(2)、式(3)可得

(4)

當h<0.05 m時，

(5)

式中：φmax為最大橫搖角；r為橫穩(wěn)心半徑。

當0.05≤h≤0.15 m時，可取式(4)、式(5)兩式計算結果的平均值。

3.2 浮標在規(guī)則波中的橫搖運動

浮標在波浪上的橫搖運動，歸結為分析計算浮標在波浪上橫搖運動的受力，并建立和求解的橫搖運動方程。

浮標橫搖主擾動力矩的計算，可根據傅汝德關于船在正橫波中的橫搖經典理論[9-11]，假定：

1)作用于浮標上的規(guī)則波是穩(wěn)定的平面進行波。

2)浮標的存在不影響波浪質點運動。

3)浮標處在正橫波上，其直徑、吃水與波長比較是很小的。

4)不考慮阻尼及附加質量影響。

如圖3所示，假設浮標在正橫波中的一個瞬時狀態(tài)，它傾斜一個角度φ，水的作用力矩為

(6)

式中：α為波面角；h為初穩(wěn)心高。

假設附加質量和阻尼力矩很小，可以忽略[12]，且在小角度橫搖時,

(7)

式中：Jθθ為浮標本身轉動慣量；Dhφ為浮標橫傾角φ引起的恢復力矩；Dhα為波浪主擾動力矩。

整理(7)可得

(8)

式中：Tφ為浮標橫搖的近似固有周期；Tα為波浪周期。

當自由阻尼橫搖振幅衰減為0時，浮標最大橫搖角為

(10)

式中：H為波高；L為波長。

3.3 多功能浮標橫搖仿真驗證

浮標在波浪中的橫搖性能與浮標橫搖的固有周期和波浪周期有關。

由式(4)可知，浮標橫搖的固有周期與浮標直徑B、浮標重心距基線的高度zg以及浮標初穩(wěn)性高h有關。浮標在設計時，可減小浮標直徑，降低浮標重心位置。

浮標重心為

(11)

將表3中浮標設備的重量及尺寸代入式(11)中，可得浮標重心距基線的高度zg約為0.21 m。

多功能浮標需要在5級海況正常工作，為保證其定位和通信質量，要求其橫搖角不大于10°。

經查閱海上標準可知，5級海況平均波高H

表3 多功能浮標主要設備參數統(tǒng)計表

為1.311 m，平均波長L為30.18 m，波浪周期Tα為5.4 s，則多功能浮標橫搖角度隨其固有周期的變化規(guī)律如圖4。

由圖4可見，為保證多功能浮標具有較小的橫搖角度，則其固有周期應盡量避開波浪周期。

多功能浮標的總重量約為55.3 kg，則浮標的排水體積D為0.054 m3，浮標穩(wěn)心距基線的高度為zB，則橫穩(wěn)心半徑為

(12)

(13)

由式(4)、式(5)可繪制出多功能浮標固有周期隨浮標直徑的變化值，見圖5。

由圖5可見，多功能浮標直徑選擇時，應避開共振區(qū)，即B應盡量遠離0.5～0.6 m。

綜合考慮多功能浮標直徑為0.3 m，浮標穩(wěn)心距基線的高度zB為0.38 m，初穩(wěn)心高h為0.16 m，在5級海況的最大橫搖角φmax為8.29°，浮標橫搖角符合設計要求。

4 結論

深海多功能浮標具有體積小、重量輕、易搭載等特點，適合大部分深海載人平臺，有利于提高其水下高精度定位、遠距離通信以及遇險救生通信的能力，為深海載人平臺水下導航和通信提供了新的手段。

后續(xù)將對圓柱形深海多功能浮標在不規(guī)則波中的橫搖性能進行分析和仿真，進一步優(yōu)化深海多功能浮標的直徑，并在水池中對設計結果進行驗證，以使其在5級海況下具備最優(yōu)的橫搖性能。

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