程浩

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲吶浮標（下文簡稱浮標）主要裝備于反潛飛機，它與機載聲吶處理系統(tǒng)一起，依據(jù)水下目標在海洋環(huán)境條件下的特征，對目標進行搜索、識別、定位和跟蹤，并為攻潛武器的使用提供目標指示，是航空搜潛的主要手段。浮標具有系列化的標準尺寸、體積小、重量輕、接口簡單、互換性好且使用靈活，便于與其它搜潛裝備開展協(xié)同探測[1-2]。

1 浮標組成及工作狀態(tài)

1.1 浮標組件

浮標具有標準的外形尺寸[3]，A尺寸長914 mm，G尺寸長419 mm，F(xiàn)尺寸長為304 mm，外徑均為124 mm。浮標一般由外殼組件、減速降落機構(gòu)、水面漂浮組件、水中懸浮組件和水下聲學組件組成。其中，外殼組件將其各部分封裝在一起形成有機整體。浮標的實體組成如圖1所示，這些模塊化的零部件具有良好的繼承性、通用性和擴展性，可以根據(jù)浮標類型，選取相應(yīng)模塊進行組合。

圖1 聲吶浮標實體組成

1.2 浮標工作狀態(tài)

浮標一般由反潛飛機空投使用，離機后在減速降落機構(gòu)的作用下，姿態(tài)調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)下落；浮標接觸水面時，充氣裝置對漂浮氣囊充氣，膨脹的漂浮氣囊迫使浮標分解，水面漂浮組件上浮至海面，水中懸浮組件定深并釋放傳輸電纜，水下聲學組件下沉至預(yù)設(shè)深度并展開換能器基陣。浮標開始工作，接收目標輻射噪聲或者發(fā)射聲脈沖并接收回波信號，同時接收其它聲吶設(shè)備發(fā)射的聲波經(jīng)目標反射而產(chǎn)生的回波信號；接收的水聲信號經(jīng)過放大、濾波等處理，調(diào)制成高頻信號，經(jīng)漂浮氣囊內(nèi)置的高頻天線向接收設(shè)備傳輸；浮標可以實時接收遙控指令執(zhí)行相關(guān)動作，完成使命后自沉海底。

浮標的使用過程可以分為投放狀態(tài)和漂浮狀態(tài)兩個階段。投放狀態(tài)是離機-穩(wěn)定降落-入水解體：離機時要求開傘裝置可靠，降落傘快速充氣；穩(wěn)定降落時浮標姿態(tài)穩(wěn)定，擺動幅度較小；入水解體時要求外殼組件能夠承受水面沖擊力，并能減緩沖擊力對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。漂浮狀態(tài)是浮標的長時工作狀態(tài)：水面漂浮組件穩(wěn)定漂浮在海面，支撐內(nèi)置高頻天線和衛(wèi)星天線進行通信，并為水下部分提供足夠浮力；水中懸浮組件將水面漂浮組件與水下聲學組件連接在一起，并傳輸信號；水下聲學組件在預(yù)設(shè)深度展開換能器基陣，并處于發(fā)射或接收水聲信號狀態(tài)。

2 浮標總體布局

浮標是具有相互依存功能的機械結(jié)構(gòu)、電子器件、特性材料和能源裝置的一種組合。浮標結(jié)構(gòu)是使聲學模塊、電路模塊、通信模塊和電源模塊組合在一起的骨架，也是完成具體動作的執(zhí)行機構(gòu)，是浮標完成使命任務(wù)的重要保障。在方案設(shè)計時，根據(jù)任務(wù)書要求選定尺寸規(guī)格，確定各模塊具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。在總體布局時必須綜合考慮各電氣模塊之間的電磁兼容性、發(fā)射模塊的散熱性能、羅盤模塊防磁干擾等因素；同時，考慮浮標的重量、重心、浮心和轉(zhuǎn)動慣量等力學參數(shù)，使浮標具有良好降落姿態(tài)和漂浮穩(wěn)定性，傾斜角度小于 10°～15°時，可以自動恢復(fù)豎直狀態(tài)，漂浮搖擺周期遠離波浪起伏周期，避免出現(xiàn)共振。浮標能夠?qū)崿F(xiàn)投放和漂浮兩種工作狀態(tài)，其主要部件從上到下依次布局如圖2所示。

圖2 浮標功能模塊布局示意圖

3 浮標關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 降落傘

目前，降落傘是使用最廣泛的氣動力減速裝置，空投浮標基本上都采用降落傘來穩(wěn)定其空中姿態(tài)，調(diào)整其入水速度和入水角度。

3.1.1 傘衣的面積

傘衣是降落傘的主要組成部分，是降落過程中的阻力面，直接決定了降落傘的氣動系數(shù)。按照浮標穩(wěn)定下降的條件設(shè)計傘衣的面積：

式中，m為浮標質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；v為浮標穩(wěn)定下降速度，m/s；Cd為降落傘阻力系數(shù)，無量綱；ρ為空氣密度，kg/m3；S為傘衣面積，m2。參照降落傘理論知識[4]選擇開傘快、動載小、穩(wěn)定性好的傘形，根據(jù)傘形的長寬比例關(guān)系，可以計算出傘衣的結(jié)構(gòu)尺寸。

3.1.2 傘繩的主要參數(shù)

傘繩的長度影響著傘衣的投影面積和阻力系數(shù)，傘繩的數(shù)量是保持傘的形狀和充滿狀態(tài)的基本條件。降落傘參數(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 降落傘參數(shù)示意圖

根據(jù)式（2）可以確定傘繩的長度，確定傘繩的抗拉強度，決定傘繩的數(shù)量。

式中，ξ、η、Kd、Kb、fsh為比例常數(shù)，無量綱；D0、D、d分別是傘衣展開直徑、降落傘投影直徑和浮標直徑，mm；Ls、Lsh分別是傘繩實際長度和名義長度，mm；Fkmax、Fsh、psh分別是開傘沖擊載荷、傘繩張力和傘繩斷裂強度，N；Lυ為傘繩拉直速度，m/s；n為傘繩數(shù)量。

影響浮標入水速度的因素主要有傘衣面積及阻力系數(shù)，相同材料的傘衣，面積越大，阻力越大，入水速度越小。影響阻力系數(shù)的因素主要有傘形、傘繩長度、傘衣透氣量等，阻力系數(shù)的取值要綜合考慮這些因素的影響。

浮標降落傘為十字形傘，具有阻力系數(shù)大、開傘快、動載小、穩(wěn)定性好等氣動性能，安裝在浮標頂部，保證了浮標具有良好的投放姿態(tài)。依照浮標降落傘的計算方法，可以快速設(shè)計適用于重量輕、尺寸小的空投物減速傘。

3.2 開傘及脫傘裝置

浮標的開傘裝置主要由風板、扭簧、傘袋、塑料環(huán)、脫落板和傘環(huán)組成。傘繩與傘環(huán)連接，傘環(huán)卡在塑料環(huán)、脫落板和外殼筒三者之間，即降落傘通過傘環(huán)與浮標本體連接。將降落傘裝入傘袋內(nèi)，折疊后放置在由風板、塑料環(huán)和脫落板組成的封閉容腔內(nèi)。風板在扭簧的作用下，會自由翻轉(zhuǎn)，風板自由翻轉(zhuǎn)將降落傘從容腔內(nèi)釋放出來，實現(xiàn)開傘。

浮標入水后，充氣裝置對漂浮氣囊充氣，漂浮氣囊迅速膨脹對脫落板產(chǎn)生的推力T迫使其產(chǎn)生如圖4所示的虛線變形，脫落板的中心出現(xiàn)β角變形時，端部產(chǎn)生位移δ，脫落板連同塑料環(huán)從外殼筒內(nèi)頂出。塑料環(huán)被頂出的同時，傘環(huán)也被帶出，實現(xiàn)脫傘。

圖4 脫傘裝置示意圖

浮標開傘裝置借助扭簧的回位實現(xiàn)風板的翻轉(zhuǎn)，將降落傘打開，不需要能源裝置提供動力，結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，環(huán)境適應(yīng)性強。浮標脫傘裝置借助漂浮氣囊膨脹推動脫落板形變來實現(xiàn)，設(shè)計巧妙，在脫傘的同時可以使浮標分解，不需要單獨的動力，節(jié)省空間。

3.3 漂浮氣囊和充氣裝置

漂浮氣囊的形狀便于為浮標提供浮力，支撐無線電天線豎起，滿足天線長度要求；漂浮氣囊可以采用彈性薄膜，經(jīng)過加熱壓合成形。在浮標未工作時可折疊在一起，具有體積小的特點。另外，漂浮氣囊內(nèi)安置有浮標自毀裝置，當浮標工作結(jié)束時可以自沉海底。

充氣裝置主要由彈簧、杠桿、撞針、高壓氣瓶、尼龍線、電阻絲和電池等組成，用于給漂浮氣囊充氣，促使浮標解體。觸發(fā)前，彈簧被尼龍線預(yù)緊，電阻絲纏繞在尼龍線上；工作時，電池給電阻絲供電，電阻絲發(fā)熱，熔斷尼龍線，釋放彈簧儲存能量，帶動杠桿機構(gòu)推動撞針迅速動作，擊破高壓氣瓶封口，高壓氣體沖出，對漂浮氣囊充氣。

充氣裝置的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，制作工藝簡單，成本低，可靠性高，可以廣泛應(yīng)用于救生、防撞裝置的氣囊充氣。

3.4 水面電子倉

水面電子倉由倉筒、倉蓋和倉座構(gòu)成，與漂浮氣囊等組成密封艙體。水面電子倉上設(shè)計有測試口和設(shè)置按鈕，分別用于浮標測試和參數(shù)設(shè)置。水面電子倉需要承受內(nèi)部氣壓，因此壁厚設(shè)計時要進行耐壓強度計算。由最大主應(yīng)力理論可知，內(nèi)壓圓柱殼體的應(yīng)力為

式中，p為內(nèi)壓力，MPa；D1為倉筒平均直徑，mm；t為倉筒壁厚，mm；σ為倉筒應(yīng)力，MPa。當倉筒應(yīng)力小于選擇材料的許用應(yīng)力時，滿足強度要求。

3.5 定深裝置

浮標受尺寸限制，沒有足夠空間安裝一套升降機構(gòu)來調(diào)節(jié)水下聲學組件深度，因此固定了幾檔深度。當浮標入水后，定深機構(gòu)釋放設(shè)置的檔位，水下聲學組件下沉到預(yù)設(shè)深度，實現(xiàn)定深。隨著使用情況的變化，可以遙控定深裝置增加工作深度，直到最大工作深度。

定深裝置將機構(gòu)聯(lián)動與電路控制結(jié)合起來。浮標入水時，控制電路根據(jù)設(shè)置的工作深度，將電壓加載到對應(yīng)檔位電熱絲上，使電熱絲迅速升溫，熾熱的電阻絲熔斷纏繞的拉力繩，觸發(fā)機構(gòu)聯(lián)動，完成一系列定深動作。

3.6 阻尼裝置及電纜線包

阻尼裝置一般由螺旋線、彈性繩及阻尼盤構(gòu)成。如圖5所示，在線包和傳輸電纜上預(yù)先設(shè)置檔位抽頭，每檔抽頭系牢在定深裝置對應(yīng)檔位上。傳輸電纜能夠繞制成線包傳輸信號，同時承受一定的拉力，用于懸掛水下聲學組件。彈性繩用于減振，緩沖水面漂浮組件在海面起伏時向下傳遞的沖擊力。阻尼盤用柔性材料制作，能夠折疊成較小直徑，用于隔斷沖擊力對水下聲學組件的影響。螺旋電纜纏繞在彈性繩外面，能夠隨彈性繩一起拉伸和收縮，起到減振作用。

圖5 線包及阻尼裝置

3.7 水下電子倉

水下電子倉設(shè)計成能夠承受靜水壓力的密封艙體，用于容納信號處理電路、電源管理電路、發(fā)射電路、鋰電池組等電子模塊。水下電子倉的長度由電子模塊占據(jù)空間而定，根據(jù)圓柱形耐壓殼體的理論知識[5]，首先需確定水下電子倉殼體是長圓柱殼體、短圓柱殼體或剛性圓柱殼體，再結(jié)合破壞形式，進行臨界壓力校核。

由于鋰電池具有體積小、重量輕、價格低等優(yōu)勢，最新研制浮標大多采用鋰電池組供電。鋰電池組封裝在水下電子倉內(nèi)，如果使用過程中單節(jié)鋰電池產(chǎn)生氣體泄露到密封艙體內(nèi)，艙體內(nèi)氣體壓力增大到耐壓極限時，艙體會發(fā)生形變，甚至爆裂。因此，有必要在水下電子倉上設(shè)計一個泄氣閥，對密封艙體及時泄壓。一次性鋰電池出現(xiàn)爆炸或起火多發(fā)生在放電過程，有效控制鋰電池的放電時間，可以降低鋰電池的危害概率，因此，有必要在水下電子倉上設(shè)計一個壓力開關(guān)，控制鋰電池的開啟時間。

3.8 換能器基元陣形

浮標換能器的基陣形狀主要有單基元換能器、多基元垂線陣、多基元平面陣和矢量探頭。對于多基元垂線陣，各基元之間通過軟繩進行連接。收攏狀態(tài)下，疊放在換能器筒內(nèi)；入水展開狀態(tài)下，依靠各基元自身重力下沉形成預(yù)設(shè)陣形。對于多基元平面陣，各基元均勻分布在圓周等角度的五個輻射軸線上，每個軸線為 1根子陣，基元間通過多芯編織電纜連接在一起。非漂浮狀態(tài)時，子陣收攏在擴展臂的外側(cè)；漂浮狀態(tài)時，通過可靠的擴展機構(gòu)將子陣展開成平面形狀，保持穩(wěn)定陣形直到浮標結(jié)束漂浮狀態(tài)。矢量探頭包括全向水聽器和矢量水聽器，其中矢量水聽器與磁羅盤固定連接并安裝在殼體內(nèi)部，全向水聽器安裝殼體底部，組成耐壓密封艙體。

3.9 外殼組件

外殼組件主要由外殼筒、外殼底座和緩沖墊組成。外殼筒采用薄壁輕質(zhì)合金，經(jīng)特殊加工工藝成型，外殼筒頂部對接減速降落機構(gòu)，底部與外殼底座采用鈑金折彎連接。外殼筒滿足使用時的加速度、沖擊、振動等力學要求，滿足投放時的接口要求。外殼底座采用高強度鑄造合金，可以直接承受海水沖擊。緩沖墊采用高彈性材料，用于減小底部沖擊對內(nèi)部零部件的影響。

4 結(jié)論

浮標結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，選擇相應(yīng)的功能模塊，進行合理布局。針對選用的功能模塊，可以依照提出的技術(shù)途徑進行詳細核算。結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，充分考慮浮標重心、浮心、轉(zhuǎn)動慣量、重量等參數(shù)，使浮標適應(yīng)投放狀態(tài)和漂浮狀態(tài)兩個工作階段。