一种水下测量载体的设计分析

许杰

【摘 要】海洋经济的发展以及其军事战略意义对每个国家十分重要，人们探索海洋的活动也日趋活跃。各类水下传感器、探测仪器、电子设备等纷纷出现，而承载这些仪器设备的水下载体越来越多，如各类水下密封舱、浮降装置、定深装置等。本文阐述了一种简单的水下测量载体的设计原理及设计思路。该装置用于装载实验所需的各种测量设备，通话无线水声控制系统，可使装置自动浮潜，节省了海上作业的人力和物力。

【关键词】测量 载体 设计

1 水下测量载体的组成及设计原理

本载体包括：结构框架、气室、高压气瓶、高压气管构成、电动阀、水声无线自动控制单元、电源、平衡配重、频闪灯、GPS等组成。

气室为内空的圆形壳体，有进出气阀门与外部相通。气室通过电动阀与高压气瓶连通。高压气瓶、电动阀及高压气管固定在结构框架上，电动阀连接无线水声控制线。

本装置在下沉过程中，排水电磁阀触发，此状态将气室的上部与大气相通，装置依靠自身重力，将气室内部的空气排空，然后关闭排水电磁阀，载体下沉入水下。当需要上浮时，充气电磁阀接收测量设备给出的信号带电（如电流不够，可加一个小电流驱动继电器），此时，充气电磁阀将高压气瓶与气室连通，将高压气体送入气室，排出气室中的水，减轻载体重量，使正浮力大于重力，从而使载体浮起。

2 水下测量载体的设计

本装置作为传感器和采集系统的载体可以满足二个基本使用要求，一是布放和回收功能，二是沉浮升降动能。为减轻载体重量，我们本次把载体结构设计为聚氯乙烯即PVC。

2.1载体结构及尺寸设计：

载体由下平台、中平台、上平台组成。下平台是载体的浮潜舱，设计为一个直径Φ1300mm，高400mm中空的圆柱体，舱容积为0.4m3，其上方有进出气孔，下方有进出水孔。中、上平台为直径Φ920mm，厚度为25mm的园板。各平台之间用8根Φ60mm柱子支撑，形成设备的安装空间。其横向最大尺寸为Φ1350，高为1800mm。载体下部设置了三个直径为Φ400mm的支腿，以提高载体沉入海底的平稳性。为降低重心，增加了载体的稳性，在每个支腿中加入了一定重量的铅柱配重。

2.2承载设备的布置

按设计要求载体上一般要布放测量设备、搜索设备及警报设备。为保证载体有重心平稳，较重的设备尽量都布置在下平台，较轻的设备放在上、中平台。对电池、GPS等设备要密封起来。

2.3水下载体的浮力计算

载体的重量、浮力按理论计算如下：（1）重量：载体结构在空气中的重量为300kg（配重可调节），测量设备重量约60kg，其他设备空气中重量为70kg左右，因此总重量为430 kg。（2）浮力：载体、测量设备、保障设备的总浮力在浮潜舱总浮力为800kg。因此，载体在水中正浮力为270kg。

从上可以看出，要想使载体沉入水中，必须加大于270kg的重量。而浮潜舱就是这个作用，当载体放入水中后，浮潜舱慢慢进水直至进满（400kg），载体逐渐沉入水中。当需要升上时，无线控制开启阀门，高压气体排出浮潜舱水，直至拍空，载体浮起

3 载体回收、搜索系统

由于海洋面积很广，并且海流流速、流向不定，因此放到海底的载体很可能被海流冲出一段距离（上浮的过程中也可能被海流带走），这样的话，载体浮起后的搜寻工作是必须要面对的问题。为了更快、更准确地找到载体，我们在载体上设计了无线电信标。这个信标包含了GPS、无线电台、天线等设备。信标升出水面后，电台发射无线电信号，将GPS的数据发送出去，回收船上接收到这个数据，即可确定载体的位置。

4 安全设计

4.1从电的方面考虑

由于载体为无线通讯控制、设备自动充气上浮，因此，如果通讯失败，将会导致装置不能上浮，设备丢失。为了避免这种情况的发生，我们设计了定时上浮机构。此机构完全独立，与无线通讯控制设备分开，如果到达设定的时间，仍然没有指令到达，将会自动动作，将电磁阀上电，使气瓶为气室充气，从而将设备浮出水面。

4.2从机械结构方面考虑

如果气瓶气体泄漏，或电磁阀被卡死，将导致充气不能进行，上浮失败。为了避免这种情况，我们设计了频闪灯上浮密封舱装置。频闪灯上浮密封舱装置是一套独立的上浮装置，它通过释放机构与载体相连，可通过无线通讯，或定时器控制启动释放机构，指示灯密封舱将与载体本体脱离，并上浮出水面。密封舱下端连一根线缆，此线缆与载体本体相连，找到密封舱后，通过线缆，将载体及设备拉起。密封舱中的频闪灯，由太阳能电池板供电，白天自动熄灭，晚上自动点亮，最少可持续7天。

为了保证电磁阀内部的动作正常，在电磁阀与外部连接的高压气管上，设计了两个螺旋装置，以保证把一定的空气封在阀芯内部，使阀芯与海水隔离开。同时，气路的头部，都加装过滤网，以过滤杂质。

5 载体的使用

测量设备及保障设备按要求都固定好，尤其是密封耐压设备一定要仔细安装，保证有良好的密封性。

首先，用尼龙绳穿过载体上平台中间的吊环，实验船上的吊车把载体放到海水中，用小艇或自动脱钩装置把吊绳能解脱载体开始下沉到海底。这时通过水仓进水口及排气阀，使沉浮舱内充满海水。

其次，实验完成，载体欲回收时，用遥控信号打开连接气瓶的阀口，开始向水舱充气，载体开始上浮，直到浮上水面。

再次，通过GPS及频闪灯，找到载体，用小艇载人驶到载体旁，挂上吊绳用船上的吊车吊起载体放到船甲板上。

最后，若沉浮系统失灵，则启动应急搜索系统。用遥控信号把频闪灯下面的释放机构打开，用连接的绳索把载体吊起来。

6 使用环境要求

本载体的布放和回收作业要求在4级海况下进行。本装置不能布放在海底为较深的淤泥（大于40cm）或流沙严重的海域。宜选择海底较为平坦的海区作为布放点，地形坡度不大于20°。条件允许的情况下进行扫海测底，如条件不允许，则可以用海图提供的数据作为参考。