声呐浮标的关键结构设计

2020-10-17程浩

声学与电子工程 2020年3期

程浩

（第七一五研究所，杭州，310023）

声呐浮标（下文简称浮标）主要装备于反潜飞机，它与机载声呐处理系统一起，依据水下目标在海洋环境条件下的特征，对目标进行搜索、识别、定位和跟踪，并为攻潜武器的使用提供目标指示，是航空搜潜的主要手段。浮标具有系列化的标准尺寸、体积小、重量轻、接口简单、互换性好且使用灵活，便于与其它搜潜装备开展协同探测[1-2]。

1 浮标组成及工作状态

1.1 浮标组件

浮标具有标准的外形尺寸[3]，A尺寸长914 mm，G尺寸长419 mm，F尺寸长为304 mm，外径均为124 mm。浮标一般由外壳组件、减速降落机构、水面漂浮组件、水中悬浮组件和水下声学组件组成。其中，外壳组件将其各部分封装在一起形成有机整体。浮标的实体组成如图1所示，这些模块化的零部件具有良好的继承性、通用性和扩展性，可以根据浮标类型，选取相应模块进行组合。

图1 声呐浮标实体组成

1.2 浮标工作状态

浮标一般由反潜飞机空投使用，离机后在减速降落机构的作用下，姿态调整至稳定状态下落；浮标接触水面时，充气装置对漂浮气囊充气，膨胀的漂浮气囊迫使浮标分解，水面漂浮组件上浮至海面，水中悬浮组件定深并释放传输电缆，水下声学组件下沉至预设深度并展开换能器基阵。浮标开始工作，接收目标辐射噪声或者发射声脉冲并接收回波信号，同时接收其它声呐设备发射的声波经目标反射而产生的回波信号；接收的水声信号经过放大、滤波等处理，调制成高频信号，经漂浮气囊内置的高频天线向接收设备传输；浮标可以实时接收遥控指令执行相关动作，完成使命后自沉海底。

浮标的使用过程可以分为投放状态和漂浮状态两个阶段。投放状态是离机-稳定降落-入水解体：离机时要求开伞装置可靠，降落伞快速充气；稳定降落时浮标姿态稳定，摆动幅度较小；入水解体时要求外壳组件能够承受水面冲击力，并能减缓冲击力对内部结构的影响。漂浮状态是浮标的长时工作状态：水面漂浮组件稳定漂浮在海面，支撑内置高频天线和卫星天线进行通信，并为水下部分提供足够浮力；水中悬浮组件将水面漂浮组件与水下声学组件连接在一起，并传输信号；水下声学组件在预设深度展开换能器基阵，并处于发射或接收水声信号状态。

2 浮标总体布局

浮标是具有相互依存功能的机械结构、电子器件、特性材料和能源装置的一种组合。浮标结构是使声学模块、电路模块、通信模块和电源模块组合在一起的骨架，也是完成具体动作的执行机构，是浮标完成使命任务的重要保障。在方案设计时，根据任务书要求选定尺寸规格，确定各模块具体结构参数。在总体布局时必须综合考虑各电气模块之间的电磁兼容性、发射模块的散热性能、罗盘模块防磁干扰等因素；同时，考虑浮标的重量、重心、浮心和转动惯量等力学参数，使浮标具有良好降落姿态和漂浮稳定性，倾斜角度小于 10°～15°时，可以自动恢复竖直状态，漂浮摇摆周期远离波浪起伏周期，避免出现共振。浮标能够实现投放和漂浮两种工作状态，其主要部件从上到下依次布局如图2所示。

图2 浮标功能模块布局示意图

3 浮标关键结构设计

3.1 降落伞

目前，降落伞是使用最广泛的气动力减速装置，空投浮标基本上都采用降落伞来稳定其空中姿态，调整其入水速度和入水角度。

3.1.1 伞衣的面积

伞衣是降落伞的主要组成部分，是降落过程中的阻力面，直接决定了降落伞的气动系数。按照浮标稳定下降的条件设计伞衣的面积：

式中，m为浮标质量，kg；g为重力加速度，m/s2；v为浮标稳定下降速度，m/s；Cd为降落伞阻力系数，无量纲；ρ为空气密度，kg/m3；S为伞衣面积，m2。参照降落伞理论知识[4]选择开伞快、动载小、稳定性好的伞形，根据伞形的长宽比例关系，可以计算出伞衣的结构尺寸。

3.1.2 伞绳的主要参数

伞绳的长度影响着伞衣的投影面积和阻力系数，伞绳的数量是保持伞的形状和充满状态的基本条件。降落伞参数示意图如图3所示。

图3 降落伞参数示意图

根据式（2）可以确定伞绳的长度，确定伞绳的抗拉强度，决定伞绳的数量。

式中，ξ、η、Kd、Kb、fsh为比例常数，无量纲；D0、D、d分别是伞衣展开直径、降落伞投影直径和浮标直径，mm；Ls、Lsh分别是伞绳实际长度和名义长度，mm；Fkmax、Fsh、psh分别是开伞冲击载荷、伞绳张力和伞绳断裂强度，N；Lυ为伞绳拉直速度，m/s；n为伞绳数量。

影响浮标入水速度的因素主要有伞衣面积及阻力系数，相同材料的伞衣，面积越大，阻力越大，入水速度越小。影响阻力系数的因素主要有伞形、伞绳长度、伞衣透气量等，阻力系数的取值要综合考虑这些因素的影响。

浮标降落伞为十字形伞，具有阻力系数大、开伞快、动载小、稳定性好等气动性能，安装在浮标顶部，保证了浮标具有良好的投放姿态。依照浮标降落伞的计算方法，可以快速设计适用于重量轻、尺寸小的空投物减速伞。

3.2 开伞及脱伞装置

浮标的开伞装置主要由风板、扭簧、伞袋、塑料环、脱落板和伞环组成。伞绳与伞环连接，伞环卡在塑料环、脱落板和外壳筒三者之间，即降落伞通过伞环与浮标本体连接。将降落伞装入伞袋内，折叠后放置在由风板、塑料环和脱落板组成的封闭容腔内。风板在扭簧的作用下，会自由翻转，风板自由翻转将降落伞从容腔内释放出来，实现开伞。

浮标入水后，充气装置对漂浮气囊充气，漂浮气囊迅速膨胀对脱落板产生的推力T迫使其产生如图4所示的虚线变形，脱落板的中心出现β角变形时，端部产生位移δ，脱落板连同塑料环从外壳筒内顶出。塑料环被顶出的同时，伞环也被带出，实现脱伞。

图4 脱伞装置示意图

浮标开伞装置借助扭簧的回位实现风板的翻转，将降落伞打开，不需要能源装置提供动力，结构简单，动作可靠，环境适应性强。浮标脱伞装置借助漂浮气囊膨胀推动脱落板形变来实现，设计巧妙，在脱伞的同时可以使浮标分解，不需要单独的动力，节省空间。

3.3 漂浮气囊和充气装置

漂浮气囊的形状便于为浮标提供浮力，支撑无线电天线竖起，满足天线长度要求；漂浮气囊可以采用弹性薄膜，经过加热压合成形。在浮标未工作时可折叠在一起，具有体积小的特点。另外，漂浮气囊内安置有浮标自毁装置，当浮标工作结束时可以自沉海底。

充气装置主要由弹簧、杠杆、撞针、高压气瓶、尼龙线、电阻丝和电池等组成，用于给漂浮气囊充气，促使浮标解体。触发前，弹簧被尼龙线预紧，电阻丝缠绕在尼龙线上；工作时，电池给电阻丝供电，电阻丝发热，熔断尼龙线，释放弹簧储存能量，带动杠杆机构推动撞针迅速动作，击破高压气瓶封口，高压气体冲出，对漂浮气囊充气。

充气装置的结构简单，体积小，重量轻，制作工艺简单，成本低，可靠性高，可以广泛应用于救生、防撞装置的气囊充气。

3.4 水面电子仓

水面电子仓由仓筒、仓盖和仓座构成，与漂浮气囊等组成密封舱体。水面电子仓上设计有测试口和设置按钮，分别用于浮标测试和参数设置。水面电子仓需要承受内部气压，因此壁厚设计时要进行耐压强度计算。由最大主应力理论可知，内压圆柱壳体的应力为

式中，p为内压力，MPa；D1为仓筒平均直径，mm；t为仓筒壁厚，mm；σ为仓筒应力，MPa。当仓筒应力小于选择材料的许用应力时，满足强度要求。

3.5 定深装置

浮标受尺寸限制，没有足够空间安装一套升降机构来调节水下声学组件深度，因此固定了几档深度。当浮标入水后，定深机构释放设置的档位，水下声学组件下沉到预设深度，实现定深。随着使用情况的变化，可以遥控定深装置增加工作深度，直到最大工作深度。

定深装置将机构联动与电路控制结合起来。浮标入水时，控制电路根据设置的工作深度，将电压加载到对应档位电热丝上，使电热丝迅速升温，炽热的电阻丝熔断缠绕的拉力绳，触发机构联动，完成一系列定深动作。

3.6 阻尼装置及电缆线包

阻尼装置一般由螺旋线、弹性绳及阻尼盘构成。如图5所示，在线包和传输电缆上预先设置档位抽头，每档抽头系牢在定深装置对应档位上。传输电缆能够绕制成线包传输信号，同时承受一定的拉力，用于悬挂水下声学组件。弹性绳用于减振，缓冲水面漂浮组件在海面起伏时向下传递的冲击力。阻尼盘用柔性材料制作，能够折叠成较小直径，用于隔断冲击力对水下声学组件的影响。螺旋电缆缠绕在弹性绳外面，能够随弹性绳一起拉伸和收缩，起到减振作用。

图5 线包及阻尼装置

3.7 水下电子仓

水下电子仓设计成能够承受静水压力的密封舱体，用于容纳信号处理电路、电源管理电路、发射电路、锂电池组等电子模块。水下电子仓的长度由电子模块占据空间而定，根据圆柱形耐压壳体的理论知识[5]，首先需确定水下电子仓壳体是长圆柱壳体、短圆柱壳体或刚性圆柱壳体，再结合破坏形式，进行临界压力校核。

由于锂电池具有体积小、重量轻、价格低等优势，最新研制浮标大多采用锂电池组供电。锂电池组封装在水下电子仓内，如果使用过程中单节锂电池产生气体泄露到密封舱体内，舱体内气体压力增大到耐压极限时，舱体会发生形变，甚至爆裂。因此，有必要在水下电子仓上设计一个泄气阀，对密封舱体及时泄压。一次性锂电池出现爆炸或起火多发生在放电过程，有效控制锂电池的放电时间，可以降低锂电池的危害概率，因此，有必要在水下电子仓上设计一个压力开关，控制锂电池的开启时间。

3.8 换能器基元阵形

浮标换能器的基阵形状主要有单基元换能器、多基元垂线阵、多基元平面阵和矢量探头。对于多基元垂线阵，各基元之间通过软绳进行连接。收拢状态下，叠放在换能器筒内；入水展开状态下，依靠各基元自身重力下沉形成预设阵形。对于多基元平面阵，各基元均匀分布在圆周等角度的五个辐射轴线上，每个轴线为 1根子阵，基元间通过多芯编织电缆连接在一起。非漂浮状态时，子阵收拢在扩展臂的外侧；漂浮状态时，通过可靠的扩展机构将子阵展开成平面形状，保持稳定阵形直到浮标结束漂浮状态。矢量探头包括全向水听器和矢量水听器，其中矢量水听器与磁罗盘固定连接并安装在壳体内部，全向水听器安装壳体底部，组成耐压密封舱体。

3.9 外壳组件

外壳组件主要由外壳筒、外壳底座和缓冲垫组成。外壳筒采用薄壁轻质合金，经特殊加工工艺成型，外壳筒顶部对接减速降落机构，底部与外壳底座采用钣金折弯连接。外壳筒满足使用时的加速度、冲击、振动等力学要求，满足投放时的接口要求。外壳底座采用高强度铸造合金，可以直接承受海水冲击。缓冲垫采用高弹性材料，用于减小底部冲击对内部零部件的影响。