双三角翼型拖曳体定深特性的水动力实验研究

苑志江，金良安，迟卫，田恒斗，卢祎斌

（1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连 116018；2.解放军91439部队，辽宁大连 116025）

双三角翼型拖曳体定深特性的水动力实验研究

苑志江1，金良安1，迟卫1，田恒斗2，卢祎斌1

（1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连 116018；2.解放军91439部队，辽宁大连 116025）

为进一步提高海洋拖曳系统的定深性能，以满足部分拖曳系统的高拖曳速度、大工作深度的需求，针对常规海洋拖曳体存在的控制机构复杂、体积大、定深特性较差等问题，提出一种结构简单、体积小、定深特性好的双三角翼型拖曳体设计思想，并在拖曳水池完成这一新型拖曳体定深特性的水动力实验研究。结果表明：调整次缆长度比例关系、改变水翼张角等方式可以改变拖曳体的定深性能，且相对而言，调整次缆长度比例关系对于拖曳体定深特性的影响更为明显。实验结论不仅证明了双三角翼型拖曳体良好的定深特性，并可为双三角翼型拖曳体结构优化以及控制方法设计等提供重要依据。

拖曳体；定深特性；双三角翼；实验

0 引言

拖曳体作为海洋拖曳系统重要的组成部分之一，其上可搭载温、盐、压、光、声纳等多种探测传感器，日益广泛地应用于海洋探测、海洋考察、猎扫水雷、水声对抗等诸多领域，具有很高的军事和民用价值[1]。国内外研制了多种设计样式的拖曳体[2-3]，如Foucus Vehicle、Nu-shuttle、SeaSoar、BATFISH、Flying Fish等。总体而言，拖曳体的功用主要包括：（1）作为传感器的载体，提供安装空间；（2）提供升力，保证拖曳系统的定深性能，满足传感器的工作要求[4]。其中拖曳体的定深性能往往直接影响系统的工作性能。因此，拖曳体定深性能成为设计的一个重要方面，提高拖曳体定深性能，便可用更短的拖缆以达到预定的工作深度，从而节省成本、降低造价，且可提高拖曳系统使用的便捷性和快速响应性[5]。

为保证拖曳体的定深性能，国内外学者提出了静力型定深法和流体动力定深法等方法[1]。静力型定深法是指依靠拖曳体自身的重力进行定深，但若要实现高拖曳速度下的系统定深，则要求拖曳体的质量很大，如TOSCA，其质量高达1 300kg，严重限制其使用的便捷性[2-3]；流体动力定深法是指依靠拖曳时拖曳体受到的流体作用力进行定深的方法，如SeaSoar、BATFISH、Flying Fish等拖曳体[6-7]均采用这一方法，其最明显特征是加装了大翼展的定深水翼，这不仅需占据大量的船用空间，更为重要的是由于翼展的增大，对水翼的强度提出了较高的要求，因而也难以满足高航速、大定深的使用需求[3]。为满足多样性的海洋探测需求，急需一种体积小、重量轻，且定深性能优良的新型拖曳体。

鉴于常规拖曳体设计存在的不足，本文基于拖曳体的流体动力定深法，提出一种双三角翼型拖曳体的设计思想。为验证设计结构的合理性，检验其定深性能，特设计制作原理实验模型，并开展拖曳水池实验。

1 双三角翼型拖曳体的设计思想

采用流体动力定深法的常规拖曳体，通常运用加装定深水翼的方法进行定深，加装的对称水翼往往安装于拖曳体的主体部分，通过主体内部的机械控制装置进行调节[8]。然而，这些机械控制装置的结构往往比较复杂、占据空间较大、精确控制难度较高。并且，由于加装了的机械控制机构，大幅度增大了拖曳体的体积，一方面造成拖曳体的浮力增加，则需要更大的升力进行定深；另一方面会直接影响拖曳体受到的流体作用力，特别是其轴向阻力受到的影响最为明显。尽管大多数拖曳体采用了流线型主体设计，但仍在一定程度上影响着拖曳体的定深能力。此外，对于部分拖曳系统要求在高拖曳速度下满足大定深工作，常用措施是调节水翼攻角，以产生足够大的升力，这就要求水翼的面积要足够大。但当拖曳速度较高时，由于面积的增大，必将导致水翼受到的流体作用力迅速增加，这对水翼的工作强度提出了很高要求。

显然，为提高拖曳体的定深性能，以满足高拖曳速度下的大定深工作需求，关键在于解决3个方面的问题：（1）优化拖曳体的控制机构，增强调节能力；（2）减小拖曳体主体部分所占的空间，改善所受流体作用的特性；（3）改变水翼结构，增强其工作强度。基于此，本文提出一种双三角翼型新型拖曳体的设计思想，其设计原理如图1所示。该拖曳体主要包括：两块同样尺寸的三角形水翼、一条主缆（L3）、两条次缆（L1和L2）、次缆长度液压控制机构、水翼张角（α）固定装置和垂直尾翼。

图1 双三角翼型拖曳体结构示意图

双三角翼型拖曳体各主要组成部分的功能为：（1）三角形水翼，提供拖曳体定深所需的升力；（2）主缆，连接拖曳母船与拖曳体，提供拖曳体运动的驱动力；（3）次缆，连接拖曳体的首尾两端，调节拖曳体的攻角；（4）次缆长度液压控制机构，通过改变液压伸缩杆的长度，调节次缆长度比例关系；（5）水翼张角固定装置，根据实际任务需求，将调节好的水翼张角进行固定；（6）垂直尾翼，保持拖曳体平衡，防止横滚运动。

通过图1可知其定深性能主要取决于水翼张角和次缆长度。其中，水翼张角的大小直接决定了水翼迎水面积的大小；当水翼张角设定后，通过调节次缆的长度，便可以改变拖曳体的攻角，从而改变拖曳体的定深能力。由于次缆长度液压控制机构的体积较小，因此，相比于常规拖曳体而言，采用这一控制方式，可大幅度减小控制机构所占空间，降低主体部分的体积，增强拖曳体的定深能力。并且由于水翼张角可调，当系统不工作时，可将水翼合拢，这可大幅度减少拖曳体所占的船用空间，增强使用便捷性。此外，采用这一设计样式，可以扩大水翼纵向长度，以增大水翼面积，从而避免因增大水翼的翼展而降低工作强度的问题。

当拖曳系统运动时，根据流体力学相关理论可知，双三角型拖曳体受到流体作用力主要包括：与相对水流方向相同的流体阻力D；与D相垂直的升力L。拖曳体的升力和阻力特性，特别是升阻比（L/D）的大小，直接决定了拖曳体的定深性能。

2 实验装置和方法

2.1 测试系统

实验是在海军大连舰艇学院航海系研制的海洋结构物水动力特性实验中心完成的。实验测试系统主要由拖曳水池、拖车、数据采集系统、高速摄影系统等部分组成，图2为双三角翼型拖曳体定深特性测量系统结构示意图。

图2 实验装置简图

该拖曳水池为多功能水池，由钢架结构和高强度有机玻璃组成，可完成实验的全过程拍摄，并且既可完成静水条件下的实验，也可作为循环水池开展匀速水流条件下的相关实验。实验水池横截面为0.75m×0.75m，拖速范围为0.25～1.5m/s。

2.2 实验模型

本实验用的双三角翼型拖曳体，由白钢材料制成，厚度为1mm，如图3所示。其中，拖曳体的单片三角翼的几何尺寸：a1=16cm，a2=12cm，质量：m=0.26kg。

图3 拖曳体实验模型

2.3 数据采集与处理

2.3.1 实验数据采集

如图2所示，实验中拖曳体通过细钢丝（φ1mm）与拉力传感器相连，拉力传感器信号通过数据采集系统输入计算机，处理后可以得到实时的拖曳体受力信息。与此同时，使用高速摄影系统拍摄主缆L3的倾角和拖曳体的姿态变化等情况，拍摄得到的图像分辨率为1280pixel×512pixel，拍摄频率为1 000 f/s，对高速摄影图像进行后处理，即可得到拖曳体的倾角数值、深度等信息。

2.3.2 实验数据处理

实验数据的基本过程是将拉力传感器信号与高速摄影图像数据进行综合处理与分析，解算得到拖曳体的定深特性。

由于拖曳体的拖曳过程是一个复杂的流固耦合现象，将受到流体粘性力、重力、浮力、惯性力和细钢丝张力等多种作用力及其相应力矩的影响。基于对拖曳体定深特性方便的考虑，选择拖曳体在水中的稳态运动进行分析。

拖曳体到达稳态运动时，即表明拖曳体受到的作用力和力矩均达到平衡。基于此，测量此时拉力传感器的拉力数值和主缆L3的倾角数值θ，通过式（1）、式（2），便可解算得到拖曳体的升阻比L/D，以此表征拖曳体的定深特性。

式中：T——拉力传感器数值；

W——拖曳体重力减去水中浮力后的净重力；

L——受到的升力；

D——受到的阻力；

θ——主缆L3的倾角值。

2.4 实验方法

根据双三角翼型拖曳体的结构特点，将分析次缆长度比例关系（L1/L2）和水翼张角（α）对拖曳体定深特性的影响。

如图3所示，实验选用的拖曳体模型，a1=16 cm，在调整次缆长度比例关系时，假定次缆长L2=14 cm，且固定不变，通过改变次缆L1的长度，以达到调整次缆长度比例关系（L1/L2）的目的。试验中L1分别选择：5，6，7，8，9，10，11，12，13，14 cm；水翼张角（α）分别设置为：50°，60°，70°，80°，90°，100°，110°，120°，130°，140°，150°，160°和170°。

（1）设定缆绳长度比例关系和水翼张角；

（2）调整拉力传感器和高速摄影系统，使其处于正常工作状态；

（3）拖曳体初始状态调整为自然悬垂；

（4）启动拖车，开始采集数据；

（5）拖曳系统逐渐进入稳定拖曳状态；

（6）拖车减速直至静止；

（7）数据处理，计算双三角翼型拖曳体定深特性（L/D）。

3结果分析与讨论

3.1 次缆长度比例关系对定深特性的影响

为研究次缆长度比例关系对拖曳体定深特性的影响，实验共设计了10种次缆长度比例关系：5/14～14/14，间隔1/14，且在每一种次缆长度比例关系下，分别选择5种水翼张角：60°～140°，间隔20°。在设定某一种次缆长度比例关系和水翼张角的情况下，以速度0.75m/s进行拖曳，记录拉力传感器数值（T）和倾角（θ）数值，从而计算拖曳体的定深特性。

图4给出了不同次缆长度比例关系下拉力传感器的数值。可以看出，随着次缆长度比例值的降低，拉力传感器数值逐渐增大，即L1的长度越短，拖曳体受到的外力越大，并且这一增长趋势随着L1长度的变短而变缓，明显可以看出，当长度L1＜12 cm时，这一趋势体现得更为明显。

图4 次缆长度比例关系对拖曳体受力的影响

图5给出了不同次缆长度比例关系下的主缆倾角θ值。通过对比分析可知，随着次缆长度比值的降低，主缆倾角θ值逐渐增大，近似呈线性增加，θ值越大，则表明拖曳体距离水平面越近，也就表明L1的长度越短，拖曳体的定深性能越差。

图5 次缆长度比例关系对倾角θ的影响

图6给出了实验得到的拖曳体升阻比关系曲线，可见次缆长度比值越大，拖曳体的升阻比越大，定深性能越好，并且当次缆长度比值越接近1时，这一影响就越明显。在相同的次缆长度比值下，拖曳体水翼张角越小，其升阻比数值越大。

图6 次缆长度关系对拖曳体升阻比的影响

通过上述实验结果可以看出次缆长度关系影响拖曳体的定深特性，并且当次缆比例关系接近1时，拖曳体的升阻比接近6∶1。

3.2 水翼张角对定深特性的影响

为检验水翼张角α对拖曳体定深特性的影响，实验共设计了13种水翼张角：50°～170°，间隔10°，且每一种水翼张角下选择5种次缆长度比例关系，L1长度范围为10～14 cm，间隔1 cm。在设定某一种水翼张角和次缆比例关系的情况下，以速度0.75m/s进行拖曳，记录拉力传感器数值和倾角的数值，测量拖曳体的定深特性。

图7 水翼张角对拖曳体受力的影响

图7给出了拖曳体受力与水翼张角之间的关系曲线。可以看出，拖曳体受力随水翼张角的增大而增大，近似呈现线性关系。随着次缆L1长度的降低，这一曲线的斜率相应变大，拖曳体受力的增幅变小，当L1=10 cm，张角从50°变为170°时，拖曳体受力从3.82N，增至9.02N，增幅136%，而当L1=14 cm时，拖曳体受力从2.84N，增至5.59N，增幅96.8%。可见，次缆L1越短，影响越为明显。

图8给出了拖曳时主缆L3的倾角θ与水翼张角α之间的关系曲线。可以看出，在相同次缆长度比例关系时，随着水翼张角的增大，θ的数值也相应的增大，并且这一增大趋势随着α的增大有所减缓。根据实际可知，当θ值增大时，即表明拖曳体距离水面的距离在降低，则拖曳体的定深性能就越差。总体而言，无论采用何种次缆长度比例关系，均呈现先增加后变缓的趋势。

图8 水翼张角对倾角θ的影响

从图8中还可看出，不同次缆长度比例关系时，水翼张角的影响并不相同。可见，次缆L1的长度越短，这一影响就越为明显，例如，当次缆L1=10cm时，值由25.2°增至59.6°，增加了34.4°，而当L1=14 cm，增值仅为3.7°。

图9为不同水翼张角下的拖曳体升阻比特性曲线。可以看出，随着水翼张角α的增大，拖曳体升阻比L/D的数值逐渐降低。并且，次缆L1的数值越大，升阻比的数值越大。

4 结束语

本文提出了一种结构简单、体积小、定深特性可调的双三角翼型拖曳体，通过拖曳水池试验，分析了影响这一新型拖曳体定深特性的关键因素，得到如下结论：

图9 水翼张角对拖曳体升阻比的影响

（1）调整次缆长短比例关系，可改变拖曳体的定深特性，次缆L1的长度越长，主缆倾角θ值越小，拖曳体定深性能越好。

（2）调整水翼张角，也可改变拖曳体的定深特性，水翼张角越大，主缆倾角θ值越大，拖曳体定深特性越差。

相比较而言，调整次缆长度的方式对于拖曳体定深性能产生的影响更为明显，因此，要根据实际使用情况，选择合适的水翼张角，并调整次缆长度进行定深性能调节。上述结论可为双三角翼型拖曳体的结构设计和控制方法选择提供重要的参考依据。

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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”国防预研项目（5131402031）

苑志江（1983-），男，河北邢台市人，博士研究生，研究方向为军事航海安全保障与防护技术。