潜航体激发海洋内波概述

陈夫余，王东阳

（中国人民解放军91404 部队41 分队，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

水下潜艇以其隐蔽的作战形式，是海上战争中极具威胁的突袭手段之一。现阶段使用最广泛的潜艇探测技术是声学探测，同时，一些物理学中的相关原理和特性也加入进来，作为声学探测的辅助手段，这些以物理学原理（如热力学、电磁学、光学、生物学原理等）为依据的探测方法称为非声学探测[1]。表1 为非声学探测方法的基本原理和局限性。

表1 非声学探测方法的基本原理和局限性

但是，随着潜艇降噪技术以及隐身水平的提高，如仿生、超导磁流体以及核动力等的应用，传统潜艇探测在较深水域变得非常困难。同时，海洋环境十分复杂，海洋的水文、气象和生物环境都会对潜艇探测造成影响，如在200～300 m 的深度以下，进入海洋跃层时，声呐探测的声波在跃层处会发生折射，声学探测基本就会失效。这些因素都会极大地限制传统声学探测以及部分非声学探测的能效，在客观上呼唤着新的探测技术与手段的出现。

新形势下的军事化斗争需要新的潜艇探测技术的出现，在这种背景下，研究人员发现了基于海洋内波现象的水动力学特征，这种特征可以进行非声学探测；海洋内波的水动力学特征有多种表现形式，而潜航体在分层流体中激发内波又是其中重要的一个分支。

1 海洋内波概述

海洋内波是发生在海洋内部的一种常见波动，在1893～1896 年间，“弗雷姆”号观测船在北极海附近探险时，F.Nansen 发现当船在冰刚融化的淡水表面海域中行进时，船的速度会变慢；经研究后，他认为产生这种现象的原因是冰融化后的淡水覆盖在密度较大的海水之上，产生密度分层界面，当船运动时，船的推动力会有一部分作用在这个界面上，产生的能量会在水体内部产生一种上下振动的波动——内波之中消耗掉[2,3]。

海洋内波产生的2 个条件为：1）海水密度稳定分层，2）扰动源；两者必须同时存在。日常观察到的波浪生成原理为：海水与空气的密度不同，在风扰动的情况下，海面上的波浪就会出现。同样，海水的密度稳定分层，再加上外力扰动（如地震、大气压力变化、水体内物体运动等）就会在海水内部引发内波。

海洋中的盐度、温度和深度的分布具有非均匀性，导致海水的密度在全球的分布也会存在不均匀性，这种非均匀性在深度方向上具有很大的表现；海洋内波就发生在这些内部的密度不均匀海水层面中。

由于海洋中存在海底地震、引潮力、海面气压场和海底地形等多种扰动，会导致产生的扰动场存在随机性和多重时空尺度等特征，这种扰动源会产生尺度范围很宽的内波；内波的传播速度从每秒几十厘米到每秒几米，内波波长从几百米到几公里甚至几百公里，内波周期可以从5～10 min 到几个小时不等，内波的振幅有10～20 m，也可以达到100 m 以上[4]。

海洋的密度跃层以及地形会直接影响到海洋内波的生成、发展、消弱以及衰减过程，而海域的风浪、潮流以及太阳辐射（即温度变化）都会影响到密度分层。这会导致海洋内波具有如下特点：1）内波是斜压波；2）内波速度很慢，振幅一般较大；3）内波的回复力为重力与浮力之差（即约化重力）；4）具有较为复杂的垂直结构[5,6]。

潜航体在海水中运动，产生的水动力学特征研究可以作为潜航体探测的依据和参考，归纳起来，潜航体运动产生的水动力学特征可以分为以下几个方面：

1）运动潜航体水面兴波：潜航体在海水中运动，由于海水的不可压缩性产生的排水效应，会在潜航体上方水面引起水面隆起，这种隆起又被称为“伯努利水丘”。这种水面兴波的波高与潜航体的下潜深度和运动速度有关，文献[7]表明，当潜航体的下潜深度越深、运动速度越低时，潜航体的水面隆起高度越小。

2）尾迹漩涡：在水下高速运动的潜航体，会由于水体的粘滞效应产生尾迹漩涡（即卡门涡街）。尾迹漩涡向上演化，在水面可以形成可见的涡旋。研究表明，潜航体改变航行状态（即加速、减速或者改变航向）时，会消耗巨大的能量，这些能量传递给周围流体时，会产生直径可以达到数公里的尾迹漩涡，同时这种漩涡的衰减速度较慢，衰减时间可以达到几天时间。

3）尾迹内波：潜航体在流体中运动时，由于环境不同，影响因素不同，会在潜航体尾部留下不同形态结构的内波尾迹。潜航体在密度均匀的流体中运动时，影响内波尾迹的主要因素为粘性力和惯性力，由于粘性力的存在，尾迹会耗散在粘性消耗上而很快消失。在密度分层的流体环境中运动时，影响因素除了粘性力和惯性力之外，还存在“浮力震荡效应”，所以在密度分层环境中，潜航体激发的尾迹形态较为复杂。

潜航体在分层流体中运动产生的内波，可以按照扰动源不同分为以下四类内波：1）物体运动产生的排水效应同密度分层流体之间的相互作用激发的内波；2）物体运动产生的涡街以及湍流尾迹会成为持续的扰动源产生内波；3）物体运动尾迹与密度分层流体作用，产生重力塌陷，这种塌陷会激发内波；4）物体运动后产生的尾迹中，存在不稳定结构，这种结构也会激发内波。第一种尾迹内波为体积效应内波（又称Lee 波），其波长是定长的；其他几种主要由水下潜航体运动的尾迹产生的，水动力研究学者将其统称为尾迹内波。

2 结语

本文介绍潜航体运动激发内波的研究历史、形成原因、水动力力学特征等内容，可见潜航体运动激发内波具有明显的信号特征及较远的传播距离，在特征信号探测领域具有良好的应用前景，有望成为新形势军事化斗争下的重要非声探测手段。