本發(fā)明屬于海洋工程，尤其涉及一種無推進系統(tǒng)的水下結構物垂直上浮試驗的系統(tǒng)設計方法，適用于中、高速水下航行體水動力噪聲和運動目標強度的測量。

背景技術：

1、在水聲工程領域，水動力噪聲對于深入了解水下航行體的聲學特性至關重要。水動力噪聲是指水下航行體在水中移動時，由于流體動力作用產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲不僅源自于航行體與周圍介質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的各種聲波，還包括水下航行體自身所產(chǎn)生的機械噪聲。因此，消除機械噪聲干擾，以增強水動力噪聲測量的精確度，成為該領域內(nèi)亟待攻克的核心難題。在此背景下，浮體測量技術作為一種高效策略應運而生。

2、傳統(tǒng)的水下結構物上浮方法主要包括使用浮力裝置(如氣囊)、吊裝設備(如起重機)或者利用內(nèi)部加壓等方式。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)結構物的上浮，但在實踐操作層面面臨效率低下、成本高昂及安全隱患等諸多挑戰(zhàn)。haddle等人于上世紀60年代提出浮體測量技術，該方法通過將試驗浮體模型從深水環(huán)境中自由釋放，僅利用其自身浮力而非借助任何外部動力裝置推動浮體上浮，從而有效地消除了機械噪聲對測量結果的影響。由于這種方法可以顯著提高水動力噪聲測量的準確性，并且浮體模型能夠達到較高的上浮速度，因此它非常適合于中、高速水下航行體的水動力噪聲測量。

3、多個國家已經(jīng)專門建設了浮體測量試驗基地。例如，俄羅斯克雷洛夫中央船舶研究所在上世紀60年代就設計建造了深水浮體測量基地，用于測量水下航行器的水動力噪聲，其浮體最高上浮速度可達22米/秒以上。美國也在愛達荷州的本德奧瑞湖潛艇水聲試驗區(qū)規(guī)劃了浮力艇試驗區(qū)，用于潛艇艇首和指揮室圍殼部位的水動力噪聲測量試驗。相比之下，國內(nèi)針對浮體測量水動力噪聲的試驗研究相對較少，目前中國尚未建成專門的浮體測量試驗平臺。鑒于浮體測量技術在水動力噪聲試驗方面的顯著優(yōu)勢，建立專門的浮體測量試驗平臺對于深入研究水動力噪聲機理、降低水下航行器在中、高航速下的水動力噪聲等方面具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中的不足以及水下結構物在浮力作用下快速上浮的特性，提出了一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)水下結構物快速垂直上浮，可有效消除機械噪聲對水動力噪聲測量結果的影響。

2、本發(fā)明的技術解決方案如下：

3、一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，包括：

4、水下結構物姿態(tài)控制；

5、配重壓載設計；

6、聲學釋放器控制；

7、上浮過程中運動速度間接測量。

8、本發(fā)明工作原理是：水下結構物在浮力的作用下會自動上浮，這一現(xiàn)象使得結構物能夠在無需外部推力的情況下從水底快速上浮。為了確保水下結構物在上浮過程中保持預期豎直姿態(tài)，設計結構物時需注意浮心位于重心的正上方，同時每個配重均采用單獨定位的方式安裝固定在模型內(nèi)部。聲學釋放器接收到特定信號后，會松開底部重塊。通過實時記錄結構物的水下深度，可以間接測量其上浮過程中的運動速度，從而設計一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)。

9、一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特點在于，包括：

10、s1.建立全局坐標系和載體坐標系，分別作為靜止參考和運動參考；

11、s2.定義結構物在載體坐標系下相對于全局坐標系的偏航角與俯仰角；

12、s3.在結構物底部裝配聲學釋放器，并連接重塊，用于控制上浮時機；

13、s4.在結構物表面裝配自容式水密深度計，用于間接測量結構物上浮速度；

14、s5.設計配重壓載，確保結構物浮心位于重心正上方，增加回復力矩；

15、s6.通過聲學釋放器控制底部重塊的脫離，實現(xiàn)水下結構物垂直上浮試驗。

16、優(yōu)選的，所述水下結構物被視為試驗浮體模型，在設計時必須確保浮心位于重心的正上方，并且浮心與重心之間的距離盡可能增大，這樣可以增加回復力矩，從而顯著提高結構物運動過程中的抗干擾能力和穩(wěn)定性；所述垂直上浮可視為在深水環(huán)境下，自湖底自由釋放結構物模型，完全依賴其自身固有浮力特性，無須借助外部動力推進裝置，自主上浮至水面，以此實現(xiàn)對結構物動態(tài)行為的精確研究與分析。

17、優(yōu)選的，所述步驟s1中載體坐標系是以結構物的浮心為原點，沿結構物縱軸指向頭部為z軸，跟隨結構物共同上浮的坐標系；全局坐標系是以結構物的浮心為原點，豎直向上為z軸，不隨結構物上浮的靜止坐標系。

18、優(yōu)選的，所述步驟s3中聲學釋放器，是一種用于水下設備自動回收的裝置，它通過聲學信號接收來自水面的釋放指令，經(jīng)驗證后觸發(fā)釋放機制，使結構物與重塊分離，在浮力作用下浮至水面，便于回收。

19、優(yōu)選的，所述步驟s4中自容式水密深度計，是一種能夠在水下獨立運行的測量設備，可以精確測量水下的深度；間接測量運動速度，是通過記錄不同時刻下結構物的水下深度，計算獲取運動速度變化。

20、優(yōu)選的，所述步驟s5中配重壓載，在設計時為了保證模型在水中保持豎直狀態(tài)，每個配重采用單獨定位的方式安裝固定在模型內(nèi)部。

21、優(yōu)選的，所述步驟s6中水下結構物垂直上浮試驗，在聲學釋放器釋放重塊后，控制水下結構物的姿態(tài)始終維持不變，即偏航角與俯仰角始終保持為0°，直至結構物浮出水面。

22、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

23、(1)利用水下結構物自身的浮力實現(xiàn)上浮，無需額外的動力推進裝置，有效避免了機械噪聲的干擾，顯著提高了水動力噪聲和運動目標強度的測量精度和可靠性；通過精確配重和浮心設計，確保結構物在上浮過程中始終保持垂直狀態(tài)，減少了因傾斜引起的測量誤差，提升了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

24、(2)采用聲學釋放器接收信號控制底部配重的釋放，實現(xiàn)了上浮過程的自動化，便于遠程操作，相較于傳統(tǒng)測量方法，提高了操作的安全性和便利性，減少了設備投入和維護成本；實時記錄結構物的水下深度，不僅能間接測量上浮速度，還能結合水動力學模型進行數(shù)據(jù)分析，為優(yōu)化設計和性能評估提供詳細依據(jù)，提高了測量效率，具有更高的經(jīng)濟效益。

技術特征：

1.一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，所述結構物浮心位于重心正上方，且浮心與重心之間的距離盡可能增大。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，所述步驟s1中載體坐標系是以結構物的浮心為原點，沿結構物縱軸指向頭部為z軸，跟隨結構物共同上浮的坐標系；全局坐標系是以結構物的浮心為原點，豎直向上為z軸，不隨結構物上浮的靜止坐標系。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，所述步驟s3中聲學釋放器是水下設備自動回收或受控運動的裝置，通過聲學信號接收來自水面的釋放指令，經(jīng)驗證后觸發(fā)釋放機制，使結構物與重塊分離。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，所述步驟s4中自容式水密深度計能夠在水下獨立運行，測量水下的深度，并通過記錄不同時刻下結構物的水下深度數(shù)據(jù)計算結構物的上浮速度。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，所述步驟s5中配重壓載采用單獨定位方式，固定在在結構物內(nèi)部，確保結構物在水中保持豎直狀態(tài)。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，其特征在于，所述步驟s6中水下結構物垂直上浮試驗，在聲學釋放器釋放重塊后，控制水下結構物的姿態(tài)始終維持不變，即偏航角與俯仰角始終保持為0°，直至結構物浮出水面。

技術總結
一種水下結構物垂直上浮試驗系統(tǒng)設計方法，包括：水下結構物姿態(tài)控制；配重壓載設計；聲學釋放器控制；上浮過程中運動速度間接測量。發(fā)明一種能夠?qū)崿F(xiàn)無動力水下結構物運動工況下經(jīng)濟有效的測量方法，通過聲學釋放器控制重塊壓載的脫離使結構物以穩(wěn)定姿態(tài)靠自身浮力上浮至水面，采用自容式水密深度計隨結構物運動測量上浮過程中深度來間接獲取運動速度變化，本發(fā)明為水動力噪聲浮體測量、運動結構物目標強度測量等水下域提供了一種技術方案。

技術研發(fā)人員：陸嘯天,范軍,龔志雄,唐葉峰,陳昌雄
受保護的技術使用者：上海交通大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30