海工技术▏海洋水下拖曳体的设计要点
一、前言
水下拖曳系统主要用于探测海底地质、海洋水文和生态环境，主要由母船、甲板绞车、缆绳和拖曳体（以下简称拖体）等部件构成。拖体是所有水下探测设备的集成平台，搭载有以光学、声学、磁场和温盐等作为探测手段的传感器，这些传感器对拖体的结构布置和航行稳定性都有指标要求。例如，某型重力式拖体在设计时要求其拖航过程中的俯仰角在±3°以内，均方差＜0.2°，俯仰和升沉的周期＞20s。拖体设计环节是整个拖曳系统设计中的关键环节，拖体的运动稳定性往往取决于拖曳系统的设计水平。为提高拖体的运动稳定性，常采用两段式拖曳方式，但单体重力式拖体便于回收、操作方便，因此更适合于探测设备较少的快速探测。
在设计拖体前，用户往往会对拖曳深度、拖曳航速、功能要求、使用环境和维护等提出具体的指标要求。优良的设计方案能在满足上述指标要求的同时，降低制造、测试及维护的难度。这里对单体重力式拖体的总体设计和制造过程进行总结，将其归纳为8 个主要设计制造环节，把握这些环节中的技术难点和技术要领，使拖体的设计制造指标可控。
二、拖体设计与系统总成
拖体设计是拖曳系统设计中的重要环节，不仅决定了探测仪器设备的工作能力和状态，而且对拖曳系统的稳定性有至关重要的影响。这里对拖体的功能设计、结构强度设计、水动力性能、主被动水动力控制部件装配、拖体总装及运输使用维护等方面的设计要点进行简述。
⒈ 功能设计
图1为拖体设备布置与安装实景，拖体是搭载各类探测设备的集成平台，需在有限的空间内布置功率转换设备、声呐、光学照相仪、取样容器及电波类、磁力类等设备；设备间需预留良好的操作维护空间；部分设备需利用耐压罐体封闭，这不仅会增加自身的体积和质量，而且会增大信号与电路的连接空间。图2为框架式拖体，由于耐压罐体的质量大、水密性要求高，因此常采用钛合金整体制造，不适合在罐体上焊接连接件，常采用抱箍和卡套连接。在设计和制造该框架式拖体时，应具备多个安装定位平面，便于对设备进行安装定位。同时，标记这些定位平面的站位和刻度，便于对拖体上安装的部件进行定位和记录。
图1 拖体设备布置与安装实景图
在多用途拖体平台上，针对不同的探测目的，要求拖体中搭载的部分探测设备可现场检测和更换及进行数据和样本收集。这对拖体的设计提出了更高的要求，不仅要求拖体便于拆装连接，而且要求线路配备和拖体上能耗原件的功率分配符合具体规定。
图2 框架式拖体
⒉ 结构强度设计
在设计拖体承载框架时，应使其在保持设备之间互不干扰的情况下具有足够的强度和抗冲击能力。这是由于在拖曳过程中需对拖体进行船尾起吊、布放和回收，设计时应保证拖体具有抵抗母船升沉带来的冲击力的能力，这种冲击力随着海况的不断恶劣而显著增大，尤其是在出水回收的过程中，拖体内部会裹挟部分水分，导致出水时拖体的总质量远大于陆上称重，使得升沉带来的冲击力更大。此外，拖体框架必须具有抵抗母船舷侧撞击的能力。当拖体接近海底探测时，会因海底地形起伏不平而与母船舷侧发生碰撞。因此，在设计拖体框架的承重时需考虑这些安全因素，考虑恰当的强度安全裕度和结构防撞抗冲击力。拖点和吊点结构作为唯一集中承重的结构，需采用高强度的抗腐蚀钢材制作。
在设计拖体的过程中，需利用有限元工具对框架设计与承载装配的关系进行校核，其中对冲击荷载进行校核是十分重要的环节。图3 为某型拖体框架的承载结构装配体有限元模型。为满足高干舷船尾的拖体回收要求，必须额外配备收纳索和保险绳。此外，框架两侧还必须设置一定数量的拉环和把手，便于装配、搬运和拆卸。
图3 某型拖体框架的承载结构装配体有限元模型
管材框架通常作为抗冲击结构使用，拖体前端通常设计成突出的管材外包结构。单根管材不能焊接成封闭式结构，应设置通水孔，防止受水下的高压而损坏。抗冲击结构与承载框架间采用吸能结构，如用缓冲弹簧垫圈和橡皮枕套等螺栓连接，便于维护和更换。
⒊ 水动力性能
若拖体在拖曳前进过程中发生大幅度、高频率的纵摇和升沉，则其搭载的传感器就不能正常工作，甚至会传输出错误的探测信号。复杂的海况将给拖曳系统的运行带来扰动，良好的系统设计方法有助于提高拖曳系统抵抗风、浪、流干扰的能力。
根据拖曳速度对拖体水动力性能的不同影响，将拖体分为低速拖曳体和高速拖曳体。一般将拖速在6kn以下的拖体看作低速拖体，低速拖体要重视拖体质量与拖点的配置关系；将拖速在10kn以上的拖体看作高速拖体，高速拖体要注重自身外形与水动力部件的配合；对于拖速在6kn～10kn的拖体，要根据其构型适当增加水动力部件，合理控制运动稳定性。
出于设备尺寸和维护使用方便考虑，低速拖体通常会设计成钝体，设计时要避免水流作用力成为非定常的扰动力。例如：在拖体的尾段减小设备配置密度、增大水流通畅性，避免尾涡发放；采用收缩式的尾段设计，避免形成周期性尾涡发放。
随着拖曳速度的提高，拖曳时拖体产生的水流作用力会越来越大。图4为安装翼舵的拖体，为避免钝体造成不稳定的水流阻力，应考虑将拖体外形设计成流线型。结合计算流体力学技术模拟拖体的水流作用力随拖航姿态的变化，计算水动力作用中心的位置。受所安装设备的限制，部分高速拖体的主要外形并非呈轴对称回转体特征，水流作用力的合力作用点随着拖速的波动和姿态的变化而移动，形成不平衡水动力，使得拖体的俯仰角变得不稳定。该类拖体往往需要安装被动的可调式翼舵来平衡姿态。
图4 安装翼舵的拖曳体
恰当地设计拖体的外形和布置水动力部件是获得良好的拖航运动稳定性的基础。对于轴对称流线型重力式拖体，将重心调节到对称轴上，水流阻力也沿着对称轴方向；调节拖点使缆张力的作用线通过重心，即可达到理想的受力平衡状态，拖体的航行姿态往往可达到预期指标。
拖体排开水的形状决定着浮力沿拖体的分布及其大小。在初始设计阶段，可利用三维造型软件计算得到总装后拖体形心的初始位置。在对罐体和设备进行安装的同时，需测量形心和排水体积，并记录安装位置；对于形状复杂的设备，可利用浸没法测量排开水的体积。对于拖点前后排水体积的分配，尽量做到均匀分配，避免形成浮力矩。
为使运动稳定性更高，部分拖体设置有恰当的压载调节装置，拖体中安装有可远程操控、质量可移动的机械装置。该装置不仅能使可移动质量沿着拖体的长度方向调节，而且可使其沿着拖体的高度方向调节，进而在一定的范围内调节拖体的纵摇转动惯量和重心位置。该装置适用于经常更换不同类型探测设备的拖体。
此外，拖体还安装甲板手控或自动控制可调式翼舵。对于搭载有该类主动翼舵控制的拖体，应设计相应的主动控制系统，或与运动传感器配合实现服务于甲板人员的显示屏监测与翼舵操控软件平台。受舵效和控制能力限制，该类主动翼舵系统适用于中高拖速拖体。
⒋ 拖体运动稳定性
拖体的设计和拖曳方式通常决定着拖体克服横摇、艏摇和横荡的能力。受母船摇荡影响，拖缆张力不稳定，拖体的纵摇和升沉运动往往较为显著，因此在设计拖体时应重视对纵摇和升沉运动的控制作用。影响拖体纵摇和升沉运动的作用力主要包括重力和水流作用力，良好的拖体设计能在避免非定常水流作用力的同时确定水动力的作用中心，在设计拖曳速度范围内保持水动力作用中心不变，满足缆力、重力和水流阻力相交于同一个点。受水面船舶的干扰，缆的张力并非恒定不变，若缆力、重力及水流阻力不能相交于
同一个点，则会产生俯仰力矩，拖体自身的质量属性很大程度上决定着拖体的摇荡频率，较小的转动惯量有助于减小拖体的摇荡幅度。在拖缆的母船端，常采用升沉补偿装置与之配合。拖体运动稳定性设计指标要求贯穿于拖体的全寿命周期（包括设计和制造阶段）。
⒌ 标准化、运输、抗腐蚀与拖曳安全性设计
拖体制造过程中需使用大量的连接件，因此应尽可能地减少连接件的种类，兼顾连接件的可替换性，满足岸电与船舶供电的转换要求及数据传输带宽和数据传输协议与接口的兼容性。拖体应设计紧凑，合理控制其主尺度，既便于在往返码头与调试车的标准集装箱上进行陆陆运输，也便于搭载在不同的母船平台上。拖体的承重框架和连接件的选材必须满足弱磁性、抗海水腐蚀和抗电腐蚀。
此外，由于部分探测设备对环境温度有一定的要求，因此在设计中还应考虑温度保护措施。为保证拖体在拖航中的安全性，应使拖体具有一定的蓄电能力和记忆存储能力，防止因缆过热或张力破断造成信号传输中断。个别拖体还要求具有抛载上浮的能力。
⒍ 总装与质量特性校核
在拖体框架制造完成之后，一般需根据安装要求进行静载测试，目的是检验型材是否存在微裂纹焊接缺陷及框架结构稳定性等问题。拖体安装吊点后，在连接部位悬挂和放置质量相同或质量略大的压载，随后起吊观察结构的强度和稳定性是否满足要求，是否存在大变形或塑性变形。通常需悬挂压载一段时间，随后将其卸载，检查焊接部位和框架表面是否形成裂纹或永久塑性变形。
拖体质量特性校核是设备安装完成并连接后进行的一项重要工作。拖体上安装的罐体、箱体、囊体及各类数据采集线的线路布置等会造成拖体的重心、浮心、排水体积和转动惯量等与初始设计存在较大差异。
因此，需在安装过程中对所有零部件的重心位置和安装位置进行测量并做好详细记录。此外，还应对拖体进行衡重测量和校正，确定其重心、浮心和转动惯量。衡重分为陆上衡重和水池衡重，其中：陆上衡重用来测量拖体的重心和重力；水池衡重用来测量拖体的浮心和浮力。对于质量和体积较小的拖体，陆上衡重可采用悬挂法测量拖体的重心位置，水池衡重可采用悬线连接电子秤的悬挂法测量拖体的重力和浮力。由于重力式拖体的重力往往远大于浮力，因此浮力不会对拖体的运动姿态产生显著影响。一般情况下，拖体的实际质量会大于初步设计时的计算质量，重心位置也会偏离初始计算值。这就需要逐一排查出现差别的原因，甚至是拆卸部分大质量的设备重新测量其重心。若重心位置不在拖点所在的中纵剖面内，则需移动设备进行微调，否则拖体在拖航中会存在初始横倾角。若拖体重心前移，则拖体在拖航中易出现负俯仰角；若拖体重心后移，则容易出现正俯仰角。
⒎ 拖曳系统总成
对于拖体与拖曳系统的承重拖曳缆和甲板吊装布放系统的连接等其他部分，既要做好拖点连接和吊点连接，又要做好信号和电路集成连接。集成连接后要进行系统的实验室联调，测试连接设备的运行状况，并进行相应的记录。
⒏ 拖体性能测试
在完成安装和设备连接后，通常会进行拖体的车间联调、水池测试及湖试（或海试），用于设备调试和模块检测。不同的测试环境对应不同的测试内容。陆上联调主要测试信号连接、电路连接是否正确通畅；水池测试主要检查水密性和绝缘性；湖试主要测试无线信号发射和动态拖曳过程中设备的运转情况；海试则是对整个拖曳系统进行考核。
三、结语
本文总结了国内外拖体设计的经验，将拖曳体设计制造归纳为功能设计，结构强度设计，水动力性能，拖体运动稳定性，标准化、运输、抗腐蚀与拖曳安全性设计，总装与质量特性校核，拖曳系统总成及拖体性能测试等8个主要设计环节。这些设计环节相辅相成，实现拖体的各项设计指标，使拖体的功能得到正常发挥，为解决从初步设计到制造交付的产品周期中重点考虑的问题提供参考。
【作者简介】文/王志博，男，高级工程师，1983年出生，上海船舶运输科学研究所，主要从事拖曳系统设计与动力学计算工作；本文来自《船舶与海洋工程》（2017年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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