大型舰船在水下接触爆炸下的毁伤与防护研究综述

大型舰船受到水中兵器的巨大威胁，尤其是在水下接触爆炸情况下，船体结构将产生严重的局部毁伤，给舰船的战斗力乃至生命力带来严峻挑战。本文以大型舰船水下防护结构为研究对象，简要概述了各国海军大型舰船水下防护结构形式的发展历程，分析了水下接触爆炸下的毁伤载荷以及对舷侧多舱防护结构的毁伤机理，总结了基于具体结构和不同毁伤元的防护措施；并针对目前的研究现状，提出了有待进一步研究的问题。以期为舰船的水下防护设计提供参考，从而提高我国大型舰船的结构抗毁伤能力     

水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提.因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程,以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值,也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散,最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

水下无线光传输系统中Fresnel透镜的聚光性能研究

基于大口径、短焦距Fresnel透镜作为水下无线光传输(UWOT)系统中天线的应用需求,搭建了一套用于测量Fresnel透镜聚光性能的实验装置。采用450 nm和532 nm激光作为测试光源,获得了通光口径为75 mm、焦距为25 mm的Fresnel透镜聚光性能与透镜表面、激光波长、入射角之间的关系曲线,测量了激光入射角对450 nm和532 nm激光聚焦光斑的影响。实验结果表明:在相同的实验条件下,激光通过Fresnel透镜锯齿面的聚光效率要比平滑面高10%～15%;Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率要比450 nm激光高5.4%。随着激光入射角的增加,Fresnel透镜的聚光效率逐渐降低,入射角为0°时的聚光效率比±30°大25%以上。当激光入射角为5°时,450 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变;当激光入射角增加至15°时,532 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变。     

状态变换扩展卡尔曼平滑算法在AUV水下航迹修正中的应用

水下自主潜航器(AUV)在水下勘测过程中常采用定期上浮的方式利用卫星定位信息(GNSS)校正惯性/多普勒测速仪(SINS/DVL)组合导航造成的位置误差,并通过平滑算法校正之前计算的水下航迹。针对AUV上浮前的水下航迹矫正问题,提出一种基于计算地理坐标系的状态变换扩展卡尔曼平滑算法(STEKF-RTS)。首先推导状态变换扩展卡尔曼滤波器的系统误差状态方程,并分别以GNSS信息和DVL速度为观测信息构建量测方程,以此系统模型进行前向滤波。完成前向滤波后,即潜航器上浮GNSS校正完成后,采用RTS平滑算法对水下航行阶段的航迹进行修正。实验结果表明,STEKF相较于EKF能减缓位置误差积累,STEKF-RTS相比EKF-RTS平滑算法能够进一步有效校正航线误差,1 h上浮时间间隔情况下,勘测航迹精度可控制在0.5%D以内。     

基于蒙特卡罗法的水下激光光幕探测性能研究

为了提高水下激光光幕的探测性能, 根据水下光束传播规律, 构建了水下激光光幕探测模型, 基于蒙特卡罗模拟方法对水下激光光幕探测性能进行研究。基于水下激光光幕探测模型, 利用MATLAB软件进行仿真, 分析海水衰减系数、初始功率及传输距离对水下激光光幕传输的影响。仿真结果表明:海水的衰减系数越小, 水下激光光幕传输率受到的影响越小。海水参数和传输距离一定时, 随着初始功率的增加, 只会影响到达探测端的最终功率, 但对传输率影响不大。当海水衰减系数一定, 传输距离为1 m时, 其传输率约为15%且变化稳定; 当传输距离增加到30 m时, 传输率在5%以下。     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

单宁酸/两性离子改性油-水分离膜的制备及性能

以不锈钢网为基材, 利用单宁酸对不锈钢网进行表面预处理并功能化接枝两性离子基团, 制备了新型亲水和水下超疏油的单宁酸/两性离子改性油-水分离膜(TA-ZW-SSM). 利用X射线光电子能谱仪(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)及接触角测量仪等表征了其化学结构、 形态和润湿性. 研究结果表明, 两性离子基团通过化学键接枝在单宁酸预处理的不锈钢网表面. 油-水分离实验结果表明, 对于不同类型的油-水混合物, 本文制备的超亲水和水下超疏油特性的TA-ZW-SSM可实现重力驱动的高效油-水分离, 并具有较好的化学稳定性及再循环性.     

基于超短基线水声定位的USV/UUV协同导航方法

针对无人水下航行器(UUV)与无人水面艇(USV)协同作业时水下导航性能受惯导设备(INS)影响较大的问题,提出了一种基于超短基线水声定位(USBL)的USV/UUV协同导航方法。首先,以USV上的高精度INS和GNSS组合后的导航结果作为基准,利用USBL测量得到的USV和UUV相对位置和姿态,再结合UUV的INS误差方程,建立了INS/GNSS/USBL/INS滤波的状态方程和观测方程,实现了多源导航信息的融合,有效提升了UUV水下导航精度。其次,针对USV和UUV航行过程中USBL因存在信号盲区带来的两者无法通信、定位导致协同导航不稳定的问题,采用基于视线法的PID控制方法实时改变USV的航向和航速,保证了USV、UUV航行过程中两者始终处于水声信号有效的通信、定位距离和角度范围内。仿真和海上实验结果表明,UUV在与USV协同导航后的位置误差小于10 m;USV和UUV航行过程中,相对距离和角度保持在设定的USBL有效通信定位距离和角度范围内,距离误差小于15 m,角度变化小于1°,提出的方法可以使USV和UUV协同导航更稳定、连续。     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.