2018, Vol. 40
2. 水声对抗技术重点实验室，上海 201108
2. National Key Laboratory of Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing, Shanghai 201108, China
网是一种常见的水下作业工具，从渔业到环保，都有其广阔的用武之地。其一种重要的作用就是拦截，如渔网即是对进入网体的鱼的一种拦截，而环保中也常常利用网来对漂浮或浅没的固体垃圾实施拦截。推而广之，在水下作战中，也可以利用同样的理念进行应用方面的探索。
即使是看似平静的水面，其下也可能有波涛的汹涌，特别是海上作业时。作为一种自由/半自由的网体，在水下的姿态变化将大大影响需要其有效拦截面积来表征的拦截效能。
本文首先研究水流和波浪对半自由网体水下姿态的影响，并对其拦截特定目标的性能进行仿真和试验研究。其结果对其使用可望起到一定的参考作用。
1 半自由柔性网动力学仿真结果本文的研究对象是一种带浮体气囊和配重的半自由柔性网体。本节将对其动力学建模及计算方法进行系统研究。
网的动力学建模研究包括网衣和浮体气囊的建模；计算方法研究包括网衣简化方法和动力学模型数值求解方法[1 – 6]。课题研究前期的仿真成果已在文献[7]中表述。为下一部分试验对比，此处列出其结果。
1.1 网的物理模型网衣由普通锦纶线制成，尺寸为20 m×10 m，具体由2根长为10 m的复合气囊组成。单个复合气囊空气中质量为23 kg（配重为5 kg，在底端均匀分布；网衣为3.9 kg；气囊14.1 kg），网格尺寸为10 cm×10 cm。
1.2 仿真条件采用网目群化算法简化得等效网衣参数如表1所示。仿真时间步长设定为1/5 000 s，总仿真时间为10 s。忽略拦截网充气展开过程，设定拦截网t=0 s时刻初始状态处于y=0的纵向全展开状态，对1 kn水流作用下拦截网随时间推进的形变过程进行动力学仿真。
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表 1 等效网衣参数 Tab.1 Equivalent net parameters |
图1为速度是1 kn水流作用下网的形变仿真结果。仿真时间间隔为0.1 s（取2幅）。
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图 1 1 kn水流作用下间隔0.1 s网的形态 Fig. 1 Net state under 1kn waterflow with duration of 0.1 s |
图2为网的投影面积随时间变化曲线。
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图 2 网在oxz平面投影面积随时间变化曲线 Fig. 2 Variation of net project area on Plane oxz |
综上仿真结果可以看出，水流作用于网时，约初始1 s内网衣有一定曲变，随着时间推进，网衣曲变逐渐减小，约2 s后基本保持稳定形态随水逐流，约4 s后网衣投影面积基本恒定，约为173 m2。
2 水流下网的动力学水池试验 2.1 试验条件图3为具有造波造浪功能的试验水池示意。
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图 3 试验水池 Fig. 3 The experiment tank |
相关试验条件和设备参数如下：
1）水池几何尺寸长50 m，宽40 m，深10 m；
2）模拟风速最大10 m/s；
3）模拟浪高最大0.3 m；
4）模拟海流最大0.4 m/s（全水池造流，表面最大0.2 m/s，水底略低）；
5）网上边长6.5 m，下边长6.3 m，网格线长约6.8 m，侧边长3.2 m，网格线长约3.5 m。面积约为22.4 m2。
2.2 试验布置试验布置如图4所示。
摄像机挂在行车上，随行车移动。摄像头1，2，3拍摄网的竖直边，摄像头4，5，6，7，8拍摄网的底边。摄像机1，3间隔为1.1 m；摄像头4～8距离水下为3.2 m，间隔为1.6 m。试验时利用行车的移动，使摄像机拍摄到网的水下姿态。
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图 4 试验布放示意 Fig. 4 Setout of the experiment |
开启水池造流系统，参数调节至水池最大能力，至状态稳定，释放拦截网至自由状态。
网随着流的方向按一定的速度漂移，调整行车的位置和速度，使悬挂在航车上的摄像头可以清晰地拍摄到拦截网的水下姿态，拍摄流的作用下网的水上、水下姿态。当行车至水池的边缘，拉回拦截网，重复测量。
2.3.2 试验结果及分析通过摄像机角度校正及多摄像机结果拼接，得到网在水流作用下的形态图像，如图5所示。
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图 5 网的底部图像 Fig. 5 Image of the net bottom |
网的等效截面如图6所示。
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图 6 网的等效截面 Fig. 6 Equivalent crossover of the net |
近似等效为2个梯形和1个三角形。按比例尺计算2个配重边缘点距离为5.7 m，2个拐点的距离为5.4 m。计算得到网的截面积为S=19.3+1.7+0.3=21.3 m2。
比例与仿真计算相当。
3 网体拦截性能仿真研究本节针对特定运动目标遂行拦截功能的拦截网性能开展仿真研究。
3.1 仿真研究对象 3.1.1 拦截网拦截网的相关参数如下：
材料尼龙；
杨氏模量2 GPa；
网线直径1 mm；
密度1.15 g/cm3；
配重0.5 kg/m，均布；
上边框浮标固定。
3.1.2 运动体高速运动体模型参数如下：
材料铝合金；
回转体外径533 mm；
长度7.8 m；
重量1 600 kg；
速度25.7 m/s（50 kn）。
3.2 仿真结果及分析仿真态势：运动体垂直撞击网的中心。
图7为撞击过程中运动体速度变化。
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图 7 撞击过程中运动体速度变化 Fig. 7 Variation of speed during impaction |
可见，撞击发生后，运动体速度下降可以忽略。
图8为撞击过程示意。
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图 8 撞击过程中运动体（0.5 s） Fig. 8 The motion object during impaction (at 0.5 s) |
图8为截取仿真动画0.5 s时的一帧。可见，运动体高速打穿网体。
综合图7和图8，可见在这种态势下，由于运动体高速运动冲量极大，网体几乎达不到拦截效能。
选择不同的撞击点位置和角度，结果类似。
因此，为提升拦截效能，需要对网体参数进行修正。简单考虑采用更粗的网线，仿真结果表明，网线直径达到1.9 mm时，将能包裹运动体，两者作为一个统一的运动体继续行进。
如图9为网线直径为2 mm的网体的拦截效能。
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图 9 运动体被网具包裹（0.5 s） Fig. 9 The motion object is cladded by the net (at 0.5 s) |
由于试验条件所限，首先开展了水洞模拟试验。
图10为试验用水洞照片及其工作段试验配置示意。
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图 10 试验水洞及试验配置 Fig. 10 Water tunnel and configuration within the experiment |
根据水洞的具体尺寸及安装要求，实验中网具的尺寸如下：H=110 mm，L=200 mm，a=10 mm；利用乒乓球模拟运动体。利用高速摄像机进行拍摄，试验照片如图1所示。
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图 11 运动体撞击网体模拟试验 Fig. 11 Simulated experiment of motion object impacting the net |
根据试验条件，对不同水速（模拟运动速度）下的撞击过程进行。具体速度分别为1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s。
试验结果与仿真结果比较见表2。
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表 2 实验记录表 Tab.2 Experiment results |
可见，在可拟的缩比条件下，试验结果与仿真结果相当。
5 拦截网应用思路以上对水下半自由柔性网体的动力学性能和拦截性能进行了仿真和试验研究。进一步的试验正在构思，以得到进一步的结论。
在水下战中，使用拦截网对敌来袭武器进行拦截，也将是一种可选的对抗方式。
图12给出了一种可能的水面舰艇使用拦截网对抗来袭尾流自导鱼雷的方案[5]。
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图 12 拦截网拦截尾流自导鱼雷方案 Fig. 12 Interception of torpedo using the net |
配以其他对抗措施，将大大增加水面舰艇对抗来袭鱼雷的成功概率。
6 结 语本文针对柔性网体在水下受水流作用姿态变化问题开展研究，重点是考察其形变以及由此带来的有效面积的变化过程。同时对网体拦截运动体的过程进行了仿真和缩比试验研究，证明了理论分析和仿真的有效性。在此基础上，提出了拦截网应用于水下战的可能思路。
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