0 引　言

拖曳式多参数剖面测量系统又称为水下拖曳系统，目前作为水下探测装置广泛应用在海洋研究及监测和军事等领域，其在海洋环境、海洋资源调查和国防建设中均有非常重要的用途^[1]。现今的拖曳系统包括航速较低的拖曳系统，又或是系泊拖曳状态下的拖曳系统，而高速拖曳技术目前来说刚刚起步，美国提出了OASIS系统^[2]，该系统搭载平台为MH-60S直升机，为直升机拖曳系统。而滑行艇作为水面高速船，在续航力、操纵性以及载重量上，均优于直升机，且船上的观测点与探测点的距离较直升机更短，在实时监控以及数据传输上优势更大。

滑行艇在高速航行遇到波浪时，会在波浪中颠簸并发生砰击^[3]。截至目前，对滑行艇在静水与迎浪规则波中航行的阻力性能及运动响应的预报技术主要为数值模拟和模型试验，而滑行艇的模型试验技术相对更加成熟。梁霄等^[4]利用Fluent对滑行艇的直航运动进行数值模拟计算与验证；凌杰^[5]通过FINE/Marine对滑行艇在规则波中的自航进行了值预报；凌宏杰等^[6]采用随体网格技术进行了滑行艇在迎浪规则波中的运动响应数值预报；邹劲等^[7]利用SeaKeeper对三体滑行艇进行了迎浪规则波中的运动预报；赵核毓等^[8]基于CFD方法与模型试验研究了深V滑行艇的阻力和航行特性；孙华伟等^[9]通过船模试验测量了三体滑行艇不同排水量、重心位置下的阻力与航态；董文才等^[10]通过开展深V型滑行艇的模型纵向运动试验得到了其在规则波中的运动规律；陶磊等^[11]在拖曳水池中对自主开发滑行艇的耐波性能进行了试验研究。

目前对滑行艇作为高速拖曳水面搭载平台开展的相关研究非常少，针对带尾部拖曳力的滑行艇进行阻力和运动预报还需依靠成熟的模型试验方法。拖曳状态下的航行性能是评价一个水面搭载平台的重要依据。本试验主要目的是通过模型试验方法来进行滑行艇的航行性能预报，研究滑行艇在带有尾部拖曳力情况下的阻力性能及耐波性特征，并结合试验结果和试验现象对滑行艇作为拖曳平台的特点进行分析，以验证滑行艇的高速拖曳能力。

1 模型情况及试验方法

本船为长折角且深V型滑行艇，主要参数见表1。滑行艇的横剖面形状如图1所示。

本滑行艇模型为松木制作，在高速拖曳工况下为了防止纵倾角过大而出现危险，在滑行艇尾部设置有尾阻流板，尾阻流板为固定式，安装于尾封板上，向下伸出船底2 mm。另外，因本滑行艇为深V型船首，为了避免在非滑行状态下的首部飞溅过大，影响试验观察，在滑行艇首部两侧设置有压浪条，其安装起始位置从6站向船首延伸1204 mm，安装高度为距基线205 mm，宽度为15 mm。

本船尾部拖曳力幅值以线型方式进行增加，拖曳力方向与船舶航行方向相反，并沿水平向下，增加拖曳力会使滑行艇在零航速时具有不同的纵倾角和排水量。

在试验时，不同的航速对应不同的尾部拖曳力和拖曳角度，其对应关系如表2所示。其中， $ V $ 为航速； $ {R_{{\text{ad}}}} $ 为拖曳力； $ \theta $ 为拖曳力与水平面的夹角， $ {\alpha _0} $ 为加载拖曳力后滑行艇的初始纵倾角。

本船模型采用的是拖线外拖的拖曳方式，拖曳点位置在船舷两侧重心剖面的重心高度处，以尾封板龙骨最低点处为原点，拖点的坐标为（1144 mm，±412.5 mm，238 mm）。

在调节尾部拖曳力大小时，由于滑轮机构存在摩擦力，需要通过船模阻力仪测量加载对船模的水平拉力，使其实际水平拉力与理论加载水平拉力相等。根据拖点与水下滑轮之间的距离得到水下滑轮在不同角度时的入水深度，通过拖车上的手拉葫芦来控制水下滑轮的高度，即可实现尾部拖曳角度的调节。阻力仪与船模之间通过拖线连接，陀螺仪和升沉测量点均位于重心处，倾角传感器设置于船首，首部加速度传感器安装于9.5站处。

2 静水试验

在静水中进行不同尾部拖曳状态的阻力试验，对比拖曳力对航行阻力的影响，同时测量预报阻力、重心处的升沉与纵倾。试验航速分为以下10个工况：1.29 m/s、2.57 m/s、3.86 m/s、5.14 m/s、5.40 m/s、5.66 m/s、6.17 m/s、6.43 m/s、7.20 m/s和7.72 m/s，对应的体积傅汝德数 $F{r_\nabla }$ 最小为0.52，最大为3.11。

从图2的阻力曲线可看出，滑行艇在无尾部拖曳力的时候阻力性能较好，无明显的阻力峰。而增加尾部拖曳力后，随着航速的增加，阻力会大幅增加，且增幅随着航速的增加越来越大，由3.86 m/s时的34.93%增加到7.72 m/s时的79.77%。由此可见，航速的增加会使拖曳阻力越来越大，因此对于高速拖曳水面平台进行阻力预报非常必要。

通过将拖曳阻力减除后，可发现拖曳状态的船体阻力受拖曳力的影响实际上在逐渐减小，即拖曳力引起船体浮态发生变化后使船体阻力有所降低，航速越高，纵倾越大，阻力降低的幅度也越大。在7.72 m/s时阻力降幅达10.95%，可见拖曳状态时总阻力增加的成分主要是拖曳阻力，船体阻力反而有所减小。

图3分别为船模在同航速下有无拖曳力的航态对比。可以看出，无拖曳力时船模的纵倾角在3.86 m/s之前逐渐增大，之后随着航速的提高逐渐减小。而在增加拖曳力后，低速（3.86 m/s）时纵倾增幅不太明显为9.24%，当航速增加到7.72 m/s后，由于拖曳阻力大幅增加，而拖曳阻力向下的分量会使滑行艇产生抬头力矩，从而导致此时船体纵倾增幅达到了50.93%。

而拖曳力对船体升沉的影响就没有纵倾那么明显。在速度3.86 m/s时的升沉增量为10.39%，仅在高速阶段7.72 m/s时，艇体抬升增幅达到16.37%。

通过对船模试验中的图像进行对比，从图4可看出在高速滑行阶段 $ V $ =7.72 m/s时，艇体两侧兴波较大，防溅条对首部兴波有较好的阻挡作用，艇体两侧产生大量水花，阻流板效果良好，使滑行艇在滑行阶段能保持较小的纵倾角，保证了拖曳工作时的稳定性。在增加拖曳力后导致船模纵倾角有所增加，使两侧兴波由船首移动到船中，但由于拖曳力的作用，船体抬升的增幅较小，使艇体后半段产生了大量飞溅形成水雾。而在半滑行状态 $ V $ =5.14 m/s时，拖曳力同样增大了滑行艇纵倾角以及抬升高度，但对其两侧兴波的影响较小，仅在艇体中部产生了高度相对更高的飞溅水膜，如图5所示。

3 耐波性试验

在耐波性试验中，进行带尾部拖曳力与不带尾部拖曳力2种状态的迎浪4个速度（ $V$ =3.86 m/s、5.14 m/s，6.43 m/s、7.72 m/s）的规则波试验，规则波取2个波高（ $H$ =25 mm、75 mm）和7个波长（ $\lambda $ =2.5 m、3.125 m、3.75 m、4.375 m、5.0 m、6.25 m、7.813 m），测量预报阻力、重心处垂荡、纵摇、中纵剖面（首、中、尾）垂向加速度等，规则波试验中附体安装状态不进行调节，尾部拖曳角度初始为13.7°。

为了体现拖曳工况的影响，重力加速度取运动幅度较大的首部作为分析对象，并选择排水状态 $V$ =3.86 m/s以及滑行状态 $V$ =7.72 m/s作为典型工况进行对比。

图6为船模速度在 $V$ =3.86 m/s和7.72 m/s时，滑行艇在规则波中的试验阻力平均值。可以看出，滑行艇在排水以及滑行状态航行时的阻力平均值都没有受到波长的影响。即使在拖曳情况下，平均阻力值的增量也维持不变，且 $H$ 由25 mm增加到75 mm后，各个工况下的滑行艇波浪阻力平均值未发生明显变化。在滑行状态下，拖曳力会导致总阻力增加约80%，而在排水状态时阻力增幅约为35%，与静水情况下的增幅基本一致。这表明了滑行艇在随波浪起伏的过程中，艇后拖曳力虽处于周期性变化，但其均值比较稳定，没有受到波浪的影响。

而从图7可以看出，在 $H$ =25 mm时，波长对纵摇、升沉双幅值的影响非常大，在波长较长，特别是波长大于船长时，滑行艇会跟随波的轨迹上下运动，纵摇以及垂荡幅值随之增幅较大。在增加尾部拖曳力后，对排水状态的滑行艇影响不明显，仅在 $\lambda $ =7.813 m时，纵摇、垂荡双幅值因尾部拖曳力减小了约5%。而在滑行状态下时，增加尾部拖曳力使纵摇双幅值随波长的增幅更为线型，有利于提高滑行艇在不规则波中的航行稳定性。

在 $H$ =25 mm工况下，排水状态时，首部加速度双幅值随着波长的增加逐渐增加，在 $\lambda $ =5.0 m时达到最大值约0.22 g。在波长继续增加后，首部加速度双幅值逐渐减小至0.14 g。而滑行状态下，首部加速度双幅值基本随着波长的增加而逐渐减小。最大首部加速度双幅值出现在 $\lambda $ =3.125 m时，为0.41 g。尾部拖曳力对排水状态下的滑行艇首部加速度双幅值影响较小，而在滑行状态下，首部加速度双幅值会有约10%的增幅，见图8。

当波高增加到75 mm时，从图9可以看出，带尾部拖曳力时的垂荡与纵摇双幅值基本与不带尾部拖曳力时趋势一致。在波长较短时有拖曳力状态下垂荡双幅值会提高，如 $\lambda $ =2.5 m时，排水状态垂荡双幅值的增幅达到63.92%；而在波长较长时，带拖曳力状态下纵倾角幅值会略有增加。在 $\lambda $ =7.813 m时，排水状态纵摇双幅值的增幅为6.04%，而在滑行状态下纵摇双幅值的增幅更为明显，最大增幅为12.5%。

从图10可以看出，在 $V$ =7.72 m/s、 $\lambda $ =75 mm时，滑行艇处于完全滑行状态，不带尾部拖曳力时的首部加速度双幅值基本维持在1.0 g左右，在增加尾部拖曳力后滑行艇的首部加速度明显提高，特别是在波长较短时，最大增幅达到52.88%。而随着波长逐渐增加，两工况下首部加速度双幅值差距逐渐减小。这说明在高速滑行阶段，尾部拖曳力的存在会使滑行艇在波浪中航行时首部的运动幅度增加。在设计阶段需要对首部艇底结构的砰击问题进行着重考虑，而在排水状态时则没有此现象发生，仅是首部加速度双幅值在波长超过 $L/2$ 时有小幅增加，但幅值均在0.65 g以内。

4 结　论

本文首先对滑行艇进行了静水模型试验，在带有相同附体的条件下研究比较了不带尾部拖曳力和带尾部拖曳力2种情况下船体阻力及航态的变化情况。之后对规则波中不带尾部拖曳力和带尾部拖曳力2种情况下的阻力平均值、纵摇、垂荡、首部加速度双幅值进行了对比分析，研究了尾部拖曳力对滑行艇在静水及波浪中航行性能的影响。通过本文的试验研究，可得到以下结论：

1）在滑行艇尾部设置拖曳点，并将其作为高速拖曳平台可行，设置尾阻流板对抑制滑行艇过度纵倾与升沉有一定作用，有助于提高拖曳航行时的稳定性。

2）静水航行时，滑行艇尾部拖曳力对纵倾影响较大，随着航速的增加纵倾增幅越来越大，在高速滑行阶段可达50.93%。而对深沉的影响就小得多，高速滑行时的深沉增幅为16.37%。

3）在规则波中航行时，滑行艇的阻力平均值不受波高与波长的影响，在增加尾部拖曳力后的阻力增幅与静水情况下的增幅基本一致。

4）在规则波中航行时，尾部拖曳力主要影响的是滑行艇的首部加速度，特别是在 $H$ =75 mm且波长大于 $L/2$ 的情况下，首部加速度双幅值最大增幅可达52.88%。而 $H$ =25 mm情况下增幅仅为10%左右，首部加速度幅值的增加会对首部艇底结构造成更大的砰击压力，因此滑行艇作为高速拖曳平台需要加强首部艇底结构。