新型远海机动水文环境监测系统及关键技术研究

针对在突发性、灾害性远海强海洋动力过程和远海军事行动中进行水文环境监测的实际需求，分析了国内外现有各类海洋监测技术的局限性，尤其是国外远海现场机动监测系统的研究现状和不足；汲取了无人机和流星余迹通信两大先进技术优势，将两者与海洋水文气象多要素现场探测技术相结合，创新性地提出了一种适用于特殊探测需求的远海机动水文环境监测新方法和新体制，在突破现有系统抵达现场机动能力差、远距离数据传输难和难以实现同步观测的瓶颈问题的同时，有效解决了远海水文监测的安全性、隐蔽性和受天气条件制约的难题。全新巧妙地研究了系统中尚无现成技术的被投掷单元和无人机机载单元自动投放技术，设计的自膨胀壳体可实现被投掷单元在脱离无人机后，伞张开的瞬间自身体积自动膨胀，在落入海水后能产生足够的浮力，并保持竖直向上的姿态；自动投放系统可利用无人机机腹中的有效载荷运载多枚被投掷探测单元，并按预定程序发射被投掷探测单元。

针对我国远海水文环境监测技术的发展，结合未来海洋环境保障需求特点，基于无人机技术、流星余迹通信技术和海洋现场探测技术，构建了一种新型远海机动环境现场监测新体制（简称NMOHEMS），重点探讨如何突破现有系统机动性、数据远传和同步观测技术瓶颈的问题，为有效提升远海水文环境监测的安全性、隐蔽性和顽存性奠定理论基础。在完成探测单元结构设计基础上，利用三维快速成型技术完成模型初样制作。探索了一种化学法生成气体实现现场探测单元壳体膨胀的新方法。选取碳酸氢钠和一水柠檬酸作为化学反应物，分析了影响化学反应速度的因素，定量研究了质量比与二氧化碳气体生成速度的关系，得到不同质量比和气体生成速度之间的函数关系。NMOHEMS剖面探头与AXBT探头等相比，具有外形更小、下沉速度更慢、深度分辨率更高等特点。基于多学科设计优化理论结合专家参与模式，初步研究了测温剖面探头的优化设计方法。制作测温剖面探头模型并进行了模型实验，实验结果表明优化设计的测温剖面探头能够满足下沉过程中运动状态平稳，极限速度接近2m/s等要求。针对NMOHEMS对剖面探头深度探测精度的需求，设计了一种高精度的水库实验装置，并对装置进行误差分析，验证了计时器的计时精度。在玻璃水箱和水库两种环境下，分别设计实验方法，在玻璃水箱实验中，利用高速摄像记录不同质量剖面探头的下落过程，编写图像处理程序完成数据处理和误差分析；水库实验在船上进行，自主研制水面实验装置，对影响因素进行修正提高实验结果的真实可靠性。采用数值计算方法进行三维粘性流场数值模拟，结果表明阻力系数随着雷诺数的增加而减小，数值计算结果与实验结果吻合较好，验证了该数值计算方法的正确性，可为系列化探头的设计提供参考。探索使用压缩空气弹射现场探测单元，建立了机载单元水平弹射和垂直弹射的数学模型，并对该模型进行了仿真计算。研制了压力筒的样机模型和自动控制系统，实施了现场探测单元水平弹射的外场实验，获得了实验数据，结果表明：仿真结果与实验数据一致，对系统的优化具有很好的指导意义，此种方法可以满足机载和弹射的需求，是一种现场探测单元安全投放的新方法。设计了一种单传感器和单气源组成的机载单元自动加压系统，依靠多路切换阀和高精度的压力传感器可实现对多压力筒的分时测控。实验结果表明：本系统能够满足现场探测单元自动弹射的需求。