美国沿海浮标的研制.pdf

美国沿海浮标的研制 WE 美 瓦伦考尔波尼 捕要美国国家资料浮标中心 N D B c 制作了两个直径 2 3 m的沿海浮标样机 尽管连两个浮标水上 部分功能相同 但水下部分有实质的区捌 第一个浮标使用一个 自 下支承的配置环圈构造 用一个限制 移动摆吊扦系留同定 允许玉限制的精仰角和 4 0 的转动 第二个浮标使用传坑的中心导昔配重平衡设 计 稳定度试验表明 这两个浮标都超垃了穗定性要求 目前已正在进行投放试验 以便估算进两种设 计对选择的业务环境带来的经济效益 本文介绍其稳定性及早期现场试验的结果 一 引 言 海岸浮标的计划是首先研制低成本 轻便型 工作可靠的锚定浮标在近海环境 中使 用 使用国家资料浮标中心提供的有效负载配置 从多种气象和海洋传感器收集资料 在 浮标上经过处理 借助于地球同步环境业务卫星 G OE S 中继发送到国家环境卫 星资料 和信息服务部 NE S D I S 在那 里 进 行近 实 时数 据 的 质量 检 验 然 后 通 过 全 球 通 信 卫 星 G TS 发 送给用 户 因 为价格 低和易于投放 沿海浮标既适合 于短期科学计划 又支持长期 的 环境监测 图 l是一个 沿海浮 标的照片 两个 沿海 浮标的样 机已经 制作 完 成 并 进行 了试 验 和评 估 第一台样机 C B I 已完成了 有限的现场投放试验 并计划在 1 9 9 0年秋季投放到哥 伦 比亚 的 巴尔港外 二 设计方针和要求 沿海浮标适 用于气象学的 海洋 学 的 和定 向波 浪 的 测量 气象学 的成套观测设备包括 2 个气 压表 2套 风 速计 包括 风 向 风速 1个气温传感器和 1 圈1沿海浮 标I 第一孜投放试用 维普资讯 瓦伦考尔猷尼 美国精海浮标的研制 个海温传感器 风速计和气温传感器分别安装在5 m和4 5 m高的桅杆上 由于国家资 料浮标中心 N D B c 的6 m和 3 m浮标测量 5 m高处的风和气温 因此 这是一个优先选 用的高度 以便于与其它型号的浮标资料直接比对使用 国家资料浮标中心的任何业务 的有效负载配置都装在直径 0 9 1 m 高 0 8 2 m 的圆筒 形有效负载水密舱内 因为磁力仪和磁罗盘是有教负载的一部分 沿海浮标是非磁性材 料制造的 沿海浮标的维修服务是在海上平静的天气下进行的 服务工作预期要求置换 气象传感器并涉及电子有效负载水密舱的顶部 在海上 正常的维护 修 过程是在船上 或者沿着维修船的侧边上进行的 其他设计的性能是 一 辆卡车能运输浮标 无需特别的运输条件和规定 浮标容易装卸 无需特别的设备和程序 全部浮标成套设备少于 8 2 0 k g 标体使用寿命超过 6年 生产成本估算 批量生产 1 0个以上 每个成本 3 5 0 0 美元 不包括传感器 电子仪器 和系留用具 由于沿海浮标是在近岸海域使用 比深海浮标更容易遭到破坏 最频繁发生的破坏形 式是小 吊杆着火 因此 沿海浮标外壳 由泡洙状的封闭单元组成 以减少这些灾难性毁坏 的可能性 三 试验运行环境 根据国家资料浮标中心标准气象监测仪器配置 近岸浮标在表 1条件下 最少连续 工 作时间为 1 年 表 1 四 沿岸浮标的设计 浮标的外部造型是经过精选的 能提供足够的浮力和稳定性 合格的波浪运动响应 并在中等海流状况下具有 良好的性能 数学模拟分析和泡沫 塑料 铁壳浮标模型试验表 明 在预期波条件范围 直径 2 3 m的标体能提供合适的波运动响应 为保证不同海流下的性能 选用弯曲的外壳脊骨 标体提供的浮力超出预定浮力的 1 4 5 预定浮力是建立在最大预期投放的排水量 1 0 0 0k g 加上 2 6 0 k g的有效 装载和 1 7 5 k g的系 留用具负载 选用浮标的外型高度 要考虑到生产浮力圈的节省 问题 咽 为 1 3 7 r g t 厚的原材料能 维普资讯 气象水文海洋仪器 制作 2个浮圈 高 进 气象传感器的主通道 使用折叠式的上桅杆结构 其坚固性是足够在水面平静 时 一个人攀登桅杆 更换最高 的传感器 第一台样机上使用一个固定的 桅杆 其外壳 标 体 排水量特性见图2 26OO 24oo 22 00 20O0 1 80O 1 6Oo 1 40O 1 2oo 1 O O 0 啦8 0 0 6O0 400 200 0 吃 水 探 腰 m 闰 2 沿海浮标标体排承 量 外壳体是航海级铝结构 在有效负载水密舱周围装有一个弹性闭合的单元泡沫浮动 垫圈 标体的中心部分是有效负载水密舱外罩 在三脚架上部和有效负载水密舱之间的 交界面的两种方案正在评估 第一种是一个三角结构 装在有效负载水密舱的周围 见图 3 第二种是 辐条结构 是一个分段的方管角辐射的结构 见图 4 正在评估这些不 同方 案的可生产性 成本和构造性能系数 这些方案都不会影响总的浮标性能 每种配置在 甲板周围都装有一个外壳浮力垫圈支撑 碰撞 圆环 一旦进一步估算浮力垫圈的完整性和 性能后 这个 圆环可能成为不必要的了 水下的结构也有两种明显的不同方式 第 1种水下结构设计见图 5 是选择定 向渡测 量的最佳随波性 一 个固定的配重平衡环圈设计使外壳能够灵活地运动 随波倾斜 减少表层水流冲击 和使系留负载不稳定减少到最小 由于一个锚定到基座的铁质浮标容易倾覆 所以在环 圈内部使用一个摆动的吊杆 当摆动吊杆接触环带时 提供限制海况影响的回复力矩 这种想法的第二个作用是摆动吊杆脱开时 浮标可 以垂直地立在甲板和岸上 以得到安全 的保护 详见图 6所示 浮标这种水下结构型式将进一步评估 以确认其 预期的非线性随波性能 同时也对连 接标体的系留 锚系 的磨损程度 如果摆动吊杆接触环圈时 带弹性防护 方向波传感器 的潜在噪声 以及浮标俯仰转动对风传感器资料的影 响进行估算 第二种水下结构是设计减少俯仰转动的运动 最好地支持对气象要素的观测 一个 维普资讯 瓦伦考尔赦尼 美国特海浮标的研制 4 7 传 统 的用配重平衡 的 中心导管 设计 加上在中心管基 座的系留 附件 如图 7所示 这 种处理 使用系留载重增加稳定性 并对 俯仰和转动增加阻尼 五 制 作 这两个浮标 同时进行建造 以便 能对 每个浮标 在每个制作 阶段 的设计进 行直接 评估 这 5个制作阶段是 1 制作塑料 泡沫 浮动套 环 2 制作转动成形板 管子和 切割有效负载水密舱的角形铁 3 装配有效负载水密舱罩和三 角架桅杆 4 制作 桅杆和 安装 传感器 5 标体下结构的组装 两个 塑料 泡沫 浮动 环 圈 由一个承 包者制作 单个 部件 切割到要求的高度 采用热切割 技术成型 这技术使表面层变坚 韧 可紧密封闭任何塑料 泡沫 单元 在被切割加工时形成 的裂 口 有效负载水密舱骨架管 两 个浮标 的防震环和轧制 L 舱 盖 元件 浮标 I的环 带圈构造 浮 标 的辗压结构 部件 是 由一个 独立 的承 包者制作 的 辗 压截 面的制作包 括辗 压金 属板和环 圈的部件构造 环圈 的制作 是 通过切割 端面 焊接 接地和完 成一致 曲率的轧制 有效负载水密舱外壳 组合 桅杆和浮标体下的结构 由国家 图 3器海浮标 I的三角 台面结构 方案正在评估 图4 袷海浮标 的辐条台面结构 方案正在评估 浮标 中心制作 组装有效负载水密舱架时 首先把金属板舱底插人到轧制管内 然后在管 子上部安装舱 I 1 环圈 对这些元件完成焊接 制作舱 I 1 盖 拟定舱 I 1 盖和舱 I 1 环 关 闭螺 维普资讯 气象水文悔洋仪器 栓的位置 出口管道 及电缆 口的位置 舱盖 和闭合 环钻 孔是配打的 其余的舱孔是切割的 焊接三角形或放射形 桅杆底座和 吊环 在浮标 被 吊环遮蔽 的焊缝经过漏气 试验后 才焊接甲板金属周围的构架和吊环 标体下部的 构架和系留附件组装到水密舱底部 并安装三角架桅杆 对两个壳体装配件完成全部漏气试验 桅杆安装在一个工业用 合金 6 0 6 锥型 的铝板上 标体下结构用 3 1 6号不锈钢和 5 0 8 6号合金铝制作 六 生产制造 对沿海浮标 铝台金 5 0 8 6冷成型固有的难点在于 在成型制作避碰环和轧制结构部件之前 要改变成接近于 T O硬质的台金 6 0 6 1 对有效负载水密舱的制作 沿海 浮标 的结构对工作的要求与浮标 I也有本质的区别 浮标 装配要求的工作量大致是 浮标 I的 3 5 0 这增 加的工作包括增加 1个适合向上的调节器 3个附加 的滚 动结构的部件 附加的焊接长度和一个过程的漏气试验 水下的系留系统在制作上没有 出现预想不到 的困难 环圈和摆锤臂的结构 比传统的用 中心导管配重平衡设计 预期的劳动强度更大 这是 由于摆锤臂组装必须是 电绝 缘接合 用电学上的必要的隔离连接 使腐蚀减至最小 摆锤臂用无磁不锈钢制作 以使系留系统对有效负载的磁 力计和罗盘的影响达到最小 l 匿 i 墓 零 目5 摆动吊扦系留附件水下结构 图6 摆动吊扦系留附件回复力矩和摆动位移范围 I 维普资讯 瓦伦考 尔浊尼 美 国沿海浮标的研制 七 结 构 沿海浮标的结构有几个 实验性 的设计和设计 变化 舱 口的闭合和垫圈是基于 一个与紧固件动力矩无关的弹 性垫圈的受控压力 对在 弦窗封闭系统上的标准窗 口常 见的安装误差和垫圈切割故障 该系统是低费用的 筒形 的三角架桅杆支架是多用的 作为壳体通风管并作为太 阳 能帆板 风鳍 雷达反射器 偶极子天线及相关传感器的支 撑部件 三角架桅杆的 尺寸足以承受 得住 4 3 4 0 N m 转 矩的偶极子天线杆 断裂或者桅扦顶端 1 8 0 k g水平 负载 偶极子天线桅杆不是连接到通风系统 即使其故障也不会 影响浮标 主体的安全性 在投放和回收工作期间 泡沫橡胶浮动垫圈用来吸收 浮标与服务船磁撞的冲击能量 八 稳定性测定 采用 l t J IJ 力耦测定静态稳定性 求出浮标的复原 力 矩 浮标的力矩是这样加的 把大小相等 方 向相反的两 个垂直力加到浮标的相反边上 确定壳体复原力矩的低 端 在甲板 上加近似水平 的力 并把该 力加到桅 忏顶端 300 0 2500 2000 霉 复 1 5 0 0 1 0 0 0 500 0 瞄 n 配蔼平衡中 导营爪 卜 由建 捶动麈敦 图 8 沿海浮标 I在系留配屈 负载井 的回复力矩测定 矿 1 维普资讯 气象水文海洋仪 器 延长复 原力矩 曲线 对 沿海 浮标 I 这 些测试 过 的结 果 如图 8昕示 一 个 9 0 k g的人爬到桅杆上 他的重心近似位于高出吃 k 线 4 m处 通过他的重量他 用 自然频率摆动浮标副最大振幅 这最大摆幅在 标 I小于 3 0 九 投放试验进程表 沿海浮标 I的第一次投放试验是在舵拉巴马州奠比尔南边北纬 3 O l 0 西径 8 0 0 7 水深 8 8 1 1 的 4 2 0 2 1站 附近有两个 ND B C的 3 1 1 工作浮标 和一个 N D B c的 3 1 1 工程试 驻浮标 全部 4个浮标都装有下列测试仪器 2个风速计在 5 1 1 高处 2个气压表 1个气 温表 1个水温表和 1个方 向渡测量 系统 沿海浮标 I使用的波测量系统是一 个新 的系 统 N D B C正在尝试不使用与装在 3 1 1 标上相 同的传感器或算法 其结果 进行定向渡的 测量比较 在新系统研制成功和投放之前 只具有有限的正确性验证 这第一次投放提 供气象和水温测量的初 始比较 提供一个在海上观察浮标的机会 第一次看到投放和回收 过 程 沿海浮标 I的第二次投放i tS 在 1 9 9 0年夏末 在北纬 4 6 2 O 西径 1 2 4 1 1 水深 3 2 m 的4 6 0 4 6观测站 该站在哥伦 比亚河巴尔港西面几英里的地方 这个位置 比第一次投 放期间经历的海洋环境可能更变化多样和恶劣 它也提供一 个机会 通过 同海岸警备 队 协同观铡 在恶劣气象条件下观测浮标工作状态 海岸警备队运作位于迪斯潘门特 角的 机动救生船队 寻找恶劣气候 以便i J l l 练 的小艇船员 这次投放期问 还预期增加一项观 测 测定海狮和海豹对浮标测量和耐久性的影响 一 个直径 1 2 m的大的海岸警备队导航浮标 L N B位于 4 6 0 1 0站 锚定在离沿海浮标 南面 6英里的位置 该 孚 标带有一个 N D B C的气象观飒 4 系统 包括在 1 0 m平台上的气象 传感器和无方 向性的测波仪 L N B浮标将提供地面真值数据来评价沿海浮标的性能 沿海浮标 I的第三次投放将于 1 9 9 0年秋末在加利福尼亚州的蒙特利 西边靠近 N D B C的浮标 4 6 0 4 2站进行 正在 4 6 0 4 2站投放的 ND B C的 3 m浮标将有 1个新 的定 向渡 测量系统 与沿海浮标 I上装的相同 加上原有的定向渡测量设备一起进行观测 这次投 放试验 将提供一个机会 了解在 3 m 浮标上的两种系统的相对优点 以及沿海浮标上的 新系统的功能 沿海浮标 的第一次投放将在亚拉巴马州莫比尔的南面 4 2 0 1 8站口 9 2 9 5 8 N 8 8 1 2 w 水深 2 9 m的海域进行 除测 波仪使用无方 向系统外 浮标 将装备 同浮标 I观测相 同参数的仪器 这次投放 酞验将提供浮标 的传统的 中心导管标体下构造的初始观测数 据 沿海浮标 的第二次投放将在北一 g 罗来纳州 C a p e l o o k o u t 的东南 N D B C沿海 自动 浮标网 C MA N 的 C L KN7站附近 这次投放将试验浮标 在 C a p e l o o k o u t 附近海上 的耐久性 并对装在这个浮标上的第二个系统作附加试验 这一仪器系统将把选择的测 量结果 直接报告给 C MA N 的 C L KN 7站 以便转 发给同家气象服务部 采用经过骑 证的 ND B C3 m浮标作为一个比较标准 就提供 了一 t机会 在不要求同时投放两种形式 的沿海浮标的情况下 对它们的预期投放结果进行评估 维普资讯 瓦伦考尔诚 t 美国沿海浮标的研 制 5 1 十 沿海浮标 I的第一次投放观测 沿海浮标 I的第一次投放是 1 9 9 0年 5月 2 1 在海岸警备 队的 W t e H o l l y号 甲板进 行的 该船是一个 1 3 3英 尺的浮标补给艇 采用锚定技术 投锚时 用一条 电动小船把浮 标推离浮标补给船 并使浮标桅杆顶端离船 2 m 浮标回收用海岸警备队的 Wi t e P i n c号 进行的 浮标没有损坏 一 个海岸警备队的保 障补给队伍 对管理操纵 ND B C的浮标 特别 有经验 他 们监 视 投放和回收的操作 提 出建设性 的改进措施 包括把摆动 吊杆从 2 4 4 m 缩短 到 1 5 2 m 重新调整气温传感器 减少在使用期问潜在的障碍物对光的遮挡 在立柱的基座上增 加 吊环等 十一 沿海浮标 I第一次观测资料 比较 从沿海浮标 I第一次投放期问得到的原始资料 仅能用来说明在 有限条件下浮标的 功能 详细的分析将在第三次投放期间进行 观察到浮标在波浪环境t 灵恬俯仰 转动 而且随波倾斜 提高俯仰 转动的动力对方向波测量是有利的 但是否会 出现明显降低风速计观测 数 据 质量 的 问题 沿海浮标 I和 3 IT 1 ND B C浮标在 4 2 0 1 6站 5 5天投放期间所测得 的风速时序 曲线 见 图 9 表 岍这 两 个浮标 有 好的相 关性 这个 期 限是 经过 认 真挑 选 的 由于有 一 个天气 锋面经过 风速是采祥率为 l H z 的观测值 8 mi n的平均值 阵风时序曲线 见图 1 0 是在 8 rai n采集期 内风速最大值 5 s 平均 记录 风向时序 曲线 见图 儿 是抽样频率为 1 Hz 观测 直 8 i n i n平均 这两个浮标 问的差 异随风向变化的一致性可能是两个浮标罗盘偏差和稠节的结果 沿海浮标每个风速计使 用 1个罗盘 在 4 2 0 1 6站的 Il l 浮标的两个风速计使用 1个罗盘 两个浮标各 自有风鳍以 便随风调节浮标 气压时序曲线 见 图 1 2 表示每个通风有效负载水密舱 内平均气压的 比较 每个浮 标的两个气压表采样率是 1 Hz 采样周期 8 m n 气温时序曲线 图 1 3 水温时序曲线 图 l 4 表示采样率为 1 Hz 采样周期 8mi n的 平均温度的比较 这两个浮标相距约 1 6 k m 且沿海浮标远离进人奠 比尔湾的航道 水 温 测量 的 差异 可能是 由于 近 岸周 围的真 实水 温有 差 别 有效波高时序曲线 图 1 5 和平均波周期 图 1 6 表明数据相当一致 虽然这两 个浮标 使用不同型号的传感器和不同的分榆技术 沿海浮标 f 是在 8 8 m水深 3 m浮标是在 l 3 7 151 1 水深投放 的 近岸波将影呐在昕观 测波频范围内的波 颧带谁近平均频率的波向时序曲线 图 l 7 表明 浮标有能力观测定 向波 在其他频率吲序 曲线上一致性较差 在无浅滩 折射和绕射的地方要求进一步试 验 研究沿海浮标的方 向波测量系统 它们 的应用及在宽频带范围内测量方向波的能力c 维普资讯 5 2 气象 k支海洋仪器 5 8 5 9 5 九0 5 1 1 1 5 门2 5 1 3 1 9 9 0 世界时 h 图 q 5 1 8 5 9 5 t 0 圈 1 0 2 5 九1 5 1 1 2 5 1 1 3 1 9 9 0 世界时 h 0 9 8 7 6 5 4 3 2 一 一 制区 坦 9 8 7 6 5 4 3 2 一 1 删 维普资讯 1 瓦伦考尔被 尼 美国精海浮标的 制 3 30 3 00 2 70 2 40 雹 0 墨1 8 0 1 5 O 1 20 90 6 0 3 O 0 1 0 2 O 量 画 5 01 0 1 00 5 5 i 4 5 t 6 2 1 4 5 1 6 1 9 4 q 0 6 1 2 8 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 1 8 0 6 1 2 5 8 5 9 5 1 0 5 1 1 5 1 2 5