第2期 王奎民：主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 ·319. 层可能会突然造成浮力的改变或者改变航行器的水 下声速跃层是由温度、盐度、压强的不均匀造成的。 声特性。可充分利用跃层对水声特性的干扰增加水 声速跃层的存在会使以声纳为代表的水声探测设备 下航行器的隐蔽性，同时避免因浮力的改变造成触 出现探测盲区而无法工作，对水下航行器之间的通信 底或者推出水面。这样在水下航行器航执行以安全 和对敌探测有非常明显的影响。 性和隐蔽性为目的的任务时，海洋跃层因素作为航 在声速跃层的区域里，声速梯度的传播方向在 路规划时考虑的重要参考因素。 深声道的上下层中是相反的。在深声道的上层，声 海洋跃层将影响其附近海域的温度、盐度、密 波的传播将向深声道的方向发生偏移，使得声波无 度、声速等性质的循环，在海水的垂直面上，其严重 法直接穿越声速跃层，在该区域发射的声纳信号不 影响温度、盐都、密度、声速等海洋要素的性质的变 易探测到跃层之下的目标，也就是说潜入跃层以下 化规律。这样海洋跃层就使得上下两边的海水各主 的水下航行器被发现的可能性大为减小，增强其隐 要要素的性质有很大的不同。研究海水跃层的变化 蔽性。在深声道区域，声波信号的声强较大，可以传 规律，对水下航行器活动、水声探测和水下通信等均 播到很远的距离，水声设备在该区域的使用效果较 有重要意义]。 好。因此，航行在深声道中的水下航行器将可以探 测到距离很远的目标，增强了探测能力。另一方面， 通过利用水声跃层对水声探测信号的影响，水下航 行器可以根据自身的不同任务要求利用周边的水文 环境增加自身的隐蔽性或者增加自身携带的水声感 知设备的探测能力。因为声波在复杂水文环境下发 生特殊变化是随着区域变化而有很大不同，所以水 图4跃层示意图 下航行器在执行任务时需要结合自身任务的需求， Fig.4 Sketch of thermal layer 选择路线需要经过的最有利区域。 2.3.1密度跃层对航行器的影响 2.3.3温度跃层对航行器的影响 密度跃层的远近对内波载荷的大小有较大的影 温度跃层为水温垂直变化较快的水层，可分为 响，荷载会随着跃层的远近发生变化。离跃层越近 2类：1)主温跃层，也成为永久温跃层，该温度跃层 所受荷载越大，相反，荷载越小。最大内波荷载与静 常年位于较深的大洋中，且随季节变化较小：2)季 水压力大小处于同一数量级，所以该影响不得不着 节性温跃层，该温度跃层一般位于临近大陆的边缘 重考虑。但是同一深度下内波荷载沿着水下航行器 海，从春季产生加强，到夏季达到最强，秋季又开始 经纬两方向的变化趋势大体相同。 减弱，冬季消失11。温度跃层影响水声的传播，如 密度跃层对水下航行器活动影响很大。当密度 图5和图6所示，对声呐探测水下目标概率影响很 跃层上方海水的密度小而跃层下方的海水密度大 大。所以有利于水下航行器的隐蔽性。熟悉并利用 时，海水的密度差就会导致海水产生对水下航行器 温度跃层可以有效的躲避敌人的探测和侦查。 的浮力急剧减小的作用，俗称“海中断崖”。它会使 与水声跃层相似，对水声的正反两面干扰，可以 进入此区域中的水下航行器突然因浮力不足而急速 根据水下航行器任务的不同充分利用其特性。温跃 下沉，当密度跃层上方海水的密度大而跃层下方海 层中水声变化的相关参数对水下航行器的隐蔽性、 水的密度小时，这时的海水密度差就会与前面相反， 搭载水下武器、航路规划等方面都是至关重要的。 产生对水下航行器的浮力突然变大的作用，俗称 2.4内波对水下航行器活动的影响 “液体海底”。这2种因密度跃层造成的现象严重 内波是一种因海水运动而产生的海洋要素，它 威胁到水下航行器的航行安全。 是因为海洋内部的海水密度不同，造成不同密度之 2.3.2声速跃层对航行器的影响 间的水层之间产生一种自发的波动。内波对声速的 目前主要的海洋探测都是以声音作为主要媒介。 影响如图7所示。内波的存在像海面的波浪一样普 所以声速是一个非常重要的水文环境要素，它同时决 遍。只要海水稳定的分成不同的密度层，同时再有 定着声的传播路线以及所有其他的声学现象。声速 扰动源的存在，内波就会随之产生。它导致等密度 在传播时会向速度更慢一侧发生折射。因海洋海水 面的波动，使声速的大小和方向发生改变，内波对声 的自身物理特性的分布情况所决定，可以使声音传播 呐设备的影响极大，充分利用内波有利于水下航行 速度造成较大变化的区域叫声速跃层小。通常情况 器在水下的隐蔽。层可能会突然造成浮力的改变或者改变航行器的水 声特性。 可充分利用跃层对水声特性的干扰增加水 下航行器的隐蔽性，同时避免因浮力的改变造成触 底或者推出水面。 这样在水下航行器航执行以安全 性和隐蔽性为目的的任务时，海洋跃层因素作为航 路规划时考虑的重要参考因素。 海洋跃层将影响其附近海域的温度、盐度、密 度、声速等性质的循环，在海水的垂直面上，其严重 影响温度、盐都、密度、声速等海洋要素的性质的变 化规律。 这样海洋跃层就使得上下两边的海水各主 要要素的性质有很大的不同。 研究海水跃层的变化 规律，对水下航行器活动、水声探测和水下通信等均 有重要意义［１２］ 。 图 ４ 跃层示意图 Ｆｉｇ．４ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｌａｙｅｒ ２．３．１ 密度跃层对航行器的影响 密度跃层的远近对内波载荷的大小有较大的影 响，荷载会随着跃层的远近发生变化。 离跃层越近 所受荷载越大，相反，荷载越小。 最大内波荷载与静 水压力大小处于同一数量级，所以该影响不得不着 重考虑。 但是同一深度下内波荷载沿着水下航行器 经纬两方向的变化趋势大体相同［１４］ 。 密度跃层对水下航行器活动影响很大。 当密度 跃层上方海水的密度小而跃层下方的海水密度大 时，海水的密度差就会导致海水产生对水下航行器 的浮力急剧减小的作用，俗称“海中断崖”。 它会使 进入此区域中的水下航行器突然因浮力不足而急速 下沉，当密度跃层上方海水的密度大而跃层下方海 水的密度小时，这时的海水密度差就会与前面相反， 产生对水下航行器的浮力突然变大的作用，俗称 “液体海底”。 这 ２ 种因密度跃层造成的现象严重 威胁到水下航行器的航行安全。 ２．３．２ 声速跃层对航行器的影响 目前主要的海洋探测都是以声音作为主要媒介。 所以声速是一个非常重要的水文环境要素，它同时决 定着声的传播路线以及所有其他的声学现象。 声速 在传播时会向速度更慢一侧发生折射。 因海洋海水 的自身物理特性的分布情况所决定，可以使声音传播 速度造成较大变化的区域叫声速跃层［１７］ 。 通常情况 下声速跃层是由温度、盐度、压强的不均匀造成的。 声速跃层的存在会使以声纳为代表的水声探测设备 出现探测盲区而无法工作，对水下航行器之间的通信 和对敌探测有非常明显的影响。 在声速跃层的区域里，声速梯度的传播方向在 深声道的上下层中是相反的。 在深声道的上层，声 波的传播将向深声道的方向发生偏移，使得声波无 法直接穿越声速跃层，在该区域发射的声纳信号不 易探测到跃层之下的目标，也就是说潜入跃层以下 的水下航行器被发现的可能性大为减小，增强其隐 蔽性。 在深声道区域，声波信号的声强较大，可以传 播到很远的距离，水声设备在该区域的使用效果较 好。 因此，航行在深声道中的水下航行器将可以探 测到距离很远的目标，增强了探测能力。 另一方面， 通过利用水声跃层对水声探测信号的影响，水下航 行器可以根据自身的不同任务要求利用周边的水文 环境增加自身的隐蔽性或者增加自身携带的水声感 知设备的探测能力。 因为声波在复杂水文环境下发 生特殊变化是随着区域变化而有很大不同，所以水 下航行器在执行任务时需要结合自身任务的需求， 选择路线需要经过的最有利区域。 ２．３．３ 温度跃层对航行器的影响 温度跃层为水温垂直变化较快的水层，可分为 ２ 类：１）主温跃层，也成为永久温跃层，该温度跃层 常年位于较深的大洋中，且随季节变化较小；２） 季 节性温跃层，该温度跃层一般位于临近大陆的边缘 海，从春季产生加强，到夏季达到最强，秋季又开始 减弱，冬季消失［１５］ 。 温度跃层影响水声的传播，如 图 ５ 和图 ６ 所示，对声呐探测水下目标概率影响很 大。 所以有利于水下航行器的隐蔽性。 熟悉并利用 温度跃层可以有效的躲避敌人的探测和侦查。 与水声跃层相似，对水声的正反两面干扰，可以 根据水下航行器任务的不同充分利用其特性。 温跃 层中水声变化的相关参数对水下航行器的隐蔽性、 搭载水下武器、航路规划等方面都是至关重要的。 ２．４ 内波对水下航行器活动的影响 内波是一种因海水运动而产生的海洋要素， 它 是因为海洋内部的海水密度不同，造成不同密度之 间的水层之间产生一种自发的波动。 内波对声速的 影响如图 ７ 所示。 内波的存在像海面的波浪一样普 遍。 只要海水稳定的分成不同的密度层，同时再有 扰动源的存在，内波就会随之产生。 它导致等密度 面的波动，使声速的大小和方向发生改变，内波对声 呐设备的影响极大，充分利用内波有利于水下航行 器在水下的隐蔽。 第 ２ 期 王奎民：主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 ·３１９·