美國(guó)沿海浮標(biāo)的研制

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1、美國(guó)沿海浮標(biāo)的研制WE(美】瓦倫考爾波尼捕要美國(guó)國(guó)家資料浮標(biāo)中心(NDBc)制作了兩個(gè)直徑2．3m的沿海浮標(biāo)樣機(jī)。盡管連兩個(gè)浮標(biāo)水上部分功能相同，但水下部分有實(shí)質(zhì)的區(qū)捌。第一個(gè)浮標(biāo)使用一個(gè)自下支承的配置環(huán)圈構(gòu)造，用一個(gè)限制移動(dòng)擺吊扦系留同定．允許玉限制的精仰角和40。的轉(zhuǎn)動(dòng)第二個(gè)浮標(biāo)使用傳坑的中心導(dǎo)昔配重平衡設(shè)計(jì)。穩(wěn)定度試驗(yàn)表明．這兩個(gè)浮標(biāo)都超垃了穗定性要求。目前已正在進(jìn)行投放試驗(yàn)．以便估算進(jìn)兩種設(shè)計(jì)對(duì)選擇的業(yè)務(wù)環(huán)境帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹其穩(wěn)定性及早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果。一、引言海岸浮標(biāo)的計(jì)劃是首先研制低成本

2、、輕便型、工作可靠的錨定浮標(biāo)在近海環(huán)境中使用。使用國(guó)家資料浮標(biāo)中心提供的有效負(fù)載配置，從多種氣象和海洋傳感器收集資料，在浮標(biāo)上經(jīng)過(guò)處理．借助于地球同步環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星(GOES)中繼發(fā)送到國(guó)家環(huán)境衛(wèi)星資料和信息服務(wù)部(NESDIS)。在那里，進(jìn)行近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢驗(yàn)，然后通過(guò)全球通信衛(wèi)星(GTS)發(fā)送給用戶。因?yàn)閮r(jià)格低和易于投放，沿海浮標(biāo)既適合于短期科學(xué)計(jì)劃，又支持長(zhǎng)期的環(huán)境監(jiān)測(cè)。圖l是一個(gè)沿海浮標(biāo)的照片。兩個(gè)沿海浮標(biāo)的樣機(jī)已經(jīng)制作完成，并進(jìn)行了試驗(yàn)和評(píng)估。第一臺(tái)樣機(jī)(CBI)已完成了有限的現(xiàn)場(chǎng)投放試驗(yàn)，并計(jì)劃

3、在1990年秋季投放到哥倫比亞的巴爾港外。二、設(shè)計(jì)方針和要求沿海浮標(biāo)適用于氣象學(xué)的、海洋學(xué)的和定向波浪的測(cè)量。氣象學(xué)的成套觀測(cè)設(shè)備包括2個(gè)氣壓表．2套風(fēng)速計(jì)(包括風(fēng)向、風(fēng)速)．1個(gè)氣溫傳感器和1圈1沿海浮標(biāo)I第一孜投放試用瓦倫考爾猷尼：美國(guó)精海浮標(biāo)的研制個(gè)海溫傳感器。風(fēng)速計(jì)和氣溫傳感器分別安裝在5m和4．5m高的桅桿上。由于國(guó)家資料浮標(biāo)中心(NDBc)的6m和3m浮標(biāo)測(cè)量5m高處的風(fēng)和氣溫，因此，這是一個(gè)優(yōu)先選用的高度，以便于與其它型號(hào)的浮標(biāo)資料直接比對(duì)使用。國(guó)家資料浮標(biāo)中心的任何業(yè)務(wù)的有效負(fù)載配置都裝在直

4、徑0．91m、高0．82m的圓筒形有效負(fù)載水密艙內(nèi)因?yàn)榇帕x和磁羅盤(pán)是有教負(fù)載的一部分，沿海浮標(biāo)是非磁性材料制造的。沿海浮標(biāo)的維修服務(wù)是在海上平靜的天氣下進(jìn)行的。服務(wù)工作預(yù)期要求置換氣象傳感器并涉及電子有效負(fù)載水密艙的頂部。在海上，正常的維護(hù)(修)過(guò)程是在船上或者沿著維修船的側(cè)邊上進(jìn)行的。其他設(shè)計(jì)的性能是：·一輛卡車(chē)能運(yùn)輸浮標(biāo)，無(wú)需特別的運(yùn)輸條件和規(guī)定；·浮標(biāo)容易裝卸，無(wú)需特別的設(shè)備和程序；·全部浮標(biāo)成套設(shè)備少于820kg；·標(biāo)體使用壽命超過(guò)6年；·生產(chǎn)成本估算：批量生產(chǎn)10個(gè)以上，每個(gè)成本3500美元(不

5、包括傳感器、電子儀器和系留用具)。由于沿海浮標(biāo)是在近岸海域使用，比深海浮標(biāo)更容易遭到破壞．最頻繁發(fā)生的破壞形式是小吊桿著火。因此．沿海浮標(biāo)外殼由泡洙狀的封閉單元組成，以減少這些災(zāi)難性毀壞的可能性。三、試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境根據(jù)國(guó)家資料浮標(biāo)中心標(biāo)準(zhǔn)氣象監(jiān)測(cè)儀器配置，近岸浮標(biāo)在表1條件下最少連續(xù)工作時(shí)間為1年。表1四、沿岸浮標(biāo)的設(shè)計(jì)浮標(biāo)的外部造型是經(jīng)過(guò)精選的。能提供足夠的浮力和穩(wěn)定性，合格的波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并在中等海流狀況下具有良好的性能。數(shù)學(xué)模擬分析和泡沫、塑料、鐵殼浮標(biāo)模型試驗(yàn)表明，在預(yù)期波條件范圍，直徑2．3m的標(biāo)體

6、能提供合適的波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。為保證不同海流下的性能，選用彎曲的外殼脊骨，標(biāo)體提供的浮力超出預(yù)定浮力的145％。預(yù)定浮力是建立在最大預(yù)期投放的排水量1000kg，加上260kg的有效裝載和175kg的系留用具負(fù)載。選用浮標(biāo)的外型高度，要考慮到生產(chǎn)浮力圈的節(jié)省問(wèn)題．咽為1，37rgt厚的原材料能氣象水文海洋儀器制作2個(gè)浮圈(高)。．進(jìn)^氣象傳感器的主通道，使用折疊式的上桅桿結(jié)構(gòu)，其堅(jiān)固性是足夠在水面平靜時(shí)，一個(gè)人攀登桅桿，更換最高-的傳感器。第一臺(tái)樣機(jī)上使用一個(gè)固定的桅桿，其外殼(標(biāo)體)排水量特性見(jiàn)圖2。26OO2

7、4oo／．2200／。20O0／180O／。16Oo／140O／12oo／●1OO0*／啦800／’6O0／400／200／0吃水探腰(m】閏2沿海浮標(biāo)標(biāo)體排承量外殼體是航海級(jí)鋁結(jié)構(gòu)，在有效負(fù)載水密艙周?chē)b有一個(gè)彈性閉合的單元泡沫浮動(dòng)墊圈。標(biāo)體的中心部分是有效負(fù)載水密艙外罩。在三腳架上部和有效負(fù)載水密艙之間的交界面的兩種方案正在評(píng)估。第一種是一個(gè)三角結(jié)構(gòu)，裝在有效負(fù)載水密艙的周?chē)?見(jiàn)圖3)；第二種是輻條結(jié)構(gòu)，是一個(gè)分段的方管角輻射的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。正在評(píng)估這些不同方案的可生產(chǎn)性、成本和構(gòu)造性能系數(shù)。這些方案

8、都不會(huì)影響總的浮標(biāo)性能。每種配置在甲板周?chē)佳b有一個(gè)外殼浮力墊圈支撐／碰撞圓環(huán)，一旦進(jìn)一步估算浮力墊圈的完整性和性能后，這個(gè)圓環(huán)可能成為不必要的了。水下的結(jié)構(gòu)也有兩種明顯的不同方式，第1種水下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5，是選擇定向渡測(cè)量的最佳隨波性。一個(gè)固定的配重平衡環(huán)圈設(shè)計(jì)使外殼能夠靈活地運(yùn)動(dòng)(隨波傾斜、減少表層水流沖擊和使系留負(fù)載不穩(wěn)定減少到最小)。由于一個(gè)錨定到基座的鐵質(zhì)浮標(biāo)容易傾覆，所以在環(huán)圈內(nèi)部使用一個(gè)擺動(dòng)的吊桿。