水下試驗筒蓋爆破航行體表面壓力特性研究

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

水下試驗筒蓋爆破航行體表面壓力特性研究

陳柯勛， 張剛，李芮

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所， 北京100076)

摘要：水下武器發(fā)射試驗時通常采用筒蓋與發(fā)射筒密封，彈射試驗時先將筒蓋爆破，延時一段時間后動力裝置點火，彈體出筒；通過筒蓋爆破地面模擬試驗得出了不同筒蓋爆破方式對水動壓力獲取的影響，得到壓力峰值和壓力振蕩產(chǎn)生的機(jī)理，給出了最佳的筒蓋爆破方式和時序延時方法。

關(guān)鍵詞：水下武器；水動壓力；水下測量系統(tǒng)

作者簡介：陳柯勛(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事動態(tài)信號測試技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.034

中圖分類號：TJ760.1

文章編號：1006-0707(2015)06-0135-03

本文引用格式：陳柯勛， 張剛，李芮.水下試驗筒蓋爆破航行體表面壓力特性研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(6):135-137.

Citationformat:CHENKe-xun,ZHANGGang,LIRui.UnderwaterVehicleSurfacePressureCharacteristicsinUnderwaterCapBlastingTest[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):135-137.

UnderwaterVehicleSurfacePressureCharacteristicsin

UnderwaterCapBlastingTest

CHENKe-xun,ZHANGGang,LIRui

(BeijingInstituteofStructure&EnvironmentEngineering,

ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China)

Abstract:In underwater launch tests, underwater launcher commonly sealed with cover. After blasting the cover and ignition delay, the underwater vehicle sailed out of the underwater launcher. In this paper, through ground simulation test technology of cover blasting, the real impact of hydrodynamics pressure and the mechanism of pressure peaks and pressure shock were reached by a different cover blasting, finally, the best way to cover blasting and ignition delay was put forward.

Keywords:underwatervehicle;hydrodynamicpressure;underwatermeasurementsystem

水下兵器或潛射導(dǎo)彈水下發(fā)射試驗時都會面臨發(fā)射筒的水下密封問題，工程上通常采用筒蓋與發(fā)射筒密封，試驗時先將筒蓋爆破，延時一段時間后燃?xì)鈩恿ρb置點火，彈體出筒。筒蓋爆破技術(shù)是水下發(fā)射必須解決的關(guān)鍵技術(shù)，合理的筒蓋爆破方式和爆膜延時方法對水動壓力和彈體姿態(tài)的獲取都具有重要的意義[1，3]。通過水下發(fā)射試驗對筒蓋爆破技術(shù)進(jìn)行考核，將導(dǎo)致試驗成本巨大、試驗周期很長。本文提出一種筒蓋爆破地面模擬試驗方法，通過地面模擬試驗對不同筒蓋爆破方式下真實水動壓力獲取的影響進(jìn)行研究，并對試驗典型壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到壓力峰值和壓力振蕩產(chǎn)生的機(jī)理，提出最佳的筒蓋爆破方式和時序延時方法。

1筒蓋爆破地面模擬試驗方法

筒蓋爆破地面模擬試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗系統(tǒng)主要包括水下航行體、水下航行體測量系統(tǒng)、模擬筒箱、控制系統(tǒng)、地面測量系統(tǒng)、攝影攝像系統(tǒng)、試驗水池及吊車等。

試驗準(zhǔn)備階段，在試驗水池廠房內(nèi)完成水下航行體技術(shù)準(zhǔn)備工作并垂直裝填至模擬筒箱內(nèi)。操作人員完成火工品安裝、筒蓋安裝及測試電纜連接等技術(shù)準(zhǔn)備工作。水下航行體測量系統(tǒng)測試電纜通過筒箱底部接口引出，接口采用水密接插件[2]。

準(zhǔn)備工作完成后，利用吊車將筒箱下沉至水池預(yù)定位置，下降過程中利用地面均壓設(shè)備完成筒箱均壓。

筒蓋爆破試驗時，各項工作完成后，試驗地面測發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出點火指令，筒蓋內(nèi)部火工品工作，將筒蓋炸開，試驗過程中，利用水下航行體內(nèi)部測量系統(tǒng)和地面測量系統(tǒng)對水下航行體表面壓力參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)及筒內(nèi)壓力參數(shù)進(jìn)行測量和記錄，利用攝影攝像對試驗物理景象進(jìn)行記錄。

試驗結(jié)束后吊起筒箱，回收水下航行體，讀取試驗數(shù)據(jù)，本次地面模擬試驗結(jié)束。

圖1　地面模擬試驗系統(tǒng)示意圖

2航行體表面壓力測量方法

對于筒蓋爆破地面模擬試驗，采用一種適合于水下測量的數(shù)據(jù)記錄方法是獲取航行體表面壓力數(shù)據(jù)和航行體姿態(tài)參數(shù)的關(guān)鍵，采用有引線的測試方法不現(xiàn)實，采用無線的方法，價格昂貴、時間、效率和可靠性都不能滿足水下測量要求。因此采用固態(tài)存儲器的方法是解決水下測量的關(guān)鍵，固態(tài)存儲器放置于航行體內(nèi)，實時測量航行體表面壓力參數(shù)，試驗結(jié)束回收航行體讀取數(shù)據(jù)。

固態(tài)存儲器作為水下試驗測量系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要由換流電源模塊、模擬前端板、數(shù)字采集板、監(jiān)控電路板組成，完成試驗壓力、過載、角速度及時統(tǒng)信號的采集、編碼和存儲任務(wù)。試驗結(jié)束后，回收水下航行體，與地面監(jiān)測計算機(jī)配合，完成數(shù)據(jù)的讀取、分析和處理[4]。

系統(tǒng)的總體設(shè)計思路：模擬前端板將所有輸入的信號經(jīng)信號調(diào)理、濾波等處理，傳送給數(shù)字采集板[5]；數(shù)字采集板接收同采樣頻率的模擬前端板送來的電壓信號，經(jīng)多路開關(guān)選擇后，由AD將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并記錄在存儲單元中；試驗結(jié)束后回收航行體讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示，主要由傳感器陣列、電纜網(wǎng)、數(shù)據(jù)采錄裝置、讀數(shù)口組成[6]。

測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)有兩種，即在線監(jiān)控狀態(tài)和飛行狀態(tài)。如圖2試驗前水下航行體與地面監(jiān)測計算機(jī)通過水密脫插連接，地面監(jiān)測計算機(jī)通過發(fā)送命令讓數(shù)據(jù)采錄裝置執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控、采編和啟動記錄任務(wù)[7]；數(shù)據(jù)采錄裝置收到記錄數(shù)據(jù)命令時，即進(jìn)入飛行狀態(tài)，此時斷開和地面監(jiān)測計算機(jī)之間的連接電纜，數(shù)據(jù)采錄裝置保持記錄，并在達(dá)到記錄數(shù)據(jù)命令要求的時間時停止記錄。試驗后回收航行體并讀取數(shù)據(jù)[8]。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

3試驗研究方法

地面試驗選取幾種典型的破膜方式，分析不同的破膜方式對航行體表面壓力數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的影響。對不同破膜方式下的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出壓力振蕩和壓力振蕩周期產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

3.1不同的爆膜方式對水動壓力和姿態(tài)參數(shù)的影響研究

地面試驗前確定幾種不同的筒蓋爆破方式，通過試驗驗證哪種筒蓋爆破方式更加有效。表1為確定的試驗狀態(tài)。

表1　試驗狀態(tài)表

下面選取試驗中典型的不同筒蓋爆破方式對航行體表面壓力數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行分析。選取不同筒蓋爆破方式下的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，0s時刻為筒蓋爆破時刻,不同筒蓋爆破方式下壓力的典型數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3　不同筒蓋爆破方式下壓力的典型數(shù)據(jù)

通過對不同的筒蓋爆破方式下的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：編號為3的壓力數(shù)據(jù)較其它筒蓋爆破方式的數(shù)據(jù)要好，其它的筒蓋爆破方式對水動壓力的影響時間較長且壓力峰值較大，在時統(tǒng)零點后的0.2s的時間內(nèi)的對真實的壓力數(shù)據(jù)影響較大。試驗結(jié)果表明有機(jī)玻璃加切割鎖的方式效果最好，在時統(tǒng)零點之后0.06s筒蓋爆破的影響已經(jīng)結(jié)束，之后的數(shù)據(jù)為真實的水動壓力數(shù)據(jù)，在進(jìn)行水下彈射試驗時-0.1s進(jìn)行筒蓋爆破，0s彈射動力裝置點火，這樣可徹底避免筒蓋爆破對真實水動壓力獲取的影響，不同筒蓋爆破方式下航行體彈道典型數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　不同筒蓋爆破方式下航行體彈道典型數(shù)據(jù)

編號為3的彈道數(shù)據(jù)較其它筒蓋爆破狀態(tài)下的數(shù)據(jù)要好，0.1s時刻筒蓋爆破對軸向過載數(shù)據(jù)的影響已結(jié)束。

3.2壓力振蕩產(chǎn)生的原因和壓力振蕩周期分析

下面分析壓力振蕩產(chǎn)生的原因，選取同樣狀態(tài)的兩個筒蓋進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　壓力曲線

數(shù)據(jù)曲線1筒口位置處的體積比數(shù)據(jù)曲線2的大，-0.1s為筒蓋爆破時刻。數(shù)據(jù)曲線1的壓力峰值和振蕩時間均比數(shù)據(jù)曲線2大。

爆膜時壓力振蕩產(chǎn)生的原因為筒蓋爆破產(chǎn)生的氣體及爆炸沖擊波在水介質(zhì)和筒口之間形成連續(xù)的反射造成。筒口處筒內(nèi)體積越大，爆膜時振蕩周期也越長。

3.3壓力振蕩周期分析

取兩組不同均壓狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，由于均壓壓力不同，為方便對比分析，將初始的均壓壓力調(diào)成同一壓力。圖6中虛線的均壓壓力比實線大。

第一個峰值壓力相差1.3kPa，第二個峰值相差2kPa，紅色曲線的壓力振蕩周期長?？傻贸?，相同試驗狀態(tài)下，壓力振蕩周期與筒內(nèi)均壓壓力密切相關(guān)，筒內(nèi)均壓壓力越高，壓力振蕩時間越長。

圖6　外測筒口壓力曲線

4結(jié)束語

通過筒蓋爆破地面模擬試驗得出：有機(jī)材料加低沖擊導(dǎo)爆索的筒蓋爆破方式為目前試驗狀態(tài)下最好的筒蓋爆破方式，在此狀態(tài)下筒蓋爆破對內(nèi)測壓力和彈道數(shù)據(jù)的獲取無影響；筒蓋爆破產(chǎn)生的壓力峰值與筒蓋爆破的藥量相關(guān)，藥量越大，爆膜時產(chǎn)生的壓力峰值越大；壓力振蕩產(chǎn)生的原因為筒蓋爆破產(chǎn)生的氣體及爆炸沖擊波在水介質(zhì)和筒口之間形成連續(xù)的反射造成，筒口處筒內(nèi)體積越大，筒蓋爆破時振蕩周期也越長。

本文通過筒蓋爆破地面模擬試驗獲取了筒蓋爆破對航行體表面壓力的影響機(jī)理及影響周期，選取合適的爆膜延時時間可徹底避免筒蓋爆破對航行體真實水動壓力的影響，此項研究對航行體水下試驗的成功開展具有重要的參考價值。

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(責(zé)任編輯蒲東)