用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置

技术领域

本发明属于入水冲击试验技术领域，特别是涉及一种用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置。

背景技术

随着海军装备的日益发展，水中兵器的发射方式也逐渐从海基拓展到空基、陆基，跨介质技术成为当今入水问题研究的热点，与“暴风雪”超空泡鱼雷技术相结合，衍生出大批超空泡头型的跨介质武器模型，该种模型具有入水载荷小、航行速度衰减缓慢、弹道特性稳定等优点，是重点研发的对象。对于该种模型的研究，受试验条件约束，现有试验局限于射弹等小尺度模型，另外，对于大尺度模型虽然开展了大量理论与数值研究，但并未通过相关大尺度或实尺度试验进行验证，因此针对超空泡头型的跨介质武器大尺度模型试验乃至实尺度试验研究迫在眉睫。

正是由于超空泡头型的入水载荷小、水中速度衰减缓慢、弹道特性稳定等优点，对试验环境提出了难题。海试和湖试虽具有较大近似无限的水域，但是对于试验环境的不确定性难以把握，并且无法保证试验的重复性，因此需要建立大型跨介质水池以供大尺度模型试验研究，同时当模型在200m/s以上的速度条件入水，如果不对其及时拦截，势必会造成“弹毁池亡”的悲剧。若是对试验弹进行一次性大刀阔斧的拦截，势必造成内部数据采集系统无法承受巨大的冲击载荷而损坏，对后续数据的提取与分析提出挑战，因此最终的装置设计既要对高速入水跨介质武器模型进行拦截，同时又要保证试验弹所受拦截冲击载荷低于数据采集仪的抗冲击量程，保证试验的可行性和有效性。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决上述背景技术中提到的现有技术问题，提出一种结构简单，既能即时拦截高速入水的大尺度试验弹，又保证试验设备安全性要求的柔性拦截装置。

本发明所述的用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置，包括承载架和拦截系统，所述拦截系统通过承载架与试验水池连接，所述拦截系统包括从前到后依次设置的拦截布系统、拦截板系统和拦截网系统，所述拦截布系统、拦截板系统、拦截网系统连接在承载架下方，拦截布系统本体内水平设置有第一拦截和第二拦截，所述第一拦截包括若干平行且有间隙的拦截布，所述第二拦截为纤维布堆叠排列，且堆叠纤维布四周边界为刚性固定，所述拦截板系统包括橡胶板和拦截布，所述橡胶板前布置一张拦截布，然后四周边界刚性固定，所述拦截网包括钢丝绳网和拦截布，所述钢丝绳网前安装有拦截布。

更进一步地，所述承载架包括若干承载架横梁、若干承载架竖梁、承载架斜撑、承载架底梁和吊机组，承载架具有双层承载架横梁，两层间焊接承载架竖梁，并且在承载架底梁与承载架横梁之间通过焊接承载架斜撑的方式对承载架的承载能力进行提高，承载架中间配置吊机组。

更进一步地，所述吊机组包括第一电葫芦、第二电葫芦和电葫芦托板，所述第一电葫芦和第二电葫芦固定在电葫芦托板上，同时电葫芦托板除了与承载架横梁焊接以外，还通过6根加强筋焊接相连。

更进一步地，所述承载架还包括承载架滑轮，所述承载架滑轮沿试验水池上的轨道移动。

更进一步地，所述拦截布系统包括第一拦截、第二拦截、拦截布侧拉绳和拦截布吊绳，所述拦截布系统本体前方为第一拦截框架，穿过第一拦截框架侧面和第二拦截安装有拦截布吊绳，所述第二拦截顶部侧面安装有拦截布侧拉绳，所述拦截布系统本体通过拦截布吊绳、第一吊环、第一吊绳与第一电葫芦完成吊装，其中拦截布吊绳由两股绳组合到一起，一股穿过第一拦截框架，一股穿过第二拦截，并且控制两股绳的长度保证拦截布系统吊装呈现自由垂荡状态，两侧则由拦截布侧拉绳穿过第二拦截与承载架底梁通过锁扣将其锁紧，保证拦截布系统不会发生自旋。

更进一步地，若干平行的拦截布阵列分布排列，拦截布除顶部为固定边界，其他三边均为自由边界，保证受冲击状态下的变形缓冲，首层拦截布底端安装有配重钢板，使其保证竖直状态。

更进一步地，在拦截布阵列的每一层布置第一断通靶和第二断通靶，第一断通靶和第二断通靶位于拦截布的高度位置由入射角度和承载架与发射管口的距离决定，并且依次降低，高度差为0.1m×tanα，顺应航行轨迹，其中，α为入射角。

更进一步地，所述拦截板系统通过橡胶板吊绳、第二吊环、第二吊绳与第二电葫芦完成吊装，其中橡胶板吊绳穿过M14绳孔与第二吊环，两侧通过橡胶板侧拉绳连接至承载架底梁通过锁扣将其锁紧，保证橡胶板系统不会发生自旋。

更进一步地，所述拦截网系统由钢丝绳网上端通过钢丝绳直接扎在承载架横梁完成固定悬挂。

一种用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置的操作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、待三层拦截系统在陆地上全部装配完成后，通过吊车将承载架整体吊进跨介质试验水池，使承载架滑轮进入轨道，将承载架推至预定位置，并通过刹车盘固定，调整拦截布系统和拦截板系统的深度，相适应的拉放拦截布侧拉绳和橡胶板侧拉绳长度来保证初始稳定状态，并用锁扣将其锁紧；

步骤2、工作人员位于操作平台上将断通靶的连接导线通过承载架捋出并连接至设备，检测设备工作状态，待检查无误，试验弹由发射管发射入水并成功侵彻各层拦截；

步骤3、拦截布系统的首层拦截布底端设置有配重钢板，使其保证竖直状态，使试验弹与其夹角为α，保证试验弹撞击首层芳纶纤维能够成功侵彻，并将试验弹成功导引至拦截系统；

步骤4、在试验完成后通过提升第一电葫芦和第二电葫芦将拦截布系统和拦截板系统吊起，移动承载架至操作平台，将试验弹取出，回收数据，通过断通靶所测速度衰减数据转换与数据采集仪的载荷数据进行对比分析，得到各拦截系统对试验弹的有效拦截数据；

步骤5、下一组试验开始前，提起拦截布系统，更换断通靶至新的侵彻点，检查设备可行性，准备下一组试验，通过移动承载架位置、第一吊绳和第二吊绳的长度控制侵彻点，相适应的拉放拦截布侧拉绳和橡胶板侧拉绳长度。

与现有技术相比，本发明所述的一种用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置的有益效果是：

(1)本发明通过承载架吊装采用多种拦截方式进行拦截，保证了大尺度试验水池入水试验的可行性，最大程度上保障试验弹入水后试验弹和试验水池的安全性，同时采用柔性材料以及借助水阻力对试验弹进行层层减速，避免由于一次性拦截对试验设备的损坏，保证了数据采集设备中数据的可回收，以及保障试验弹的可重复使用。

(2)本发明通过调整承载架与发射管的距离、拦截布系统和拦截板系统的高度，控制侵彻点，保证拦截系统的多次使用，节省成本。

(3)本发明断通靶速度衰减数据转换与数据采集仪的载荷数据进行对比分析，得到各拦截系统对试验弹的有效拦截数据，为更大尺度、更快速度的入水试验拦截提供参考。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为带拦截布跨介质水池总布置图；

图2为跨介质水池组成图；

图3为承载架整体示意图；

图4为图3局部放大图；

图5为拦截布系统示意图；

图6为第一拦截结构示意图，以及局部放大图；

图7为第二拦截结构示意图；

图8为拦截板系统示意图；

图9为拦截板系统的结构分解示意图；

图10为拦截网系统示意图；

图11为拦截系统装配示意图；

图12为侵彻示意图；

其中，1-发射系统、2-试验水池、3-试验弹、4-承载架、5-拦截布系统、6-拦截板系统、7-拦截网系统、8-拦截布、11-发射台、12-发射管、21-水池壁、22-轨道、23-操作平台、24-工字钢、41-承载架横梁、42-承载架竖梁、43-承载架斜撑、44-承载架滑轮、45-承载架底梁、46-吊机组、461-第一电葫芦、462-第二电葫芦、463-加强筋、464-电葫芦托板、465-第一吊绳、466-第二吊绳、467-第一吊环、468-第二吊环、51-第一拦截、52-第二拦截、53-支撑方管、54-拦截布侧拉绳、55-拦截布吊绳、56-M14螺栓、57-配重钢板、511-第一扁钢、512-M8螺栓、513-第一角钢、514-第一断通靶、515-夹子、516-第二断通靶、517-第一层拦截框架、521-第二角钢、522-第二扁钢、61-第三角钢、62-第三扁钢、63-橡胶板、64-绳孔、65-橡胶板吊绳、66-橡胶板侧拉绳、71-钢丝网、72-长支撑管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-12说明本实施方式，一种用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置，基于大型跨介质水池建立，分别设立三道拦截，分别为拦截布系统5、拦截板系统6和拦截网7系统，并且通过承载架4与试验水池2相互连接。

试验水池2跨度为7m，对承载架4的强度要求较高，承载架4具有双层承载架横梁41，两层间焊接承载架竖梁42，并且在承载架底梁45与承载架横梁41之间通过焊接承载架斜撑43的方式对承载架4的承载能力进行提高，承载架横梁41和承载架竖梁42均为方管。承载架4中间配置吊机组46，吊机组46由连接在电葫芦托板464上的第一电葫芦461和第二电葫芦462组成，同时电葫芦托板464除了与承载架横梁41焊接以外，还通过6根加强筋463焊接相连，加强电葫芦托板464的承载能力，用于保证第一电葫芦461和第二电葫芦462在承载时不会与承载架4解体。第一电葫芦461和第二电葫芦462与电葫芦托板464通过M14螺栓紧固，组成吊机组46。

所述拦截布系统5中拦截布8为2500mm×1500mm×3mm的芳纶纤维布。芳纶纤维布属于柔性材料布，具有质地柔软、高强度、重量轻等优点，在试验弹撞击时发生向中间皱缩行为，并且每层芳纶纤维布间距离0.1m的空隙，为芳纶纤维受侵彻提供变形空间，借助于水阻力对试验弹进行降速，且分布多层芳纶纤维布有利于试验弹层层减速，在成功拦截的同时保证内部数据采集仪的安全，得到有效的试验数据。同时借助于超空泡头型试验弹自身的型线优势，在冲击拦截布后，截面积会随侵彻距离的加深而逐渐增大最后达到稳定，芳纶纤维布具有极强的韧性，对穿过的试验弹还会通过摩擦的方式进行减速。通过穿透和摩擦接触第一拦截51的芳纶纤维布阵列，试验弹的动能会得到部分损耗。拦截布系统5和拦截板系6统均通过悬吊的方式与承载架4吊装，因此在试验弹侵彻冲击的过程中受到冲击力向后移动和转动，还能够借助于水阻力完成对试验弹的卸力。

采用方钢完成第一层拦截框架517的焊接，并以前横梁为参考，间隔0.15m焊接第一角钢513，并保证第一角钢513面板向前，每一层第一角钢513的距离为0.1m。

第一拦截51为芳纶纤维布阵列分布排列(每隔0.1m布置一道)，与第一角钢513和第一扁钢511配合通过M8螺栓固定，第一个第一角钢513距离框架0.15m，第一角钢513通过焊接的方式与第一拦截框架517相连接，每一层第一扁钢511的距离为0.1m。芳纶纤维布除顶部为固定边界，其他三边均为自由边界，保证受冲击状态下的变形缓冲。

首层纤维布底端具有1500mm×50mm×15mm的配重钢板57用于配重，使其保证竖直状态，避免试验弹入水冲击过程冲击波传递改变流场环境导致发生轻微移动，保证试验弹撞击首层芳纶纤维能够成功侵彻，并将试验弹成功导引至拦截系统。

将裁剪好尺寸的芳纶纤维布安装到第一角钢513上，通过M8螺栓将第一扁钢511与其固定，依次完成芳纶纤维布阵列分布排列，其中裁剪后的芳纶纤维布需要对裁剪处火燎封边，防止纤维丝遇水分离，降低韧性。

为了测量模型在拦截时入水航行速度的衰减以及测试芳纶纤维对试验弹的拦截能量损耗，并借助超空泡头型试验弹弹道特性稳定的优点，在芳纶纤维布阵列的每一层布置第一断通靶514和第二断通靶516，并通过夹子515固定。断通靶位于散装拦截布的高度位置由入射角度和承载架4与发射管口的距离决定，提前计算承载架4距离发射管12的距离L，计算L×tanα确定首层纤维布上第一断通靶514和第二断通靶516的位置，并用夹子515固定夹紧固定，其他纤维布上的断通靶依次降低，高度差为0.1m×tanα，顺应航行轨迹，其中，α为入射角。

第二拦截52为纤维布堆叠排列，通过多层纤维布堆叠，与第二扁钢522和第二角钢521配合通过M8螺栓512固定，放置在第二角钢521中，盖上第二扁钢522，除顶端以外均通过多个M8螺栓进行固定，保证堆叠纤维布四周边界为刚性固定。第一拦截框架517后横梁与第二拦截顶端均具有5个M14通孔，通过M14螺栓56进行连接固定，为了保证纤维布系统在吊装时候的垂直悬挂状态以及结构强度，在第一拦截51和第二拦截52间通过焊接的方式加装支撑方管53，保证第一拦截框架517和第二拦截52垂直。

拦截布系统5通过拦截布吊绳55、第一吊环467、第一吊绳465与第一电葫芦461完成吊装，其中拦截布吊绳55由两股绳组合到一起，一股穿过第一拦截框架517，一股穿过第二拦截52，并且控制两股绳的长度保证拦截布系统5吊装呈现自由垂荡状态，两侧则由拦截布侧拉绳54穿过第二拦截52与承载架底梁45通过锁扣将其锁紧，保证拦截布系统不会发生自旋。

拦截板系统6由2000mm×1000mm×50mm橡胶板63和2000mm×1000mm×3mm芳纶纤维布填充在第三角钢61中，在橡胶板63前布置一张纤维布，并与第三扁钢62组合，通过M8螺栓固定，保证橡胶板63和芳纶纤维布四周边界刚性固定，纤维布为迎面，避免橡胶板63与水接触后过滑导致试验弹在撞击时候的弹道偏移，方向转变等隐患。

拦截板系统6通过橡胶板吊绳65、第二吊环468、第二吊绳466与第二电葫芦462完成吊装，其中橡胶板吊绳65穿过M14绳孔64与第二吊环468，两侧通过橡胶板侧拉绳66连接至承载架底梁45通过锁扣将其锁紧，保证橡胶板系统不会发生自旋，绳孔为M14通孔。

拦截网系统7主要由钢丝绳网71组成。将钢丝绳网71平铺在地上，针对承载架4距离水面的高度以及试验弹的入水深度，加铺芳纶纤维布，四周通过铁丝与钢丝绳网71扎紧完成刚性固定。

拦截网系统7由钢丝绳网71上端通过钢丝绳直接扎在承载架横梁41完成固定悬挂。保证试验弹3在侵彻拦截布系统和拦截板系统后弹道由于能量过度耗散以及弹道失稳，无法对航行状态进行预判时以巨大的接触面积来实现拦截功能。

由于钢丝绳网71在悬挂的时候受重力影响，向中间垂荡，因此在背后增加支撑管72用于对钢丝绳网71的横向支撑，并通过钢丝将拦截布8安装到钢丝绳网71上用作最后一层拦截，保证试验弹在侵彻拦截布系统和拦截板系统后弹道由于能量过度耗散以及弹道失稳，无法对航行状态进行预判时以巨大的接触面积来实现拦截功能。拦截网系统由钢丝网上端通过钢丝绳直接扎在承载架底梁完成固定悬挂。

跨介质试验水池由于跨度较大，除四周水池壁21作为支撑，还安装操作平台23和工字钢24来提高横向支撑能力。

本发明所述的用于大尺度跨介质水池重复使用的柔性拦截及测量装置的具体操作方法如下：

1、待三层拦截系统在陆地上全部装配完成后，通过吊车将承载架4整体吊进跨介质试验水池2，使承载架滑轮44进入轨道22，将承载架4推至预定位置，并通过刹车盘固定。调整拦截布系统5和拦截板系统6的深度，相适应的拉放拦截布侧拉绳54和橡胶板侧拉绳66长度来保证初始稳定状态，并用锁扣将其锁紧。

2、工作人员位于操作平台23上将断通靶的连接导线通过承载架4捋出并连接至设备，检测设备工作状态，待检查无误，试验弹由发射管12发射入水并成功侵彻各层拦截。

3、拦截布系统5的首层拦截布底端设置有配重钢板57，使其保证竖直状态，避免试验弹入水冲击过程冲击波传递改变流场环境导致发生轻微移动，使试验弹3与其夹角为α，保证试验弹撞击首层芳纶纤维能够成功侵彻，并将试验弹成功导引至拦截系统。

拦截布系统5的拦截布8受试验弹3撞击而向中间皱缩，并且每层拦截布间距0.1m空隙，为拦截布8受冲击、侵彻后提供变形空间，借助于水阻力对试验弹进行降速，且分布多层芳纶纤维布得益于有利于使试验弹层层减速，在拦截成功的同时保证内部数据采集仪的安全，得到有效的试验数据。同时借助于超空泡头型试验弹3自身的型线优势，在冲击拦截布后，截面积会随侵彻距离的加深而逐渐增大最后达到稳定，芳纶纤维布具有极强的韧性，对穿过的试验弹3还会通过摩擦的方式进行减速。通过穿透和摩擦接触第一拦截51的芳纶纤维阵列，试验弹3的动能会得到部分损耗，在对第二拦截52和橡胶板系统6进行侵彻时，由第一拦截51、第二拦截52和橡胶板系统6共同对试验弹进行拦截以达到对试验弹3的拦截和捕获。拦截布系统5和橡胶板系统6均通过悬吊的方式与承载架4吊装，在试验弹3侵彻冲击的过程中受到冲击力向后移动和转动，借助于水阻力完成对试验弹的卸力。

4、在试验完成后通过提升第一电葫芦461和第二电葫芦462将拦截布系统5和拦截板系统6吊起，移动承载架4至操作平台，将试验弹3取出，回收数据，通过断通靶所测速度衰减数据转换与数据采集仪的载荷数据进行对比分析，得到各拦截系统对试验弹的有效拦截数据。

5、下一组试验开始前，提起拦截布系统5，更换断通靶至新的侵彻点，检查设备可行性，准备下一组试验。通过移动承载架4位置以及第一吊绳465第二吊绳466的长度控制侵彻点，相适应的拉放拦截布侧拉绳54和橡胶板侧拉绳66长度，防止试验弹对同一位置重复侵彻，保证拦截系统的可重复使用，也根据新侵彻点，对断通靶的位置进行重新规划限定，实现拦截系统的重复使用性，节约试验成本。

本发明通过承载架4吊装多种拦截方式进行拦截，保证了大尺度跨介质试验水池2入水试验的可行性，最大程度上保障试验过程中试验弹3和跨介质试验水池2的安全性，同时采用柔性材料拦截缓冲以及借助水阻力对试验弹3进行层层减速，避免由于一次性拦截对试验设备的损坏，保证了数据采集设备中数据的可回收，以及保障试验弹3的可重复使用。同时采用断通靶对速度的测量，通过速度衰减数据转换与数据采集仪的载荷数据进行结合，得到各拦截系统对试验弹的有效拦截数据，为更大尺度、更快速度的入水试验拦截提供参考。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。