水下试验筒盖爆破航行体表面压力特性研究

【基础理论与应用研究】

水下试验筒盖爆破航行体表面压力特性研究

陈柯勋， 张刚，李芮

(中国运载火箭技术研究院 北京强度环境研究所， 北京100076)

摘要：水下武器发射试验时通常采用筒盖与发射筒密封，弹射试验时先将筒盖爆破，延时一段时间后动力装置点火，弹体出筒；通过筒盖爆破地面模拟试验得出了不同筒盖爆破方式对水动压力获取的影响，得到压力峰值和压力振荡产生的机理，给出了最佳的筒盖爆破方式和时序延时方法。

关键词：水下武器；水动压力；水下测量系统

作者简介：陈柯勋(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事动态信号测试技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.034

中图分类号：TJ760.1

文章编号：1006-0707(2015)06-0135-03

本文引用格式：陈柯勋， 张刚，李芮.水下试验筒盖爆破航行体表面压力特性研究[J].四川兵工学报，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

水下兵器或潜射导弹水下发射试验时都会面临发射筒的水下密封问题，工程上通常采用筒盖与发射筒密封，试验时先将筒盖爆破，延时一段时间后燃气动力装置点火，弹体出筒。筒盖爆破技术是水下发射必须解决的关键技术，合理的筒盖爆破方式和爆膜延时方法对水动压力和弹体姿态的获取都具有重要的意义[1，3]。通过水下发射试验对筒盖爆破技术进行考核，将导致试验成本巨大、试验周期很长。本文提出一种筒盖爆破地面模拟试验方法，通过地面模拟试验对不同筒盖爆破方式下真实水动压力获取的影响进行研究，并对试验典型压力数据进行分析，得到压力峰值和压力振荡产生的机理，提出最佳的筒盖爆破方式和时序延时方法。

1筒盖爆破地面模拟试验方法

筒盖爆破地面模拟试验系统示意图如图1所示。试验系统主要包括水下航行体、水下航行体测量系统、模拟筒箱、控制系统、地面测量系统、摄影摄像系统、试验水池及吊车等。

试验准备阶段，在试验水池厂房内完成水下航行体技术准备工作并垂直装填至模拟筒箱内。操作人员完成火工品安装、筒盖安装及测试电缆连接等技术准备工作。水下航行体测量系统测试电缆通过筒箱底部接口引出，接口采用水密接插件[2]。

准备工作完成后，利用吊车将筒箱下沉至水池预定位置，下降过程中利用地面均压设备完成筒箱均压。

筒盖爆破试验时，各项工作完成后，试验地面测发控系统发出点火指令，筒盖内部火工品工作，将筒盖炸开，试验过程中，利用水下航行体内部测量系统和地面测量系统对水下航行体表面压力参数、姿态参数及筒内压力参数进行测量和记录，利用摄影摄像对试验物理景象进行记录。

试验结束后吊起筒箱，回收水下航行体，读取试验数据，本次地面模拟试验结束。

图1　地面模拟试验系统示意图

2航行体表面压力测量方法

对于筒盖爆破地面模拟试验，采用一种适合于水下测量的数据记录方法是获取航行体表面压力数据和航行体姿态参数的关键，采用有引线的测试方法不现实，采用无线的方法，价格昂贵、时间、效率和可靠性都不能满足水下测量要求。因此采用固态存储器的方法是解决水下测量的关键，固态存储器放置于航行体内，实时测量航行体表面压力参数，试验结束回收航行体读取数据。

固态存储器作为水下试验测量系统的核心设备，主要由换流电源模块、模拟前端板、数字采集板、监控电路板组成，完成试验压力、过载、角速度及时统信号的采集、编码和存储任务。试验结束后，回收水下航行体，与地面监测计算机配合，完成数据的读取、分析和处理[4]。

系统的总体设计思路：模拟前端板将所有输入的信号经信号调理、滤波等处理，传送给数字采集板[5]；数字采集板接收同采样频率的模拟前端板送来的电压信号，经多路开关选择后，由AD将电压信号转换成数字信号，并记录在存储单元中；试验结束后回收航行体读取数据。系统总体设计框图如图2所示，主要由传感器阵列、电缆网、数据采录装置、读数口组成[6]。

测量系统的工作状态有两种，即在线监控状态和飞行状态。如图2试验前水下航行体与地面监测计算机通过水密脱插连接，地面监测计算机通过发送命令让数据采录装置执行状态监控、采编和启动记录任务[7]；数据采录装置收到记录数据命令时，即进入飞行状态，此时断开和地面监测计算机之间的连接电缆，数据采录装置保持记录，并在达到记录数据命令要求的时间时停止记录。试验后回收航行体并读取数据[8]。

图2　系统总体设计框图

3试验研究方法

地面试验选取几种典型的破膜方式，分析不同的破膜方式对航行体表面压力数据和姿态数据的影响。对不同破膜方式下的典型数据进行分析，得出压力振荡和压力振荡周期产生的原因进行分析。

3.1不同的爆膜方式对水动压力和姿态参数的影响研究

地面试验前确定几种不同的筒盖爆破方式，通过试验验证哪种筒盖爆破方式更加有效。表1为确定的试验状态。

表1　试验状态表

下面选取试验中典型的不同筒盖爆破方式对航行体表面压力数据的影响进行分析。选取不同筒盖爆破方式下的典型数据进行分析，0s时刻为筒盖爆破时刻,不同筒盖爆破方式下压力的典型数据如图3所示。

图3　不同筒盖爆破方式下压力的典型数据

通过对不同的筒盖爆破方式下的典型数据进行分析：编号为3的压力数据较其它筒盖爆破方式的数据要好，其它的筒盖爆破方式对水动压力的影响时间较长且压力峰值较大，在时统零点后的0.2s的时间内的对真实的压力数据影响较大。试验结果表明有机玻璃加切割锁的方式效果最好，在时统零点之后0.06s筒盖爆破的影响已经结束，之后的数据为真实的水动压力数据，在进行水下弹射试验时-0.1s进行筒盖爆破，0s弹射动力装置点火，这样可彻底避免筒盖爆破对真实水动压力获取的影响，不同筒盖爆破方式下航行体弹道典型数据如图4所示。

图4　不同筒盖爆破方式下航行体弹道典型数据

编号为3的弹道数据较其它筒盖爆破状态下的数据要好，0.1s时刻筒盖爆破对轴向过载数据的影响已结束。

3.2压力振荡产生的原因和压力振荡周期分析

下面分析压力振荡产生的原因，选取同样状态的两个筒盖进行试验，试验数据如图5所示。

图5　压力曲线

数据曲线1筒口位置处的体积比数据曲线2的大，-0.1s为筒盖爆破时刻。数据曲线1的压力峰值和振荡时间均比数据曲线2大。

爆膜时压力振荡产生的原因为筒盖爆破产生的气体及爆炸冲击波在水介质和筒口之间形成连续的反射造成。筒口处筒内体积越大，爆膜时振荡周期也越长。

3.3压力振荡周期分析

取两组不同均压状态下的数据进行对比分析，由于均压压力不同，为方便对比分析，将初始的均压压力调成同一压力。图6中虚线的均压压力比实线大。

第一个峰值压力相差1.3kPa，第二个峰值相差2kPa，红色曲线的压力振荡周期长。可得出，相同试验状态下，压力振荡周期与筒内均压压力密切相关，筒内均压压力越高，压力振荡时间越长。

图6　外测筒口压力曲线

4结束语

通过筒盖爆破地面模拟试验得出：有机材料加低冲击导爆索的筒盖爆破方式为目前试验状态下最好的筒盖爆破方式，在此状态下筒盖爆破对内测压力和弹道数据的获取无影响；筒盖爆破产生的压力峰值与筒盖爆破的药量相关，药量越大，爆膜时产生的压力峰值越大；压力振荡产生的原因为筒盖爆破产生的气体及爆炸冲击波在水介质和筒口之间形成连续的反射造成，筒口处筒内体积越大，筒盖爆破时振荡周期也越长。

本文通过筒盖爆破地面模拟试验获取了筒盖爆破对航行体表面压力的影响机理及影响周期，选取合适的爆膜延时时间可彻底避免筒盖爆破对航行体真实水动压力的影响，此项研究对航行体水下试验的成功开展具有重要的参考价值。

参考文献：

[1]王汉平,余文辉,赵恒.潜射导弹筒盖系统弹性缓冲支撑方案研究[J].导弹与航天运载技术,2005(3)：23-29.

[2]曹少珺，孙发鱼．一种基于惯性测量组合的弹箭飞行姿态测试方法[J]．探测与控制学报，2007，29(6)：63-68.

[3]王汉平，吴友生.潜射导弹筒盖系统附加气室降载技术[J].兵工学报，2011(3)：20-25.

[4]张颖，赵生伟，王占江，等.水下爆炸气泡脉动测量及分析[J].工程力学，2011,26(2):67-72.

[5]曹少珺，孙发鱼．一种基于惯性测量组合的弹箭飞行姿态测试方法[J]．探测与控制学报，2007，29(6)：63-68.

[6]朱敏.分布式声源定位系统时统子系统设计[D].西安:西安工业大学，2011.

[7]尼尔森.电路[M].6版.冼立勤,译.北京:电子工业出版社，2008.

[8]HousnerGW,BergmanLA,CaugheyTK.Structuralcontrol:past,present,andfuture[J].JournalofEngineeringMechanics,ASCE,2003,123(9)：897-911.

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