一种航行器带攻角入水的试验辅助装置

1.本发明属于水动力学实验领域，具体涉及一种航行器带攻角入水的试验辅助装置。


背景技术：

2.航行器入水研究的工程应用极为广泛，且与我们的生活息息相关，从水上飞机和客机在水面上的降落和迫降、船舶与海洋结构波浪砰击、到空投鱼雷和深弹的入水、水中兵器的发射，无一不体现着入水问题研究的现实应用。
3.航行器入水过程是一个瞬态、变化剧烈且复杂的力学过程，这也导致对某些入水现象进行理论分析是相当困难的。同时，数值模拟的计算精度也需要实验进行验证。因此，入水实验是进行入水研究必不可少的重要环节。
4.航行器重心速度矢量v在航行器纵对称面内的投影与航行器轴线之间的夹角即为攻角，航行器低头时攻角为正。在入水方向的科学研究和工程实际应用中，经常涉及到航行器带攻角入水的问题，这是因为航行器在入水瞬间，其重心速度矢量v通常与航行器轴线并不重合，且大多数情况，航行器入水姿态都带攻角。因此需要开展航行器带攻角入水的相关实验研究。但是普通的发射装置只能实现零攻角发射，难以满足航行器带攻角入水实验的要求，因此需要设计一种航行器带攻角入水的辅助装置，适配现有发射架，以满足相关实验需求。
5.现有技术中公开一种攻角弹托，描述了一种平衡炮上用于发射带攻角弹体的前后定心式弹托的设计，该结构由前定心弹托和后定心弹托组成，可以使弹体在装入平衡炮后预置一定的角度，实现了弹体的带攻角发射。其中前、后定心弹托与弹体之间分别通过细牙螺纹连接固定。该发明结构没有对弹托与弹体的分离过程进行细致的描述，只描述了“固定弹托和后定心弹托的内孔孔壁上设置1.5mm螺距细牙螺纹，在整个发射过程中主要起连接作用，当弹体撞击目标靶板后能够顺利实现弹托的分离，减小对弹体的外弹道性能的影响”。考虑到弹体撞击靶板过程属于硬撞击，靶板的材料较硬或抗冲击性能较好，使得弹托破坏与弹体间的螺纹后能够与弹体强制分离。但是对于该方式能“减小弹托对于弹体外弹道性能的影响”表示怀疑。因为弹体带攻角后，弹体速度方向与弹体轴线方向同时也是弹托内孔轴线方向存在夹角，若弹体保持该速度方向，则无法与弹托分离。若强行破坏弹托，则攻角角度必受影响，该发明中弹托材料为超硬铝和超高强钢，则强行破坏弹托的可能性较低。若不强行破坏弹托，则入射速度方向必沿弹托内孔轴线方向，则攻角为0，而入射角变化大小等于攻角大小，则带攻角实验将失败。考虑到弹体撞击靶板的过程为硬撞击，与航行器高速入水情况不同。水是流体，因此无法通过硬碰硬方式将适配器与航行器分离，而该技术中的弹托为中心开孔的圆柱体，无法在不影响弹体攻角的情况下将二者顺利分离。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题：
7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种航行器带攻角入水的试验辅助装置，通过适配器外圆轴线与航行器轴线的夹角产生航行器攻角，通过开口设计避免了航行器与适配器分离过程的干扰，通过拉断螺钉实现适配器发射前的软固定，通过尼龙螺钉保证航行器在发射前与适配器无相对滑动，通过橡胶垫实现发射前的气密，通过撞击片和拦截法兰实现适配器与航行器在发射管口的分离，通过弹簧缓冲撞击力。通过适配器尾部的定位孔避免了发射过程中适配器的旋转。通过大量开槽减轻适配器重量，同时适配器前段与航行器接触部分加厚，避免发射过程中适配器被航行器压溃。在连接杆两端开切口槽，便于安装，同时用开槽长度区分连接杆前后方向。
8.本发明的技术方案是：一种航行器带攻角入水的试验辅助装置，其特征在于：包括拦截装置和适配器，所述拦截装置安装于发射管的出口，适配器设置于发射管内用于搭载航行器；
9.所述拦截装置包括拦截法兰；所述拦截法兰同轴固定于发射管的出口，其端面中部开有通孔，用于穿过发射后的航行器；通孔与发射管出口内壁之间的端面作为适配器的拦截面；
10.所述适配器是径向截面为u形的框架式结构，其外周面是与发射管内壁一致的圆弧面，u形槽开口位于上方，槽内壁作为航行器的支撑面；所述支撑面沿轴向成倾斜设置，使得安装后的航行器轴线与适配器外圆周面的轴线成夹角θ，即为航行器攻角；
11.确定航行器攻角后，将搭载有航行器的适配器安装于发射管内；通过驱动适配器，对航行器进行加速，待适配器运行至发射管出口与拦截装置发生碰撞并减速，航行器因惯性继续前进，带攻角入水。
12.本发明的进一步技术方案是：所述拦截装置还包括弹簧、撞击片、光杆螺栓；两个对称设置于拦截法兰通孔两侧的撞击片，分别通过光杆螺栓安装于拦截法兰的内端面，与适配器前端两侧相对；
13.所述弹簧套装于光杆螺栓位于拦截法兰与撞击片之间的部分，用于撞击片的定位和碰撞过程的缓冲。
14.本发明的进一步技术方案是：所述拦截法兰的通孔由中心处圆孔和上、下端腰孔构成，其中圆孔和上端腰孔构成航行器射出发射管的通道；
15.所述下端腰孔用于释放适配器未与撞击片发生撞击的下端部分，能够减轻撞击力对发射管造成的振动损害。
16.本发明的进一步技术方案是：所述拦截法兰的中心处圆孔直径d1，取值范围为其中d为航行器的外径，d为发射管内径。
17.本发明的进一步技术方案是：根据航行器攻角确定航行器放置于适配器内的倾斜角度、以及选择适当的适配器和发射管；所述攻角θ满足以下条件：
[0018][0019]
[0020]
其中，d为发射管内径，δ1为航行器尾端和发射管内壁之间径向尺寸，δ2为航行器头部和发射管内壁之间径向尺寸，d为航行器的外径，l为航行器的轴向长度。
[0021]
本发明的进一步技术方案是：所述适配器包括沿轴向依次设置的适配器前段、适配器中段、适配器后段，并通过沿周向设置的连接杆连接为一体结构；
[0022]
所述适配器前段、适配器中段、适配器后段均为设置有u形凹槽的支撑板，其槽底面位于同一倾斜圆弧面上，作为航行器的支撑面，圆弧面的轴线与航行器的轴线平行。
[0023]
本发明的进一步技术方案是：所述适配器各部分为尼龙材质，既减轻了整体质量，又在拦截过程中易于破碎，使适配器与航行器易于分离。
[0024]
本发明的进一步技术方案是：所述适配器前段的槽底下端为加厚结构，用于承载航行器的的重力，避免发射过程中适配器被航行器压溃。
[0025]
本发明的进一步技术方案是：所述适配器中段的u型槽两侧通过尼龙螺钉与航行器连接，用于发射前航行器的定位，并保证发射后及时切断将适配器和航行器分离。
[0026]
本发明的进一步技术方案是：所述适配器后段为圆板结构，其后端面通过尾盖板压装有橡胶垫，橡胶垫的外径大于圆板外径，用于保证发射时的气密性；拉断螺钉安装于后端面中部，与发射管尾部连接，用于发射前的位置固定；
[0027]
所述适配器后段的前端面下端外缘处设置有弧形凸起，所述弧形凸起的外周面与发射器内壁贴合放置，用于增加适配器的稳定性；前端面的中上方设置有u型凸起，其内周面作为航行器尾部的u形支撑面。
[0028]
工作过程：当开展航行器带攻角入水实验时，将航行器装入适配器中；在发射时，发射装置对航行器与适配器整体进行加速，并在发射管口通过适配器撞击撞击片，使得适配器与航行器产生速度差继而分离，适配器被拦截在发射管内，航行器带攻角入水。通过适配器u形支撑面与外周面所在轴线的夹角配合，实现了航行器在发射管内的带攻角姿态，航行器与适配器整体在发射管内加速时，速度方向始终为适配器外周面面轴线方向(即发射管轴线方向)，因此航行器轴线与速度方向夹角即为攻角。
[0029]
有益效果
[0030]
本发明的有益效果在于：本发明通过控制适配器外圆轴线与航行器轴线的夹角，并与发射管直径、航行器直径和航行器长度进行适配后，可实现航行器小范围带攻角入水实验的开展。通过适配器上端开口的u形设计，可为航行器与适配器的分离让开空间，并配合适配器拦截装置，在不改变航行器入水姿态的前提下，实现航行器与适配器的管口分离；避免适配器与航行器一起入水后影响入水空泡和载荷的大小。采用本文的u形开口设计和拦截装置可以实现适配器与航行器的顺利分离，并保证航行器带攻角入水过程中攻角的稳定性。
[0031]
通过拉断螺钉和尼龙螺钉，实现了发射前适配器和航行器整体的软固定，避免了重力作用下的下滑现象。通过适配器尾部定位孔和炮尾法兰上长杆的限位作用，大大改善了发射瞬间高压气作用不均匀带来的适配器旋转问题。使用空气炮对适配器和航行器整体加速时，适配器的重量将消耗加速能量，为尽量减小适配器质量对于加速能量的消耗，适配器主体材料使用尼龙，连接杆材料为铝合金，在大大减轻适配器重量的同时，也保证了一定的强度。本发明设计巧妙、安装便捷、成本低、材料轻，可满足航行器小范围带攻角入水实验的开展。
[0032]
航行器带攻角入水时，适配器上端将与航行器在分离过程中产生干涉，因此采用上端开口的u形设计可实现无干涉分离。在发射管抬升入水角时，适配器在重力作用下相对发射管将产生下滑，采用金属丝穿过拉断螺钉并将金属丝固定于发射管尾的方式可实现适配器在发射前的固定。为了便于分离，航行器与适配器只是接触而没有固连，因此在发射前，航行器在重力作用下将相对适配器产生下滑，采用尼龙螺钉可限制航行器相对适配器的滑动位移，在适配器被拦截时，尼龙螺钉将受到剪切力而破坏，此时航行器可与适配器进行分离。橡胶垫的外圆直径大于适配器外圆，可增加发射时的气密性，同时，通过尾盖板及螺钉将橡胶垫压在适配器尾部，可解决适配器尾部因减重而开槽产生的气密问题。
[0033]
通过撞击片、弹簧和拦截法兰的配合，可对适配器进行拦截，并实现航行器与适配器的分离。其中适配器前端面与撞击片撞击，由弹簧缓冲撞击力，光杆螺栓与撞击片一起被适配器推动，最终撞击片与拦截法兰接触，适配器被拦截法兰拦截，航行器与适配器分离后带攻角入水。通过将炮尾法兰的两根长杆插入适配器尾部的两个定位孔中，可限制适配器发射瞬间的横滚旋转。
[0034]
将拦截法兰的通孔设置为中间为圆孔，圆孔上下为腰孔。中间圆孔和上端腰孔合并形成航行器通过的通道，其中中间圆孔直径满足既保证了航行器能顺利通过拦截法兰，又能为拦截法兰阻挡拦截片预留空间。为了减轻拦截过程中适配器对发射架的撞击力(拦截装置固联于发射管上)，在拦截法兰圆孔下端设计了腰孔，使得适配器在被拦截且与撞击片接触的左右两侧破碎后，前段和中段的底部能穿过拦截法兰圆孔下端的腰孔，减轻撞击力对发射架造成的振动损害。
附图说明
[0035]
图1是整体结构示意图；
[0036]
图2是拦截装置安装示意图；
[0037]
图3是拦截装置结构示意图；
[0038]
图4是适配器结构示意图；
[0039]
图5是适配器尾部剖面示意图；
[0040]
图6是攻角角度限定示意图；
[0041]
附图标记说明：1—拦截装置，2—发射管，3—航行器，4—适配器，5—管口法兰，6—拦截法兰，7—弹簧，8—撞击片，9—光杆螺栓，10—限位螺母，11—适配器前段，12—适配器中段，13—适配器后段，14—连接杆前a，15—连接杆前b，16—连接杆后，17—垫片，18—螺母，19—拉断螺钉，20—尼龙螺钉，2——盖板螺钉，22—橡胶垫，23—尾盖板，24—定位孔，25—切口槽，26—端面槽，27—拉断螺钉孔，28—法兰螺栓。
具体实施方式
[0042]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044]
如图1所示，本实施例一种航行器带攻角入水适配器结构，它包括了适配器4及拦截装置1。管口法兰5焊接于发射管2口，拦截法兰6通过6颗法兰螺栓28与管口法兰5固连，使得拦截装置1整体固连于发射管2口处。航行器3放置于适配器4u形凹槽内，航行器3与适配器4整体放置于发射管2末端。
[0045]
如图2、3所示，拦截装置1包括了拦截法兰6、弹簧7、撞击片8、光杆螺栓9及限位螺母10。2个撞击片8水平设置于拦截法兰6的通孔左右两侧，弹簧7位于撞击片8和拦截法兰6之间，每个撞击片8使用3个弹簧7进行缓冲，光杆螺栓9分别穿过撞击片8、弹簧7和拦截法兰6后，用限位螺母10进行固定。其中拦截法兰和撞击片为铝合金材质。
[0046]
如图4、5所示，适配器4包括了适配器前段11、适配器中段12、适配器后段13、连接杆前a14、连接杆前b15、连接杆后16、垫片17、螺母18、拉断螺钉19、尼龙螺钉20、盖板螺钉21、橡胶垫22和尾盖板23。适配器4各段进行了开槽减重处理，适配器前段11支撑航行器3的部分为加厚设计，适配器前段11和适配器中段12通过4根连接杆前a14和1根连接杆前b15连接，适配器中段12和适配器后段13通过4根连接杆后16连接，适配器4各段与各连接杆之间通过垫片17和螺母18固定。在连接杆两端开切口槽，便于安装，同时用开槽长度区分连接杆前后方向。尾盖板23将橡胶垫22压在适配器后段13的后端面上，通过20颗盖板螺钉21将橡胶垫22和尾盖板23固定于适配器后段13上。拉断螺钉19穿过橡胶垫22和尾盖板23中心的圆孔，通过螺纹固连于适配器后段13。2颗尼龙螺钉20通过螺纹固定于航行器3左右两侧的螺纹孔中，尼龙螺钉20冒出航行器3对应螺纹孔的部分搭于适配器中段12的后端面上。
[0047]
如图6所示，航行器攻角尺寸限定由发射管直径和航行器尺寸决定。发射管内径为d，航行器直径为d，长为l。为防止发射过程中航行器与发射管内壁直接接触导致卡膛、攻角变化等不良现象，需在航行器上下各预留空间δ1(建议小于5mm)和δ2(建议大于5mm)。考虑到适配器自身的强度，同时考虑到拦截装置中撞击片的有效拦截面积不能太小，航行器的直径应满足式(1)：
[0048][0049]
由攻角θ最大时的几何关系不难得到：
[0050]
h＝d-δ
1-δ2ꢀꢀ
(2)
[0051]
h＝h-d
·
cosθ
max
ꢀꢀ
(3)
[0052][0053]
由公式(2)-(4)可得到：
[0054][0055]
已知三角函数公式：
[0056]
sin2θ
max
+cos2θ
max
＝1
ꢀꢀ
(6)
[0057]
将公式(6)带入公式(5)可得：
[0058][0059]
将公式(7)两边平方并移项整理可得：
[0060]
0＝(l2+d2)cos2θ
max-2(d-δ
1-δ2)dcosθ
max
+(d-δ
1-δ2)
2-l2ꢀꢀ
(8)
[0061]
公式(8)可以看做以cosθ
max
为变量的一元二次方程，由求根公式可得：
[0062][0063]
则可以得到攻角θ的限定范围如下，其中攻角θ需满足式(11)：
[0064][0065][0066]
在发射管中，航行器带攻角姿态犹如悬臂梁结构，将因重力作用产生低头趋势，在高压气推动时，极易发生低头弯曲使航行器下端与发射管发生接触，产生力的作用而发生卡膛或攻角变化，因此需保证适配器整体超过航行器重心，同时又需为适配器自身强度保留一定径向厚度。则适配器总长l1如式(12)所示：
[0067][0068]
航行器带攻角入水时，适配器上端将与航行器在分离过程中产生干涉，因此采用上端开口的u形设计可实现无干涉分离。在发射管抬升入水角时，适配器在重力作用下相对发射管将产生下滑，采用金属丝穿过拉断螺钉并将金属丝固定于发射管尾的方式可实现适配器在发射前的固定。为了便于分离，航行器与适配器只是接触而没有固连，因此在发射前，航行器在重力作用下将相对适配器产生下滑，采用尼龙螺钉可限制航行器相对适配器的滑动位移，在适配器被拦截时，尼龙螺钉将受到剪切力而破坏，此时航行器可与适配器进行分离。橡胶垫的外圆直径大于适配器外圆，可增加发射时的气密性，同时，通过尾盖板及螺钉将橡胶垫压在适配器尾部，可解决适配器尾部因减重而开槽产生的气密问题。
[0069]
通过撞击片、弹簧和拦截法兰的配合，可对适配器进行拦截，并实现航行器与适配器的分离。其中适配器前端面与撞击片撞击，由弹簧缓冲撞击力，光杆螺栓与撞击片一起被适配器推动，最终撞击片与拦截法兰接触，适配器被拦截法兰拦截，航行器与适配器分离后带攻角入水。通过将炮尾法兰的两根长杆插入适配器尾部的两个定位孔中，可限制适配器发射瞬间的横滚旋转。
[0070]
拦截法兰中间为圆孔，圆孔上下为腰孔。中间圆孔和上端腰孔合并形成航行器通过的通道，其中中间圆孔直径决定了通道的大小，既要保证航行器能顺利通过拦截法兰，又要为拦截法兰阻挡拦截片预留空间，则其直径d1限定如式(13)所示：
[0071][0072]
为防止航行器加速过程中适配器前段的底部受力被压溃，适配器前段底部进行了轴向加厚处理。为了减轻拦截过程中适配器对发射架的撞击力(拦截装置固联于发射管
上)，在拦截法兰圆孔下端设计了腰孔，使得适配器在被拦截且与撞击片接触的左右两侧破碎后，前段和中段的底部能穿过拦截法兰圆孔下端的腰孔，减轻撞击力对发射架造成的振动损害。
[0073]
适配器前、中、后三段由连接杆和螺母进行固联，三段间的轴向距离决定了连接杆的长度。在航行器加速过程中，适配器后段首先受力且为主要受力段，则为了增加连接杆的稳定性，中段与后段间的轴向距离c2应小于前段与中段间的轴向距离c1，两者间的关系如式(14)所示：
[0074][0075]
下面结合附图说明本发明的安装及使用过程。
[0076]
安装时，首先将拦截装置1安装好，将3颗光杆螺栓9穿过撞击片8、弹簧7和拦截法兰6后，分别用限位螺母10固定于拦截法兰6一侧，此时一侧带缓冲的撞击片8安装完成，用同样的方法将另一侧安装完毕，调节限位螺母10的旋合深度，使2片撞击片8处于同一平面，使得两片撞击片8的被撞击过程能同步触发。用6颗法兰螺栓28将拦截法兰6与管口法兰5进行固连，须保证撞击片8位于发射管2内，且两个撞击片8位于发射管2横平面内。
[0077]
然后将适配器4安装好，将橡胶垫22和尾盖板23对准孔位后，置于适配器后段13后端面处，使用20颗盖板螺钉21进行固定。将4根连接杆后16的长螺纹端穿过垫片17、适配器后段13、橡胶垫22和尾盖板23的对应孔位后，用螺母18固定，将4根连接杆后16的短螺纹端穿过垫片17和适配器中段12的对应孔位后，用螺母18固定。将4根连接杆前a14的长螺纹端穿过垫片17和适配器中段12的对应孔位后，用螺母18固定。将连接杆前b15的短螺纹端穿过垫片17和适配器中段12的对应孔位后，用螺母18固定。分别将4根连接杆前a14的短螺纹端和连接杆前b15的长螺纹端穿过垫片17和适配器前段11的对应孔位后，用螺母18固定，注意将适配器前段11上的固定连接杆前a14的4颗螺母18藏于端面槽26内，可确保适配器前段11与撞击片8碰撞时受力较均匀。最后将航行器3放置于适配器4的u形槽内，并将2颗尼龙螺钉20安装与航行器3左右两侧，将拉断螺钉19旋入适配器后段13中心的螺纹孔内，将适配器4与航行器3整体装入发射管2内，将炮尾法兰上的两个金属杆穿过适配器尾部的两个定位孔24内，将金属丝穿过拉断螺钉19尾部的拉断螺钉孔27内后卡在炮尾法兰凹槽内。通过适配器尾部定位孔和炮尾法兰上长杆的限位作用，大大改善了发射瞬间高压气作用不均匀带来的适配器旋转问题。至此，安装完毕。
[0078]
调整发射管2至预定角度后，使用高压气对适配器4和航行器3整体进行加速，待适配器前端面与撞击片8接触后，适配器4被减速，航行器3与适配器4间产生速度差，2颗尼龙螺钉20被适配器中段12剪断，航行器3因惯性继续前进，带攻角入水，适配器4整体被拦截装置1拦于发射管2口。发射过程到此结束，若要开展重复性实验，需要更换撞击片8、弹簧7和光杆螺栓9，并重新组合一套新的适配器4。整个过程可以实现航行器带攻角入水实验的要求，实际检验发现，航行器入水攻角稳定，整体结构简单，安装便捷，造价低廉，所以本发明在现有实验条件的限制下，为航行器带攻角入水实验的开展提供了可行的方案。
[0079]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。