CN111392010B - 一种航行器高速入水非对称缓冲头帽 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航行器高速入水非对称缓冲头帽，由外罩壳、缓冲件和连接件组成。罩壳为尖拱体连接圆柱段，尖拱体与航行器之间设有缓冲件，圆柱段与航行器之间设有结合件，在尖拱体的顶端形成相对于轴心的非对称头帽。罩壳使得航行器具有良好气动头型，在空中飞行阶段保证缓冲头帽整体结构的稳定性，入水时不破碎，使航行器在入水及流场中运动时受到流体更小的阻力作用，待航行器达到预定姿态后可以脱离，从而不影响航行器后续运动。缓冲件为回转体，选用硬质聚氨酯泡沫塑料作为制作泡塑缓冲器的材料。连接件采用***螺丝，将头帽紧密固定在航行器上，航行器完全入水后，待其偏离到预定姿态，螺栓***，从而使头帽与航行器发生分离。

Description

一种航行器高速入水非对称缓冲头帽
技术领域
本发明属于航行器入水缓冲装置设计领域，涉及一种航行器高速入水非对称缓冲头帽。
背景技术
水下航行器多为回转体，这种外形使得航行器具有很高的弹道稳定性。当水下航行器通过空投或者火箭助飞等方式进行发射时，入水角一般较大，接近于90°，避免小角度入水时航行器在水面弹跳。然而，水下航行器正常工作时为水平状态，需要通过航行器尾部鳍舵进行弹道控制，所需时间较长，改变航行器头型可以改变入水弹道，但同时会影响航行器的后续运动，因此需要一种高效且可脱离的入水弹道控制装置。同时航行器高速入水时，会受到巨大的冲击载荷，可能会破坏航行器的结构，因此需要一种入水缓冲装置。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航行器高速入水非对称缓冲头帽，既能使航行器入水后快速到达作战姿态，同时可以降低作用在航行器上的冲击载荷，使航行器安全可靠入水。入水后，头帽与航行器脱离，不影响航行器后续运动。
技术方案
一种航行器高速入水非对称缓冲头帽，其特征在于包括罩壳1、缓冲件2和结合件3；罩壳1为尖拱体连接圆柱段，尖拱体与航行器4之间设有缓冲件2，圆柱段与航行器4之间设有结合件3；所述尖拱体为球头段圆弧CC1连接尖拱体段圆弧AB，尖拱体段圆弧AB对称于轴心，圆心为尖拱体段最大直径外延展点P，半径为R1；球头段圆弧CC1为非对称轴心的圆弧，圆心为尖拱体段最大直径上且偏离轴心点P1，半径为R3；球头段圆弧CC1在尖拱体的顶端形成相对于轴心的非对称头帽5；所述缓冲件2与航行器4连接的部位设有与航行器4头部相吻合的圆形凹槽。
所述尖拱体和圆柱段的尺寸满足关系式：
Figure BDA0002439826400000021
Figure BDA0002439826400000022
其中：R1为尖拱体段圆弧AB的半径，R0为圆柱段半径，α为尖拱体的顶端的锥顶角，β为尖拱体段圆弧段AB扫描角，y为尖拱体和圆柱段上的任一截面半径，x为头帽轴向长度；
所述约束条件为：R3＜R1，L0＜R1-R0；L0为圆心为尖拱体段最大直径上且偏离轴心点P1至轴心的距离。
所述结合件3采用***螺丝。
所述罩壳由高强度合金刚锻造加工。
所述缓冲件2材料为聚氨酯泡沫。
有益效果
本发明提出的一种航行器高速入水非对称缓冲头帽，由外罩壳、缓冲件和连接件组成。上述为罩壳的定义方式，罩壳选择刚性材料，在入水过程中不破损，可以持续减阻，并且可以迅速改变航行器的入水弹道。罩壳使得航行器具有良好气动头型，在空中飞行阶段保证缓冲头帽整体结构的稳定性，入水时不破碎，使航行器在入水及流场中运动时受到流体更小的阻力作用，待航行器达到预定姿态后可以脱离，从而不影响航行器后续运动。缓冲件在入水时能够隔离冲击，降低与限制作用在航行器上的入水冲击载荷，缓冲件为回转体，具体形状由罩壳内部空间限制，粘结在罩壳内部前端，选用硬质聚氨酯泡沫塑料作为制作泡塑缓冲器的材料。连接件采用***螺丝，将头帽紧密固定在航行器上，航行器完全入水后，待其偏离到预定姿态，螺栓***，从而使头帽与航行器发生分离。
附图说明
图1是尖拱体罩壳说明图
图2是非对称罩壳说明图，阴影部分为切除部分
图3是非对称缓冲头帽结构图，1-罩壳，2-缓冲件，3-结合件，4-航行器，5-非对称头帽。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示为对称缓冲头帽罩壳外形，直线AA1以下为尖拱体部分，AA1以上为圆柱段部分。尖拱体由AB和BB1两段圆弧组成，且关于中间轴线对称，其中AB段的半径为R1，圆心为点P。BB1为球头段，圆心为点Q，半径为R2，球头段与尖拱体段相切于点B和点B1，h为尖拱体长度，r为球头圆弧半弦长。切除弧面表示为图2中的CC1，CC1为圆弧，对应圆心点为P1，半径为R3，其中圆心点P1位于直线AA1上，与点O1的距离为L0。
通过在对称缓冲头帽的基础上切除一部分来实现的。回转体缓冲头帽为尖拱体-圆柱回转体头型，切除方法为用一个弧面切去尖拱体头型的一部分。
如图1所示，缓冲头帽罩壳由尖拱体段和圆柱段组成，建立如图所示的坐标系，坐标原点为点O，中轴线为x轴，所述半径R1与圆柱段半径R0、锥顶角α和圆弧段扫描角β存在如下关系：
Figure BDA0002439826400000031
头帽轴向长度x和任一截面半径y存在如下关系：
Figure BDA0002439826400000041
因此罩壳线型可由圆弧段半径R1、锥顶角α和圆弧段扫描角β完全定义。
如图2所示，通过切除上述罩壳一部分来生成非对称罩壳，切除弧面表示为图中圆弧CC1，对应圆心点为P1，半径为R3，其中圆心点P1位于直线AA1上，与点O1的距离为L0。所述CC1可由L0和R3完全定义。切除时需满足如下约束条件：
R3＜R1，L0＜R1-R0
针对直径为200mm的平头航行器进行实例说明。
步骤一：罩壳由高强度合金刚锻造加工而成，在不同入水速度和入水角度下，根据航行器最大入水冲击载荷，确定缓冲头帽外罩壳1的强度区间，确定其厚度为5mm，然后根据入水弹道要求确定L0和R3。
步骤二：缓冲件2材料为聚氨酯泡沫，其几何形状由罩壳1内部形状决定，紧贴罩壳内壁，根据缓冲性能要求确定圆柱段长度为150mm。
步骤三：本发明所设计的罩壳壳体总长为400mm，圆柱段长为150mm，壳体厚度为5mm，小球头半径为6.8mm，尖拱体内径为162mm，罩壳与航行器相连接的部位长度约为50mm。具体使用时根据航行器4的几何外形及入水条件确定缓冲头帽具体尺寸。
步骤四：结合件3采用***螺丝，四个螺栓均匀分布在罩壳上，将其与航行器紧密连接在一起。
步骤五：将设计好的缓冲头帽安装在航行器4上并压紧。航行器入水时，冲击载荷首先作用在缓冲装置的外壳上，泡沫受到压缩变形而具有缓冲效果，限制小了传递到航行器上面的载荷，保护航行器入水过程不被破坏，同时非对称头帽使得航行器受到不对称的载荷，从而产生径向加速度，使得弹道偏转，偏转角度由L0和R3决定。

Claims (4)

1.一种航行器高速入水非对称缓冲头帽，其特征在于包括罩壳(1)、缓冲件(2)和结合件(3)；罩壳(1)为尖拱体连接圆柱段，尖拱体与航行器(4)之间设有缓冲件(2)，圆柱段与航行器(4)之间设有结合件(3)；所述尖拱体为球头段圆弧CC1连接尖拱体段圆弧AB，尖拱体段圆弧AB对称于轴心，圆心为尖拱体段最大直径外延展点P，半径为R1；球头段圆弧CC1为非对称轴心的圆弧，圆心为尖拱体段最大直径上且偏离轴心点P1，半径为R3；球头段圆弧CC1在尖拱体的顶端形成相对于轴心的非对称头帽(5)；所述缓冲件(2)与航行器(4)连接的部位设有与航行器(4)头部相吻合的圆形凹槽；
所述尖拱体和圆柱段的尺寸满足关系式：
Figure FDA0003181017710000011
Figure FDA0003181017710000012
其中：R1为尖拱体段圆弧AB的半径，R0为圆柱段半径，α为尖拱体的顶端的锥顶角，β为尖拱体段圆弧段AB扫描角，y为尖拱体和圆柱段上的任一截面半径，x为头帽轴向长度；
约束条件为：R3＜R1，L0＜R1-R0；L0为圆心为尖拱体段最大直径上且偏离轴心点P1至轴心的距离。
2.根据权利要求1所述航行器高速入水非对称缓冲头帽，其特征在于：所述结合件(3)采用***螺丝。
3.根据权利要求1所述航行器高速入水非对称缓冲头帽，其特征在于：所述罩壳由高强度合金刚锻造加工。
4.根据权利要求1所述航行器高速入水非对称缓冲头帽，其特征在于：所述缓冲件(2)材料为聚氨酯泡沫。
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