（91550部隊41分隊 大連 116023）

1 引言

某類飛行器由發(fā)射平臺在水下采用垂直發(fā)射的方式，在研制階段需進(jìn)行一定數(shù)量的彈射試驗，以用于該類飛行器水下發(fā)射條件適應(yīng)性研究和水下發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)的考核和驗證［1～2］。如果設(shè)計一種可以回收該類飛行器的回收系統(tǒng)，不僅可節(jié)約大量研制經(jīng)費，還可縮短研制周期。

2 回收系統(tǒng)方案構(gòu)想

回收系統(tǒng)設(shè)計的核心是飛行器在發(fā)射前回收系統(tǒng)的回收網(wǎng)處于收攏狀態(tài)，讓開飛行器出水通道，對飛行器出水姿態(tài)的驗證無影響［3］。當(dāng)飛行器出水通過回收系統(tǒng)后，回收網(wǎng)快速打開，保證飛行器回收。通過多層回收網(wǎng)，在飛行器下落時逐步降速，降低其減速載荷。

回收系統(tǒng)主要由浮力平臺（含浮箱和桁架）、檢測系統(tǒng)、回收裝置、移動收緊裝置、錨泊定位系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)想三維效果圖如圖1所示。回收系統(tǒng)由錨泊定位系統(tǒng)固定在發(fā)射平臺上方，當(dāng)檢測系統(tǒng)探測到飛行器出水，其尾部運動到上層回收網(wǎng)上方后，會為移動收緊裝置提供觸發(fā)信號；移動收緊裝置使三層回收網(wǎng)同時在設(shè)定的時間內(nèi)快速移動到位，從而確?；厥站W(wǎng)順利回收飛行器?；厥站W(wǎng)通過高強度復(fù)合纖維網(wǎng)來吸收飛行器下落過程時的動能和重力勢能，保證飛行器的順利回收。

3 系統(tǒng)組成、功能及原理

3.1 浮力平臺

3.1.1 組成

浮力平臺由浮箱結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)組成。浮箱布置在四個角，浮箱之間通過桁架連接。桁架結(jié)構(gòu)布置在浮箱結(jié)構(gòu)上層甲板，高度方向上桁架結(jié)構(gòu)分為三層。

3.1.2 功能

浮力平臺主要功能：作為支撐平臺用來布置回收裝置、定位系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、移動收緊裝置。

圖1 回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)想圖

3.2 檢測系統(tǒng)

3.2.1 組成

檢測系統(tǒng)主要由實時監(jiān)控系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成。每層回收裝置設(shè)置1套實時監(jiān)控系統(tǒng)和2套圖像采集系統(tǒng)。

3.2.2 功能

檢測系統(tǒng)主要功能：探測飛行器出水后的運動，為回收裝置提供觸發(fā)信號；實時拍攝回收裝置的運動和受力狀態(tài)，為回收過程的分析提供依據(jù)；拍攝飛行器出水飛行實況。

3.2.3 原理

實時監(jiān)控系統(tǒng)采用連續(xù)激光器作為光源［4］，以高靈敏度信號采集器為接收器件。采集器接收到的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，傳遞給高速多路信號處理器進(jìn)行處理。當(dāng)目標(biāo)沒有出現(xiàn)的時候，采集器始終接收到光源信號。當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)的時候，采集器信號被阻斷。

圖像采集系統(tǒng)采用LED光源（主動照明）與高速攝像機為主要器件，高速高清攝像機以500FPS及以上的幀頻時刻拍圖，通過對圖像的實時存儲，保證后期的處理和回放。視天氣情況，若需要主動照明，采用大功率大發(fā)散角的LED光源。

3.3 回收裝置

3.3.1 組成

回收裝置主要由上、中、下三層回收網(wǎng)、彈性裝置等組成，每層回收網(wǎng)上都設(shè)置彈性裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.3.2 功能

回收裝置通過高強度復(fù)合纖維網(wǎng)來吸收飛行器下落過程時的動能和重力勢能，從而保證飛行器的順利回收。回收網(wǎng)的功能：飛行器下落后，為飛行器降速提供承載，實現(xiàn)飛行器回收。彈性裝置的功能：一邊與回收網(wǎng)連接，一邊與支桁架連接，通過彈性變形降低飛行器下降過程負(fù)載。

圖2 彈性裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.3 原理

系統(tǒng)準(zhǔn)備時，三層回收網(wǎng)均呈收緊狀態(tài)，留出一定的空間，便于飛行器出水。飛行器發(fā)射時，檢測系統(tǒng)工作，探測飛行器尾部飛出上層網(wǎng)后，為回收裝置提供觸發(fā)信號，驅(qū)動機構(gòu)將回收裝置移動到位并進(jìn)行固定。

上層回收網(wǎng)的功能是負(fù)責(zé)實現(xiàn)飛行器的減速，使其由最大速度逐步減小，將飛行器最大的動能和勢能轉(zhuǎn)化為彈性勢能儲存在回收網(wǎng)中；中層回收網(wǎng)的功能是負(fù)責(zé)實現(xiàn)飛行器的完全接收，使其經(jīng)過上層網(wǎng)減速后飛行器剩余的動能和勢能全部轉(zhuǎn)化為彈性勢能儲存在中層網(wǎng)中；下層網(wǎng)的功能是作為最后一套屏障，防止當(dāng)上層、中層網(wǎng)均失效的意外情況下，下層網(wǎng)仍然能夠?qū)︼w行器實現(xiàn)微損回收，保證發(fā)射試驗的可靠性。

3.4 移動收緊裝置

3.4.1 組成

移動收緊裝置主要包括：特制高速氣缸［5］、高壓氣源系統(tǒng)、高壓氣動控制閥、控制操作裝置以及配套附件等組成。

3.4.2 功能

移動收緊裝置采用特殊的動力裝置為回收裝置提供動力，使回收裝置在設(shè)定的時間內(nèi)快速移動到位，從而確?；厥昭b置順利回收飛行器。當(dāng)上層回收裝置在飛行器勢能的作用下快接近中層回收裝置時，反向運動，避免飛行器在回收裝置上反彈。移動收緊裝置安裝位置可調(diào)，從而實現(xiàn)不同的運動行程。

3.4.3 原理

其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。高速氣缸作為動力源提供動力，通過動滑輪組牽引鋼絲繩運動，鋼絲繩通過定滑輪組、張緊輪、換向輪對滑車進(jìn)行牽引，滑車通過彈簧機構(gòu)牽引回收網(wǎng)，實現(xiàn)整張回收網(wǎng)在水平方向的牽引運動。假定氣缸的速度為v，動滑輪組整體速度為v，通過動滑輪定理可知，作用于鋼絲繩的速度為4v，則張緊輪以及換向輪的速度為4v，實現(xiàn)了行程放大的功能?；囃ㄟ^彈簧機構(gòu)拉動整張網(wǎng)迅速拉網(wǎng)，在運動到行程邊界時觸發(fā)行程開關(guān)，鎖死機構(gòu)將其鎖死。

圖3 移動收緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 錨泊定位系統(tǒng)

3.5.1 組成

錨泊定位系統(tǒng)主要由錨泊系統(tǒng)和定位測量系統(tǒng)組成。其中錨泊系統(tǒng)由吸力錨系統(tǒng)、錨泊鉸車、平臺監(jiān)測系統(tǒng)等組成；定位測量系統(tǒng)主要由發(fā)射基陣（安裝于發(fā)射平臺）、發(fā)射控制裝置、接收基陣、水聲信號處理裝置、同步時鐘（銣原子鐘）、聲速深度測量裝置等組成［6～7］。

3.5.2 功能

錨泊系統(tǒng)：由4個斜向吸力錨將回收系統(tǒng)固定在發(fā)射平臺上方。

定位系統(tǒng)：在飛行器發(fā)射前，為回收平臺提供精確的定位信息，使回收平臺中心與海底發(fā)射平臺的發(fā)射筒中心對準(zhǔn)，確保飛行器準(zhǔn)確從回收平臺發(fā)射窗口處出水；將測量的位置信息通過信息接口自動傳送給回收平臺錨泊控制裝置。

3.5.3 原理

1）錨泊系統(tǒng)原理

吸力錨由本體、吊桿、吊鉤、泵閥貫入系統(tǒng)、吸力錨安裝檢測系統(tǒng)、水下解脫裝置等組成，同時配置布錨絞車、吊裝裝置、浮筒、示位標(biāo)等配套設(shè)施。吸力錨的本體是一種大型圓柱薄壁鋼制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其底端敞開、上端封閉并設(shè)有抽/注水口，依靠本體內(nèi)形成負(fù)壓將錨壓入泥沙中或使吸力錨本體內(nèi)形成正壓將錨拔出泥沙。具有定位精確、方便施工、可重復(fù)利用等特點［8～9］。

圖4 吸力錨結(jié)構(gòu)示意圖

2）定位系統(tǒng)原理

采用水聲超短基線的原理［10］，保證回收平臺與發(fā)射平臺的中心對準(zhǔn)，其原理圖如圖5所示。在水下發(fā)射平臺中心布置1個發(fā)射基陣，在回收平臺四角分別布置4個接收基陣。發(fā)射基陣發(fā)射LFM聲脈沖，4個接收基陣分別接收聲脈沖信號。由于聲脈沖上調(diào)制了時統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間，通過比較接收水聽器的接收時刻與發(fā)射換能器的發(fā)射時刻，即可計算出接收與發(fā)射時間差，進(jìn)而利用海水中的聲速計算出接收水聽器與發(fā)射換能器之間的距離。通過4個接收水聽器與發(fā)射換能器的空間矢量距離，即可計算出回收平臺中心與發(fā)射換能器之間的位置差，為回收平臺的位置調(diào)整提供依據(jù)，保證回收平臺與發(fā)射平臺的中心對準(zhǔn)。聲速深度測量裝置用于測量試驗海區(qū)的聲速剖面分布，提高距離測量的精度。

圖5 定位系統(tǒng)原理圖

4 方案可行性論證

4.1 回收系統(tǒng)穩(wěn)性論證

經(jīng)計算分析回收系統(tǒng)在9級突風(fēng)作用下橫傾角為0.391°。

在水面6級海況下，回收系統(tǒng)可能正好位于波峰與波谷中，由于其被錨鏈系住，因此兩端落差為3m，橫傾角度為φ＝arc tg（3/40）＝4.3°，其穩(wěn)性滿足艦船相關(guān)穩(wěn)性要求［11］。

4.2 回收網(wǎng)相關(guān)論證

4.2.1 回收網(wǎng)尺寸論證

為保證飛行器的著落點在回收裝置的絕對控制范圍內(nèi)，針對飛行器的發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終設(shè)計方案為回收網(wǎng)的主尺寸，保證飛行器的落點分布均在足夠的安全區(qū)域內(nèi)。

估算模型不考慮飛行器出水后的角速度等參數(shù)，僅按照質(zhì)點運動進(jìn)行分析。參照其坐標(biāo)系的定義方法，x為艏艉向，y為高度，向上為正，z為舷側(cè)向，按照坐標(biāo)系的右手法則，若定義艏向為x正方向，則右舷為z正向。對該類飛行器以往發(fā)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，回收網(wǎng)尺寸是合理的。

4.2.2 回收網(wǎng)強度論證

回收網(wǎng)采用48-9000芳綸帶［12］，寬度48mm，斷裂強力9t。將5根48-9000芳綸帶疊加形成一根網(wǎng)帶的方案，其斷裂強力可達(dá)45t，由于網(wǎng)帶相鄰間距為200mm，則四個方向上各有10根網(wǎng)帶，設(shè)每根網(wǎng)帶均勻受力，經(jīng)過估算，每根網(wǎng)帶受力約為23t，由于每根網(wǎng)帶斷裂強力為45t（5根疊加），則安全系數(shù)為：45/23=1.96。針對飛行器在不同姿態(tài)時的高頻著落點和關(guān)鍵危險區(qū)域，布置能夠吸收動能的柔性緩沖吸能墊，該材料分子間可以流動，以便其對飛行器圓周著落部分形成一種密切的裹附，防止飛行器的尖銳部分發(fā)生剪切，造成無損回收的無法實現(xiàn)。

4.2.3 回收網(wǎng)展開時間論證

經(jīng)對該類飛行器以往試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出飛行器出水后穿越上層網(wǎng)至回落至上層網(wǎng)時間差，考慮到移動收緊裝置啟動、扣緊等時間，得出移動收緊裝置收緊時間。移動收緊裝置需要提供足夠的功率滿足載荷的驅(qū)動，同時需要有極快的響應(yīng)速度。經(jīng)計算分析，采用工作介質(zhì)為高壓氣體，工作壓力為10MPa；運動速度 ≥15m/s的高速氣缸，其響應(yīng)特性和功率滿足要求。

4.3 桁架高度論證

分析桁架的高度布置時需重點考慮以下幾個方面：

1）桁架的高度過大，受力大，將使水平面方向上桁架的剪切力較大，這不利于桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計；

2）回收系統(tǒng)總體保持較高的穩(wěn)定性，在浮箱和桁架不變的條件下，回收系統(tǒng)的布置高度越高，其穩(wěn)定性越差；

3）飛行器出水后的高度要求及回收系統(tǒng)快速鋪設(shè)裝置的時間要求，其布置高度越低，就能為快速鋪設(shè)裝置提供更多的收緊時間；

4）飛行器與上層回收網(wǎng)接觸后垂直方向上的加速度不能過大，提供的上層回收網(wǎng)與中層回收網(wǎng)之間的間距越大，向上的加速度越小。

綜合上述條件考慮，經(jīng)分析計算，設(shè)置上層回收網(wǎng)的布置高度為10m，中層網(wǎng)布置高度為4m，下層網(wǎng)布置高度為2m。

4.4 上層回收網(wǎng)不反彈原理

回收網(wǎng)展開到位后滑車鎖定，當(dāng)回收網(wǎng)在飛行器的沖擊下向下拉伸，鎖定剪切銷達(dá)到最大剪切力時，鎖定裝置完全解鎖，滑車機構(gòu)處于沿軌道自由運動狀態(tài)，回收網(wǎng)可以自由收縮，以實現(xiàn)飛行器在上層網(wǎng)的不反彈。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的回收系統(tǒng)用于某類飛行器在水下發(fā)射平臺進(jìn)行彈射試驗時的無損或微損回收。如果回收系統(tǒng)在該類飛行器研制試驗中得到應(yīng)用，不僅可節(jié)約大量的研制經(jīng)費，還可縮短研制周期。本文對回收系統(tǒng)的研究僅從原理和可行性方面進(jìn)行論證分析，進(jìn)入工程設(shè)計階段后需通過大量的計算和仿真分析得出回收系統(tǒng)的具體尺寸和建設(shè)方案。