爆炸条件下船舶毁伤测量设备的设计(3)
无线传输方式具有实施简单、易操作等优点,但在具体应用时也应该考虑天线安装方式、通信距离、通信频率等因素的影响。
采用多对数传电台同时传输的方法,通过建立逻辑传输链路将采集计算机和转存计算机在逻辑上纳入一个局域网,采集计算机和转存计算机之间进行通信时通过IP 地址区分数据的信源和信宿,采集计算机到转存计算机的数据按局域网协议通过千兆网络交换机进行交互,应用自动寻址方式实现测量数据的实时传输,解决了海量测量数据转存备份问题。
6 测量系统的应用实例
功能相类似的设备参加过在海上动态目标打靶试验,目标舰艇沉没后成功解脱,将设备打捞回收,获取了毁伤试验数据。
6.1 设备在目标舰艇上的布放
KDR 测量系统的数据记录器、供电单元、无线电台集中放在防护壳体内,防护壳体内填充灌封胶以固定设备及减振。测量系统放在防水密封箱内,防水密封箱安放在目标船露天甲板后端。
6.2 测点布设
试验中在目标船上共布设若干个加速度测点,见图3 所示,主要用于对目标船爆炸冲击环境下毁伤测量和分析。为减少炸点位置附近测点无法获取数据的情况,同时为了在试验中获取整船在鱼雷爆炸毁伤作用下的冲击环境衰减规律,测点采取分散方式布设,测点方向均为垂向。
6.3 试验结果
两组加速度测量结果如图4~5 所示,给出了目标舰艇主甲板中部两路测点的冲击加速度响应值,最大值在200 g 左右,与该目标舰船的仿真计算结果(最大值220 g)进行了比对,数值量级比较接近,数据的获取为冲击环境分布研究提供了支撑。
图3 加速度测点布设示意图
图4 A14 测点测量数据波形图
图5 A16 测点测量数据波形图
7 结 语
对测量装备的设计进行总结,得到一些值得借鉴的内容:
1) 动态打靶由于其不可重复性,对测量设备的安全防护、试验数据的控制传输、测量参数选择、测量设备的打捞回收、数据分析处理等都提出新的更高要求,必须引起重视。
2) 由于爆炸信号的高频、瞬态特征,同时考虑采集的便携性,测量设备须具备抗恶劣环境能力强、可靠性高、信号多样化、高速大容量数据记录、编码及通讯扩展等特点。
3) 根据测量要求对测量设备组成及功能进行分析,设计出测量设备的框架,同时对设备的工作过程及关键技术进行研究。
4) 应用核心采集分系统对海上动态打靶中爆炸冲击加速度参数进行测量,对设备的采集、传输、解脱、打捞回收等功能进行验证,为设备全面研制提供了技术储备。
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0 前 言水中兵器爆炸威力是其毁伤效能的主要指标,直接决定作战效能的判定。根据当前实战化试验鉴定需求,每种新型以及改进装药的水中兵器在研制总要求中明确了对战雷实爆威力的考核和检验,如鱼-xx 鱼雷、特-xx 水雷等。在以往水中兵器鉴定与定型试验中,爆炸威力指标考核受条件所限,导致考核不充分。观察了鱼-xx 鱼雷等爆炸毁伤后的直观效果,但无法定量描述毁伤等级,也无法为后续开展毁伤效能试验提供数据支撑,试验测量技术制约了兵器爆炸威力指标考核的可靠性。近期开展过一些舰艇的抗冲击及实装打靶试验技术研究[1-8],但是还不具备实战化背景下动态打靶的毁伤测量能力,如动态打靶时多参数、多通道数据有效获取,兵器动态打靶时相对于运动目标的瞬时炸点位置参数确定等。研制的毁伤测量装备主要用于实战海洋环境背景条件下鱼雷、水雷及深水炸弹等水中兵器攻击动态目标的爆炸毁伤测量,兼顾水中兵器静态爆炸威力以及舰艇冲击环境与冲击响应测量。1 动态打靶测量特点以鱼雷攻击舰艇目标为例,鱼雷对目标的毁伤一般是通过其在弹道终点处与目标发生的撞击、爆炸等作用,将自身的动能或爆炸能或其产生的作用元(破片、射流等)对目标进行机械的、化学的、热力效应的破坏,使之暂时或永久地局部或全部丧失其正常功能,失去作战能力[9]。鱼雷动态打靶试验中鱼雷处于航行状态,且鱼雷命中靶船的位置不确定,因此对舰船的毁伤效应存在很多不确定因素,这给测量工作带来了诸多困难,主要包括以下几方面:1)测量设备安全防护首先要考虑测量设备的安全问题,鱼雷在水中爆炸毁伤威力大,造成测量设备防护难,必须找到一个相对安全的位置安装测量设备,同时需要对测量设备采取可靠的缓冲措施,确保设备在剧烈的冲击作用下能够可靠工作并有效进行数据采集。2)测量设备采集控制和数据传输动态打靶试验危险区域大,不允许任何船只进入,这对测量设备的控制和数据传输提出了很高要求。鱼雷命中靶船后很有可能造成靶船沉没,因此必须在靶船沉没之前将采集的数据转录出来。3)测点规模控制动态打靶试验的危险性极大,一旦靶船沉没所有测量传感器将全部损失,耗费巨大,因此必须控制测量规模,由于船体结构的复杂性,测点布设难度大,必须考虑如何用最少的测点尽量全面反应靶船的毁伤情况,因此必须对测量传感器的种类和部位进行统筹考虑,合理布置[10]。4)雷目交会位置判定实航打靶试验环节多,风险高,数据获取困难,必须认真考虑每一个环节可能存在的风险点。为了准确分析测量数据,还需要知道爆炸瞬间鱼雷相对靶船的位置,因此必须采取合适的定位测量手段和解算方法对鱼雷进行精确定位。5)试验数据分析处理动态打靶测量信号频带宽、时间短,处理分析复杂,很难通过一种方法全面反映信号的全部特征,必须结合多种处理手段进行分析。2 测量设备适应性要求设备主要完成舰船在海上实爆过程中舰船船体冲击响应信号的采集、传输和分析。试验工况复杂,舰船可能着火、沉没,因此试验系统需着重考虑设备的抗冲击、防水、防火性能,以及设备解脱、回收、数据实时无线传输等功能。设备自身应该具备以下特征:1)抗恶劣环境能力强具有良好的抗高冲击、高过载和强振动等恶劣环境的能力。2)可靠性高采用小型化集成化设计,满足高可靠性要求。进行系统EMC 设计,具有良好的电磁兼容性;接口须采取隔离、过流保护、过压保护等措施,保证设备和对接系统工作的安全性;采用非易失性存储介质,避免数据掉电丢失;使用组合条件触发模式,确保获取有效数据。3)信号多样化采集记录电压、电荷、ICP、桥路、热电阻、热电偶等模拟信号,支持RS232、RS422、RS485、LVDS、1553B、PCM等接口形式的数字信号编码记录[11]。4)高速大容量数据记录能力采用并行存储技术及大容量存储器,实现高采样率、高速码流的数据存储。5)具备编码、通信扩展能力实现多路模拟信号的数据采编以及多路数字信号的解析、 编码,并将编码后的数据通过RS232、RS422、RS485、LVDS、USB、1553B 等通信接口发送给其他接收设备。3 设备组成及功能根据动态打靶测量的特点以及测量设备功能要求,该采集设备包括数据采集记录分系统、无线控制分系统、打捞回收分系统、减振防护分系统、视频监控分系统、数据处理分系统等6 部 数据采集记录分系统数据采集记录分系统用来采集记录各种信号,如加速度、速度、应变等,主要包括数据采集、控制及存储等3 部分,该分系统为整个设备的核心部件,其他分系统围绕数据采集记录分系统进行设计,保障试验测量数据能有效获取。分系统内部进行抗高冲击设计,体积小,重量轻。数据采集记录分系统由采编部分、存储部分和控制部分组成,见图1。图1 数据记录器分系统组成3.2 无线控制分系统可远距离对数据采集记录分系统进行无线控制,如参数设置、开始采集、停止采集、重要试验数据挑点传输等操作。无线控制系统须具备以下5 种特点[12]:1) 安装简单:高增益可移动全向天线,方便架设,施工周期短;2) 机动性强:无需天线方向调校,开机即通,最大化满足应急需求以及保障要求;3) 集成度高:同时实现多路语音传输、视频传输和数据传输;4) 续航能力强:内置大容量锂电池,设备在没有电源的情况下连续工作8~10 h;5) 可靠性高:抗震性强,可在恶劣环境下连续正常工?解脱及打捞回收分系统海上试验时,可将数据采集记录分系统放置在此装置内,天线外置,爆炸时解脱,试验结束后进行设备回收 减振防护分系统海上试验或外场试验时,对采集设备进行减振防护,保证核心采集设备的抗振、防水及防火功能 视频监控分系统视频监控系统用于监控目标或设备工作情况,对重要的舱室、重要设备、关键部位在爆炸作用下的毁伤情况进行监?数据处理分系统用于辅助评估、关键事件提取与处理的软件系统,可实现试验数据加载、数据分析、数据显示等功能。4 设备工作原理数据记录器用来采集记录传感器信号,电池负责对数据记录器和无线设备供电,将数据记录器和电池放置系统防护装置内。系统防护装置安装解脱和回收设备,工作示意图如图2 所示。具体测量系统工作过程:采集记录分系统置于打捞回收分系统内部,通过减振防护分系统安装固定于靶船上;试验时靶船无人操作保持航行状态,使用无线控制分系统操控设备进行参数设置,启动测量设备;战雷发射后追踪攻击靶船,数据采集记录分系统记录靶船冲击响应参数,可根据需求通过无线控制分系统挑点实时传回重要试验数据;如靶船沉没,打捞回收分系统自动解脱,试验结束后回收数据采集记录分系统,完成试验测量工作;在实验室使用数据处理分系统处理测量数据,辅助评估试验结果。图2 系统工作原理示意图5 测量设备关键技术分析为确保数据的有效获取,在现有测量技术上采取两种途径:一种是将试验数据记录在本地存储,试验结束后打捞回收设备,对数据进行分析处理;另一种是试验过程中将试验数据保存在本地的同时,通过无线方式,发送给另外一套存储装置?连续采集技术连续采集方式可以在人员撤离靶船之前启动系统采集或提前通过无线控制方式启动系统采集,这种方式可以保证爆炸信号在系统有效采集时间内,提高了数据采集的可靠 测量设备解脱技术分别设计远程控制爆炸解脱、水激活电池引爆电雷管解脱和机械解脱等3 种解脱方式,3 种方式互相串联、互为备份,只要其中任何一种方式起作用即可实现测量设备与靶船的成功分离,确保了测量设备解脱的可靠性,解决了设备回收?数据无线传输技术在鱼雷攻击靶船时,测量传感器实时采集各种测量参数,并在采集系统内部存储,但是靶船受到攻击后极有可能沉没,而一旦解脱系统解脱失败,测量设备将随靶船一起沉入水中,因此有必要第一时间将采集数据转录出来,这样即使测量设备随靶船沉没也可以确保测量数据安全,将试验损失减小到最低限度。通过无线通信设备将测量数据转存到测量指挥船上,但由于目前国内外的无线通信技术无法实现大数据量的实时传输,普遍采用的无线通信方式有全向天线和定向天线两种。采用全向天线不受两船方位限制,但鱼雷动态打靶试验要求测量指挥船与靶船距离较远,通常要求在12 km 以上,若两端都采用全向天线带宽通常在10 Mbit/s 以下,无法保证大数据量的实时传输。若一端采用全向天线,一端采用定向天线可增加网络带宽,通常能达到20 Mbit/s以上,采集加速度信号,在40 KS/s 采样率情况下可实现8 个通道数据实时传输,如果采样率还可降低则可以传输更多通道数据。无线传输方式具有实施简单、易操作等优点,但在具体应用时也应该考虑天线安装方式、通信距离、通信频率等因素的影响。采用多对数传电台同时传输的方法,通过建立逻辑传输链路将采集计算机和转存计算机在逻辑上纳入一个局域网,采集计算机和转存计算机之间进行通信时通过IP 地址区分数据的信源和信宿,采集计算机到转存计算机的数据按局域网协议通过千兆网络交换机进行交互,应用自动寻址方式实现测量数据的实时传输,解决了海量测量数据转存备份问题。6 测量系统的应用实例功能相类似的设备参加过在海上动态目标打靶试验,目标舰艇沉没后成功解脱,将设备打捞回收,获取了毁伤试验数?设备在目标舰艇上的布放KDR 测量系统的数据记录器、供电单元、无线电台集中放在防护壳体内,防护壳体内填充灌封胶以固定设备及减振。测量系统放在防水密封箱内,防水密封箱安放在目标船露天甲 测点布设试验中在目标船上共布设若干个加速度测点,见图3 所示,主要用于对目标船爆炸冲击环境下毁伤测量和分析。为减少炸点位置附近测点无法获取数据的情况,同时为了在试验中获取整船在鱼雷爆炸毁伤作用下的冲击环境衰减规律,测点采取分散方式布设,测点方向均为垂?试验结果两组加速度测量结果如图4~5 所示,给出了目标舰艇主甲板中部两路测点的冲击加速度响应值,最大值在200 g 左右,与该目标舰船的仿真计算结果(最大值220 g)进行了比对,数值量级比较接近,数据的获取为冲击环境分布研究提供了支撑。图3 加速度测点布设示意图图4 A14 测点测量数据波形图图5 A16 测点测量数据波形图7 结 语对测量装备的设计进行总结,得到一些值得借鉴的内容:1) 动态打靶由于其不可重复性,对测量设备的安全防护、试验数据的控制传输、测量参数选择、测量设备的打捞回收、数据分析处理等都提出新的更高要求,必须引起重视。2) 由于爆炸信号的高频、瞬态特征,同时考虑采集的便携性,测量设备须具备抗恶劣环境能力强、可靠性高、信号多样化、高速大容量数据记录、编码及通讯扩展等特点。3) 根据测量要求对测量设备组成及功能进行分析,设计出测量设备的框架,同时对设备的工作过程及关键技术进行研究。4) 应用核心采集分系统对海上动态打靶中爆炸冲击加速度参数进行测量,对设备的采集、传输、解脱、打捞回收等功能进行验证,为设备全面研制提供了技术储备。参考文献[1]朱锡,张振华,梅志远,等.舰船结构毁伤力学 [M].北京:国防工业出版社,2013.[2]汪玉,华宏星.舰船现代冲击理论及应用[M].北京:科学出版社,2005.[3]呼怡玫.对舰船设备冲击振动试验的分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2002.[4]姚熊亮.船体振动[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2004.[5]姚熊亮.舰船结构振动冲击与噪声[M].北京:国防工业出版社,2007.[6]张永坤,刘文思.近场爆炸作用下水面目标毁伤研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版).2015,39(6):1245-1248.[7]李世铭.船舶水下接近爆炸多层结构毁伤特性研究[D].哈尔滨工程大学,2012.3.[8]牟金磊.水下爆炸载荷及其对舰船结构毁伤研究 [D].武汉:海军工程大学船舶与动力学院,2010.[9]刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用 [D].无锡:中国船舶科学研究中心,2002.[10]宋敬利,李琛,沈晓乐.近场爆炸作用下舰船毁伤测量方法[J].计算机测量与控制,2015,23(11):3690-3692.[11]KDR 飞行数据记录器.互联网文档资源(http://).[12]军转民技术[J].中国军转民,2013(4).[13]焦安龙,宋敬利.鱼雷动态打靶测量关键技术研究[J].船电技术,2016,36(9).
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