CN111547213B - 一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置及防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置及防护方法，属于舰艇防护领域。解决了气泡载荷作用在舰艇上会对舰艇造成损伤的问题。它包括气体压缩机、输气管道和气舱，所述气体压缩机通过输气管道与气舱连通，所述气舱上设有喷气孔，所述气舱通过喷气孔与舰艇外侧连通，所述气舱包括气舱内壁和气舱外壁，所述气舱内壁与气舱外壁相连，所述气舱外壁上开设有喷气孔，通过喷气孔将气体输送至舰艇外，所述气舱还包括多个隔板，所述隔板两端分别与气舱内壁和气舱外壁相连，多个隔板将气舱分割成若干个气腔，每个所述气腔对应位置的气舱外壁上均开设有喷气孔，所述气体压缩机通过输气管道与若干个气腔均分别相连。它主要用于舰艇的防护。

Description

一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置及防护方法

技术领域

本发明属于舰艇防护领域，特别是涉及一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置及防护方法。

背景技术

水下爆炸是舰船生命力的主要威胁之一，水下爆炸的毁伤能力主要来自于爆炸冲击波和爆炸气泡。鱼雷水雷等水下武器在舰艇附近爆炸后，首先产生爆炸冲击波，对舰船结构造成损伤。随后爆炸产生的高温高压气体产物形成剧烈脉动的气泡。根据众所周知的脉动气泡特性，气泡在舰艇结构附近坍塌时将产生高速水射流，对结构造成冲击毁伤，此为射流载荷。同时气泡本身坍塌时向结构的方向移动，在结构附近达到最小体积并重新膨胀，重新膨胀的瞬间产生压力波，对舰艇结构再次造成毁伤，此为气泡坍塌压力波载荷。气泡射流载荷和气泡坍塌压力波载荷作用于舰艇上如图2、4和6所示，气泡载荷是水中武器打击舰艇的重要方式之一，也是舰艇抗爆抗冲击设计的重要内容。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置及防护方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置，它包括气体压缩机、输气管道和气舱，所述气体压缩机通过输气管道与气舱连通，所述气舱上设有喷气孔，所述气舱通过喷气孔与舰艇外侧连通。

更进一步的，所述气舱包括气舱内壁和气舱外壁，所述气舱内壁与气舱外壁相连，所述气舱外壁上开设有喷气孔，通过喷气孔将气体输送至舰艇外。

更进一步的，所述气舱还包括多个隔板，所述隔板两端分别与气舱内壁和气舱外壁相连，多个隔板将气舱分割成若干个气腔。

更进一步的，每个所述气腔对应位置的气舱外壁上均开设有喷气孔。

更进一步的，所述气体压缩机通过输气管道与若干个气腔均分别相连。

更进一步的，所述喷气孔与触发装置相连，通过触发装置控制喷气孔的开合。

更进一步的，所述触发装置的触发方式为压力控制触发或主动控制触发。

本发明还提供了一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法，舰艇正常作业时，采用气体压缩机对气舱进行充气，使气舱内储备有压缩气体，当舰艇遭受水下爆炸时，触发装置接收到信号，使靠近爆源位置的喷气孔打开，气舱内的压缩气体通过喷气孔喷出，喷出的气体通过以下四种方式中的一种或多种与水下爆炸气泡相互作用，对舰艇进行防护：

方式一：当水下爆炸气泡位置正对喷气孔时，通过喷气孔喷出的气体与爆炸气泡连通，进入爆炸气泡内部，造成气体向外侧流动，使爆炸气泡无法形成射流，从而避免气泡射流载荷对舰艇的冲击，同时，进入爆炸气泡的气体将降低气泡与周围流场之间的压力差，使气泡坍塌的剧烈程度减弱，从而削弱坍塌压力波载荷；

方式二：当水下爆炸气泡位置偏离喷气孔时，通过喷气孔喷出的气体在爆炸气泡附近形成一个或多个新的气泡，新生成的气泡与爆炸气泡相互作用，使水下爆炸气泡产生的射流方向不再指向舰艇表面，从而避免气泡射流载荷对舰艇的冲击，同时，新生成的气泡不断膨胀，挤压水下爆炸气泡，使新生成的气泡与爆炸气泡融合，新生成的气泡进入爆炸气泡后，使爆炸气泡的气体与周围流场之间的压力差降低，使气泡坍塌的剧烈程度减弱，从而削弱坍塌压力波载荷，或通过新生成的气泡本身阻挡爆炸气泡坍塌压力波载荷作用于舰艇结构；

方式三：当水下爆炸爆源接触舰艇表面爆炸时，喷气孔开启，压缩气体由气舱内向外喷射，使爆炸气泡的坍塌过程无法形成指向舰艇表面的射流，同时，压缩气体涌出直接与爆炸气泡融为一体，使爆炸气泡内外压力迅速平衡，不再产生坍塌运动，从而削弱气泡坍塌压力波载荷；

方式四：通过控制喷气孔使气舱内压缩气体在水下爆炸发生前喷出，利用喷出的气体抵挡水下爆炸冲击波。

更进一步的，所述气舱内压缩气体的压力大于等于一个大气压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了气泡载荷作用在舰艇上会对舰艇造成损伤的问题。当水下爆炸发生时，喷气孔打开，喷出气体，干扰水下爆炸气泡的运动，使水下爆炸气泡坍塌时产生的射流、冲击波等载荷无法正常作用于舰艇结构之上，达到保护舰艇结构及其设备的功效。通过压缩气体消除水下爆炸气泡运动引起的载荷，可用于水面、水下舰艇结构的防护。

附图说明

图1为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置结构示意图；

图2为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法方式一情况下未使用防护装置时水下爆炸气泡射流载荷和压力波载荷作用于舰艇示意图；

图3为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法方式一情况下使用防护装置时爆炸气泡变化图；

图4为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法方式二情况下未使用防护装置时水下爆炸气泡射流载荷和压力波载荷作用于舰艇示意图；

图5为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法方式二情况下使用防护装置时爆炸气泡变化图；

图6为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法方式三情况下未使用防护装置时水下爆炸气泡射流载荷和压力波载荷作用于舰艇示意图；

图7为本发明所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法方式三情况下使用防护装置时爆炸气泡变化图。

1-气体压缩机，2-输气管道，3-气舱，4-喷气孔，5-气舱内壁，6-气舱外壁，7-气腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1说明本实施方式，一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置，它包括气体压缩机1、输气管道2和气舱3，所述气体压缩机1通过输气管道2与气舱3连通，所述气舱3上设有喷气孔4，所述气舱3通过喷气孔4与舰艇外侧连通。

本实施例所述气舱3包括气舱内壁5和气舱外壁6，所述气舱内壁5与气舱外壁6相连，所述气舱外壁6上开设有喷气孔4，通过喷气孔4将气体输送至舰艇外，所述气舱3还包括多个隔板，所述隔板两端分别与气舱内壁5和气舱外壁6相连，多个隔板将气舱3分割成若干个气腔7，每个所述气腔7对应位置的气舱外壁6上均开设有喷气孔4，所述气体压缩机1通过输气管道2与若干个气腔7均分别相连，所述喷气孔4与触发装置相连，通过触发装置控制喷气孔4的开合，所述触发装置的触发方式为压力控制触发或主动控制触发。

气泡载荷与气泡的运动、变形过程紧密相关，通过对气泡的运动、变形过程加以及时、有效的干扰，可以减弱甚至避免气泡载荷。本装置可以安装于水面舰船弦侧或潜艇壳体外侧，气体压缩机1将压缩空气输送至气舱3内的各个内腔7中，每个内腔7处的气舱外壁6上均开设有喷气孔4，当水下爆炸发生时，喷气孔4打开，喷出气体，干扰水下爆炸气泡的运动，使水下爆炸气泡坍塌时产生的射流和冲击波等载荷无法正常作用于舰艇结构之上，达到保护舰艇结构及其设备的功效。

对于爆炸产生的多种载荷，包括爆炸冲击波、气泡坍塌、压力波、气泡射流冲击等，气舱3中的压缩气体可以起到卸载和削弱的作用。对于具有穿甲作用的水中武器，例如能够在爆炸时产生高温金属射流的战斗部，高压气舱3也具有保护船体的作用。也就是说本防护装置的存在可以起到被动保护的功能。对于气泡坍塌压力波等压力波载荷，气舱内的气体无论是否喷出，都可以对其形成卸载、散射的作用，从而保护舰艇本身。

参见图2-7说明本实施方式，一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护方法，舰艇正常作业时，采用气体压缩机1对气舱3进行充气，使气舱3各个气腔7内均储备有压缩气体，当舰艇遭受水下爆炸时，触发装置接收到信号，使靠近爆源位置的喷气孔4打开，气舱3内的压缩气体通过喷气孔4喷出，喷出的气体通过以下四种方式中的一种或多种与水下爆炸气泡相互作用，对舰艇进行防护：

方式一：如图2和3所示，当爆炸距离较近，水下爆炸气泡位置正对喷气孔4或偏离喷气孔4不远时，根据爆炸气泡的特性可知，如果不采用防护装置，如图2所示，那么气泡距离舰艇表面较远的一侧将形成一股指向舰艇表面的高速水射流，对舰艇造成冲击，随后，气泡坍塌产生压力波，压力波对舰艇结构造成进一步毁伤。如果采用防护装置，如图3所示，那么气舱3喷出的气体将与爆炸气泡连通，进入爆炸气泡内部，造成气体向外侧流动，爆炸气泡的后续运动与常规情况相比将发生显著变化，使爆炸气泡无法形成常规情况下的射流，从而避免气泡射流载荷对舰艇的冲击，同时，由于气泡坍塌以及坍塌压力波是由于内外压力差导致的，从气舱3进入爆炸气泡的气体将降低气泡与周围流场之间的压力差，从而使气泡坍塌的剧烈程度减弱，削弱了坍塌压力波载荷。

方式二：如图4和5所示，当水下爆炸气泡与喷气孔4距离较远，或者并非正对喷气孔4且偏离较多时，喷气孔4开启后，喷出的气体不能直接与爆炸气泡联通并进入气泡内部，但在爆炸气泡附近形成一个或多个新的气泡，并与水下爆炸气泡发生相互作用，新的气泡的数量取决于触发的喷气孔4数量。如图4所示，根据爆炸气泡的动力学特性，在水气交界附近，气泡在坍塌时将形成远离交界面的射流，因此水下爆炸气泡产生的射流方向将指向远离喷射气体所形成的气泡的方向，使水下爆炸气泡产生的射流方向不再指向舰艇表面，从而避免气泡射流载荷对舰艇的冲击。

同时，对于气泡坍塌压力波载荷而言，气舱3喷射的气体新生成的气泡不断膨胀，，挤压水下爆炸气泡，二者可能局部联通，特别是在爆炸气泡开始收缩后，容易将新气泡气体吸入体内，使新生成的气泡与爆炸气泡融合，新生成的气泡进入爆炸气泡后，使爆炸气泡的气体与周围流场之间的压力差降低，使气泡坍塌的剧烈程度减弱，从而削弱坍塌压力波载荷，此原理与方式一情况类似，即使新气泡没有与爆炸气泡联通，新气泡本身也将阻挡爆炸气泡坍塌压力波载荷作用于舰艇结构，从而起到防护作用。

方式三：如图6和7所示，当水下爆炸爆源距离舰艇壁面距离非常小，甚至接触舰艇表面爆炸时，喷气孔4开启，压缩气体涌出，或者在接触爆炸中，爆炸冲击波的强烈毁伤作用将高压气舱外壁破坏，高压气体涌出，直接与气泡融为一体，由于压缩气体由气舱3内向外喷射，使爆炸气泡的坍塌过程无法形成指向舰艇表面的射流，同时，压缩气体涌出直接与爆炸气泡融为一体，气舱3内气体大量进入气泡，使爆炸气泡内外压力迅速平衡，不再产生坍塌运动，从而极大的削弱气泡坍塌压力波载荷。

方式四：通过控制喷气孔4使气舱3内压缩气体在水下爆炸发生前喷出，利用喷出的气体抵挡水下爆炸冲击波，起到防御作用。

喷气孔4的触发可以有多种方法，优选为以下三种：

第一种方法，由水下爆炸气泡膨胀引起的压力触发。爆炸气泡膨胀过程中将引起周围水体的滞后流载荷，对船体施加压力作用。可通过传感器等侦测该压力，并指挥压力较高处附近的喷气孔4打开。通过调整喷出气体的时机，使喷气时爆炸气泡恰好处于膨胀末期或坍塌阶段，内部压力低，易将外来气体吸入。

第二种方法，由水下爆炸冲击波触发。其余与上述方法同理。

第三种方法，主动触发。由舰载监测装置及计算机判断水下爆炸的发生时机和位置，从而打开附近的喷气孔4。这种方式利于通过智能化的方式，对打开喷气孔4的数量和位置进行优化，更好地防御爆炸以及气泡载荷。

气舱3内一般选择充入压缩气体，气舱3内压缩气体的压力大于等于1个大气压，优选的，气压根据需求可在1至100个大气压之间调节。气压最低为1个大气压时也可以起到保护作用，在这种情况下，喷气孔4打开后气体不会主动喷出，但是在水下爆炸气泡坍塌阶段，由于气泡周围的流体向气泡中心具有收缩的趋势，气舱3内气体会被吸出，进而通过上述方式达到削弱水下爆炸气泡载荷的作用。

以上对本发明所提供的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷的防护装置及防护方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，所述防护装置包括气体压缩机(1)、输气管道(2)和气舱(3)，所述气体压缩机(1)通过输气管道(2)与气舱(3)连通，所述气舱(3)上设有喷气孔(4)，所述气舱(3)通过喷气孔(4)与舰艇外侧连通，其特征在于：所述防护方法为：舰艇正常作业时，采用气体压缩机(1)对气舱(3)进行充气，使气舱(3)内储备有压缩气体，当舰艇遭受水下爆炸时，触发装置接收到信号，使靠近爆源位置的喷气孔(4)打开，气舱(3)内的压缩气体通过喷气孔(4)喷出，喷出的气体通过以下四种方式中的一种或多种与水下爆炸气泡相互作用，对舰艇进行防护：

方式一：当水下爆炸气泡位置正对喷气孔(4)时，通过喷气孔(4)喷出的气体与爆炸气泡连通，进入爆炸气泡内部，造成气体向外侧流动，使爆炸气泡无法形成射流，从而避免气泡射流载荷对舰艇的冲击，同时，进入爆炸气泡的气体将降低气泡与周围流场之间的压力差，使气泡坍塌的剧烈程度减弱，从而削弱坍塌压力波载荷；

方式二：当水下爆炸气泡位置偏离喷气孔(4)时，通过喷气孔(4)喷出的气体在爆炸气泡附近形成一个或多个新的气泡，新生成的气泡与爆炸气泡相互作用，使水下爆炸气泡产生的射流方向不再指向舰艇表面，从而避免气泡射流载荷对舰艇的冲击，同时，新生成的气泡不断膨胀，挤压水下爆炸气泡，使新生成的气泡与爆炸气泡融合，新生成的气泡进入爆炸气泡后，使爆炸气泡的气体与周围流场之间的压力差降低，使气泡坍塌的剧烈程度减弱，从而削弱坍塌压力波载荷，或通过新生成的气泡本身阻挡爆炸气泡坍塌压力波载荷作用于舰艇结构；

方式三：当水下爆炸爆源接触舰艇表面爆炸时，喷气孔(4)开启，压缩气体由气舱(3)内向外喷射，使爆炸气泡的坍塌过程无法形成指向舰艇表面的射流，同时，压缩气体涌出直接与爆炸气泡融为一体，使爆炸气泡内外压力迅速平衡，不再产生坍塌运动，从而削弱气泡坍塌压力波载荷；

方式四：通过控制喷气孔(4)使气舱(3)内压缩气体在水下爆炸发生前喷出，利用喷出的气体抵挡水下爆炸冲击波。

2.根据权利要求1所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：所述气舱(3)包括气舱内壁(5)和气舱外壁(6)，所述气舱内壁(5)与气舱外壁(6)相连，所述气舱外壁(6)上开设有喷气孔(4)，通过喷气孔(4)将气体输送至舰艇外。

3.根据权利要求2所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：所述气舱(3)还包括多个隔板，所述隔板两端分别与气舱内壁(5)和气舱外壁(6)相连，多个隔板将气舱(3)分割成若干个气腔(7)。

4.根据权利要求3所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：每个所述气腔(7)对应位置的气舱外壁(6)上均开设有喷气孔(4)。

5.根据权利要求4所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：所述气体压缩机(1)通过输气管道(2)与若干个气腔(7)均分别相连。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：所述喷气孔(4)与触发装置相连，通过触发装置控制喷气孔(4)的开合。

7.根据权利要求6所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：所述触发装置的触发方式为压力控制触发或主动控制触发。

8.根据权利要求1所述的一种舰艇抗水下爆炸气泡载荷防护装置的防护方法，其特征在于：所述气舱(3)内压缩气体的压力大于等于一个大气压。

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