CN115009481A - 一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构及方法，属于航行器高速入水过程中的缓冲技术领域；该结构包括缓冲组件、降载组件和抗弯外壳，所述抗弯外壳包裹于航行器外，其头部前端设置有缓冲组件、降载组件；通过所述缓冲组件减小航行器在空中飞行时的阻力，降低撞水瞬间的冲击载荷；通过所述降载组件生成入水超空泡包裹整体结构，实现航行器入水过程中整体结构与水的流固隔离；通过所述抗弯外壳将航行器整体包裹，以减小航行器受到的弯矩作用。本发明通过缓冲材料、降载杆和抗弯外壳的共同作用，最终实现航行器入水速度100m/s以上时降载效果的综合提升，实现航行器高速安全入水的目标。

Description

一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构及方法

技术领域

本发明属于航行器高速入水过程中的缓冲技术领域，具体涉及一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构及方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，海洋的利用与开发必将成为世界的主流，我国是海洋大国，壮大海洋经济、加强海洋资源环境保护、维护海洋权益事关国家安全和长远发展。水下航行器在维护海洋权益的过程中起到了至关重要的作用，而采用传统发射方式的水下航行器存在易被侦测、易被拦截和投送距离过短等缺点，因此人们将研究对象转向了采用飞机空投或火箭助飞等发射方式的新型水下航行器。与传统水下航行器相比，采用空投或火箭助飞的新型水下航行器具有一系列优点。首先，相比传统的舰船及潜艇发射管发射方式，空投或火箭助飞可实现远程发射，保证发射隐蔽性及发射平台的位置安全。其次，远程投送的方式提升了布放半径，增大了航行器的使用范围。最后，空中高速飞行及高速入水阶段使得航行器具备快速突防能力，可提高自身生存空间。

在新型水下航行器的投放过程中，最终都将经历高速入水阶段。航行器在撞水和侵水的过程中将承受巨大的冲击载荷作用，根据Wagner经典理论，航行器入水所受冲击载荷与入水速度平方成正比，高速入水时的速度因素将使航行器所受冲击载荷相对低速入水提高数十倍，在考虑到新型航行器大幅提升的质量、尺度及头部线型等其它影响因素后，冲击载荷将急剧增加，同时对于弯矩的影响也将不能忽略。在巨大的冲击载荷作用下，航行器将会产生结构动态响应，引起壳体结构弹塑性变形，甚至在载荷及弯矩的综合作用下发生屈曲、破损甚至折断，对航行器内部的机载设备而言也是一道考验。此外，冲击载荷或对航行器的运动轨迹产生影响，导致航行器入水过程中出现忽扑、跳水和弹道失控等问题。因此，降低航行器高速入水过程中所受到的冲击载荷及弯矩是非常有必要的。

现有技术公开了一种缓冲帽。该缓冲帽主要由整流罩壳、吸能器件及连接器件组成。罩壳使得航行器在空中飞行时具有良好的气动头型，降低航行器在空中飞行时的阻力。吸能器件在入水时能够隔离冲击，降低航行器所受的冲击载荷。连接件利用自身的变形来提供摩擦力，保证缓冲头帽能够与航行器连接在一起。该装置对于低速入水的航行器而言，能够起到一定的降载效果，但是在入水速度高于100m/s时，吸能器件的吸能缓冲效果有限，在其失效后，航行器仍将承受巨大的冲击载荷。

现有技术公开的降载杆结构由降载杆、定位件及连接件组成，通过降载杆在高速入水时产生的空泡包裹住航行器，进而减小航行器入水沾湿面积，减小航行器入水时所承受的载荷。但是该装置与航行器之间为刚性连接，巨大的冲击载荷将会直接作用到航行器上，且该装置没有考虑到航行器的抗弯需求，因此该种结构仍存在一定的局限性。总之，现有的航行器高速入水缓冲降载装置难以满足速度高于100m/s时的降载需求，也没有考虑到弯矩对于航行器的影响。

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，本发明提供一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构及方法，该结构包括内部的降载杆结构、包裹在外部的缓冲头帽结构和将航行器整体包裹的抗弯外壳，通过缓冲头帽罩壳的尖拱导流外形减小航行器在空中飞行时的阻力，增大航行器的航程；通过在罩壳内侧开槽诱发罩壳撞水过程中的应力集中现象，增加罩壳的破碎效率；通过缓冲头帽内部缓冲材料的变形、破碎吸收撞水瞬间巨大的冲击能量，降低撞水瞬间的冲击载荷；通过对缓冲头帽内部的缓冲材料进行分层处理，并对每一层采用不同的材料来实现缓冲材料的梯度化布置，提升降载效果，最终实现应力的动态控制；通过将每一层缓冲材料的两瓣沿切面扣合的方式实现缓冲材料对降载杆的包裹安装；通过胶水实现缓冲材料各部分之间的粘接；通过缓冲材料破碎后露出的降载杆生成入水超空泡，包裹整体结构，实现入水过程中整体结构与水的流固隔离，进一步减小整体结构所受到的冲击载荷；通过抗弯外壳将航行器整体包裹来减小航行器受到的弯矩作用；通过爆炸螺栓实现入水后抗弯外壳前后段的分离，使得航行器能够与降载结构在水中分离。本发明缓冲包裹式组合降载结构可显著提升航行器入水速度高于100m/s时的降载性能并增强航行器的抗弯性能，实现航行器高速安全入水的目标。

本发明的技术方案是：一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，包括缓冲组件、降载组件和抗弯外壳，所述抗弯外壳包裹于航行器外，其头部前端设置有缓冲组件、降载组件；

通过所述缓冲组件减小航行器在空中飞行时的阻力，降低撞水瞬间的冲击载荷；

通过所述降载组件生成入水超空泡包裹整体结构，实现航行器入水过程中整体结构与水的流固隔离；

通过所述抗弯外壳将航行器整体包裹，以减小航行器受到的弯矩作用。

本发明的进一步技术方案是：所述缓冲组件包括罩壳、多层缓冲材料和罩壳连接件；所述罩壳为一端开口的尖拱型壳体结构，其开口端通过沿周向设置的罩壳连接件同轴安装于抗弯外壳的头部前端；所述多层缓冲材料填充于罩壳内，用于吸收撞水瞬间的冲击能量。

本发明的进一步技术方案是：所述罩壳为不饱和聚酯树脂复合材料，其内表面沿周向开有多个轴向槽，开槽结构使其受到水的冲击作用后破碎。

本发明的进一步技术方案是：所述多层缓冲材料是与罩壳内型面一致的尖拱型，沿轴向分为多层，每层均为轴对称分体结构，材料为聚氨酯泡沫、多孔材料、蜂窝材料或复合材料。

本发明的进一步技术方案是：所述罩壳连接件为带弧度的铝合金薄片，变形后卡在罩壳和抗弯外壳之间，通过预紧力将罩壳固定在抗弯外壳前端。

本发明的进一步技术方案是：所述降载组件包括降载杆和降载杆底座；所述降载杆的前端为空化器，后端通过降载杆底座同轴固定于抗弯外壳头部外端面。

本发明的进一步技术方案是：所述降载杆底座为开有中心螺纹孔的圆盘结构，通过沿周向设置的螺钉固定于抗弯外壳头部外端面；

所述降载杆的后端开有外螺纹，通过螺纹同轴安装于降载杆底座的螺纹孔内。

本发明的进一步技术方案是：所述降载杆的中段外周面设置有两个豁口，用于工装定位。

本发明的进一步技术方案是：所述抗弯外壳包括抗弯外壳前段、抗弯外壳后段、航行器定位橡胶和航行器固定弹簧钢片；所述抗弯外壳前段和抗弯外壳后段通过沿周向设置的多个爆炸螺栓固定连接，并通过橡胶圈密封，入水后触发爆炸，使得抗弯外壳前、后段分离；

所述定位橡胶位于抗弯外壳前端内壁与航行器头部之间，多个航行器固定弹簧钢片沿周向设置于航行器中段的外周面与抗弯外壳内壁之间，实现对航行器的定位和固定。

一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构的设计方法，基于降载杆前端空化器的直径和降载杆长度直接影响着降载杆受到的冲击载荷和入水超空泡的尺寸，而入水超空泡尺寸又通过影响水对结构的冲击面积而间接影响冲击载荷大小，因此对降载杆、多层缓冲材料的限定如下：

所述多层缓冲材料位于降载杆前端的轴向长度为L_Ahead

其中，L₂为尖拱型多层缓冲材料后端的圆柱段轴向长度，R_W为尖拱型多层缓冲材料后端的圆柱段半径，R为尖拱型多层缓冲材料前端的圆弧锥段的曲线半径，L_C为空化器轴向长度；L₁为降载杆直线圆柱段长度；

所述降载杆的空化器半径为R_C

当L₂≥L_C+L₁，则R_C＜R_w；

当L₂＜L_C+L₁，则

具体实现过程为：采用空投或火箭助飞的新型航行器装备缓冲包裹式组合降载结构后，因罩壳材料为不饱和聚酯树脂复合材料，具有较好的强度和脆性，罩壳的强度使其在飞行阶段不会破碎，且导流外形可降低飞行时的阻力，在入水阶段，罩壳的脆性和开槽结构使其受到水的冲击作用后破碎。同时，缓冲材料也在水的冲击作用下发生变形、破碎，该过程可吸收入水瞬间较大的冲击能量，避免了入水初期水体的巨大冲击直接作用于抗弯外壳本身，减小了航行器所受到的冲击载荷。当缓冲材料破碎后，露出的降载杆将与水作用，在整体结构的入水速度大幅降低之前生成一个包裹住整体结构的入水超空泡根据Wagner经典理论，物体入水所受冲击载荷与入水速度平方成正比，且根据空化理论，超空泡尺度与速度强相关)，形成暂时的流固隔离，减小水对于整体结构可能的冲击面积，从而进一步降低航行器受到的冲击载荷。航行器与抗弯外壳之间采用了定位橡胶和弹簧钢片的非固定式柔性连接，使得降载杆受到的入水冲击不会直接作用在航行器上。同时在入水过程中抗弯外壳可减轻弯矩对于航行器壳体结构的破坏作用。在入水过程结束之后，抗弯外壳前后段连接处的爆炸螺栓便可触发相应爆炸动作，使抗弯外壳前后段分离，此时航行器便可从中分离出来。

有益效果

本发明的有益效果在于：通过采用减阻外形的罩壳，降低原本平头线形航行器在空中飞行时的阻力；通过将降载杆与抗弯外壳固连，并在航行器头部加装航行器定位橡胶的方式，避免了背景技术中降载杆与航行器刚性连接后冲击载荷直接作用在航行器上的弊端。降载效果提升方面，首先通过缓冲材料的变形破碎，吸收撞水阶段较大的冲击能量，然后通过降载杆生成入水超空泡包裹航行器，减小水对航行器的沾湿和冲击面积，进一步降低航行器入水时的冲击载荷，并使用抗弯外壳提升航行器的抗弯性能，通过缓冲材料、降载杆和抗弯外壳的共同作用，最终实现航行器入水速度100m/s 以上时降载效果的综合提升，实现航行器高速安全入水的目标。

实施例以直径534mm的航行器安装缓冲包裹式组合降载结构以60°入水角、200m/s的速度入水为例，通过与无降载措施、只带缓冲头帽降载方式和只带降载杆降载方式 (背景技术中的结构形式)的仿真数据进行对比，说明缓冲包裹式组合降载结构对于降载效果的提升。航行器参数如下：总长5000mm，直径534mm，壁厚10mm，重1000kg；缓冲头帽参数如下：缓冲材料为密度90kg/m³的聚氨酯泡沫，总长745mm；降载杆参数如下：前端空化器直径200mm，降载杆长390mm；缓冲包裹式组合降载结构参数如下：缓冲件为密度90kg/m³的聚氨酯泡沫，总长745mm，其中位于降载杆之前的部分长245mm，降载杆前端空化器直径200mm，降载杆长390mm，抗弯外壳厚20mm。仿真结果如图8所示。

由加速度对比图8-1可知，使用降载措施后，航行器所受冲击载荷明显降低。其中使用缓冲头帽后加速度一次峰值降低约57％，但是缓冲头帽破碎后加速度曲线继续上升出现二次峰值，且二次峰值略高于一次峰值；使用降载杆后加速度一次峰值降低约49.9％，但后续出现震荡多峰值，为降载杆与航行器头部连接面震荡作用的结果；使用缓冲包裹式组合降载结构后，加速度一次峰值降低约58.9％，与另外两种降载方式对比，加速度峰值时刻被明显推迟，峰值脉宽最大，且后续加速度曲线最平稳。缓冲包裹式组合降载结构对加速度的降载效果优于缓冲头帽和降载杆对比文件2的结构形式)。

由航行器头部中心应力对比图8-2可知，只使用缓冲头帽时虽然应力峰值时刻被推迟，但应力峰值反而略有升高，应力稳定值在铝合金屈服应力275Mpa区间震荡；使用降载杆后，应力峰值和稳定值均下降明显，但是都明显高于铝合金屈服应力275Mpa；使用缓冲包裹式组合降载结构后，应力值稳定，全时间段小于铝合金屈服应力275Mpa。缓冲包裹式组合降载结构对应力的降载效果明显优于缓冲头帽对比文件1的结构形式)和降载杆对(背景技术中的结构形式)。

由重心截面弯矩对比图8-3可知，使用降载措施后因冲击载荷降低，航行器所受弯矩明显下降，但出现多峰值现象，其中只使用缓冲头帽时，弯矩各峰值下降不明显，只使用降载杆时弯矩各峰值逐渐增大，而使用缓冲包裹式组合降载结构后弯矩呈现阶梯下降趋势。缓冲包裹式组合降载结构对弯矩的降载效果明显优于缓冲头帽和降载杆(背景技术中的结构形式)。

由等效塑性应变对比图8-4可知，无降载措施时，最大等效塑性应变为0.47，大于铝合金材料的失效应变0.24，航行器头部产生剧烈形变；只使用缓冲头帽时，最大等效塑性应变增大到0.49，大于铝合金材料的失效应变0.24，航行器头部仍会产生剧烈形变；只使用降载杆时，最大等效塑性应变减小到0.44，大于铝合金材料的失效应变0.24，航行器头部仍会受到降载杆的挤压产生较大形变；而使用缓冲包裹式组合降载结构后，等效塑性应变为0，航行器几乎不会发生形变。缓冲包裹式组合降载结构对结构变形的降载效果明显优于缓冲头帽和降载杆(背景技术中的结构形式)。

综合对比加速度、应力、截面弯矩和塑性应变的结果可证明，缓冲包裹式组合降载结构的综合降载效果明显优于缓冲头帽和降载杆(背景技术中的结构形式)。综上所述，缓冲包裹式组合降载结构可有效降低航行器高速100m/s以上)入水时的冲击载荷、应力和弯矩，可保障航行器的高速安全入水过程。

附图说明

图1是整体结构剖视图；

图2是局部剖视放大图；

图3是缓冲材料分瓣示意图；

图4是罩壳剖面示意图；

图5是降载杆及底座结构示意图；

图6是固定及连接件示意图；

图7是降载杆及缓冲材料尺寸关系图；

图8是加速度、应力、截面弯矩和塑性应变对比图，8-1是加速度对比图，8-2 是航行器头部中心应力对比图，8-3是重心截面弯矩对比图，8-4是等效塑性应变对比图，(a)无降载措施，(b)缓冲头帽，(c)降载杆，(d)缓冲包裹式；

附图标记说明：1—罩壳，2—降载杆，3—降载杆底座，4—抗弯外壳前段，5—抗弯外壳后段，6—航行器定位橡胶，7—航行器，8—航行器固定弹簧钢片，9—罩壳连接件，10—降载杆固定螺钉，11—第一缓冲材料，12—第二缓冲材料，13—第三缓冲材料，14—降载杆螺纹段，15—降载杆底座螺纹孔，16—空化器，17—爆炸螺栓，18 —橡胶圈，19—罩壳开槽，20—豁口。

具体实施方式

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。

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。

图1显示了一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构的整体结构剖视图，图2对缓冲降载部分进行了局部剖视放大，图3显示了缓冲材料的分瓣安装方式，图4 显示了罩壳的开槽结构，图5显示了降载杆和底座的结构，图6显示了对罩壳及航行器起固定作用的固定件及连接件的结构，图7显示了降载杆与缓冲材料之间的尺寸限定关系。

如图所示，本实施例一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，它包括了外部缓冲头帽结构、内部降载杆结构和抗弯外壳结构。

外部缓冲头帽结构包括罩壳1、罩壳连接件9和多层缓冲材料以三层为例，分别为第一缓冲材料11、第二缓冲材料12和第三缓冲组件13。各层缓冲材料分别沿纵对称面分为左右两瓣，以便于将降载杆2包裹安装。各层缓冲材料的左右两瓣、各层缓冲材料之间及罩壳1与各层缓冲材料之间分别通过粘合剂进行固连。外部缓冲头帽结构通过8个罩壳连接件9的变形提供预紧力与抗弯外壳4依靠摩擦力进行固定。罩壳内开表面进行了开槽处理，罩壳开槽19可增加罩壳的破碎效率。

内部降载杆结构包括了降载杆2、降载杆底座3和降载杆固定螺钉10。降载杆2 与降载杆底座3通过降载杆螺纹段14和降载杆底座螺纹孔15进行固连。降载杆底座 3通过6颗降载杆固定螺钉10固定于抗弯外壳4前端面。

抗弯外壳结构包括了抗弯外壳前段4、抗弯外壳后段5、航行器定位橡胶6、航行器固定弹簧钢片8、爆炸螺栓17和橡胶圈18。抗弯外壳前段4和抗弯外壳后段5通过 6颗爆炸螺栓17固连，通过橡胶圈18进行密封。航行器7通过航行器定位橡胶6和4 个航行器固定弹簧钢片8实现抗弯外壳内的定位和固定。

降载杆的尺寸与入水冲击载荷及入水超空泡尺寸密切相关。根据《超空泡航行体流体动力学》中的理论，空化物体阻力F₀(入水时为空化器前端面所受冲击载荷)由公式1给出，空泡纵平面形状(横截面半径R(x))由公式2给出。

式中，C_x为迎流阻力系数；

S₀为空化器端面面积，与空化器直径R_C的关系为

ρ为水的密度；

V_∞为来流速度，此处为航行器高速入水的速度。

式中，x为沿轴对称空化物体对称轴线的坐标,x为0时为空化器前端面中心点；

x_m为空泡最大截面的x坐标；

R_n为空泡脱体截面半径，此处为空化器半径R_C；

R_m为最大横截面空泡半径；

R₁为两段曲线连接点x₁处的空泡半径，R₁＝R(x₁)≈1.92R_n；

η为实验测定参数，常取值0.85。

由公式1和2可知，降载杆前端空化器的直径和降载杆长度直接影响着降载杆受到的冲击载荷和入水超空泡的尺寸，而入水超空泡尺寸又通过影响水对结构的冲击面积而间接影响冲击载荷大小(若空泡在外壳身段闭合，则结构整体将承受额外的冲击载荷)，因此需合理设计降载杆的尺寸。考虑到本文的降载杆包裹于缓冲头帽内，缓冲材料破碎后才能露出降载杆，则降载杆露出后受到的冲击载荷及入水空泡形态可由公式1和2得到。但是在设计降载杆和缓冲材料尺寸时，包裹的方式在结构上对于尺寸有了额外的限制，因此对降载杆尺寸及缓冲材料尺寸等进行了如下限定。

图7展示了降载杆及缓冲材料的结构和尺寸关系。如图所示，降载杆根部之前的缓冲材料整体外轮廓为尖拱体外形，总长为L_B；前面是曲线半径为R的圆弧锥段(圆弧角α)，长度为L₃；后面为半径R_w的直线圆柱段(抗弯外壳外圆半径，为定值)，长度为L₂；定义降载杆头部的空化器前端面之前的缓冲材料长度为L_Ahead。降载杆总长L_降；R_C为空化器半径；L_C为空化器厚度；L₁为降载杆直线圆柱段长度。R_Δ为空化器前端面所在截面缓冲件半径，L₄和L₅为图中红色三角形辅助计算的长度。

考虑缓冲材料发挥的降载作用，航行器高速入水角多为大角度(60°-90°)，此时位于空化器前端面之前的缓冲材料起主要吸能作用，则该部分缓冲材料长度L_Ahead由式3给出：

L_Ahead＝L_B-L_降 (3)

又因为L_B和L_降分别存在式4和式5的关系，则得到式6：

L_B＝L₂+L₃ (4)

L_降＝L_C+L₁ (5)

L_Ahead＝L₂+L₃-L_C-L₁ (6)

又因为L₃存在式7的关系，则得到式8：

其中R_w为定值，则当降载杆的长度L_B由公式2确定后，L_Ahead将由R和L₂决定。

对于空化器半径R_C的限定存在如图7所示的两种情况，第一种情况为降载杆位于缓冲材料圆柱直线段内，即：

L₂≥L_C+L₁ (9)

此时对于R_C没有额外的限定，只需R_C＜R_w(这是必然的，若空化器半径大于等于抗弯外壳半径，将失去降载效果)。

第二种情况为空化器位于缓冲材料圆弧锥段内，即：

L₂＜L_C+L₁ (10)

此时R_C需要满足式11(降载杆包裹于缓冲材料内)：

R_C＜R_Δ (11)

R_Δ为红色三角形的长直角边的一部分，则根据三角形边长公式可得式12：

移项化简可得式13：

又因为L₄和L₅分别存在式14和式15的关系，则代入式13可得到式16：

L₄＝R-R_w (14)

L₅＝L₃-L_Ahead＝L₃-(L₂+L₃-L_C-L₁)＝L_C+L₁-L₂ (15)

将式16代入式11即可得到第二种情况下R_C的限定条件：

式17中R_w为定值，则当降载杆的长度L_B由公式2确定后，R_C将由R和L₂决定。

当L₂为某一定值时，L_Ahead(式8)和R_C(式17)将由R唯一决定。

下面结合附图说明本发明的安装及使用过程。

安装时，首先完成航行器7与抗弯外壳的固连。先将航行器7装入抗弯外壳后段 5，并在两者缝隙中插入4片航行器固定弹簧钢片8。再将橡胶圈18装入抗弯外壳前段4的密封槽中，将航行器定位橡胶6装入抗弯外壳前段4后对接抗弯外壳前段4和抗弯外壳后段5。对接完成后用6颗爆炸螺栓17将抗弯外壳前段4和抗弯外壳后段5 固连。

然后将降载杆结构安装到抗弯外壳上。先使用6颗沿周向均布的降载杆固定螺钉10将降载杆底座3固定在抗弯外壳4前端面，再用扳手夹住降载杆2上的豁口20将降载杆螺纹段14旋进降载杆底座螺纹孔15。

最后将缓冲头帽结构安装到降载杆2外部。先将缓冲材料一11的左右两瓣分别涂上粘合剂后包裹安装于降载杆2外，其余各层缓冲材料安装方式相同，注意在各层缓冲材料接触面涂抹粘合剂以保证各层缓冲材料粘接固连。再将各层缓冲材料外表面涂抹粘合剂后，将罩壳1套在缓冲材料外，并在罩壳1后端8个沿周向均布的开槽处依次插入8个罩壳连接件9，利用罩壳连接件9的变形提供预紧力，实现外部缓冲头帽结构与抗弯外壳之间的非固定式连接。至此，安装完毕。

需要采用空投或火箭助飞方式布放水下航行器7时，使用缓冲包裹式组合降载结构，在高速入水阶段，首先通过外部缓冲头帽结构的变形破碎，吸收撞水瞬间较高的冲击能量，降低部分冲击载荷；然后露出降载杆2，通过降载杆前端的空化器16生成入水超空泡，在整体速度降低前减少水的冲击范围，进一步降低冲击载荷；同时通过抗弯外壳提升航行器7的抗弯矩性能，最终综合提升降载效果。当入水阶段结束，整体结构处于全沾湿状态后，爆炸螺栓17便可触发相应爆炸动作，使抗弯外壳前段4 和抗弯外壳后段5的连接处破坏，使前、后两段不再固连，此时航行器7便可发动螺旋桨推进器将从抗弯外壳中钻出。

针对不同的航行器7、入水速度和入水角度，可能存在不同的降载需求，只需改变缓冲材料的尺寸、种类和降载杆2的尺寸，即可满足不同的工况需求。缓冲包裹式组合降载结构具备吸能、隔冲及抗弯等多种降载能力，可靠性较高，可显著提升航行器7 高速100m/s以上入水时的降载能力，为航行器7高速安全入水提供了可行的方案，在该领域具有十分重要的意义。

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。

Claims (10)

1.一种航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：包括缓冲组件、降载组件和抗弯外壳，所述抗弯外壳包裹于航行器外，其头部前端设置有缓冲组件、降载组件；

通过所述缓冲组件减小航行器在空中飞行时的阻力，降低撞水瞬间的冲击载荷；

通过所述降载组件生成入水超空泡包裹整体结构，实现航行器入水过程中整体结构与水的流固隔离；

通过所述抗弯外壳将航行器整体包裹，以减小航行器受到的弯矩作用。

2.根据权利要求1所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述缓冲组件包括罩壳、多层缓冲材料和罩壳连接件；所述罩壳为一端开口的尖拱型壳体结构，其开口端通过沿周向设置的罩壳连接件同轴安装于抗弯外壳的头部前端；所述多层缓冲材料填充于罩壳内，用于吸收撞水瞬间的冲击能量。

3.根据权利要求2所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述罩壳为不饱和聚酯树脂复合材料，其内表面沿周向开有多个轴向槽，开槽结构使其受到水的冲击作用后破碎。

4.根据权利要求2所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述多层缓冲材料是与罩壳内型面一致的尖拱型，沿轴向分为多层，每层均为轴对称分体结构，材料为聚氨酯泡沫、多孔材料、蜂窝材料或复合材料。

5.根据权利要求2所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述罩壳连接件为带弧度的铝合金薄片，变形后卡在罩壳和抗弯外壳之间，通过预紧力将罩壳固定在抗弯外壳前端。

6.根据权利要求1-4任一项所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述降载组件包括降载杆和降载杆底座；所述降载杆的前端为空化器，后端通过降载杆底座同轴固定于抗弯外壳头部外端面。

7.根据权利要求6所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述降载杆底座为开有中心螺纹孔的圆盘结构，通过沿周向设置的螺钉固定于抗弯外壳头部外端面；

所述降载杆的后端开有外螺纹，通过螺纹同轴安装于降载杆底座的螺纹孔内。

8.根据权利要求6所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述降载杆的中段外周面设置有两个豁口，用于工装定位。

9.根据权利要求1所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构，其特征在于：所述抗弯外壳包括抗弯外壳前段、抗弯外壳后段、航行器定位橡胶和航行器固定弹簧钢片；所述抗弯外壳前段和抗弯外壳后段通过沿周向设置的多个爆炸螺栓固定连接，并通过橡胶圈密封，入水后触发爆炸，使得抗弯外壳前、后段分离；

所述定位橡胶位于抗弯外壳前端内壁与航行器头部之间，多个航行器固定弹簧钢片沿周向设置于航行器中段的外周面与抗弯外壳内壁之间，实现对航行器的定位和固定。

10.一种权利要求6所述航行器高速入水缓冲包裹式组合降载结构的设计方法，其特征在于：基于降载杆前端空化器的直径和降载杆长度直接影响着降载杆受到的冲击载荷和入水超空泡的尺寸，而入水超空泡尺寸又通过影响水对结构的冲击面积而间接影响冲击载荷大小，因此对降载杆、多层缓冲材料的限定如下：

所述多层缓冲材料位于降载杆前端的轴向长度为L_Ahead

其中，L₂为尖拱型多层缓冲材料后端的圆柱段轴向长度，R_W为尖拱型多层缓冲材料后端的圆柱段半径，R为尖拱型多层缓冲材料前端的圆弧锥段的曲线半径，L_C为空化器轴向长度；L₁为降载杆直线圆柱段长度；

所述降载杆的空化器半径为R_C

当L₂≥L_C+L₁，则R_C＜R_w；

当L₂＜L_C+L₁，则

Images