人工降雨方案

1、火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施方案報(bào)告湖北霍洛曼航空設(shè)備工程一、工程背景二、火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施技術(shù)指標(biāo)探討與確認(rèn) 72.1. _現(xiàn)有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)72.2. 天然降雨特性 72.3. 人工模擬降雨裝置主要技術(shù)指標(biāo) 82.4. 高速火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施具體技術(shù)參數(shù)確定 9三、高速火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施方案 103.1. 火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施性能要求 103.2. 火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施系統(tǒng)組成 101) 總供水系統(tǒng)112)管道及噴淋支撐裝置 123) 可移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置 13四、人工模擬降雨系統(tǒng) 143.1 人工模擬降雨裝置參數(shù)的實(shí)現(xiàn) 143.2 人工模擬降雨系統(tǒng)組成 161 )機(jī)架162 )噴頭擺動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 173 )供回

2、水系統(tǒng)174)噴射裝置185) 限制系統(tǒng)196) 人工模擬降雨裝置工作原理 197) 人工模擬降雨裝置噴頭及供水管路的布局和設(shè)計(jì) 208) 系統(tǒng)設(shè)備清單24五、火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè) 255.1 、新型閉環(huán)反應(yīng)逼近限制算法 255.2 、現(xiàn)場(chǎng)傳感器/執(zhí)行器設(shè)置28六、小結(jié)29一、工程背景隨著現(xiàn)代化軍事和武器的開展,越來(lái)越多的現(xiàn)代化武器要求具有高速和全天候的作戰(zhàn)水平.特別是雷達(dá)導(dǎo)彈要求高速和全天候作戰(zhàn)水平更強(qiáng),這樣, 當(dāng)導(dǎo)彈穿過(guò)雨區(qū)飛行時(shí),雨滴的沖擊對(duì)位于導(dǎo)彈頭部的天線罩造成的破壞(即“雨蝕將是一個(gè)不可無(wú)視的問(wèn)題,隨著現(xiàn)代導(dǎo)彈飛行速度的提升,這個(gè)問(wèn)題 將更為突出.當(dāng)飛機(jī)或?qū)椄咚亠w行通

3、過(guò)雨區(qū)時(shí),其天線罩外表受雨滴的撞擊 與侵蝕會(huì)產(chǎn)生損壞,這種現(xiàn)象稱為天線罩的雨蝕.在飛機(jī)或?qū)椀娘w行過(guò)程中,雨蝕對(duì)天線罩性能有兩個(gè)重要的影響：一是 雨蝕會(huì)引起天線罩壁厚局部變薄、外表粗糙,導(dǎo)致天線罩電氣性能下降；二是雨 蝕還會(huì)引起天線罩局部裂紋和溝梢,造成整體結(jié)構(gòu)損失甚至破裂.早期的導(dǎo)彈天線罩都采用氧化鋁陶瓷 ,因這種材料硬度較大,耐雨蝕性能 極好.但隨著導(dǎo)彈速度和雷達(dá)頻率的提升,雨蝕對(duì)天線罩的破壞作用越來(lái)越明 顯,天線罩外表的溫度也明顯升高,常使用的氧化鋁陶瓷和微晶玻璃等天線罩 材料在溫度升高到500C以上時(shí),由于材料的介電特性隨溫度的變化明顯的增 加和不能承受劇烈地?zé)釠_擊.從而使氧化鋁陶瓷和

4、微晶玻璃等天線罩材料在導(dǎo) 彈速度大于3馬赫的情況下,往往不能滿足導(dǎo)彈總體性能的要求.現(xiàn)代導(dǎo)彈天 線罩更多地采用了討熱沖擊性能和介電特性更為優(yōu)越的泥鑄溶石英肉瓷材料. 適用于飛行速度大于35馬赫情況下使用的獨(dú)特的天線罩的材料.在國(guó)外,SCFS材料已在美制愛國(guó)者SaM D導(dǎo)彈和意大利的A:pl ' d.但這種材料 的缺點(diǎn)是不夠致密、抗雨蝕性能差.在導(dǎo)彈飛行速度大于3馬赫時(shí),雨蝕對(duì)天線罩的影響是嚴(yán)重的.所以,開展 對(duì)天線罩抗雨蝕技術(shù)的研究也是天線罩設(shè)計(jì)內(nèi)容的一個(gè)重要方面.天線罩雨蝕試驗(yàn)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù),目前主要采用的方法有以下幾種：a雨蝕防護(hù)模 擬試驗(yàn)裝置.它包括隔離間、旋轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)和模擬

5、雨滴的噴淋機(jī)構(gòu),噴淋機(jī)構(gòu)由 水箱、流量?jī)x表、流量閥和噴淋管通過(guò)管路連接而成,噴淋管安裝在隔離間的 天花板上,旋轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)安裝在隔離間中噴淋管的下方,噴淋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)包括安裝在防護(hù)罩中的伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臂,伺服電機(jī)與旋轉(zhuǎn)臂之間通過(guò)彈性連軸器和傳動(dòng)軸相連,試驗(yàn)件安裝在旋轉(zhuǎn)臂上.通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂高速旋轉(zhuǎn),安裝在臂上的試驗(yàn)件以較高的相對(duì)速度穿越雨滴模擬區(qū),雨量的大小通過(guò)流量閥限制,通過(guò)限制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件穿越雨滴模擬區(qū)相對(duì)速度的調(diào)節(jié). b旋轉(zhuǎn)臂液滴沖蝕試驗(yàn)裝置,通常有一個(gè)人造雨的環(huán)境,其中有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn) 的橫臂,其端部裝有一個(gè)可調(diào)多角度的工裝盤,旋轉(zhuǎn)臂線速度約為900m s-1.最大的旋轉(zhuǎn)臂

6、雨蝕裝置是在美國(guó) Holloman空軍基地,其試驗(yàn)速度可達(dá) 5馬赫1700mn- s-1o這類試驗(yàn)設(shè)備的體積非常龐,速度實(shí)現(xiàn)非常困難；b火箭橇試驗(yàn)：把全尺寸天線罩裝在火箭橇上,點(diǎn)燃火箭,使火箭橇沿導(dǎo)軌高速通過(guò)一 段人工降雨區(qū)來(lái)試驗(yàn)天線罩的受雨破壞情況. 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)不受試件 尺寸的限制.缺點(diǎn)是試驗(yàn)場(chǎng)地較大,技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為困難.火箭試驗(yàn)滑軌是當(dāng)代一種高精度、高速度的大型地面動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)設(shè)施.我國(guó)大型的火箭撬試驗(yàn)滑軌,長(zhǎng)度已經(jīng)到達(dá)9000Km火箭橇最大速度可達(dá)音速和超音速7馬赫；能夠承當(dāng)航空航天乘員救生試驗(yàn)、空氣動(dòng)力試驗(yàn)、降 落傘試驗(yàn)、碰撞包括穿甲、引信試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)、爆炸沖擊試

7、驗(yàn)、慣性制導(dǎo)試驗(yàn)、雨蝕與沙蝕試驗(yàn)、進(jìn)入自由飛狀態(tài)的發(fā)射試驗(yàn)、彈頭軟回 收試驗(yàn)以及其它高科技工業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)試驗(yàn).火箭滑車試驗(yàn)是用 火箭推進(jìn)的滑車,對(duì) 飛行器部件、設(shè)備進(jìn)行高加減 速度、高速氣流作用和一些特殊環(huán)境的綜合性試驗(yàn),又稱火箭橇試驗(yàn).與飛行試驗(yàn)相比,這種試驗(yàn)?zāi)鼙葦M精確地重復(fù)模擬所給定的速度、加速度及其變化率, 易于觀察試驗(yàn)情況和收集測(cè)量數(shù)據(jù),可以回收試件.但這種試驗(yàn)有效時(shí)間短, 空氣密度不能限制,無(wú)法獲得實(shí)際高度上的飛行數(shù)據(jù).由軌道產(chǎn)生的振動(dòng)和地 面效應(yīng)降低了模擬飛行環(huán)境的真實(shí)性, 因而只能作為風(fēng)洞等地面試驗(yàn)和飛行試 驗(yàn)的補(bǔ)充手段.試驗(yàn)設(shè)施：主要有軌道、滑車和測(cè)試設(shè)備三個(gè)局部:軌道：類

8、似于直線鐵路的路軌,有單軌、雙軌和三軌幾種,但多采用雙軌.軌道通常用經(jīng)過(guò)預(yù)制加工 的重型鋼軌焊接而成,需要有 很高的平直度,使用期間還須 定期校正,彎曲或外表粗糙的 軌道會(huì)使滑車產(chǎn)生不應(yīng)有的 過(guò)載和振動(dòng).采用水剎車方式 的滑軌,軌道之間還有水梢,按一定距離以隔板隔開.現(xiàn)代世界上最長(zhǎng)的滑軌長(zhǎng)達(dá)16公里.火箭滑車：一般由車體、滑塊、動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)組成.滑車的前后 滑塊包住軌道的鋼軌凸緣,用以支撐滑車和在滑軌上滑行.動(dòng)力系統(tǒng)可用固體 火箭或液體火箭,也可用固液混合推進(jìn)劑火箭,也可以制成單獨(dú)的推進(jìn)車.制 動(dòng)系統(tǒng)有水剎車、沙剎車、反推火箭、阻力傘、攔阻索等幾種方式.測(cè)試設(shè)備：有速度測(cè)量系統(tǒng)、光學(xué)照相

9、設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、 時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng).輔助設(shè)施：主要有維 修工廠、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配間、檢 測(cè)校驗(yàn)設(shè)備和火箭滑車點(diǎn)火 間等.試驗(yàn)方法：滑車運(yùn) 行一般分為加速、等速運(yùn)行、 減速滑行和制動(dòng)4個(gè)階段 各個(gè)階段的狀態(tài)由滑車的重量、氣動(dòng)特性、推進(jìn)火箭和制動(dòng)裝置的性能來(lái)決定. 滑車具有不同的運(yùn)行性能,借以到達(dá)試驗(yàn)所要求的各種速度、 加速度和加速度 變化率.滑車的制動(dòng)多采用水剎車方式,即利用動(dòng)量轉(zhuǎn)換原理將滑車動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樗?的動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng).當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)段時(shí),裝在火箭滑車上的庠斗沖破軌道間水梢 的隔板,水進(jìn)入庠斗,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向管道,向前進(jìn)方向高速噴出產(chǎn)生制動(dòng)力.制動(dòng) 快慢靠調(diào)節(jié)各個(gè)隔板間的水位上下來(lái)限制.試驗(yàn)內(nèi)容：

10、飛行器的部件和設(shè)備所進(jìn)行的火箭滑車試驗(yàn)包括：救生設(shè)備試驗(yàn)：包括 彈射座椅、別離座艙、牽引救生裝置 和飛機(jī)座艙蓋 拋蓋系統(tǒng)的試驗(yàn).降落傘試驗(yàn)：新材料和新式樣的降落傘可在滑車上試驗(yàn)和測(cè)量充氣特 征、開傘沖擊系數(shù)、阻力系數(shù)、穩(wěn)定性等根本性能數(shù)據(jù).導(dǎo)彈彈頭和制導(dǎo)系統(tǒng)的試驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)態(tài)性能,確定戰(zhàn)斗部和引信的限制 線路和限制程序,也可做穿甲性能試驗(yàn).顫振試驗(yàn)：對(duì)導(dǎo)彈翼面、飛機(jī)尾翼進(jìn)行全尺寸實(shí)物的顫振試驗(yàn),能確定 試件的顫振臨界速度.非金屬天線罩試驗(yàn)：火箭滑車試驗(yàn)場(chǎng)一般都有模擬降雨的設(shè)備, 降雨量 可以調(diào)節(jié).雷達(dá)的非金屬天線罩的雨蝕試驗(yàn)一般在超音速下進(jìn)行.沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)：在高速火箭滑車上進(jìn)行超音速氣流下的點(diǎn)

11、火和工作性 能試驗(yàn),能保證試驗(yàn)工作的平安性.火箭滑車試驗(yàn)有時(shí)也用來(lái)測(cè)試火箭噴流引起的氣流別離現(xiàn)象和進(jìn)行高雷諾數(shù)的氣動(dòng)試驗(yàn).見彩圖結(jié)合我國(guó)最長(zhǎng)的火箭橇試驗(yàn)滑軌ALS: 9K6,建立一個(gè)人工模擬降雨系統(tǒng)約0.5Km甚至更長(zhǎng),借以火箭滑車承載試驗(yàn)件高速3-5馬赫穿越人 工雨區(qū)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn),就可模擬雨滴對(duì)飛行物及其天線罩浸蝕破壞.早在上世紀(jì)70年代,美國(guó)霍洛曼空軍基地就在 15.6km的火箭撬滑軌上 建立人工模擬降雨裝置,對(duì)其導(dǎo)彈進(jìn)行整體雨蝕試驗(yàn),見以下圖.我國(guó)至今為止,對(duì)雨蝕的研S1某南饞奴果研究斌驗(yàn)中整裝待發(fā)的火贊播用究?jī)H局限室 內(nèi)小型雨蝕試驗(yàn)與研 究.結(jié)合ALS-9km 火 箭撬滑軌建 設(shè)室外雨

12、蝕 試驗(yàn)設(shè)施是必要的,意義重大,且投資較低.二、火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施技術(shù)指標(biāo)探討與確認(rèn)2.1、現(xiàn)有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)到目前為止,我國(guó)有關(guān)室外高速雨蝕試驗(yàn)設(shè)施設(shè)計(jì)建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù) 指標(biāo)要求均是空白.通過(guò)查閱有關(guān)資料,我國(guó)于 2021年5月25日公布過(guò)?軍 用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法-第8局部：淋雨試驗(yàn)?GJB150.8A-2021.本標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的目的在于確定以下與淋雨、水噴淋和滴水有關(guān)的環(huán)境影響：1 預(yù)防水滲入裝備的保護(hù)罩、殼體和密封墊圈的有效性；2 裝備暴露于水中時(shí)以及暴露之后滿足其性能要求的水平；3 由于淋雨造成裝備的任何物理?yè)p壞；4 任何除水裝置的有效性；5檢驗(yàn)裝備包裝的有效性；本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)條件也做了

13、如下規(guī)定:雨強(qiáng)雨滴直徑風(fēng)速恭路 面水壓預(yù)熱 溫度試驗(yàn)時(shí)間試驗(yàn) 狀況1.7mm/min0.5-4.5mm18m/s全方位276kPa差值10度根據(jù)壽命而定但是,對(duì)于室外雨蝕試驗(yàn)來(lái)說(shuō),一方面,其規(guī)定的技術(shù)條件偏少,無(wú)法對(duì)人工模擬降雨裝置進(jìn)行全面詳細(xì)的設(shè)計(jì). 另一方面,有些規(guī)定的技術(shù)條件在室 外無(wú)法滿足,比方風(fēng)速、試驗(yàn)件的加熱等.2.2、 天然降雨特性室外雨蝕試驗(yàn)?zāi)康闹饕悄M高速飛行器試驗(yàn)件在天然降雨環(huán)境下的各項(xiàng)性能的有效性.為此,我們應(yīng)該從天然降雨的 4個(gè)特性：1降雨強(qiáng)度；2降雨分布均勻性；3雨滴直徑大小和分布；4雨滴降落速度；進(jìn)行定性和定量分析,確定雨蝕試驗(yàn)設(shè)施的最正確試驗(yàn)技術(shù)條件和指標(biāo).根據(jù)

14、國(guó)內(nèi)外專家?guī)资陙?lái)對(duì)天然降雨的研究, 特別是美國(guó)學(xué)者羅斯等人對(duì)天然降雨雨滴形成過(guò)程的研究指出：天然降雨雨滴形成特性雨滴 直徑雨滴 終速度降落 高度小雨中雨大雨暴雨0-6mm2-2.9mm/ s7-9m15-45mm/h45-80mm/h80-120mm/h120-180mm/h天然降雨過(guò)程雨強(qiáng)分類2.3、 人工模擬降雨裝置主要技術(shù)指標(biāo)如何在人工模擬降雨裝置中實(shí)現(xiàn)天然降雨雨滴的形成過(guò)程是雨滴發(fā)生器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.如何合理地確定雨蝕試驗(yàn)技術(shù)條件雨強(qiáng)、雨滴直徑、降雨分布均勻度、雨滴終速度或動(dòng)能是設(shè)計(jì)人工模擬降雨裝置和雨滴發(fā)生器的依據(jù).1我國(guó)使用的人工模擬降雨裝置的主要技術(shù)性能研制單位降兩卸積m2降雨形式

15、落差 m雨強(qiáng)范圍 mm/h雨強(qiáng)限制使用時(shí)間中科院 水文室3X8噴嘴水平 往復(fù)運(yùn)動(dòng)412-204調(diào)節(jié) 總流量1976 年山西省 水保所5X7靜止噴嘴 側(cè)噴1024-264調(diào)節(jié)噴頭數(shù)量1987 年鐵科院西 南研究所170網(wǎng)狀噴嘴520-200調(diào)節(jié) 總流量70年代末山西省 水保所2.5 X2.5噴嘴靜止 下噴4.625-38改變水壓1988 年遼寧省 水保所10-40噴嘴靜止 下噴1120-380改變不同 直徑噴頭1998 年中科院 水保所2X5噴頭 往復(fù)運(yùn)動(dòng)2.470-144改變壓力 和流速2000 年北京 師范大學(xué)3X2.2噴嘴靜止 下噴2.420-120ioa# 和壓力2000 年2國(guó)外人工模

16、擬降雨裝置的主要技術(shù)性能研制單位降兩卸積 喻降雨形式落差 m雨強(qiáng)范圍 mm/h雨強(qiáng)限制使用時(shí)間日本原子0.48 X 0.48針頭滴水0.620-200調(diào)節(jié)1988 年研究所加震動(dòng)總a*日本人起 株式會(huì)1X1針頭滴水 加震動(dòng)25-50調(diào)節(jié) 總流量1984 年英國(guó)伊利 洛斯大學(xué)12X12針頭 壓力盒1020-180調(diào)節(jié) 壓力70年代末日本國(guó)立 科技中央3700不同直徑 噴嘴下噴1620-240改變水壓1988 年2.4、 高速火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施具體技術(shù)參數(shù)確定根據(jù)以上介紹,結(jié)合現(xiàn)有ALS-9km火箭撬滑軌的具體情況,擬提出以下具體技術(shù)參數(shù),便于前期方案論證設(shè)計(jì).高速火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施技術(shù)參數(shù)序號(hào)技

17、術(shù)指標(biāo)名稱具體參數(shù)技術(shù)要求與規(guī)7E備注1布局2 X 450m沿滑軌承軌梁兩側(cè)布置,從 500-950m現(xiàn)后軌道起點(diǎn)2支撐方式采用鋼筋混凝土支墩 做根底支撐,其支墩 頂局不圖于承軌梁水 槽底標(biāo)圖,其它鋼結(jié) 構(gòu)在非雨蝕試驗(yàn)狀態(tài) 卜/、得干擾其它試驗(yàn) 的正常進(jìn)行.3降雨形式及高度2.4m水平擺動(dòng)下噴 噴嘴出水口至試驗(yàn)件 表向局度4雨強(qiáng)_ 20-120mm/h.m小雨 0-45mm/h 中雨 45-80mm/h 大雨 80-120mm/h5雨滴直徑0-6.5mm6噴淋范圍22.2 X450m7雨滴終速度2.0-2.9mm/s8雨滴均勻度70%Z 上在試驗(yàn)件外表9噴淋持續(xù)時(shí)間三、高速火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施方

18、案3.1、 火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施性能要求根據(jù)實(shí)體模型建設(shè)和試驗(yàn)研究的需要,火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施必須符合以下性能要求：1裝置的降雨均勻性好,能夠滿足試驗(yàn)；2裝置可以模擬降雨強(qiáng)度的空間和時(shí)間變化, 并可模擬黃土高原的高強(qiáng)度降雨過(guò)程；3裝置的可擴(kuò)展性好易組合,易移動(dòng)；4裝置便于自動(dòng)化限制；5裝置的可靠性高,便于維護(hù)；6造價(jià)較低；通過(guò)分析比擬,本工程目前選擇下噴式人工降雨裝置,該裝置可以同時(shí)滿 足以上6項(xiàng)要求.3.2、 火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施系統(tǒng)組成火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施解決方案有四大局部組成分為：總供水系統(tǒng)、管道及噴淋支撐裝置、可移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、人工模擬降雨系統(tǒng).四大局部組成后可以全部實(shí)現(xiàn)火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施實(shí)驗(yàn)的

19、整個(gè)過(guò)程.1、總供水系統(tǒng)總供水系統(tǒng)由蓄水池、供水水泵、主供水管道、閥門電磁閥及電路控 制系統(tǒng)組成.1供水系統(tǒng)工作原理如以下圖.2供水系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施清單供水系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施清單表序號(hào)設(shè)備設(shè)施名稱規(guī)格數(shù)量備注1深井20面2 口為蓄水池提供水源2蓄水池800n31座為雨蝕試驗(yàn)提供水源3水泵流量50ni/h揚(yáng)程30m2臺(tái)輸水給人工降雨裝置高 位水箱4上水管道DN1001200m5截止閥DN10060只6電子溢流閥DN502只7焊接三通DN10060只8彎頭DN10060只9水泵啟動(dòng)限制系統(tǒng)1套全自動(dòng)2、管道及人工降雨裝置支撐系統(tǒng)1主管道采取就地深土掩埋,防止冷凍破壞；2高位水箱采取鋼筋混凝土支墩,其支墩標(biāo)高

20、保持一致,如以下圖；由4根240X240鋼筋混凝土立柱,組成1500X 1500的平臺(tái),共計(jì)60 處.3人工模擬降雨裝置采取鋼筋混凝土丁字支墩,如以下圖；每根承軌梁兩側(cè)各3個(gè)丁字支墩,總計(jì)180處.其上安裝水平移動(dòng)絲桿機(jī) 構(gòu)和垂直升降絲桿機(jī)構(gòu),負(fù)責(zé)將人工模擬降雨裝置調(diào)整到工作狀態(tài)和非工作狀3、可調(diào)節(jié)移動(dòng)上升裝置系統(tǒng)1系統(tǒng)組成可調(diào)節(jié)移動(dòng)上升裝置系統(tǒng)由水平導(dǎo)軌、滑靴式拖車、水平電動(dòng)絲桿、垂直提升鋼架、垂直電動(dòng)絲桿等組成.見以下圖：2主要作用與工作原理其主要作用是負(fù)責(zé)人工模擬降雨裝置系統(tǒng)橫向移動(dòng)和垂直上升、下降.當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí),開后垂直絲桿電機(jī),將 人工模擬降雨裝置提升到試驗(yàn)高度 位置,然后啟動(dòng)水平移

21、動(dòng)絲桿電機(jī), 將人工模擬降雨裝置和垂直絲桿機(jī) 構(gòu)整體平移到位,保證人工模擬降雨 裝置噴嘴布局滿足設(shè)計(jì)要求.試驗(yàn)結(jié) 束時(shí),水平絲桿回位后,垂直絲桿下 降回位,將人工模擬降雨裝置安放于平安位置.3系統(tǒng)設(shè)備清單序號(hào)設(shè)備設(shè)施名稱規(guī)格數(shù)量備注1水平導(dǎo)軌Q1004.0m/根1500m精加上軌道2滑靴式拖不1200X 1200180套全包滑靴,4處滑靴3垂直提上支架500X500X4800180套采用方管焊接4水平移動(dòng)絲桿3500X 小 60X23.5kw180套電機(jī)室外防爆電機(jī)5垂直升降絲桿3500X 小 803.5kw180套電機(jī)室外防爆電機(jī)6移動(dòng)升降限制系統(tǒng)60套全自動(dòng),就地限制盒遠(yuǎn)程四、人工模擬降雨

22、系統(tǒng)根據(jù)火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施的布局450m,因系統(tǒng)管線較長(zhǎng),流體壓力損失較大,工況不均勻,擬將其分解成假設(shè)干套并列獨(dú)立的人工模擬降雨裝置,以15m 長(zhǎng)x 2.2m 寬為一個(gè)獨(dú)立的人工模擬降雨單元,噴淋面積共33 nf,由單獨(dú)的水泵從水箱提供水源,將噴淋管道安裝在距離試驗(yàn)物外表2.4 m的高度；各噴淋單元首尾并排排列,形成整體噴淋系統(tǒng),按噴淋試驗(yàn)面積計(jì)算,噴 淋單元沿線30Xl5=450m兩側(cè)布置共60個(gè)單元.每個(gè)降雨單元裝有一套電子 數(shù)字閥裝置,獨(dú)立地進(jìn)行就地限制,可以獲得某一種降雨強(qiáng)度的降雨.再由 60個(gè)這樣獨(dú)立的降雨單元組合而成,每個(gè)降雨單元的電子數(shù)字閥裝置統(tǒng)一由 一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程限制

23、. 形成系統(tǒng)統(tǒng)一降雨雨強(qiáng)的限制調(diào)節(jié). 降雨覆蓋 面積為450mx 2.2m,系統(tǒng)的降雨土勻度可到達(dá)84%以上.4.1人工模擬降雨裝置參數(shù)的實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行模擬降雨的性能檢測(cè)工作之前,深入了解天然降雨的特性是必要 的.天然降雨的主要特性包括：1降雨強(qiáng)度；2降雨分布的均勻性；3 雨滴直徑大小和分布；4裝置雨滴降落速度等.目前大多數(shù)學(xué)者都是以上述 降雨特征值作為人工模擬降雨的設(shè)計(jì)比擬和評(píng)價(jià).1降雨強(qiáng)度目前我國(guó)的模擬降雨裝置的降雨強(qiáng)度限制主要是通過(guò)調(diào)節(jié)流量和限制壓 力來(lái)實(shí)現(xiàn)的.從雨滴發(fā)生器的兩個(gè)不同方式看,首先以噴頭為雨滴發(fā)生器的模 擬裝置,主要是通過(guò)選用不同的噴頭組合和不同的噴嘴直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同雨強(qiáng)的 效果

24、.一般以噴頭為雨滴發(fā)生器的雨強(qiáng)范圍在 30150 mm/h,由于噴頭的工 作壓力,雨滴具有一定的初動(dòng)能,雨強(qiáng)相應(yīng)要大 ；另外一種以小孔為雨滴發(fā)生 器的模擬裝置,小雨強(qiáng)的裝置主要是通過(guò)改變針號(hào)和針數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬較寬范圍 的降雨強(qiáng)度,大雨強(qiáng)的模擬裝置主要是通過(guò)調(diào)節(jié)供水量和調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的頻率來(lái) 實(shí)現(xiàn)不同雨強(qiáng)的效果.這種模擬降雨裝置的雨強(qiáng)范圍在2100 mm/ho根據(jù)我們的需要采用第一種方式來(lái)測(cè)量不同雨強(qiáng)下對(duì)實(shí)驗(yàn)物的打擊力,具體劃分如下：小雨 0-45mm/h;中雨 45-80mm/h;大雨 80-120mm/h;2降雨分布的均勻性目前我國(guó)模擬降雨裝置的降雨分布均勻性測(cè)定一般方法是在降雨面上布 設(shè)一組雨量

25、筒多個(gè)作為測(cè)點(diǎn),根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的降雨量,采用均勻性公式計(jì)算.3 .雨滴直徑大小和分布降雨雨滴的觀測(cè),是研究天然降雨和人工模擬降雨特征及設(shè)計(jì)人工降雨裝置的一項(xiàng)重要工作.國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的雨滴譜測(cè)量方法已很多. 如常見的雨滴 譜測(cè)試方法有色斑法、面粉團(tuán)法、攝影法、沉浸法、雷達(dá)觀測(cè)法、光學(xué)雨量計(jì) 法等.攝影法能方便準(zhǔn)確的測(cè)出降雨的雨滴大小與分布情況,但高速攝影儀造價(jià)太高,一般人工模擬降雨試驗(yàn)很難接受；浸入法適合于測(cè)定較小的霧滴,對(duì) 大雨滴不適用；面粉團(tuán)法所需的測(cè)量?jī)x器本錢低廉,測(cè)量成果較可靠,它適用 于高強(qiáng)度的降雨,但每次測(cè)量中都須讓面粉球在取樣器中自然風(fēng)干一天,然后放在烘箱內(nèi)1050條件下烘48小時(shí),

26、再高精度電子天平逐級(jí)稱量的過(guò)程, 在 野外使用很不方便,且不適用于測(cè)量粒徑太小的雨滴； 色斑法適合于各種人工 降雨試驗(yàn)與野外天然降雨研究, 此法可以觀測(cè)到粒徑極小的霧滴,國(guó)內(nèi)多采用 此方法間接推算雨滴直徑,來(lái)了解各種降雨中的雨滴特性,該法由于操作簡(jiǎn)單, 本錢低廉而在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛.4 、雨滴的降落速度雨滴降落速度的計(jì)算方法：采用物體降落運(yùn)動(dòng)方程式,計(jì)算雨滴的降落速度.雨滴在空氣中下落過(guò)程,如果不考慮風(fēng)等因素的影響,主要受到雨滴 自身重量mg向下的力與雨滴下落運(yùn)動(dòng)受到向上的空氣阻力的作用.最關(guān)鍵 的是雨滴降落終點(diǎn)速度,雨滴降落終點(diǎn)速度又叫雨滴末速度或雨滴的打擊速 度,是降雨動(dòng)能的重要參數(shù)之一

27、.美國(guó)學(xué)者羅斯等人對(duì)天然降雨雨滴形成過(guò) 程的研究指出：天然降雨雨滴的分布,波動(dòng)在06mm其相應(yīng)的終點(diǎn)速度為22.9mm/s,根據(jù)一些學(xué)者對(duì)雨滴下落速度研究,測(cè)定結(jié)果指出,具有初速度的 下噴式噴頭,降雨高度達(dá)2m,就可滿足不同直徑的雨滴獲得 22.9mm/4勺終點(diǎn) 速度.根據(jù)一些數(shù)據(jù)采用下噴方式,降雨高度在2.4m及供水壓力在0.21kg/cm 時(shí),所測(cè)定的雨滴直徑為07mm雨滴的平均直徑為6.2mm,這一數(shù)值與天然降 雨雨滴平均直徑6.5mn®近.該系統(tǒng)是火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施的關(guān)鍵系統(tǒng).在2.2mx 450m的試驗(yàn)彈道范圍內(nèi),擬分成60個(gè)規(guī)格一致的人工模擬降雨裝置單元,每個(gè)單元限制分就

28、地 限制和遠(yuǎn)程集成限制.4.2人工模擬降雨系統(tǒng)組成人工模擬降雨裝置單元由機(jī)架、噴頭擺動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、供回水系統(tǒng)、噴射裝置、限制系統(tǒng)等五大局部組成.1機(jī)架它是試驗(yàn)裝置單元的支撐機(jī)構(gòu),它將裝置內(nèi)的噴頭擺動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、 供 回水系統(tǒng)、噴射裝置組裝集成在各自位置.擬采用不銹鋼方形管焊接成桁架形 式,具斷面如以下圖.主桁架斷面尺寸400 X500mm長(zhǎng)度14800mm懸挑 支臂2180mm懸挑支臂由鋼絲繩懸索斜拉.桁架主要桿件斷面尺寸為口 40 X 80 X5 3.2 噴頭擺動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)它是將動(dòng)力源從驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)到擺動(dòng)噴頭, 實(shí)現(xiàn)噴頭的間歇式擺動(dòng).其主 要組成包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、可控超越

29、離合器、四連桿機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)裝置及噴頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等六局部.詳見下面示意圖：3供回水系統(tǒng)主要功能在于利用水泵將高位水箱中的水, 通過(guò)上水管道以一定壓力輸送 到噴頭出口,再由回水管道流回水箱.該系統(tǒng)由水泵、水箱、上水母管、會(huì)水 母管、支管、壓力表、流量限制閥門等部件組成.供回水系統(tǒng)示意圖4 噴射裝置它由噴頭及相關(guān)供水管路組成.噴頭通過(guò)上水軟管與三通電磁閥的一個(gè)接 口連接,三通電磁閥另外兩個(gè)接口分別連接供水主管和回水主管；光電開關(guān)固定在光電開關(guān)支架上,反光貼片固定在往復(fù)擺動(dòng)的噴頭上； 三通電磁閥和光電 開關(guān)與測(cè)控系統(tǒng)電路連接.使噴頭的噴水受控,在降雨區(qū)噴水,在非降雨區(qū)不 噴水.其噴射結(jié)構(gòu)形式如以下圖.1-

30、支架2-噴頭3-放光貼片4-上水軟管5-上水主管；6-水管支架；7-三通電磁閥;圖2-8嘖射裝置結(jié)構(gòu)圖8-回水母管；5、限制系統(tǒng)主要是對(duì)流量限制閥和電磁閥進(jìn)行限制, 選擇不同直徑噴嘴管路系統(tǒng)、調(diào) 節(jié)管道系統(tǒng)壓力與流量,檢查光電開關(guān)位置信號(hào),利用限制器對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)可控 超越離合器和噴射裝置的限制,從而實(shí)現(xiàn)模擬降雨時(shí)間,雨強(qiáng)大小,雨滴速度 的限制.限制方式,對(duì)單個(gè)人工模擬降雨裝置單元,實(shí)施就地限制,對(duì)整個(gè)火 箭撬雨蝕試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)施遠(yuǎn)程集成限制.6 人工模擬降雨裝置工作原理限制系統(tǒng)上電后,啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并翻開進(jìn)水閥門,啟動(dòng)給水水泵,水以一 定壓力經(jīng)過(guò)上水主管流向噴頭出口,此時(shí),噴射裝置中的三通電磁閥不同

31、電, 水經(jīng)過(guò)回水主管流回水箱,噴頭沒有擺動(dòng),即還沒有實(shí)現(xiàn)降雨.待水壓調(diào)節(jié)穩(wěn) 定在預(yù)定值后,選擇降雨強(qiáng)度檔位或管路系統(tǒng)和單雙次噴灑方式,啟動(dòng)擺 動(dòng)開關(guān),噴頭開始擺動(dòng),噴頭每擺動(dòng)一次,光電開關(guān)就檢測(cè)到兩次信號(hào),根據(jù) 限制程序的算法,當(dāng)噴頭在擺動(dòng)過(guò)程中處于降雨區(qū)域時(shí), 限制電路限制三通電 磁閥的水流供應(yīng)噴頭,由噴頭形成降雨；當(dāng)噴頭在擺動(dòng)過(guò)程中處于非降雨區(qū)域 時(shí),限制電路限制三通電磁閥不通電,水經(jīng)過(guò)電磁閥、回水主管流回水箱；由 于該降雨裝置多個(gè)噴頭聯(lián)動(dòng),所以將光電開關(guān)安裝在一個(gè)噴頭附近, 即可通過(guò) 對(duì)于一個(gè)噴頭的檢測(cè)來(lái)同時(shí)限制多個(gè)噴頭的降雨.噴頭擺動(dòng)降雨的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：驅(qū)動(dòng)電機(jī)同鏈輪傳動(dòng)和四桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

32、連接 到噴頭,實(shí)現(xiàn)預(yù)期的擺動(dòng)角度和軌跡.限制器限制噴頭擺動(dòng)的頻率,實(shí)際上是 限制可控超越離合器的離合狀態(tài), 以實(shí)現(xiàn)噴頭的間歇式擺動(dòng).降雨強(qiáng)度由噴頭 擺動(dòng)的頻率決定.電機(jī)以某一轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),限制器輸出24VDC勺脈沖信號(hào)拉 伸式電磁鐵,電磁鐵的限制銜鐵與離合器凸輪齒合, 離合器輸出端與限制噴頭 擺動(dòng)的四桿相連,從而限制噴頭的擺動(dòng).限制器的脈沖信號(hào)決定了噴頭擺動(dòng)的頻率和通電時(shí)間,也就決定了降雨的強(qiáng)度.噴頭產(chǎn)生的雨滴大小和下降速度與 天然雨滴相似.噴頭在降雨區(qū)產(chǎn)生模擬降雨過(guò)程,降雨面積有擺動(dòng)桿暴動(dòng)角度 和光電開關(guān)位置確定.7 )人工模擬降雨裝置噴頭及供水管路的布局和設(shè)計(jì)(1)噴頭布局單個(gè)人工模擬降雨

33、裝置設(shè)置 7-8處噴頭支架,噴頭支架間距 2000mm在 每處噴頭支架處設(shè)置三種規(guī)格噴頭支管,通過(guò)兩套人工模擬降雨裝置對(duì)應(yīng)交叉 放置,如?噴淋降雨單元噴嘴布置圖?(ALS-YSXM-00-01圖.橫向噴嘴間距為1100mm縱向間距為1000mm有效降雨面積為2.2mx 15m開關(guān)閥過(guò)濾器 t頂部供水管路在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了模擬雨強(qiáng)變化范圍寬、仿真程度高的自然雨,下噴式 噴頭的布置方式一般由三種規(guī)格的噴頭,分別有三個(gè)不同直徑的噴頭組成,組 成一個(gè)噴頭組.四個(gè)噴頭組空間上3重重合疊加,形成一個(gè)雨強(qiáng)均勻的降雨區(qū)： 系統(tǒng)組成框圖如下：頂部降雨噴頭采用 FULLJET!/8 , 2/8 , 3/8三種規(guī)格

34、的噴頭組合降 雨,從而形成從小到大的雨強(qiáng)連續(xù)可調(diào),雨滴形態(tài),降雨均勻度與自然降雨相 似的人工自動(dòng)模擬降雨,可進(jìn)行15- 120mm/h的各種雨強(qiáng)模擬降雨,均勻 度大于0.8.噴頭型號(hào)為：FULLJET®,特點(diǎn)如下：(2)供水管路的布局和設(shè)計(jì)各管路測(cè)控部件采用法蘭盤連接,以方便維護(hù),頂部管路及噴頭布設(shè)結(jié)構(gòu)圖如下:設(shè)計(jì)如上,主供水管采用一側(cè)平衡供水,頂部噴頭供水管采用3個(gè)不同 規(guī)格疊加的供水管路,管道分為三個(gè)層面,每個(gè)層面為1根.形成每組噴頭間距 1米,這樣可使各噴頭壓力平衡、降雨投影面積在地面疊加交叉均勻,從而形 成最好的降雨效果.(3)管路布置拓樸圖廳P名 稱型 號(hào)數(shù)量單位人工模擬降

35、雨 系統(tǒng)硬件1水泵智能式自吸泵流星：5立方/小 時(shí).揚(yáng)程：10米60臺(tái)2水箱1500 X150060個(gè)3旋轉(zhuǎn)卜噴噴頭孔徑分別為：0.5mm 2.0 mm, 4 5mm 雨滴在 0 5-4 5mm2700個(gè)4管材PP® 100mm450米5管材PP® 80mm450米6管材PP® 65mm450米廳P名 稱型 號(hào)數(shù)量單位7管材PP® 15mm900米8自動(dòng)報(bào)警液位 計(jì)GSKS 干 X2只9電磁閥2700只10軟管 65mm3000米11三通電磁閥C653000只五、火箭撬雨蝕試驗(yàn)設(shè)施技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)5.1、新型閉環(huán)反應(yīng)逼近限制算法本設(shè)計(jì)方案采用1套最新的配裝

36、式高靈敏度雨量計(jì),獲得降雨現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng) 態(tài)實(shí)際降雨強(qiáng)度值,以此實(shí)際降雨強(qiáng)度平均值為反應(yīng)限制信號(hào)與實(shí)驗(yàn)設(shè)定雨強(qiáng) 比照,結(jié)合新型反應(yīng)調(diào)控算法在整個(gè)降雨期反復(fù)無(wú)窮逼近設(shè)定的雨強(qiáng)值.這樣即可自動(dòng)得到真實(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的降雨過(guò)程.限制方法的流程框圖如下：評(píng)價(jià)：此方案以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)雨強(qiáng)為反應(yīng)限制信號(hào), 可實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn) 區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的雨強(qiáng)分布及平均值, 不但可省略實(shí)驗(yàn)前的人工率定過(guò)程, 而且實(shí) 驗(yàn)過(guò)程中可隨時(shí)得知當(dāng)時(shí)雨強(qiáng)值,人工手動(dòng)操作可隨時(shí)干預(yù)降雨限制過(guò)程.新型閉環(huán)反應(yīng)逼近限制算法： 為準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的進(jìn)行降雨過(guò)程限制, 本工程采用閉環(huán)反應(yīng)限制算法.限制算法為：首先,根據(jù)資料,流量調(diào)節(jié)閥的 驅(qū)動(dòng)電流與閥門

37、的開啟位置為線性關(guān)系, 而閥門的開啟位置又與雨強(qiáng)為線性關(guān) 系.其次假設(shè)；實(shí)驗(yàn)要求雨強(qiáng)為Yo,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線自計(jì)雨量計(jì)的當(dāng)前實(shí)際雨強(qiáng)平均值,簡(jiǎn)稱當(dāng)前雨強(qiáng)為Yx,其相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前位置的驅(qū)動(dòng)電流值,簡(jiǎn)稱當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電流為Ix ,流量調(diào)節(jié)閥最大流量變化值相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流變化值為Imax,流量調(diào)節(jié)閥最大流量變化值相應(yīng)的雨強(qiáng)變化為YmaxY0相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)電流為Ix 0.那么應(yīng)有如下公式成立(Yx- Y0) /Ymax= (Ix- Ix 0) /ImaxIx 0= Ix -Imax* (Yx- Y 0) /Ymax求得設(shè)定(目標(biāo))雨強(qiáng)相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)電流推算值為Ix.以分十步逐步逼近設(shè)定雨強(qiáng)計(jì)算,那么在流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前根底上調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為：(Ix- Ix 0) /10當(dāng)完成此步長(zhǎng)調(diào)節(jié),并經(jīng)消除系統(tǒng)滯