人工降雨方案

1、火箭撬雨蝕試驗設(shè)施方案報告湖北霍洛曼航空設(shè)備工程一、工程背景二、火箭撬雨蝕試驗設(shè)施技術(shù)指標(biāo)探討與確認 72.1. _現(xiàn)有國內(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設(shè)施具體技術(shù)參數(shù)確定 9三、高速火箭撬雨蝕試驗設(shè)施方案 103.1. 火箭撬雨蝕試驗設(shè)施性能要求 103.2. 火箭撬雨蝕試驗設(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)的實現(xiàn) 143.2 人工模擬降雨系統(tǒng)組成 161 )機架162 )噴頭擺動機械傳動系統(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 208) 系統(tǒng)設(shè)備清單24五、火箭撬雨蝕試驗設(shè)施技術(shù)指標(biāo)的檢測 255.1 、新型閉環(huán)反應(yīng)逼近限制算法 255.2 、現(xiàn)場傳感器/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.特別是雷達導(dǎo)彈要求高速和全天候作戰(zhàn)水平更強,這樣, 當(dāng)導(dǎo)彈穿過雨區(qū)飛行時,雨滴的沖擊對位于導(dǎo)彈頭部的天線罩造成的破壞(即“雨蝕將是一個不可無視的問題,隨著現(xiàn)代導(dǎo)彈飛行速度的提升,這個問題 將更為突出.當(dāng)飛機或?qū)椄咚亠w行通

3、過雨區(qū)時,其天線罩外表受雨滴的撞擊 與侵蝕會產(chǎn)生損壞,這種現(xiàn)象稱為天線罩的雨蝕.在飛機或?qū)椀娘w行過程中,雨蝕對天線罩性能有兩個重要的影響：一是 雨蝕會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)彈速度和雷達頻率的提升,雨蝕對天線罩的破壞作用越來越明 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,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特的天線罩的材料.在國外,SCFS材料已在美制愛國者SaM D導(dǎo)彈和意大利的A:pl ' d.但這種材料 的缺點是不夠致密、抗雨蝕性能差.在導(dǎo)彈飛行速度大于3馬赫時,雨蝕對天線罩的影響是嚴重的.所以,開展 對天線罩抗雨蝕技術(shù)的研究也是天線罩設(shè)計內(nèi)容的一個重要方面.天線罩雨蝕試驗是一項十分復(fù)雜的技術(shù),目前主要采用的方法有以下幾種：a雨蝕防護模 擬試驗裝置.它包括隔離間、旋轉(zhuǎn)臂機構(gòu)和模擬

5、雨滴的噴淋機構(gòu),噴淋機構(gòu)由 水箱、流量儀表、流量閥和噴淋管通過管路連接而成,噴淋管安裝在隔離間的 天花板上,旋轉(zhuǎn)臂機構(gòu)安裝在隔離間中噴淋管的下方,噴淋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)包括安裝在防護罩中的伺服電機和旋轉(zhuǎn)臂,伺服電機與旋轉(zhuǎn)臂之間通過彈性連軸器和傳動軸相連,試驗件安裝在旋轉(zhuǎn)臂上.通過伺服電機帶動旋轉(zhuǎn)臂高速旋轉(zhuǎn),安裝在臂上的試驗件以較高的相對速度穿越雨滴模擬區(qū),雨量的大小通過流量閥限制,通過限制伺服電機的轉(zhuǎn)數(shù),實現(xiàn)試驗件穿越雨滴模擬區(qū)相對速度的調(diào)節(jié). b旋轉(zhuǎn)臂液滴沖蝕試驗裝置,通常有一個人造雨的環(huán)境,其中有一個高速旋轉(zhuǎn) 的橫臂,其端部裝有一個可調(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 Holloman空軍基地,其試驗速度可達 5馬赫1700mn- s-1o這類試驗設(shè)備的體積非常龐,速度實現(xiàn)非常困難；b火箭橇試驗：把全尺寸天線罩裝在火箭橇上,點燃火箭,使火箭橇沿導(dǎo)軌高速通過一 段人工降雨區(qū)來試驗天線罩的受雨破壞情況. 這種方法的優(yōu)點是試驗不受試件 尺寸的限制.缺點是試驗場地較大,技術(shù)實現(xiàn)較為困難.火箭試驗滑軌是當(dāng)代一種高精度、高速度的大型地面動態(tài)模擬試驗設(shè)施.我國大型的火箭撬試驗滑軌,長度已經(jīng)到達9000Km火箭橇最大速度可達音速和超音速7馬赫；能夠承當(dāng)航空航天乘員救生試驗、空氣動力試驗、降 落傘試驗、碰撞包括穿甲、引信試驗、發(fā)動機推進系統(tǒng)試驗、爆炸沖擊試

7、驗、慣性制導(dǎo)試驗、雨蝕與沙蝕試驗、進入自由飛狀態(tài)的發(fā)射試驗、彈頭軟回 收試驗以及其它高科技工業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)試驗.火箭滑車試驗是用 火箭推進的滑車,對 飛行器部件、設(shè)備進行高加減 速度、高速氣流作用和一些特殊環(huán)境的綜合性試驗,又稱火箭橇試驗.與飛行試驗相比,這種試驗?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, 易于觀察試驗情況和收集測量數(shù)據(jù),可以回收試件.但這種試驗有效時間短, 空氣密度不能限制,無法獲得實際高度上的飛行數(shù)據(jù).由軌道產(chǎn)生的振動和地 面效應(yīng)降低了模擬飛行環(huán)境的真實性, 因而只能作為風(fēng)洞等地面試驗和飛行試 驗的補充手段.試驗設(shè)施：主要有軌道、滑車和測試設(shè)備三個局部: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 軌道會使滑車產(chǎn)生不應(yīng)有的 過載和振動.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)代世界上最長的滑軌長達16公里.火箭滑車：一般由車體、滑塊、動力系統(tǒng)和制動系統(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.動力系統(tǒng)可用固體 火箭或液體火箭,也可用固液混合推進劑火箭,也可以制成單獨的推進車.制 動系統(tǒng)有水剎車、沙剎車、反推火箭、阻力傘、攔阻索等幾種方式.測試設(shè)備：有速度測量系統(tǒng)、光學(xué)照相

9、設(shè)備、遙測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、 時間統(tǒng)一系統(tǒng).輔助設(shè)施：主要有維 修工廠、發(fā)動機裝配間、檢 測校驗設(shè)備和火箭滑車點火 間等.試驗方法：滑車運 行一般分為加速、等速運行、 減速滑行和制動4個階段 各個階段的狀態(tài)由滑車的重量、氣動特性、推進火箭和制動裝置的性能來決定. 滑車具有不同的運行性能,借以到達試驗所要求的各種速度、 加速度和加速度 變化率.滑車的制動多采用水剎車方式,即利用動量轉(zhuǎn)換原理將滑車動能轉(zhuǎn)變?yōu)樗?的動能來實現(xiàn)制動.當(dāng)進入制動段時,裝在火箭滑車上的庠斗沖破軌道間水梢 的隔板,水進入庠斗,經(jīng)過轉(zhuǎn)向管道,向前進方向高速噴出產(chǎn)生制動力.制動 快慢靠調(diào)節(jié)各個隔板間的水位上下來限制.試驗內(nèi)容：

10、飛行器的部件和設(shè)備所進行的火箭滑車試驗包括：救生設(shè)備試驗：包括 彈射座椅、別離座艙、牽引救生裝置 和飛機座艙蓋 拋蓋系統(tǒng)的試驗.降落傘試驗：新材料和新式樣的降落傘可在滑車上試驗和測量充氣特 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：驗證動態(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.顫振試驗：對導(dǎo)彈翼面、飛機尾翼進行全尺寸實物的顫振試驗,能確定 試件的顫振臨界速度.非金屬天線罩試驗：火箭滑車試驗場一般都有模擬降雨的設(shè)備, 降雨量 可以調(diào)節(jié).雷達的非金屬天線罩的雨蝕試驗一般在超音速下進行.沖壓發(fā)動機試驗：在高速火箭滑車上進行超音速氣流下的點

11、火和工作性 能試驗,能保證試驗工作的平安性.火箭滑車試驗有時也用來測試火箭噴流引起的氣流別離現(xiàn)象和進行高雷諾數(shù)的氣動試驗.見彩圖結(jié)合我國最長的火箭橇試驗滑軌ALS: 9K6,建立一個人工模擬降雨系統(tǒng)約0.5Km甚至更長,借以火箭滑車承載試驗件高速3-5馬赫穿越人 工雨區(qū)進行測試試驗,就可模擬雨滴對飛行物及其天線罩浸蝕破壞.早在上世紀70年代,美國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,對其導(dǎo)彈進行整體雨蝕試驗,見以下圖.我國至今為止,對雨蝕的研S1某南饞奴果研究斌驗中整裝待發(fā)的火贊播用究僅局限室 內(nèi)小型雨蝕試驗與研 究.結(jié)合ALS-9km 火 箭撬滑軌建 設(shè)室外雨

12、蝕 試驗設(shè)施是必要的,意義重大,且投資較低.二、火箭撬雨蝕試驗設(shè)施技術(shù)指標(biāo)探討與確認2.1、現(xiàn)有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)到目前為止,我國有關(guān)室外高速雨蝕試驗設(shè)施設(shè)計建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù) 指標(biāo)要求均是空白.通過查閱有關(guān)資料,我國于 2021年5月25日公布過?軍 用裝備實驗室環(huán)境試驗方法-第8局部：淋雨試驗?GJB150.8A-2021.本標(biāo)準(zhǔn)試驗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罩、殼體和密封墊圈的有效性；2 裝備暴露于水中時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損壞；4 任何除水裝置的有效性；5檢驗裝備包裝的有效性；本標(biāo)準(zhǔn)對試驗條件也做了

13、如下規(guī)定:雨強雨滴直徑風(fēng)速恭路 面水壓預(yù)熱 溫度試驗時間試驗 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,對于室外雨蝕試驗來說,一方面,其規(guī)定的技術(shù)條件偏少,無法對人工模擬降雨裝置進行全面詳細的設(shè)計. 另一方面,有些規(guī)定的技術(shù)條件在室 外無法滿足,比方風(fēng)速、試驗件的加熱等.2.2、 天然降雨特性室外雨蝕試驗?zāi)康闹饕悄M高速飛行器試驗件在天然降雨環(huán)境下的各項性能的有效性.為此,我們應(yīng)該從天然降雨的 4個特性：1降雨強度；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；進行定性和定量分析,確定雨蝕試驗設(shè)施的最正確試驗技術(shù)條件和指標(biāo).根據(jù)

14、國內(nèi)外專家?guī)资陙韺μ烊唤涤甑难芯? 特別是美國學(xué)者羅斯等人對天然降雨雨滴形成過程的研究指出：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天然降雨過程雨強分類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現(xiàn)天然降雨雨滴的形成過程是雨滴發(fā)生器設(shè)計的關(guān)鍵.如何合理地確定雨蝕試驗技術(shù)條件雨強、雨滴直徑、降雨分布均勻度、雨滴終速度或動能是設(shè)計人工模擬降雨裝置和雨滴發(fā)生器的依據(jù).1我國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雨強范圍 mm/h雨強限制使用時間中科院 水文室3X8噴嘴水平 往復(fù)運動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)運動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雨強范圍 mm/h雨強限制使用時間日本原子0.48 X 0.48針頭滴水0.620-200調(diào)節(jié)1988 年研究所加震動總a*日本人起 株式會1X1針頭滴水 加震動25-50調(diào)節(jié) 總流量1984 年英國伊利 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.高速火箭撬雨蝕試驗設(shè)施技術(shù)參數(shù)序號技

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)在非雨蝕試驗狀態(tài) 卜/、得干擾其它試驗 的正常進行.3降雨形式及高度2.4m水平擺動下噴 噴嘴出水口至試驗件 表向局度4雨強_ 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 上在試驗件外表9噴淋持續(xù)時間三、高速火箭撬雨蝕試驗設(shè)施方

18、案3.1、 火箭撬雨蝕試驗設(shè)施性能要求根據(jù)實體模型建設(shè)和試驗研究的需要,火箭撬雨蝕試驗設(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；2裝置可以模擬降雨強度的空間和時間變化, 并可模擬黃土高原的高強度降雨過程；3裝置的可擴展性好易組合,易移動；4裝置便于自動化限制；5裝置的可靠性高,便于維護；6造價較低；通過分析比擬,本工程目前選擇下噴式人工降雨裝置,該裝置可以同時滿 足以上6項要求.3.2、 火箭撬雨蝕試驗設(shè)施系統(tǒng)組成火箭撬雨蝕試驗設(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現(xiàn)火箭撬雨蝕試驗設(shè)施實驗的

19、整個過程.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座為雨蝕試驗提供水源3水泵流量50ni/h揚程30m2臺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水泵啟動限制系統(tǒng)1套全自動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,共計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個丁字支墩,總計180處.其上安裝水平移動絲桿機 構(gòu)和垂直升降絲桿機構(gòu),負責(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)移動上升裝置系統(tǒng)1系統(tǒng)組成可調(diào)節(jié)移動上升裝置系統(tǒng)由水平導(dǎo)軌、滑靴式拖車、水平電動絲桿、垂直提升鋼架、垂直電動絲桿等組成.見以下圖：2主要作用與工作原理其主要作用是負責(zé)人工模擬降雨裝置系統(tǒng)橫向移動和垂直上升、下降.當(dāng)試驗開始時,開后垂直絲桿電機,將 人工模擬降雨裝置提升到試驗高度 位置,然后啟動水平移

21、動絲桿電機, 將人工模擬降雨裝置和垂直絲桿機 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)計要求.試驗結(jié) 束時,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水平移動絲桿3500X 小 60X23.5kw180套電機室外防爆電機5垂直升降絲桿3500X 小 803.5kw180套電機室外防爆電機6移動升降限制系統(tǒng)60套全自動,就地限制盒遠程四、人工模擬降雨

22、系統(tǒng)根據(jù)火箭撬雨蝕試驗設(shè)施的布局450m,因系統(tǒng)管線較長,流體壓力損失較大,工況不均勻,擬將其分解成假設(shè)干套并列獨立的人工模擬降雨裝置,以15m 長x 2.2m 寬為一個獨立的人工模擬降雨單元,噴淋面積共33 nf,由單獨的水泵從水箱提供水源,將噴淋管道安裝在距離試驗物外表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),按噴淋試驗面積計算,噴 淋單元沿線30Xl5=450m兩側(cè)布置共60個單元.每個降雨單元裝有一套電子 數(shù)字閥裝置,獨立地進行就地限制,可以獲得某一種降雨強度的降雨.再由 60個這樣獨立的降雨單元組合而成,每個降雨單元的電子數(shù)字閥裝置統(tǒng)一由 一臺數(shù)字電子計算機遠程限制

23、. 形成系統(tǒng)統(tǒng)一降雨雨強的限制調(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84%以上.4.1人工模擬降雨裝置參數(shù)的實現(xiàn)在進行模擬降雨的性能檢測工作之前,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)計比擬和評價.1降雨強度目前我國的模擬降雨裝置的降雨強度限制主要是通過調(diào)節(jié)流量和限制壓 力來實現(xiàn)的.從雨滴發(fā)生器的兩個不同方式看,首先以噴頭為雨滴發(fā)生器的模 擬裝置,主要是通過選用不同的噴頭組合和不同的噴嘴直徑來實現(xiàn)不同雨強的 效果

24、.一般以噴頭為雨滴發(fā)生器的雨強范圍在 30150 mm/h,由于噴頭的工 作壓力,雨滴具有一定的初動能,雨強相應(yīng)要大 ；另外一種以小孔為雨滴發(fā)生 器的模擬裝置,小雨強的裝置主要是通過改變針號和針數(shù)來實現(xiàn)模擬較寬范圍 的降雨強度,大雨強的模擬裝置主要是通過調(diào)節(jié)供水量和調(diào)節(jié)振動臺的頻率來 實現(xiàn)不同雨強的效果.這種模擬降雨裝置的雨強范圍在2100 mm/ho根據(jù)我們的需要采用第一種方式來測量不同雨強下對實驗物的打擊力,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模擬降雨裝置的降雨分布均勻性測定一般方法是在降雨面上布 設(shè)一組雨量

25、筒多個作為測點,根據(jù)各個測點的降雨量,采用均勻性公式計算.3 .雨滴直徑大小和分布降雨雨滴的觀測,是研究天然降雨和人工模擬降雨特征及設(shè)計人工降雨裝置的一項重要工作.國內(nèi)外文獻報道的雨滴譜測量方法已很多. 如常見的雨滴 譜測試方法有色斑法、面粉團法、攝影法、沉浸法、雷達觀測法、光學(xué)雨量計 法等.攝影法能方便準(zhǔn)確的測出降雨的雨滴大小與分布情況,但高速攝影儀造價太高,一般人工模擬降雨試驗很難接受；浸入法適合于測定較小的霧滴,對 大雨滴不適用；面粉團法所需的測量儀器本錢低廉,測量成果較可靠,它適用 于高強度的降雨,但每次測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,

26、再高精度電子天平逐級稱量的過程, 在 野外使用很不方便,且不適用于測量粒徑太小的雨滴； 色斑法適合于各種人工 降雨試驗與野外天然降雨研究, 此法可以觀測到粒徑極小的霧滴,國內(nèi)多采用 此方法間接推算雨滴直徑,來了解各種降雨中的雨滴特性,該法由于操作簡單, 本錢低廉而在國內(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算方法：采用物體降落運動方程式,計算雨滴的降落速度.雨滴在空氣中下落過程,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動受到向上的空氣阻力的作用.最關(guān)鍵 的是雨滴降落終點速度,雨滴降落終點速度又叫雨滴末速度或雨滴的打擊速 度,是降雨動能的重要參數(shù)之一

27、.美國學(xué)者羅斯等人對天然降雨雨滴形成過 程的研究指出：天然降雨雨滴的分布,波動在06mm其相應(yīng)的終點速度為22.9mm/s,根據(jù)一些學(xué)者對雨滴下落速度研究,測定結(jié)果指出,具有初速度的 下噴式噴頭,降雨高度達2m,就可滿足不同直徑的雨滴獲得 22.9mm/4勺終點 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,所測定的雨滴直徑為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)是火箭撬雨蝕試驗設(shè)施的關(guān)鍵系統(tǒng).在2.2mx 450m的試驗彈道范圍內(nèi),擬分成60個規(guī)格一致的人工模擬降雨裝置單元,每個單元限制分就

28、地 限制和遠程集成限制.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架、噴頭擺動機械傳動系統(tǒng)、供回水系統(tǒng)、噴射裝置、限制系統(tǒng)等五大局部組成.1機架它是試驗裝置單元的支撐機構(gòu),它將裝置內(nèi)的噴頭擺動機械傳動系統(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 噴頭擺動機械傳動 系統(tǒng)它是將動力源從驅(qū)動電機傳動到擺動噴頭, 實現(xiàn)噴頭的間歇式擺動.其主 要組成包括：驅(qū)動電機、鏈輪傳動機構(gòu)、可控超越

29、離合器、四連桿機構(gòu)、聯(lián)動裝置及噴頭擺動機構(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.噴頭通過上水軟管與三通電磁閥的一個接 口連接,三通電磁閥另外兩個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)擺動的噴頭上； 三通電磁閥和光電 開關(guān)與測控系統(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)主要是對流量限制閥和電磁閥進行限制, 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,利用限制器對傳動系統(tǒng)可控 超越離合器和噴射裝置的限制,從而實現(xiàn)模擬降雨時間,雨強大小,雨滴速度 的限制.限制方式,對單個人工模擬降雨裝置單元,實施就地限制,對整個火 箭撬雨蝕試驗系統(tǒng),實施遠程集成限制.6 人工模擬降雨裝置工作原理限制系統(tǒng)上電后,啟動驅(qū)動電機并翻開進水閥門,啟動給水水泵,水以一 定壓力經(jīng)過上水主管流向噴頭出口,此時,噴射裝置中的三通電磁閥不同

31、電, 水經(jīng)過回水主管流回水箱,噴頭沒有擺動,即還沒有實現(xiàn)降雨.待水壓調(diào)節(jié)穩(wěn) 定在預(yù)定值后,選擇降雨強度檔位或管路系統(tǒng)和單雙次噴灑方式,啟動擺 動開關(guān),噴頭開始擺動,噴頭每擺動一次,光電開關(guān)就檢測到兩次信號,根據(jù) 限制程序的算法,當(dāng)噴頭在擺動過程中處于降雨區(qū)域時, 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)噴頭在擺動過程中處于非降雨區(qū)域 時,限制電路限制三通電磁閥不通電,水經(jīng)過電磁閥、回水主管流回水箱；由 于該降雨裝置多個噴頭聯(lián)動,所以將光電開關(guān)安裝在一個噴頭附近, 即可通過 對于一個噴頭的檢測來同時限制多個噴頭的降雨.噴頭擺動降雨的實現(xiàn)過程如下：驅(qū)動電機同鏈輪傳動和四桿聯(lián)動機構(gòu)

32、連接 到噴頭,實現(xiàn)預(yù)期的擺動角度和軌跡.限制器限制噴頭擺動的頻率,實際上是 限制可控超越離合器的離合狀態(tài), 以實現(xiàn)噴頭的間歇式擺動.降雨強度由噴頭 擺動的頻率決定.電機以某一轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn),限制器輸出24VDC勺脈沖信號拉 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 擺動的四桿相連,從而限制噴頭的擺動.限制器的脈沖信號決定了噴頭擺動的頻率和通電時間,也就決定了降雨的強度.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)生模擬降雨過程,降雨面積有擺動桿暴動角度 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(1)噴頭布局單個人工模擬降雨

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,通過兩套人工模擬降雨裝置對應(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)閥過濾器 t頂部供水管路在實驗過程中,為了模擬雨強變化范圍寬、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,分別有三個不同直徑的噴頭組成,組 成一個噴頭組.四個噴頭組空間上3重重合疊加,形成一個雨強均勻的降雨區(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 似的人工自動模擬降雨,可進行15- 120mm/h的各種雨強模擬降雨,均勻 度大于0.8.噴頭型號為：FULLJET®,特點如下：(2)供水管路的布局和設(shè)計各管路測控部件采用法蘭盤連接,以方便維護,頂部管路及噴頭布設(shè)結(jié)構(gòu)圖如下:設(shè)計如上,主供水管采用一側(cè)平衡供水,頂部噴頭供水管采用3個不同 規(guī)格疊加的供水管路,管道分為三個層面,每個層面為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.揚程：10米60臺2水箱1500 X150060個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4管材PP® 100mm450米5管材PP® 80mm450米6管材PP® 65mm450米廳P名 稱型 號數(shù)量單位7管材PP® 15mm900米8自動報警液位 計GSKS 干 X2只9電磁閥2700只10軟管 65mm3000米11三通電磁閥C653000只五、火箭撬雨蝕試驗設(shè)施技術(shù)指標(biāo)的檢測5.1、新型閉環(huán)反應(yīng)逼近限制算法本設(shè)計方案采用1套最新的配裝

36、式高靈敏度雨量計,獲得降雨現(xiàn)場實時動 態(tài)實際降雨強度值,以此實際降雨強度平均值為反應(yīng)限制信號與實驗設(shè)定雨強 比照,結(jié)合新型反應(yīng)調(diào)控算法在整個降雨期反復(fù)無窮逼近設(shè)定的雨強值.這樣即可自動得到真實、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的降雨過程.限制方法的流程框圖如下：評價：此方案以現(xiàn)場實際實時動態(tài)雨強為反應(yīng)限制信號, 可實時監(jiān)控實驗 區(qū)各監(jiān)測點的雨強分布及平均值, 不但可省略實驗前的人工率定過程, 而且實 驗過程中可隨時得知當(dāng)時雨強值,人工手動操作可隨時干預(yù)降雨限制過程.新型閉環(huán)反應(yīng)逼近限制算法： 為準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的進行降雨過程限制, 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為線性關(guān) 系.其次假設(shè)；實驗要求雨強為Yo,現(xiàn)場無線自計雨量計的當(dāng)前實際雨強平均值,簡稱當(dāng)前雨強為Yx,其相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前位置的驅(qū)動電流值,簡稱當(dāng)前驅(qū)動電流為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)的雨強變化為YmaxY0相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流為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))雨強相應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥驅(qū)動電流推算值為Ix.以分十步逐步逼近設(shè)定雨強計算,那么在流量調(diào)節(jié)閥當(dāng)前根底上調(diào)節(jié)步長為：(Ix- Ix 0) /10當(dāng)完成此步長調(diào)節(jié),并經(jīng)消除系統(tǒng)滯