拋射角度對拋繩器發射距離影響試驗分析

范錦龍

摘要：根據作業需要不同，拋繩器可應用于水上救援、山上救援、消防救援、船舶補給、船舶系泊、特種部隊突擊救援等領域，各種環境下拋繩器的應用功能基本一致。

本文研究是，作業中拋繩器拋射角度對拋射距離的影響，實驗采用一種廣泛應用的綠色環保節能的氣動式拋繩器，其可采用電磁控制發射，工作氣壓、拋射角度可調節、后坐力可緩沖吸收、高響應的閥體速度使得高壓氣體有效轉換成彈體的飛行動能。通過控制變量采集數據，MATLAB分析數據間的關系，得出拋繩器發射角（拋繩器發射筒的軸線與水平線之間的夾角）與拋射距離之間的關系。

關鍵詞：拋繩設備;引纜;氣動式拋繩器;拋射角度;拋射距離

一、本文研究的背景及意義

船舶在海上遇險后，需要進行必要的緊急救援，由于海況惡劣等條件，救助拖輪很難靠上遇險船舶，最常用的救助方法就是通過在救助船和遇險船之間用柔性引纜鏈接，通過引纜掛上強度更大的拖帶主纜繩，一般有兩種方式：一是利用直升機帶纜，另一種是拖帶救助，救助前需要使遇險船在有利的風向位置上，從后甲板逐漸靠近遇險船，便于通過拋繩器拋射引纜繩。在大風大浪等惡劣海況下，直升機救援有一定的局限性，受氣流影響容易碰到船舶，存在危險。而采用拖帶救助是最有效的救助方法，首先，需要拋繩器拋射引纜到達遇險船舶，在救助船和被救助船之間建立起引纜，相對來說安全性高，通過調節拋射角度、拋射氣壓等變量可實現準確引纜，掛主纜，短時間內對失事船舶實施拖帶救助，引纜的成功與否直接影響到最終救助成功與否，當下，利用拋繩器引纜是救援當中應用最廣泛的方式，快捷且有效的引纜能夠為成功救助爭取足夠的時間，提高救助的成功率。

二、實驗設備簡介

1.實驗原理

本文實驗采用的為大連海事大學的科研團隊研發的二代改進型拋繩器，通過測試拋射角度的變化對拋射距離的影響。

本次實驗采用的是一款電磁控制發射、工作氣壓、拋射角可調控的改進型二代氣動式拋繩器，氣動拋投器是根據空氣動力學原理：空氣作用力是機械力的一種，由物體與流體間的接觸相互作用而產生，物體受氣流作用產生升力。氣動拋繩器采用高壓氣體為動力，將壓縮空氣的快速膨脹所產生的能量轉化成彈頭的動能，這款拋繩器穩定性高，一定程度上降低了作業的危險性。

實驗所用拋繩器采用直動式電磁閥（通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開;斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉），通過控制一路高壓氣體的通斷來間接控制拋繩器控制閥的氣路切換，電磁閥與控制閥的配合實際上相當于一個組合型的先導電磁控制換向閥，直動式電磁閥充當先導閥，拋繩器控制閥作為主閥，其間的高壓軟管作為先導氣路^[5]。

拋繩器工作壓力的調節可以通過以下實現：引入一輸出壓力可調的高壓氣動減壓閥布置在氣控箱內，氣瓶內高壓氣體經減壓閥減壓后經高壓軟管進入拋繩器主腔體。

二代拋繩器（如圖1.1）仍然采用一代拋繩器組裝模式，由氣控箱和拋繩器本體兩大部分組成，通過高壓金屬軟管連接。氣控箱作為一設備集成件，結構設計及設備布局較為簡單。其支架尾部采用了緩沖裝置，緩沖機構主要由緩沖支座、油壓緩沖器、連接塊、連桿等組成，連桿和連接塊的設計保證了緩沖器頂桿不承受非軸向力。拋繩器上架設了帶反饋的數顯角度儀、精確測量并反饋拋射角度，在拋繩器上加設一支架框，便于拋射角度的調節。

結構組成：

底座角鋁銷座支撐架蝶形螺栓支撐架滑道角度儀座。

2.氣控箱原理圖

拋繩器的氣源及氣壓監控系統由氣控箱集氣瓶、減壓閥、截止閥及壓力數顯表等于一體，通過高壓金屬軟管與拋繩器相連。

本次實驗選擇的實驗設備集成了能夠反映風向、風速的數顯風向儀，實時記錄拋射時刻的風向、風速情況;能夠通過激光測距的的測距儀，實現精確測量拋繩器拋射彈頭的距離，以及用米尺測量拋射彈頭的實際落地點與拋射點的橫向距離偏差;能夠通過數顯角度儀測量拋射時的拋射角度;通過氣控箱能夠準確的控制拋射時的氣體擊發壓力，氣控箱和拋繩器通過兩條高壓軟管連接，裝配簡單，容易操作。拋射距離與彈體的類型、纜繩的類別有很大關系，帶纜與不帶纜的拋射距離有很大區別，所以在本次實驗中，對比了帶纜和不帶纜的情況下拋繩器拋射彈體的距離，選擇不同的彈體（花彈、短彈、長彈）進行分組實驗，另外，拋射時選擇的管的類型（長管、短管）對拋射距離也有影響，這些不同的變量在試驗中都有所考慮。采用控制變量的方法對比實驗數據，得出相關結論。

三、拋繩器試驗

1.試驗設備

2.試驗流程

將撇纜槍與地面固定;用高壓軟管分別連接高壓氣瓶與氣控箱、氣控箱與撇纜槍，打開氣瓶閥氣瓶內的高壓氣體進入氣控箱，打開氣控箱上手動截止閥，調節減壓閥壓力至所需壓力，撇纜槍上電磁閥通電即完成一次擊發。

實驗流程圖

實驗變量：壓力，拋射角度，槍管（長、短），彈體（長、短、花）;

實驗測量量：拋射距離，拋射角度，偏差距離，風向、風壓，氣體壓力;

實驗內容：實驗分為幾組不同的實驗，分別測試拋射距離以及拋射偏差距離在固定壓力、不同拋射角度、槍管（長、短）、彈體（長、短、花）下的情況，并記錄實驗數據進行分析。

（1）測試拋繩槍管對拋射距離和偏差的影響

①在30°拋射角、使用長彈體下，測試長槍管分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

②在30°拋射角、使用長彈體下，測試短槍管分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

（2）測試拋繩彈體對拋射距離和偏差的影響

選取第一組實驗中測試效果較好的槍管進行實驗：

①在26°拋射角下，測試長彈體分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

②在26°拋射角下，測試短彈體分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

③在26°拋射角下，測試花彈體分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

（3）測試風向、風速對拋射距離和偏差距離的影響

選取第一組實驗中測試效果較好的槍管及第二組實驗測試效果較好的彈體進行實驗，

①在0m/s風速，風向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

②在1m/s風速，風向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

③在2m/s風速，風向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

④在3m/s風速，風向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

⑤在4m/s風速，風向315度下，測試分別在2MPa～7MPa的激發壓力時拋射距離及偏差距離的數據并記錄;

注：由于拋射仰角變化可能對拋射距離影響較大，所以需根據實際情況調節拋射角的變化。

（4）測試激發壓力對拋射距離和偏差距離的影響

選取第一組實驗中測試效果較好的槍管、第二組實驗測試效果較好的彈體及第三組實驗中測試效果較好的風速、風向進行實驗，分別測試激發壓力為2.5MPa、3MPa、5MPa、7MPa時的數據。

（5）測試引纜繩對拋射距離和偏差的影響

在前四組的實驗基礎上選取良好的實驗條件分別測試帶纜繩和不帶纜繩時拋射距離和偏差距離。

實驗結果需要測試出拋射效果較好的彈體形狀及拋射槍管，并繪制出拋射距離及偏差距離在不同拋射角度下的散點圖。由于風速風向不可控，所以要根據實際情況具體設定風力的測試實驗。

3.實驗數據采集及分析

實驗第一步，先盲測多組數據，不同的管型（長管、短管），彈型（短彈、表面光滑的長彈、表面帶槽的長彈），彈體是否帶纜，實驗過程中，場地風向基本沒有變化，風速在小范圍內波動，拋射角度保持基本不變，拋射激發壓力選定在2～8MPa之間。采集數據如下表3.2：

表3.2數據分析目的主要在于選擇合適的彈體和管型，對表中四種不同情況下（短管短彈、長管短彈、長管和表面光滑的長彈、長管和表面帶槽的長彈）拋射距離分析，繪制如下折線圖3.3：

按照圖中不同組合分布來看，由于帶槽的彈體飛出去在空中旋轉幅度較大，可能是由于彈體表面開槽的原因，彈體受風力作用明顯。長管短彈、長管長彈的實驗效果較理想，彈體空中姿勢平穩。所以試驗中數據采集選用的短彈和長彈來做實驗。

上述實驗數據采集中，第一組實驗針對的是槍管型狀為短管、彈型為短彈、彈頭帶纜的情況下，在風向為315度，風速2.5m/s、激發壓力為3MPa時測試多組不同角度下拋繩器拋射彈頭的距離及橫向偏差距離。

第二組實驗針對的是長管短彈、不帶纜的情況下，在風向為315度，風速2.2m/s、激發壓力為3MPa時測試多組不同角度下拋繩器拋射彈頭的距離及橫向偏差距離。

由MATLAB數據分析軟件分別處理第一組數據^[7]：

得到拋繩器拋射角度與拋射距離的散點分布圖關系：

由MATLAB數據分析軟件分別處理第二組數據^[8]：

得到拋繩器拋射角度與拋射距離的散點分布圖關系：

由表3.2發現：

帶纜和不帶纜情況下，彈體旋轉幅度和拋射距離有不同之處，帶纜距離比不帶纜拋射距離小，光彈不帶纜繩，飛行阻力較纜彈小，不帶纜的射程大于纜彈射程，光彈拋射時在空中發生翻滾旋轉幅度大;帶纜的彈體在飛行過程中，纜繩受風的作用力很明顯，進而對彈體產生拉力，所以射程較光彈射程小，但由于纜繩系于彈尾，彈體飛行過程中翻滾不明顯，飛行穩定。

二代拋繩器的可調角度范圍在：20°～41°之間，實驗過程中在區間內設置多組角度值，測試不同角度下拋繩器拋射距離值。

發現短管短彈在帶纜的情況下，激發壓力為3MPa時，拋射角度在34度左右距離最遠，可達到109M，偏差距離≤射程的10%，在允許誤差范圍內。

此外，長管短彈在不帶纜的情況下，激發壓力為3MPa時，拋射角度也在34度左右距離最理想，可達到140M，偏差距離≤射程的10%，在允許誤差范圍內。

對比發現：不帶纜的彈頭拋射距離不會受到纜繩的牽拉影響，所以拋射更遠;實驗過程中發現彈頭帶纜，纜繩受風速影響進而影響到彈頭的軌跡，繩子打結、飛行過程中阻力的存在都會對拋射距離存在影響。彈頭在拋射前在槍管內的狀態是否頂到底部也會對拋射狀態產生一定影響。

對長管、表面光滑的彈體進行試驗：

不難看出，發現長管長彈在帶纜，激發壓力為3MPa時，風向穩定，風速幾乎為零的情況下，拋射角度在28度左右距離最遠，可達到152M，偏差距離≤射程的10%，在允許誤差范圍內，此時彈體飛行狀態平穩，無翻滾現象。

四、結論

論文結合實驗數據探討了拋繩器拋射角度對拋射距離的影響，實驗采用的是大連海事大學科研團隊設計的第二代新型拋繩器，拋繩器整體性能優良，可調角度范圍在20～40°之間，通過實驗采集到多組角度實驗數據，拋射角度變化時，控制激發氣體壓力保持在固定值，風向、風速等因素通過數顯儀觀察風向風速穩定在一定幅度內，進行拋射。對數據分析找到二代拋繩器拋射角度和拋射距離的關系，對日后拋射提供數據參考依據。

參考文獻

[1] 劉浪波. 新型拋繩器設計及試驗研究[D].大連海事大學，2013.

[2] 中國拋繩器行業分析報告（報告庫2012）千訊（北京）信息咨詢有限公司

[3] 熊偉，王志文，王海濤，王祖溫.海上救助拋繩裝備研究[J].液壓與氣動，2014，07：1-6.

[4] 王海濤，劉浪波，熊偉. 氣動拋繩器的改進設計[J]. 液壓與氣動，2013，04：110-112.

[5] 黃小潔. 基于MATLAB的數學實驗系統的實現及應用[D].南昌大學，2012.