CN101539388B - 基于动量传递原理的模拟水下发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动量传递原理的模拟水下发射装置，包括发射机构和水箱，发射机构包括气动驱动装置和导向膛管，导向膛管的前端与气动驱动装置气密连接，后端和水箱气密连接，导向膛管内自前到后依次设置动量杆和动量传递杆，紧贴动量传递杆的后端设置有弹丸，弹丸置于水箱中，气动驱动装置驱动动量杆在导向膛管中加速移动，并通过在动量传递杆中产生的应力波将弹丸发射出去，通过水箱内和导向膛管上设置的测量装置对弹丸的实验参数进行测量，水箱内还设置有防止弹丸击穿水箱的缓冲部件。本发明的模拟水下发射装置，模拟水下发射更加真实，并且结构简单便于操作，省去了弹丸的加速距离，令水下模拟实验不受环境的影响在室内即可进行。

Description

基于动量传递原理的模拟水下发射装置

技术领域

本发明涉及一种在水箱中模拟弹丸在水中动力学性质的水下发射装置。

背景技术

在现代的国防科技中，水下武器的发展越来越成为各国关注的焦点，随之而来的一系列水下中高速运动物理的水动力学性质测试也备受各国学术界的关注。目前对于这类问题理论上已经有了很大的发展，为了验证各种理论的可靠性，建立模型实验是最直接也是最可靠的途径。为了使水下物体获得很高的运动速度，一般应有很长的水下加速距离才能实现，这也就意味着需要大尺度的水下环境，这对于模型实验是一很大的弊端。本文通过应用动量传递原理及应力波基础，能够使水下物体瞬间获得很高的速度(30-40)，从而省去了加速距离，并提供了准确的物体速度初始条件。但在水下物体获得高速的同时，由于水体的阻力系数，使物体在刚开始的阶段速度衰减很快，这就要求外部输入能量要比水下物体获得的能量高，本文通过实验模型确定了两者能量的对应关系，并在理论上给出能量损失机制，最后通过建立数值模拟模型，通过与实验数据的对比，验证了该能量损失机制的正确性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够使弹丸在水下瞬间获得很高速度，从而省去弹丸的加速距离的弹丸发射装置，该装置模拟弹丸水下发射更加真实，并保证实验测得弹丸在水下的动力学性质更加准确的水下模拟发射装置。

为实现上述目的，本发明基于动量传递原理的模拟水下发射装置，包括发射机构和水箱，发射机构包括气动驱动装置和导向膛管，所述导向膛管的前端与所述气动驱动装置气密连接，后端和水箱气密连接，导向膛管内自前到后依次设置动量杆和动量传递杆，紧贴动量传递杆的后端设置有弹丸，所述弹丸置于水箱中，气动驱动装置驱动所述动量杆在导向膛管中加速移动，并撞击所述动量传递杆通过在动量传递杆中产生的应力波将弹丸从水箱中发射出去，通过水箱内和导向膛管上设置的测量装置对弹丸的实验参数进行测量，其中动量杆、动量传递杆和弹丸三者的直径相同，水箱内还设置有防止弹丸击穿水箱的缓冲部件。

进一步，所述气动驱动装置包括高压气室和阀门，所述导向膛管的前端与所述高压气室连通，通过所述阀门控制高压气室中的高压气体进入到导向膛管中，驱动所述动量杆在导向膛管中移动。

进一步，所述阀门由所述导向膛管的前端径向上设置的通孔和导向膛管内设置的活塞配合构成，所述活塞的直径与导向膛管的内径相同，活塞块将所述通孔堵住，将所述高压气室和导向膛管之间密封。

进一步，所述导向膛管的轴线方向在通孔两侧设置有左、右密封圈。

进一步，所述动量传递杆为一根长杆或多段短杆拼接成一整体，该动量传递杆的每段直径大小相同，动量杆、动量传递杆和弹丸三者的材料相同。

进一步，所述导向膛管由动量杆容置段和弹丸容置段构成，所述动量杆容置在动量杆容置段中，所述动量传递杆架设在动量杆容置段和弹丸容置段之间，所述水箱的一侧设置有通孔，通过该通孔将所述弹丸容置段与水箱气密连接，并与固定顶板一起将弹丸容置段夹持固定在水箱上。

进一步，弹丸容置段与固定顶板夹持部位水箱侧壁夹持部位设置有橡胶垫。

进一步，所述弹丸容置段的径向上设置有角度调节装置，该角度调节装置为穿过弹丸容置段的调节螺钉，通过调节螺钉拧入或松出调节弹丸容置段的角度。

本发明的模拟水下发射装置，通过气动驱动装置使动量杆撞击动量传递杆产生的应力波驱动弹丸在水箱内瞬间获得很高速度发射出去，模拟水下发射更加真实，并且结构简单便于操作，省去了弹丸的加速距离，令水下模拟实验不受环境的影响在室内即可进行。

附图说明

图1为本发明基于动量传递原理的模拟水下发射装置的示意图；

图2为本发明实施例2中模拟水下发射装置示意图；

图3为本发明的动量杆和动量传递杆对撞模型的示意图；

图4为本发明的动量杆和动量传递杆的坐标图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明基于动量传递原理的模拟水下发射装置，包括发射机构1和水箱2，发射机构1包括高压气室11和导向膛管12，高压气室11中通有一定压力的气体，导向膛管12的前端置入高压气室11中，并且其前端口与高压气室12内壁之间气密连接，导向膛管12沿其轴线方向贯穿高压气室11，与高压气室11的接缝部位设置密封圈；导向膛管12内设置活塞13和动量杆14，其中活塞13和动量杆14的截面直径与导向膛管12的内径大小相同，可在导向膛管12内左右移动，导向膛管12前端的径向上设置有与高压气室11相连通的通孔121，活塞13堵住通孔121，使高压气室11内的气体无法从通孔121进入导向膛管12中，为了保证活塞13和通孔121处的气密性，还在活塞13的两侧设置了密封圈122，保证活塞13在没有力的作用下不会在导向膛管12内移动而出现误操作；水箱2的侧壁上设置有供导向膛管12与水箱2连接的通孔，水箱2的通孔中套装支承筒21，为了保证水箱2与支承筒21之间气密连接，在支承筒21的内壁上设置有两道密封圈，动量传递杆15两端架设在导向膛管12和支承筒21中，动量传递杆15可以为一根长杆或者为多段短杆紧密接合而成，并且动量传递杆15上每一段的截面直径保持与导向膛管12和支承筒21的内径大小相同，动量传递杆15在杆支承筒21端，紧贴动量传递杆15设置有与其内径相同的弹丸16，弹丸16、动量传递杆15和动量杆14三者的材料相同。支承筒21在其径向方向上具有侧翼，通过支承筒21和固定顶板22将支承筒21与水箱2一侧夹固，支承筒21和固定顶板22夹持部位之间设置橡胶垫23，水箱2内和导向膛管12出口处设置有对应设置有测速装置17、123，其中，测速装置123用于测量动量杆14的速度，测速装置17用于测量弹丸16在水箱2内发射速度，为了防止弹丸16射出后将水箱2击穿，在水箱2的另一侧壁上设置有缓冲部件24。动量传递杆15架设在导向膛管123和支承筒211之间，应尽可能使动量传递杆15与导向膛管12和支承筒211在同一轴线上，支承筒21的侧翼上设置了调节螺钉211，通过调节螺钉211拧入或松出调节支承筒211的角度，保证支承筒211的轴线与导向膛管12对正。导向膛管12也可以直接通过水箱2上的通孔与水箱2气密连接，动量传递杆15容置在水箱2外部的导向膛管12中，如此省去了支承筒211和调节装置21。

实施例2：

如图2所示，本发明的模拟水下发射装置，气动驱动装置为高压气室11和阀门111，通过阀门111开闭控制向导向膛管12中注入高压气体，本发明的其它部件均与实施例1中相同。

以下介绍模拟水下发射装置的实验原理：

为了减少外界因素对发射体速度的影响及理论计算的简化，我们采用了细长杆的对撞模型，如图3和4所示模型做了如下假设和限制：

1、假设各段杆材料相同并且质量连续均匀分布；

2、每个杆都为等直径杆，并且每个杆截面积都相等；

3、R＜10L，可以近似采用一维模型，杆中传播的是一维应力波；

4、忽略界面处摩擦效应产生的能量损耗，所有能量都以波动形式传播；

5、 $V\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{2{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0},$ 这样可以保证杆中传播的为一维弹性波，各部分杆不发生塑性变形；

以撞击时刻为初始时刻t₀＝0，撞击位置x＝0，根据强间断面上动量守恒条件

$\mathrm{d\σ}=\stackrel{-}{+}{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0\mathrm{dv}$

其中ρ₀为材料密度，c₀为弹性波速。

杆L₁与L₂在t₀＝0发生碰撞，之前L₁质点速度为v₁＝v、σ＝0，L₂质点速度v₂＝0、σ＝0，在发生碰撞瞬间，碰撞面出应满足强间断面上的动量守恒，设碰撞后的间断面上的质点速度为v_e，应力为σ_e，由碰撞间断面S₁₂左右两侧应力相等得到

σ_e＝-ρ₀c₀(v_e-v₂)＝ρ₀c₀(v_e-v₁)

带入上述边界条件，解得

$v_e=\frac{V}{2}$

${\mathrm{\σ}}_e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_{0}V}{2}$

也就是说在t₀＝0时刻同时向L₁和L₂开始传播幅值为 ${\mathrm{\σ}}_e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_{0}V}{2}$ 的左行强间断应力波和右行强间断应力波，在t＝L₁/c₀时刻，L₁中传播的左行应力波到达自由面开始反射右行卸载波。在t＝2L₁/c₀时刻，卸载波到达x＝0处，面上应力和速度都卸载为0，撞击过程结束。在L₂中则传播着波长为2L₁，幅值为 ${\mathrm{\σ}}_e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_{0}V}{2}$ 的应力脉冲。在t＝L₂/c₀，应力脉冲到达L₂与L₃的交界面，由于两杆的波阻抗和横截面积都相同，应力脉冲将不会发生反射而毫无阻碍的向L₃中传播。同样，在L₃右端处，应力脉冲将发生自由面反射，向左传播左行卸载波，当满足条件L₃≥L₁的情况下，在t＝L₃+2L₁/c₀时刻，左行卸载波还未到达交界面的S₂₃，而应力脉冲已经全部进入L₃中，S₂₃处应力和速度都卸载为0，撞击结束。

至此，L₁杆的动量全部传入L₃，L₃杆中传播着脉冲宽度为2L₁，幅值为 ${\mathrm{\σ}}_e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_{0}V}{2}$ 的应力脉冲，总的动量为

$I=S_{12}\·2L_1\·V/2=M_{L_1}V$

由于横向惯性的影响，在L₃中传播的应力脉冲将发生弥散效应，脉宽将逐渐增大，经过n次自由面反射过后，应力脉冲将全部转化为L₃的动量，即

$I=M_{L_1}V=M_{L_3}{V}_1$

L₃最终的速度为V₁，n主要取决于R/L₁，在上述杆径限制的情况下，n大概在10-15次之后动量会平均，那么平均时间T为

$T=\frac{n{L}_3}{c_0}$

取L₃为200mm，c₀为5000m/s，T的量级大概为400-600μs。也就是说，通过上述动量传递原理，能在水下400-600μs的时间内获得稳定的速度V₁。

Claims (8)

1.基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，包括发射机构和水箱，发射机构包括气动驱动装置和导向膛管，所述导向膛管的前端与所述气动驱动装置气密连接，后端和水箱气密连接，导向膛管内自前到后依次设置动量杆和动量传递杆，紧贴动量传递杆的后端设置有弹丸，所述弹丸置于水箱中，气动驱动装置驱动所述动量杆在导向膛管中加速移动，并撞击所述动量传递杆通过在动量传递杆中产生的应力波将弹丸从水箱中发射出去，通过水箱内和导向膛管上设置的测量装置对弹丸的实验参数进行测量，其中动量杆、动量传递杆和弹丸三者的直径相同，动量杆和动量传递杆的截面直径与导向膛管的内径大小相同，水箱内还设置有防止弹丸击穿水箱的缓冲部件。

2.如权利要求1所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，所述气动驱动装置包括高压气室和阀门，所述导向膛管的前端与所述高压气室连通，通过所述阀门控制高压气室中的高压气体进入到导向膛管中，驱动所述动量杆在导向膛管中移动。

3.如权利要求2所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，所述阀门由所述导向膛管的前端径向上设置的通孔和导向膛管内设置的活塞配合构成，所述活塞的直径与导向膛管的内径相同，活塞块将所述通孔堵住，将所述高压气室和导向膛管之间密封。

4.如权利要求3所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，所述导向膛管的轴线方向在通孔两侧设置有左、右密封圈。

5.如权利要求1所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，所述动量传递杆为一根长杆或多段短杆拼接成一整体，该动量传递杆的每段直径大小相同，动量杆、动量传递杆和弹丸三者的材料相同。

6.如权利要求1所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，所述导向膛管由动量杆容置段和弹丸容置段构成，所述动量杆容置在动量杆容置段中，所述动量传递杆架设在动量杆容置段和弹丸容置段之间，所述水箱的一侧设置有通孔，通过该通孔将所述弹丸容置段与水箱气密连接，并与固定顶板一起将弹丸容置段夹持固定在水箱上。

7.如权利要求6所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，弹丸容置段与固定顶板夹持部位水箱侧壁夹持部位设置有橡胶垫。

8.如权利要求6所述的基于动量传递原理的模拟水下发射装置，其特征在于，所述弹丸容置段的径向上设置有角度调节装置，该角度调节装置为穿过弹丸容置段的调节螺钉，通过调节螺钉拧入或松出调节弹丸容置段的角度。

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