CN106932171B - 一种跨介质航行器入水及出水测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其包括实验水箱、配重块、支撑架、可控伸缩机构、直线电机平台及、倾角测量仪、直线电机平台承载架、出入水组件、出入水模型、数据采集系统、高速动态摄像系统以及计算机设备，出入水组件包括自由入水组件、强迫入水组件、自由出水组件和强迫出水组件。本发明可以实现跨介质航行器模型在不同角度和初始速度下的入水和出水试验，可以对跨介质航行器模型的入水和出水初始速度及角度进行精确调控，满足初始速度从0m/s～20m/s的入水和出水及角度从接近0°～90°的入水和出水试验，能够实现跨介质航行器模型自由入水、自由出水、强迫入水、强迫出水等不同入水及出水方式的模拟试验。

Description

一种跨介质航行器入水及出水测试系统

技术领域

本发明涉及一种结构物入水和出水测试系统领域，具体涉及到一种跨介质航行器模型可变角度、可变速度的出水和入水测试系统。

背景技术

跨介质航行器既可以在空中飞行，又能在水下潜行的一种两栖航行器，近几年来成为国际军事领域研究的一个新热点。航行器在穿越自由表面过程中机体表面结构是否会受到破坏，航行器是否能保持理想的飞行状态等，都是不可忽略的问题，跨界质航行器入水和出水问题是其设计过程所需解决的关键技术问题之一。水和空气的物理性质存在很大差异，海水和空气的密度相差800倍，动力粘性系数相差60倍，因此飞行器在穿越水面过程表面压强的变化尤为剧烈和复杂。机体冲出自由面瞬间，会产生－种抨击现象，使得流场瞬间剧烈变化，引起较大的水动力，机体还会受到较大的扭转力作用。开展此研究，需要专用的出水及入水测试系统。

航行器入水和出水的速度和角度以及飞行姿态等均为入水及出水技术研究中考虑的重要参量。针对跨介质航行器入水及出水过程中的关键技术研究需要，本发明提出了一种可变角度、可变速度的出水和入水测试系统，可实现关键参量的动态测量与分析。

发明内容

本发明提出的跨介质航行器入水及出水测试系统，既能实现结构物的自由入水和强迫入水试验又能完成结构物的自由出水和强迫出水试验，且能够精确调节结构物的初始入水和出水速度及入水和出水角度，满足初始速度从0m/s至20m/s的入水和出水及角度从接近0°至90°的入水和出水试验。

本发明包括实验水箱、配重块、支撑架、可控伸缩机构、直线电机平台、倾角测量仪、直线电机平台承载架、出入水组件、出入水模型、数据采集系统、高速动态摄像系统以及计算机设备，所述实验水箱放置于支撑架下部凹陷结构内，所述配重块置于支撑架底部横梁上，所述伸缩机构一端通过活动铰链支座安装在支撑架上，另一端通过活动铰链安装在直线电机平台托架上，所述直线电机平台托架一端通过转轴安装在支撑架突出的横梁上，另一端通过紧固件组固定在固定架上，所述固定架固接在支撑架上，所述直线电机平台安装在直线电机平台托架上，所述出入水组件安装在直线电机平台移动滑块上，所述倾角测量仪安装在直线电机平台托架侧面。高速动态摄像系统设置在实验水箱旁，高速动态摄像系统从两不同的方向捕捉出入水模型在入水和出水过程中界面的变化情况，并将动态视频数据保存到计算机设备中进行分析处理；安装在出入水模型内部的传感器同步采集自由入水或出水过程的实验数据，经数据采集系统传送至计算机设备进行处理。

所述出入水组件分为自由入水组件、强迫入水组件、自由出水组件和强迫出水组件。

所述自由入水组件包括安装在移动滑块上的出入水支撑杆座、安装在出入水支撑杆座端部的可拆卸自由入水支撑管、安装在可拆卸自由入水支撑管端部的中空的电磁吸附装置及连接出入水模型与可拆卸自由入水支撑管的弹性牵引线。

所述强迫入水组件包括安装在移动滑块上的出入水支撑杆座、安装在出入水支撑杆座端部的可拆卸强迫入水支撑管及连接可拆卸强迫入水支撑管与出入水模型的六分力传感器。

所述自由出水组件包括安装在移动滑块上的出入水支撑杆座、安装在出入水支撑杆座端部的可拆卸自由出水支撑杆、安装在可拆卸自由出水支撑杆端部的中空的环形电磁铁及连接出入水模型与可拆卸自由出水支撑杆的弹性牵引线。

所述强迫出水组件包括安装在移动滑块上的出入水支撑杆座、安装在出入水支撑杆座端部的可拆卸强迫出水支撑杆及连接可拆卸强迫出水支撑杆与出入水模型的六分力传感器。

本发明的有益效果：

本发明可以实现跨介质航行器模型在不同角度和初始速度下的入水和出水试验，可以对跨介质航行器模型的入水和出水初始速度及角度进行精确调控，满足初始速度从0m/s至20m/s的入水和出水及角度从接近0°至90°的入水和出水试验，能够实现跨介质航行器模型自由入水、自由出水、强迫入水、强迫出水等不同入水和出水方式的模拟试验，本发明操作简单，广泛适用于各种工况，同时能够快速有效的获得包括跨介质航行器模型出水和入水的动态阻力、力矩、速度、加速度、等各种试验数据及入水和出水过程的界面变化过程等，为介质航行器的设计提供强有力的数据和理论支撑。

附图说明

图1为本发明的总体结构立体示意图。

图2为直线电机平台及直线电机平台承载架结构示意图。

图3为可控伸缩机构结构示意图。

图4为支撑架结构示意图。

图5为自由入水组件结构示意图。

图6为强迫入水组件结构示意图。

图7为自由出水组件结构示意图。

图8为强迫出水组件结构示意图。

图中：1.实验水箱，2.配重块，3.支撑架，4.可控伸缩机构，5.倾角测量仪，6.直线电机平台，7.直线电机平台承载架，8.出入水组件，9.出入水模型，10.数据采集系统，11.计算机设备，12.高速动态摄像系统，13.固定架，14.直线电机平台托架，15.紧固组件，16.移动滑块，17.线性导轨，18.转轴，19.活动铰链，20.活动铰链，21.出入水支撑杆，22.可拆卸自由入水支撑管，23.电磁吸附装置，24弹性牵引线，25.可拆卸强迫入水支撑管，26.六分力传感器，27.可拆卸自由出水支撑杆，28.可拆卸强迫出水支撑杆。

具体实施方式

结合图1至图8所示，本发明包括实验水箱1、配重块2、支撑架3、可控伸缩机构4、直线电机平台6、倾角测量仪5、直线电机平台承载架7、出入水组件8、出入水模型9、数据采集系统10、高速动态摄像系统12以及计算机设备11。

实验水箱1由透明玻璃或透明亚克力材料粘结而成，实验水箱1放置在支撑架3下部凹陷结构内，这样可以使得出入水模型9入水或出水时尽量发生在水面的中心位置减小水箱壁面对试验的影响；配重块2安置在支撑架3底部横梁上，起到稳定实验平台的作用；可控伸缩机构4采用液压油缸，其液压油缸一端通过活动铰链支座20安装在支撑架3上，液压油缸另一端通过活动铰链19安装在直线电机平台托架14上，需要说明的是，本发明的可控伸缩机构并不仅限于上述实施案例，也可采用电动伸缩杆铰链连杆伸缩机构等；直线电机平台托架14采用标准铝型材连接而成，直线电机平台托架14一端通过转轴18安装在支撑架3突出的横梁上，直线电机平台托架14另一端通过紧固组件15固定在固定架13上，紧固件组15选用标准的角件、螺栓、滑块螺母等；固定架13使用标准铝型材连接而成，通过如图2所示，固定架13的八个端面固接在支撑架3上；直线电机平台6可以根据负载和加速度大小等要求选择合适的型号，直线电机平台6安装在直线电机平台托架14上；出入水组件8安装在直线电机平台6的移动滑块16上，可以跟随移动滑块6的运动实现整个出入水组件8的运动；倾角测量仪5采用电子数显倾角仪或数显水平仪，其安装在直线电机平台托架14的侧面，可以方便的读取倾角变化。

本发明中，出入水组件8可以分为自由入水组件、强迫入水组件、自由出水组件和强迫出水组件，这四种组件替换使用，可以完成不同模拟工况条件下的试验要求。

如图5所示，自由入水组件包括安装在移动滑块16上的出入水支撑杆座21、安装在出入水支撑杆座21端部的可拆卸自由入水支撑管22、安装在可拆卸自由入水支撑管22端部的中空的环形电磁铁23及连接出入水模型9与可拆卸自由入水支撑管22的弹性牵引线24，自由入水组件可以实现出入水模型9以设定的初始速度及入水角度自由入水。

如图6所示，强迫入水组件包括安装在移动滑块16上的出入水支撑杆座22、安装在出入水支撑杆座22端部的可拆卸强迫入水支撑管25及连接可拆卸强迫入水支撑管25与出入水模型9的六分力传感器26，强迫入水组件可以实现出入水模型9以设定的入水角度在匀速或变速条件下的强迫入水。

如图7所示，自由出水组件包括安装在移动滑块16上的出入水支撑杆座22、安装在出入水支撑杆座22端部的可拆卸自由出水支撑杆27、安装在可拆卸自由出水支撑杆27端部的中空的环形电磁铁23及连接出入水模型9与可拆卸自由出水支撑杆27的弹性牵引线24，自由出水组件可以实现出入水模型9以设定的初始速度及出水角度自由出水。

如图8所示，强迫出水组件包括安装在移动滑块16上的出入水支撑杆座22、安装在出入水支撑杆座22端部的可拆卸强迫出水支撑杆28及连接可拆卸强迫出水支撑杆28与出入水模型9的六分力传感器26，强迫入水组件可以出入水模型9以设定的出水角度在匀速或变速条件下的强迫出水。

需要说明的是，本发明中出入水支撑杆座22选用高强轻质的材料，如铝合金等，以减少直线电机负载，增强出入水组件8的抗冲击能力；可拆卸自由入水支撑管22和可拆卸强迫入水支撑管25为中空的轻质材料，其目的也是为了减轻负载；可拆卸自由出水支撑杆27和可拆卸强迫出水支撑杆28为轻质材料，前端弯曲半径应足够大且杆件直径尽量小，以减小可拆卸出水支撑杆对出入水模型9出水实验的影响；电磁吸附装置23选用中空的环形电磁铁，通电后，电磁铁将磁性出入水模型9或镶嵌有磁性贴片的非磁性出入水模型9牢牢地吸附，断电后，电磁铁磁性消失，出入水模型9以设定的初始速度和出入水角度脱离电磁铁入水或出水；弹性牵引线24选用高强度有弹性的鱼线或弹力线，当出入水模型9脱离自由入水组件或自由出水组件时，弹性牵引线24可以及时将出入水模型9牵住，防止冲撞实验水箱1或飞出以危害实验安全；六分力传感器26可根据实际情况选用合适的型号。

本发明的入水和出水试验原理如下：

首先，根据试验需要确定出入水模型9的入水和出水角度及速度，通过可控伸缩机构控制系统控制可控伸缩机构4的伸展和收缩，可控伸缩机构4的伸展和收缩带动直线电机平台托架14绕转轴18转动，安装在直线电机平台托架14上的直线电机平台6也会随即绕着转轴18转动，从而实现了入水和出水角度的调节，安装在直线电机平台托架14侧面的倾角测量仪5可以实时显示倾角的大小，当调整到需要的角度后，通过紧固组件15将直线电机平台托架14端部固定在固定架上13，以提高测试系统的稳定性；调整完成出入水模型9的入水和出水角度后，根据不同模拟工况条件要求，更换相对应的出入水组件8，然后通过直线电机控制系统控制直线电机平台6的移动滑块16在线性导轨17上做直线运动；当出入水模型9自由入水或自由出水时，直线电机平台6将出入水模型9加速到设定的速度，然后在规定的位移点给电磁吸附装置23断电，从而使出入水模型9以设定的初始速度和出入水角度脱离电磁铁入水或出水，同时安装在出入水模型9内部的各种传感器同步采集自由入水或出水过程的实验数据，经数据采集系统10传送至计算机设备11进行处理；当出入水模型9强迫入水或强迫出水时，直线电机平台6将出入水模型9加速到设定的速度并以设定的速度将出入水模型9匀速或变速推进实验水箱1或推出实验水箱1，同时六分力传感器26同步采集出入水模型9入水或出水过程所受的个方向的力及力矩，经数据采集系统10传送至计算机设备11进行处理；与此同时，高速动态摄像系统12会从两不同的方向捕捉出入水模型9在入水和出水过程中界面的变化情况，并将动态视频数据保存到计算机设备11中进行分析处理。

Claims (6)

1.一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其特征在于：包括实验水箱(1)、配重块(2)、支撑架(3)、可控伸缩机构(4)、直线电机平台(6)、倾角测量仪(5)、直线电机平台承载架(7)、出入水组件(8)、出入水模型(9)、数据采集系统(10)、高速动态摄像系统(12)和计算机设备(11)，实验水箱(1)放置于支撑架(3)下部凹陷结构内，配重块(2)置于支撑架(3)底部横梁上，可控伸缩机构(4)一端通过活动铰链支座(20)安装在支撑架(3)上，可控伸缩机构(4)另一端通过活动铰链(19)安装在直线电机平台托架(14)上，直线电机平台托架(14)一端通过转轴(18)安装在支撑架(3)突出的横梁上，直线电机平台托架(14)另一端通过紧固组件(15)固定在固定架(13)上，固定架(13)固接在支撑架(3)上，直线电机平台(6)安装在直线电机平台托架(14)上，出入水组件(8)安装在直线电机平台(6)的移动滑块(16)上，倾角测量仪(5)安装在直线电机平台托架(14)侧面；高速动态摄像系统(12)设置在实验水箱(1)旁，高速动态摄像系统(12)从两不同的方向捕捉出入水模型(9)在入水和出水过程中界面的变化情况，并将动态视频数据保存到计算机设备(11)中进行分析处理；安装在出入水模型(9)内部的传感器同步采集自由入水或出水过程的实验数据，经数据采集系统(10)传送至计算机设备(11)进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其特征在于：所述出入水组件(8)包括自由入水组件、强迫入水组件、自由出水组件和强迫出水组件。

3.根据权利要求2所述的一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其特征在于：所述自由入水组件包括安装在移动滑块(16)上的出入水支撑杆座(21)、安装在出入水支撑杆座(21)端部的可拆卸自由入水支撑管(22)、安装在可拆卸自由入水支撑管(22)端部中空的电磁吸附装置(23)及连接出入水模型(9)与可拆卸自由入水支撑管(22)的弹性牵引线(24)。

4.根据权利要求2所述的一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其特征在于：所述强迫入水组件包括安装在移动滑块(16)上的出入水支撑杆座(22)、安装在出入水支撑杆座(22)端部的可拆卸强迫入水支撑管(25)及连接可拆卸强迫入水支撑管(25)与出入水模型(9)的六分力传感器(26)。

5.根据权利要求2所述的一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其特征在于：所述自由出水组件包括安装在移动滑块(16)上的出入水支撑杆座(22)、安装在出入水支撑杆座(22)端部的可拆卸自由出水支撑杆(27)、安装在可拆卸自由出水支撑杆(27)端部中空的电磁吸附装置(23)及连接出入水模型(9)与可拆卸自由出水支撑杆(27)的弹性牵引线(24)。

6.根据权利要求2所述的一种跨介质航行器入水及出水测试系统，其特征在于：所述强迫出水组件包括安装在移动滑块(16)上的出入水支撑杆座(22)、安装在出入水支撑杆座(22)端部的可拆卸强迫出水支撑杆(28)及连接可拆卸强迫出水支撑杆(28)与出入水模型(9)的六分力传感器(26)。

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