CN113483990B - 一种水下自由悬浮弹射分离试验装置 - Google Patents

一种水下自由悬浮弹射分离试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，属于船舶与水下航行器工程领域。本发明包括试验水箱部分、弹射装置部分、动力系统和数据采集系统。试验水箱部分用于为预置分离试验提供流体环境。弹射装置部分用于模拟水下预置弹射分离过程。动力系统用于为弹射体与发射平台提供分离动力。数据采集系统用于显示并采集弹射体与发射平台的运动特征与弹道轨迹。本发明在保证自由悬浮弹射分离试验的有效性与准确性的前提下，对实际水下预置发射过程进行模型简化，使得试验过程易于操作且降低成本，提高弹射分离试验成功率。本发明能够通过试验手段，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，进而解决水下自由悬浮弹射分离相关技术问题。

Description

一种水下自由悬浮弹射分离试验装置
技术领域
本发明涉及水下分离装置，尤其涉及一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，属于船舶与水下航行器工程领域。
背景技术
水下发射航行体，由于其可发射区域宽广和具有良好的隐蔽性，因此具有广泛的应用场景。自诞生之初，其发展备受关注，已然成为各国研究的重点和热点。航行体在确定打击目标后，自发射装置分离，之后在水下航行，经过一段时间后脱离水面。
水下预置发射，是进行航行体水下发射的一种新型方式，主要应用于无人作战体系。在航行体发射过程中，涉及航行体载荷与有限质量平台水下高速动态分离过程，会产生针对复杂作战环境下，水/气/泡多物理场耦合作用、多体多介质动力响应、发射平台与航行体的相互干扰机制。为实现水下预置发射装置的有效发射与精准打击，需要基于试验研究，分析上述所提到的基础性问题。但是目前针对该种发射系统的试验研究，由于试验对象特殊，试验成本较高，进行能够反映相关机理研究的模型试验是非常有必要的。
目前针对水下发射的研究手段中，固定平台发射试验仅能够满足对空泡现象和航行体水下运动过程的研究需要，无法实现二者相互干扰机制和动力学响应的研究。经过文献检索发现，目前暂无针对水下预置发射试验装置的相关专利。为解决涉及水下动态分离过程试验研究较少的问题，急需发明一种能够反映所涉及研究重点的水下自由悬浮弹射分离试验装置，进行相关机理试验的研究，总结系统规律。
发明内容
本发明公开的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置要解决的技术问题是：在保证自由悬浮弹射分离试验的有效性与准确性的前提下，对实际水下预置发射过程进行模型简化，使得试验过程易于操作且降低成本，提高弹射分离试验成功率。此外，本发明能够通过试验手段，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，进而解决水下自由悬浮弹射分离相关技术问题。本发明可应用于船舶、潜艇和水下航行器技术领域。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，包括试验水箱部分、弹射装置部分、动力系统和数据采集系统。
所述试验水箱部分用于为预置分离试验提供流体环境。所述试验水箱部分包括储水箱，储水箱上设有用于安装弹射装置部分的操作窗口，还分别设有用于进水和排水的进水阀和排水阀，并在储水箱顶部与底部分别设有缓冲垫，所述缓冲垫用于防止弹射体与发射平台对储水箱上下表面的冲击破坏。储水箱侧面为便于观察内部的试验情况的透明材料。
所述弹射装置部分用于模拟水下预制弹射分离过程。所述弹射装置部分包括弹射分离装置和用于在水中固定弹射分离装置的柔性绳和电磁铁。所述弹射分离装置主要由弹射体、发射筒和配重块组成。弹射体上卡固结构置于固定密封垫上，弹射体整体置于发射筒内。配重块固定于发射筒上，配重块内部为用于调节储水量的空心腔。通过调节空心腔中的储水量实现弹射分离装置在水中的上浮过程，并能够实现弹射体与发射筒和配重块所组成的发射平台具有不同的质量比。弹射体与配重块外表面布置有用于配合使用高速相机的光学识别点，通过高速相机监测光学识别点的运动情况并计算弹射体与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线。
所述动力系统用于为弹射体与发射平台提供分离动力。
作为优选，所述动力系统根据试验需要，选用高压空气弹射方式或激光激发空泡弹射方式。
高压空气弹射方式的动力系统包括高压空气瓶和输气管。高压空气瓶内的高压空气，通过输气管输入到弹射体尾部与发射筒的空隙，使得弹射体与发射平台弹射分离。
激光激发空泡弹射方式的动力系统包括激光控制发生器、光纤、冲击板和激光加热装置。通过激光控制发生器所产生激光的快速加热作用，加热冲击板与发射筒之间的水介质，水剧烈沸腾后，推动弹射体与发射平台分离。
所述数据采集系统用于显示并采集弹射体与发射平台的运动特征与弹道轨迹，采集并存储多相流空泡生成及溃灭过程的图像数据。所述数据采集系统包括光源、光源控制器和高速相机。光源与光源控制器通过控制线连接，光源透过水箱透明材料向试验水箱内打光；通过调节高速相机镜头轴线位置，实现对不同视角试验现象的观测。高速相机通过控制线与计算机连接。
本发明公开的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置的工作方法为：通过配重块进水口向配重块内加水，加水至弹射体与发射筒和配重块所组成发射平台具有合适的质量比，组装弹射分离装置。关闭储水箱的排水阀，通过进水阀向储水箱内注水。电磁阀通电，弹射分离装置被吸附于电磁阀，柔性绳连接电磁阀并栓结于水箱底部，进而使得弹射分离装置在水中预置固定；待弹射分离装置在水中稳定后，关闭电磁阀通电开关，吸附于电磁阀上的弹射分离装置开始缓慢上浮；通过动力系统为弹射体与发射平台提供分离动力，推动弹射体与发射平台分离。通过光源控制器控制光源强度，光源透过水箱透明材料向试验水箱内打光。通过调节高速相机镜头轴线位置，实现对不同视角试验现象的观测，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，计算弹射体与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线。通过调节弹射体与发射平台不同质量比与发射水深，实现水下自由悬浮弹射分离试验不同初始分离参数的动态调节，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，进而解决水下自由悬浮弹射分离相关工程技术问题。
通过动力系统为弹射体与发射平台提供分离动力，针对高压空气弹射，打开压缩空气瓶开关，在弹射体与发射筒之间的空隙充入高压空气，推动弹射体与发射平台分离。针对激光激发空泡弹射，在冲击板与发射筒之间的空隙充满水，通过激光控制发生器设定所产生激光的强度，借助光纤输入到激光加热装置，空隙内水介质在激光加热装置的加热作用下，迅速沸腾，产生高温蒸汽推动冲击板，进而推动弹射体与发射平台分离。
有益效果：
1、本发明的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，弹射分离装置脱离电磁铁吸附后，在水中缓慢上浮，通过动力系统为弹射体与发射平台提供分离动力，实现弹射体和发射平台的动态分离，提取弹射体和发射平台在相互作用下的流体动力学参数，通过调节高速相机镜头轴线位置，实现对不同视角的水下弹道及试验现象的观测，并对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析。所述观测过程不仅能够关注弹射体，还能够关注发射装置的运动情况。
2、本发明的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，通过调节配重块腔体内的储水量和柔性绳长度，调节弹射体与发射平台不同质量比与发射水深，实现水下自由悬浮弹射分离试验不同初始分离参数的动态调节，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，进而解决水下自由悬浮弹射分离相关工程技术问题。
3、本发明的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，弹射体与配重块外表面布置有用于配合使用高速相机的光学识别点，通过高速相机监测光学识别点的运动情况并计算弹射体与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线。
4、本发明的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，提供高压空气弹射和激光激发空泡弹射两种弹射方式，能够根据实际进行选择。
附图说明
图1为本发明的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置示意图，采用高压空气弹射方式；
图2为本发明的一种水下自由悬浮弹射分离试验装置示意图，采用激光激发空泡弹射方式。
其中，1—试验水箱部分，包括：1.1—顶部缓冲垫、1.2—底部缓冲垫、1.3—储水箱、1.4—进水阀、1.5—排水阀、1.6—操作窗口：2—弹射装置部分，包括：2.1—弹射体、2.2—配重块、2.3—发射筒、2.4—固定密封垫、2.5—电磁铁、2.6—柔性绳；3—动力系统分为高压空气弹射方式动力系统和激光激发空泡弹射方式动力系统两种实现方式，3.1—高压空气弹射方式动力系统，包括：3.1.1—压缩空气瓶、3.1.2—输气管；3.2—激光激发空泡弹射方式动力系统，包括：3.2.1—激光控制发生器、3.2.2—光纤、3.2.3—激光加热装置、3.2.4—冲击板；4—数据采集系统，包括4.1—高速相机、4.2—计算机、4.3—光源、4.4—光源控制器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的水下自由悬浮弹射分离试验装置，采用高压空气弹射方式，包括试验水箱部分1、弹射装置部分2、高压空气弹射动力系统3.1和数据采集系统4。
试验水箱部分1用于为预置分离试验提供流体环境。试验水箱部分1包括顶部缓冲垫1.1、底部缓冲垫1.2、储水箱1.3、进水阀1.4、排水阀1.5和操作窗口1.6。连接关系：储水箱1.3上设有用于安装弹射装置部分2的操作窗口1.6，还分别设有用于进水和排水的进水阀1.4和排水阀1.5，并在储水箱顶部与底部分别设有顶部缓冲垫1.1和底部缓冲垫1.2，储水箱侧面为便于观察内部的试验情况的透明材料。
弹射装置部分2用于模拟水下预制弹射分离过程。弹射装置部分2包括弹射体2.1，配重块2.2，发射筒2.3，固定密封垫2.4，电磁铁2.5和柔性绳2.6。连接关系：弹射体2.1上卡固结构置于固定密封垫2.4上，弹射体2.1整体置于发射筒2.3内。配重块2.2通过螺栓连接固定在发射筒2.3上。通过调节配重块2.2空心腔中的储水量，实现弹射分离装置上浮过程，并实现弹射体2.1与配重块2.2和发射筒2.3所组成的发射平台具有不同质量比。电磁铁2.5通过柔性绳2.6栓结于储水箱1.3底部，并连接电磁铁2.5，电磁铁2.5通电后吸附于发射筒2.3底部。用以在水中预置固定由弹射体2.1、配重块2.2、发射筒2.3和固定密封垫2.4所组成的弹射分离装置。光学识别点布置在弹射体2.1与配重块2.2外表面。
高压空气弹射动力系统3.1用于以高压空气形式为弹射体与发射平台提供分离动力。包括压缩空气瓶3.1.1和输气管3.1.2。连接关系：输气管3.1.2连接压缩空气瓶3.1.1和发射筒2.3，用于输送高压空气，高压空气推动弹射体2.1与发射平台分离。
数据采集系统4用于显示并采集弹射体与发射平台的运动特征与弹道轨迹，采集并存储多相流空泡生成及溃灭过程的图像数据。包括高速相机4.1、计算机4.2、光源4.3和光源控制器4.4。连接关系：光源4.3与光源控制器4.4通过控制线连接，光源4.3透过透明材料向储水箱1.3内打光。高速相机4.1通过控制线与计算机4.2连接。调节高速相机4.1镜头轴线位置，实现对不同视角试验现象的观测。
本实施例公开的水下自由悬浮弹射分离试验装置，具体工作方法为：
进行弹射分离装置的组装，通过调节配重块2.2空心腔中的储水量，实现弹射分离装置上浮过程，并实现弹射体2.1与配重块2.2和发射筒2.3所组成的发射平台具有不同质量比。将配重块2.2通过螺纹连接固定到发射筒2.3上，将弹射体2.1卡固于发射筒2.3的固定密封垫2.4上，固定密封垫2.4能够实现对弹射体2.1的固定作用以及对高压空气的密封作用。通过操作窗口1.6，将连接于电磁铁2.5上的柔性绳2.6拴结固定于储水箱1.3的底部，通过调整柔性绳2.6的长度，实现位于不同水深位置的弹射分离过程，之后对电磁铁2.5通电。
关闭排水阀1.5，通过进水阀1.4向储水箱1.3内注水至合适水深，在柔性细绳2.6的固定作用下，弹射分离装置处于悬浮状态，待弹射分离装置稳定。
通过光源控制器4.4调节光源4.3的强度，并调整光源4.3的照射位置和角度，调节高速相机4.1镜头轴线的位置，实现对不同视角试验现象的观测。针对高压空气弹射方式，打开压缩空气瓶3.1.1，高压空气通过输气管3.1.2注入弹射体2.1尾部空隙，电磁铁2.5断电，弹射分离装置缓慢上浮，并在高压空气的作用下，弹射体2.1与发射平台动态分离。借助高速相机4.1拍摄捕捉光学识别点，通过计算机4.2对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，计算弹射体2.1与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线。
实施例2：
如图2所示，本实施例公开的水下自由悬浮弹射分离试验装置，采用激光激发空泡弹射方式，包括试验水箱部分1、弹射装置部分2、激光激发空泡弹射动力系统3.2和数据采集系统4。
试验水箱部分1用于为预置分离试验提供流体环境。试验水箱部分1包括顶部缓冲垫1.1、底部缓冲垫1.2、储水箱1.3、进水阀1.4、排水阀1.5和操作窗口1.6。连接关系：储水箱1.3上设有用于安装弹射装置部分2的操作窗口1.6，还分别设有用于进水和排水的进水阀1.4和排水阀1.5，并在储水箱顶部与底部分别设有缓冲垫顶部缓冲垫1.1和底部缓冲垫1.2，储水箱侧面为便于观察内部的试验情况的透明材料。
弹射装置部分2用于模拟水下预置弹射分离过程。弹射装置部分2包括弹射体2.1，配重块2.2，发射筒2.3，固定密封垫2.4，电磁铁2.5和柔性绳2.6。连接关系：弹射体2.1上卡固结构置于固定密封垫2.4上，弹射体2.1整体置于发射筒2.3内。配重块2.2通过螺栓连接固定在发射筒2.3上。通过调节配重块2.2空心腔中的储水量，实现弹射分离装置上浮过程，并实现弹射体2.1与配重块2.2和发射筒2.3所组成的发射平台具有不同质量比。电磁铁2.5通过柔性绳2.6栓结于储水箱1.3底部，并连接电磁铁2.5，电磁铁2.5通电后吸附于发射筒2.3底部。用以在水中预置固定由弹射体2.1、配重块2.2、发射筒2.3和固定密封垫2.4所组成的弹射分离装置。光学识别点布置在弹射体2.1与配重块2.2外表面。
激光激发空泡弹射动力系统3.2用于以高温蒸汽形式为弹射体与发射平台提供分离动力。激光激发空泡弹射动力系统3.2包括激光控制产生器3.2.1、光纤3.2.2、激光加热装置3.2.3和冲击板3.2.4。连接关系：光纤3.2.2连接激光控制产生器3.2.1和激光加热装置3.2.3，用于传递激光，激光借助激光加热装置3.2.3快速加热水介质产生高温蒸汽，推动弹射体2.1与发射平台分离。
数据采集系统4用于显示并采集弹射体与发射平台的运动特征与弹道轨迹，采集并存储多相流空泡生成及溃灭过程的图像数据。包括高速相机4.1、计算机4.2、光源4.3和光源控制器4.4。连接关系：光源4.3与光源控制器4.4通过控制线连接，光源4.3透过透明材料向储水箱1.3内打光。高速相机4.1通过控制线与计算机4.2连接。调节高速相机4.1镜头轴线位置，实现对不同视角试验现象的观测。
本实施例公开的水下自由悬浮弹射分离试验装置，具体工作方法为：
进行弹射分离装置的组装，通过调节配重块2.2空心腔中的储水量，实现弹射分离装置上浮过程，并实现弹射体2.1与配重块2.2和发射筒2.3所组成的发射平台具有不同质量比。将配重块2.2通过螺纹连接固定到发射筒2.3上，将弹射体2.1卡固于发射筒2.3的固定密封垫2.4上，固定密封垫2.4能够实现对弹射体2.1的固定作用以及对高压空气的密封作用。通过操作窗口1.6，将连接于电磁铁2.5上的柔性绳2.6拴结固定于储水箱1.3的底部，通过调整柔性绳2.6的长度，实现位于不同水深位置的弹射分离过程，之后对电磁铁2.5通电。
关闭排水阀1.5，通过进水阀1.4向储水箱1.3内注水至合适水深，在柔性细绳2.6的固定作用下，弹射分离装置处于悬浮状态，待弹射分离装置稳定。
通过光源控制器4.4调节光源4.3的强度，并调整光源4.3的照射位置和角度，调节高速相机4.1镜头轴线的位置，实现对不同视角试验现象的观测。针对激光激发蒸汽弹射，通过激光控制产生器3.2.1设置好激光强度，将电磁铁2.5断电，弹射分离装置缓慢上浮，打开激光控制产生器3.2.1的激光输入开关，激光加热装置3.2.3借助激光快速加热水介质使其沸腾，高温蒸汽推动冲击板3.2.4，进而向上推动弹射体2.1，实现弹射体2.1与发射平台的动态分离过程。借助高速相机4.1拍摄捕捉光学识别点，通过计算机4.2对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，计算弹射体2.1与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水下自由悬浮弹射分离试验装置，其特征在于：包括试验水箱部分(1)、弹射装置部分(2)、动力系统(3)和数据采集系统(4)；
所述试验水箱部分(1)用于为预置分离试验提供流体环境；所述试验水箱部分(1)包括储水箱(1.3)，储水箱(1.3)上设有用于安装弹射装置部分(2)的操作窗口(1.6)，还分别设有用于进水和排水的进水阀(1.4)和排水阀(1.5)，并在储水箱(1.3)顶部与底部分别设有第一缓冲垫(1.1)和第二缓冲垫(1.2)，所述第一缓冲垫(1.1)和第二缓冲垫(1.2)用于防止弹射体(2.1)与发射平台对储水箱(1.3)上下表面的冲击破坏；储水箱(1.3)侧面为便于观察内部试验情况的透明材料；
所述弹射装置部分(2)用于模拟水下预制弹射分离过程；所述弹射装置部分(2)包括弹射分离装置和用于在水中固定弹射分离装置的柔性绳(2.6)和电磁铁(2.5)；所述弹射分离装置由弹射体(2.1)、发射筒(2.3)和配重块(2.2)组成；弹射体(2.1)上卡固结构置于固定密封垫(2.4)上，弹射体(2.1)整体置于发射筒(2.3)内；配重块(2.2)固定于发射筒(2.3)上，配重块(2.2)内部为用于调节储水量的空心腔；通过调节空心腔中的储水量实现弹射分离装置在水中的上浮过程，并能够实现弹射体(2.1)与发射筒(2.3)和配重块(2.2)所组成的发射平台具有不同的质量比；弹射体(2.1)与配重块(2.2)外表面布置有用于配合使用高速相机(4.1)的光学识别点，通过高速相机(4.1)监测光学识别点的运动情况并计算弹射体(2.1)与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线；
所述动力系统(3)用于为弹射体(2.1)与发射平台提供分离动力；
所述数据采集系统(4)用于显示并采集弹射体(2.1)与发射平台的运动特征与弹道轨迹，采集并存储多相流空泡生成及溃灭过程的图像数据；
所述数据采集系统(4)包括光源(4.3)、光源控制器(4.4)、高速相机(4.1)和计算机(4.2)；光源(4.3)与光源控制器(4.4)通过控制线连接，光源(4.3)透过储水箱(1.3)透明材料向试验水箱内打光；通过调节高速相机(4.1)镜头轴线位置，实现对不同视角试验现象的观测；高速相机(4.1)通过控制线与计算机(4.2)连接；
所述动力系统(3)根据试验需要，选用高压空气弹射方式(3.1)或激光激发空泡弹射方式(3.2)；
高压空气弹射方式(3.1)的动力系统包括高压空气瓶(3.1.1)和输气管(3.1.2)；高压空气瓶(3.1.1)内的高压空气，通过输气管(3.1.2)输入到弹射体尾部与发射筒的空隙，使得弹射体与发射平台弹射分离；
激光激发空泡弹射方式(3.2)的动力系统包括激光控制发生器(3.2.1)、光纤(3.2.2)、激光加热装置(3.2.3)和冲击板(3.2.4)；通过激光控制发生器(3.2.1)所产生激光的快速加热作用，加热冲击板(3.2.4)与发射筒(2.3)之间的水介质，水剧烈沸腾后，推动弹射体(2.1)与发射平台分离；
所述装置的工作方法为，通过配重块进水口向配重块(2.2)内加水，加水至弹射体(2.1)与发射筒(2.3)和配重块(2.2)所组成发射平台具有合适的质量比，组装弹射分离装置；关闭储水箱(1.3)的排水阀(1.5)，通过进水阀(1.4)向储水箱(1.3)内注水；电磁铁(2.5)通电，弹射分离装置被吸附于电磁铁(2.5)，柔性绳(2.6)连接电磁铁(2.5)并栓结于储水箱(1.3)底部，进而使得弹射分离装置在水中预置固定；待弹射分离装置在水中稳定后，关闭电磁铁(2.5)通电开关，吸附于电磁铁(2.5)上的弹射分离装置开始缓慢上浮；通过动力系统(3)为弹射体(2.1)与发射平台提供分离动力，推动弹射体(2.1)与发射平台分离；通过光源控制器(4.4)控制光源(4.3)强度，光源(4.3)透过水箱透明材料向储水箱(1.3)内打光；通过调节高速相机(4.1)镜头轴线位置，实现对不同视角试验现象的观测，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，计算弹射体(2.1)与发射平台的运动加速度、速度、以及弹道曲线；通过调节弹射体(2.1)与发射平台不同质量比与发射水深，实现水下自由悬浮弹射分离试验不同初始分离参数的动态调节，对运动体的流体动力学特征以及水下弹道进行测量分析，进而解决水下自由悬浮弹射分离相关工程技术问题。
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