用于超空化机理研究的航行体水下发射实验装置的制作方法

本发明涉及一种超空化实验装置，尤其涉及一种用于超空化机理研究的航行体水下发射实验装置。

背景技术：

航行体在水下高速航行时，其外表面所带有的微小气核在局部低压作用下发生急剧膨胀，形成大量可见气泡。当这些气泡将航行体完全包裹，呈椭球形闭合在航行体艉部后方的流体域时，称为超空化现象。航行体处于超空化状态时，与之接触的流体都已被汽化，由于水蒸汽密度比空气密度小很多，故超空化现象能大幅降低航行阻力，使航行体的速度大大提高，因此超空化机理的研究对我国海洋事业发展以及海洋权益维护具有重大意义。

实验是超空化机理研究的主要手段，分为水洞实验和水下射弹实验两种，目前以水洞实验为主，它是在水速较低的情况下利用外接气源对固定航行体模型通入气体的方法产生超空化现象。但在实际应用中，航行体需要达到高速且不受约束的条件，才能真实地反映超空化现象。因此水洞实验并不能真实地反映超空化现象，也就不能对超空化机理研究做出较为准确的结论。所以，如何提供一种能够真实地反映超空化现象，并能对不同速度、不同尺寸、不同外形航行体的超空化机理进行研究的水下发射实验装置，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够真实地反映超空化现象，并能对不同速度、不同尺寸、不同外形航行体的超空化机理进行研究的水下发射实验装置。其采用的技术方案如下：

本发明一种用于超空化机理研究的航行体水下发射实验装置，包括气动发射系统、发射系统支撑装置、水箱、观测记录系统，所述发射系统支撑装置放置于水箱装有电动刀闸阀的一侧，所述气动发射系统固定安装在发射系统支撑装置上，其中，气动发射系统的发射管对准锡纸片，所述观测记录系统放置于水箱装有亚克力板的一侧，其中，观测记录系统的高速摄像机对准水箱的亚克力板，且其高度与气动发射系统的发射管相同；通过改变气动发射系统高压气瓶的气压设定值，进而改变发射航行体的发射速度，实现不同速度航行体的超空化机理研究；通过更换气动发射系统不同内径尺寸的管阀连接器及发射管，进而发射不同尺寸的航行体，实现不同尺寸航行体的超空化机理研究；通过更换气动发射系统不同外形的航行体，实现不同外形航行体的超空化机理研究。

优选的，所述气动发射系统包括高压气瓶、缩颈管、常闭电磁阀、管阀连接器、压紧螺母、发射管、航行体，所述高压气瓶左端设有用于给高压气瓶充入压缩空气的气泵，在气泵与高压气瓶之间设有阀门及压力表，所述高压气瓶右端装有法兰，所述常闭电磁阀左右两端均装有法兰，所述缩颈管左端通过螺柱、螺母与高压气瓶右端的法兰连接固定，另一端通过螺柱、螺母与常闭电磁阀左端的法兰连接固定，所述常闭电磁阀右端的法兰与管阀连接器左端通过螺柱、螺母连接固定，所述发射管为空心管，其左端外圆柱面上设有外螺纹，所述管阀连接器为中空的回转体结构，中空部位设有内螺纹，二者通过螺纹连接固定，所述压紧螺母套装在发射管外部，且二者为螺纹连接。

优选的，所述阀门用于接通与断开气泵与高压气瓶，所述压力表用于显示高压气瓶内的气压，所述压紧螺母抵靠在管阀连接器右端面上。

优选的，所述的发射系统支撑装置包括第一管夹组合、第一高度调节机构、第一连接板、第二连接板、第二高度调节机构、第二管夹组合、滑台模组、发射系统支架、支撑杆，所述第一管夹组合中心线与第二管夹组合中心线同轴，所述第一高度调节机构包括第一调节螺栓与第一调节螺母，所述第一连接板包括第一上连接板与第一下连接板，所述第一管夹组合底部固定安装在第一上连接板上表面，所述第一上连接板、第一下连接板与第一高度调节机构之间均为螺纹连接，通过第一高度调节机构调节第一上连接板与第一下连接板之间的距离，进而实现第一管夹组合垂直高度的调整；所述滑台模组包括固定架、转动杆、移动滑台，所述固定架下端固定安装在发射系统支架上表面，所述转动杆转动安装在固定架上，所述转动杆左端设有转动手柄，右端设有外螺纹，所述移动滑台中部设有螺纹孔并与转动杆的螺纹段螺纹连接，所述第一下连接板固定安装在移动滑台上表面，通过旋转转动杆的转动手柄，带动与其螺纹配合的移动滑台沿固定架左右运动，实现第一管夹组合水平位置调整；所述第二连接板包括第二上连接板与第二下连接板，所述第二高度调节机构包括第二调节螺栓与第二调节螺母，所述第二管夹组合底部固定安装在第二上连接板上表面，所述第二上连接板、第二下连接板与第二高度调节机构之间均为螺纹连接，通过第二高度调节机构调节第二上连接板与第二下连接板之间的距离，进而实现第二管夹组合垂直高度调整。

优选的，所述第一管夹组合包括一对第一管夹，且第一管夹包括第一上管夹与第一下管夹，所述第一上管夹与第一下管夹通过螺钉安装在一起，所述第一管夹组合用于夹持高压气瓶，所述第二管夹组合包括一对第二管夹，且第二管夹包括第二上管夹与第二下管夹，所述第二上管夹与第二下管夹通过螺钉安装在一起，所述第二管夹组合用于夹持发射管，所述第二下连接板通过支撑杆与发射系统支架固定连接，所述发射系统支架下端安装有用于发射系统支撑装置移动的带刹车功能的万向轮。

优选的，所述水箱包括左挡板、水箱底座、水箱框架、前、后挡板、亚克力压条、亚克力板、电动刀闸阀、锡纸压板、标尺、软管接头、球阀、右挡板、底板，所述水箱底座由空心型钢焊接而成，底部安装有用于水箱移动的带有刹车功能的万向轮，所述水箱框架焊接在水箱底座上并呈长方体框架结构，所述左挡板、前、后挡板、右挡板、底板均采用304不锈钢，并焊接在水箱框架上表面，所述左挡板构成水箱的左侧端面，其上开有通孔，所述电动刀闸阀安装于左挡板的通孔处，所述锡纸压板安装在电动刀闸阀外侧，且在锡纸压板与电动刀闸阀之间设有锡纸片，所述前、后挡板构成水箱的前后两面，其上开有长方形窗口，窗口四周布置有亚克力压条，所述亚克力压条将亚克力板固定在前、后挡板上，所述亚克力板的一侧贴有标尺，所述标尺的垂直高度与发射管高度一致，所述亚克力板与前、后挡板之间垫有橡胶垫片，且橡胶垫片两侧采用密封胶密封，所述右挡板构成水箱的右侧端面，其上开有排水孔，所述球阀左端与右挡板排水孔相连，右端与软管接头相连，所述底板构成水箱的底面，且与水平面呈1.2度角倾斜布置，便于排水。

优选的，所述观测记录系统包括高速摄像机、摄像机支架、辅助光源、笔记本电脑，所述高速摄像机安装在摄像机支架上，所述摄像机支架位于水箱装有亚克力板的一侧，所述高速摄像机的垂直高度与发射管的高度一致，所述高速摄像机与笔记本电脑通过数据线进行连接。

本发明的有益效果：

(1)与现有的水洞实验装置相比，本发明采用水下射弹实验装置，能够更真实地反映水下航行体在高速运动时产生的超空化现象；能对不同速度、不同尺寸、不同外形航行体的超空化机理进行研究；同时，本发明不需要外设管道等设备，占用的空间更小。

(2)与现有的采用火炮发射方式的水下射弹实验装置相比，本发明采用气体炮发射方式，通过高压空气代替火药给航行体提供初速度，可将航行体的初速提高至数百米每秒，其发射效果更好；同时，本发明在安全、环保等方面优势明显，对实验室环境的要求也更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明的整体结构示意图；

图2：本发明的气动发射系统结构示意图；

图3：本发明的发射系统支撑装置正视图；

图4：本发明的发射系统支撑装置俯视图；

图5：本发明的发射系统支撑装置左视图；

图6：本发明的水箱正视图；

图7：本发明的水箱左视图；

图8：本发明的水箱右视图；

图9：本发明的水箱俯视图；

图10：本发明的观测记录系统结构示意图；

图11：本发明的气动发射系统及支撑装置的实物图；

图12：本发明的水箱实物图；

图13：本发明拍摄的航行体超空化状态图。

符号说明：

1、气动发射系统，2、发射系统支撑装置，3、水箱，4、观测记录系统；101、高压气瓶，102、缩颈管，103、常闭电磁阀，104、管阀连接器，105、压紧螺母，106、发射管，107、航行体；201、第一管夹组合，202、第一高度调节机构，203、第一连接板，203.1第一上连接板，203.2第一下连接板，204、第二连接板，204.1第二上连接板，204.2第二下连接板，205、第二高度调节机构，206、第二管夹组合，207、滑台模组，207.1固定架，207.2、转动杆，207.3移动滑台，208、发射系统支架，209、支撑杆；301、左挡板，302、水箱底座，303、水箱框架，304、前、后挡板，305、亚克力压条，306、亚克力板，307、电动刀闸阀，308、锡纸压板，309、标尺，310、软管接头，311、球阀，312、右挡板，313、底板；401、高速摄像机，402、摄像机支架，403、辅助光源，404、笔记本电脑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1-13所示，用于超空化机理研究的航行体水下发射实验装置，包括气动发射系统(1)、发射系统支撑装置(2)、水箱(3)、观测记录系统(4)，所述发射系统支撑装置(2)放置于水箱(3)装有电动刀闸阀(307)的一侧，所述气动发射系统(1)固定安装在发射系统支撑装置(2)上，其中，气动发射系统(1)的发射管(106)对准锡纸片，所述观测记录系统(4)放置于水箱(3)装有亚克力板(306)的一侧，其中，观测记录系统(4)的高速摄像机(401)对准水箱(3)的亚克力板(306)，且其高度与气动发射系统(1)的发射管(106)相同；通过改变气动发射系统(1)高压气瓶(101)的气压设定值，进而改变发射航行体(107)的发射速度，实现不同速度航行体(107)的超空化机理研究；通过更换气动发射系统(1)不同内径尺寸的管阀连接器(104)及发射管(106)，进而发射不同尺寸的航行体(107)，实现不同尺寸航行体(107)的超空化机理研究；通过更换气动发射系统(1)不同外形的航行体(107)，实现不同外形航行体(107)的超空化机理研究。

如图2所示，所述气动发射系统(1)包括高压气瓶(101)、缩颈管(102)、常闭电磁阀(103)、管阀连接器(104)、压紧螺母(105)、发射管(106)、航行体(107)，所述高压气瓶(101)左端设有用于给高压气瓶(101)充入压缩空气的气泵，在气泵与高压气瓶(101)之间设有阀门及压力表，所述阀门用于接通与断开气泵与高压气瓶(101)，所述压力表用于显示高压气瓶(101)内的气压，所述高压气瓶(101)右端装有法兰，所述常闭电磁阀(103)左右两端均装有法兰，所述缩颈管(102)左端通过螺柱、螺母与高压气瓶(101)右端的法兰连接固定，另一端通过螺柱、螺母与常闭电磁阀(103)左端的法兰连接固定，所述常闭电磁阀(103)右端的法兰与管阀连接器(104)左端通过螺柱、螺母连接固定，所述发射管(106)为空心管，其左端外圆柱面上设有外螺纹，所述管阀连接器(104)为中空的回转体结构，中空部位设有内螺纹，二者通过螺纹连接固定，所述压紧螺母(105)套装在发射管(106)外部，且二者为螺纹连接，所述压紧螺母(105)抵靠在管阀连接器(104)右端面上，所述管阀连接器(104)及发射管(106)均可更换，用以发射不同直径的航行体(107)。

如图3-图5所示，所述的发射系统支撑装置(2)包括第一管夹组合(201)、第一高度调节机构(202)、第一连接板(203)、第二连接板(204)、第二高度调节机构(205)、第二管夹组合(206)、滑台模组(207)、发射系统支架(208)、支撑杆(209)，所述第一管夹组合(201)中心线与第二管夹组合(206)中心线同轴，所述第一管夹组合(201)包括一对第一管夹，且第一管夹包括第一上管夹与第一下管夹，所述第一上管夹与第一下管夹通过螺钉安装在一起，所述第一高度调节机构(202)包括第一调节螺栓与第一调节螺母，所述第一连接板(203)包括第一上连接板(203.1)与第一下连接板(203.2)，所述第一管夹组合(201)底部固定安装在第一上连接板(203.1)上表面，所述第一上连接板(203.1)、第一下连接板(203.2)与第一高度调节机构(202)之间均为螺纹连接，通过第一高度调节机构(202)调节第一上连接板(203.1)与第一下连接板(203.2)之间的距离，进而实现第一管夹组合(201)垂直高度的调整，所述第一管夹组合(201)用于夹持高压气瓶(101)，所述滑台模组(207)包括固定架(207.1)、转动杆(207.2)、移动滑台(207.3)，所述固定架(207.1)下端固定安装在发射系统支架(208)上表面，所述转动杆(207.2)转动安装在固定架(207.1)上，所述转动杆(207.2)左端设有转动手柄，右端设有外螺纹，所述移动滑台(207.3)中部设有螺纹孔并与转动杆(207.2)的螺纹段螺纹连接，所述第一下连接板(203.2)固定安装在移动滑台(207.3)上表面，通过旋转转动杆(207.2)的转动手柄，带动与其螺纹配合的移动滑台(207.3)沿固定架(207.1)左右运动，实现第一管夹组合(201)水平位置调整；所述第二连接板(204)包括第二上连接板(204.1)与第二下连接板(204.2)，所述第二高度调节机构(205)包括第二调节螺栓与第二调节螺母，所述第二管夹组合(206)包括一对第二管夹，且第二管夹包括第二上管夹与第二下管夹，所述第二上管夹与第二下管夹通过螺钉安装在一起，所述第二管夹组合(206)用于夹持发射管(106)，所述第二管夹组合(206)底部固定安装在第二上连接板(204.1)上表面，所述第二上连接板(204.1)、第二下连接板(204.2)与第二高度调节机构(205)之间均为螺纹连接，通过第二高度调节机构(205)调节第二上连接板(204.1)与第二下连接板(204.2)之间的距离，进而实现第二管夹组合(206)垂直高度的调整，所述第二下连接板(204.2)通过支撑杆(209)与发射系统支架(208)固定连接，所述发射系统支架(208)下端安装有用于发射系统支撑装置(2)移动的带刹车功能的万向轮。

如图6-图9所示，所述水箱(3)包括左挡板(301)、水箱底座(302)、水箱框架(303)、前、后挡板(304)、亚克力压条(305)、亚克力板(306)、电动刀闸阀(307)、锡纸压板(308)、标尺(309)、软管接头(310)、球阀(311)、右挡板(312)、底板(313)，所述水箱底座(302)由空心型钢焊接而成，底部安装有用于水箱(3)移动的带有刹车功能的万向轮，所述水箱框架(303)焊接在水箱底座(302)上并呈长方体框架结构，所述左挡板(301)、前、后挡板(304)、右挡板(312)、底板(313)均采用304不锈钢，并焊接在水箱框架(303)上表面，所述左挡板(301)构成水箱(3)的左侧端面，其上开有通孔，所述电动刀闸阀(307)安装于左挡板(301)的通孔处，所述锡纸压板(308)安装在电动刀闸阀(307)外侧，且在锡纸压板(308)与电动刀闸阀(307)之间设有锡纸片，所述前、后挡板(304)构成水箱(3)的前后两面，其上开有长方形窗口，窗口四周布置有亚克力压条(305)，所述亚克力压条(305)将亚克力板(306)固定在前、后挡板(304)上，所述亚克力板(306)的一侧贴有标尺(309)，所述标尺(309)的垂直高度与发射管(106)的高度一致，所述亚克力板(306)与前、后挡板(304)之间垫有橡胶垫片，且橡胶垫片两侧采用密封胶密封，所述右挡板(312)构成水箱(3)的右侧端面，其上开有排水孔，所述球阀(311)左端与右挡板(312)排水孔相连，右端与软管接头(310)相连，所述底板(313)构成水箱(3)的底面，且与水平面呈1.2度角倾斜布置，便于排水。

如图1、图10所示，所述观测记录系统(4)包括高速摄像机(401)、摄像机支架(402)、辅助光源(403)、笔记本电脑(404)，所述高速摄像机(401)安装在摄像机支架(402)上，所述摄像机支架(402)位于水箱(3)装有亚克力板(306)的一侧，所述高速摄像机(401)的垂直高度与发射管(106)的高度一致，所述高速摄像机(401)与笔记本电脑(404)通过数据线进行连接。

本发明用于超空化机理研究的航行体水下发射实验装置的工作过程分为实验准备、实验进行、数据处理三个阶段。

实验准备阶段：完成气动发射系统(1)、发射系统支撑装置(2)、水箱(3)、观测记录系统(4)的装配，然后向水箱(3)内注水，使水面高度位于发射管(106)上方1米处；将锡纸片夹在电动刀闸阀(307)的外侧法兰与锡纸压板(308)之间，并用螺栓固定锡纸片，打开电动刀闸阀(307)，确定锡纸片处不会漏水，再检查观测记录系统(4)，确保需要拍摄的范围能够清晰地显示在笔记本电脑(404)屏幕上，最后将航行体(107)装入发射管(106)初始位置，用气泵给高压气瓶(101)充入压缩空气，待高压气瓶(101)的压力表示数达到指定值后撤去气泵，将发射管(106)对准锡纸片。

实验进行阶段：打开常闭电磁阀(103)，航行体(107)穿透锡纸片进入水箱(3)后，关闭电动刀闸阀(103)，通过笔记本电脑(404)操控高速摄像机(401)，得到航行体(107)在水中运动状态轨迹照片。

数据处理阶段：根据获取的航行体(107)在水中运动状态轨迹照片，通过测量用标尺(309)，即可得到相邻两张照片之间航行体(107)的位移，由拍摄帧数可确定每相邻两张照片的时间间隔，进而得到航行体(107)的速度、超空泡的形状和尺寸等信息，完成整个工作过程。该过程可以真实地反映超空化现象，通过改变高压气瓶(101)的气压设定值，进而改变发射航行体(107)的发射速度，实现不同速度航行体(107)的超空化机理研究；通过更换不同内径尺寸管阀连接器(104)及发射管(106)，进而发射不同尺寸的航行体(107)，实现不同尺寸航行体(107)的超空化机理研究；通过更换不同外形的航行体(107)，实现不同外形航行体(107)的超空化机理研究。

本发明与现有的水洞实验装置相比，本发明采用水下射弹实验装置，能够更真实地反映水下航行体在高速运动时产生的超空化现象；能对不同速度、不同尺寸、不同外形航行体的超空化机理进行研究；同时，本发明不需要外设管道等设备，占用的空间更小。此外，本发明与现有的采用火炮发射方式的水下射弹实验装置相比，本发明采用气体炮发射方式，通过高压空气代替火药给航行体提供初速度，可将航行体的初速提高至数百米每秒，其发射效果更好；同时，本发明在安全、环保等方面优势明显，对实验室环境的要求也更低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。