專利名稱:基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在水箱中模擬彈丸在水中動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的水下發(fā)射裝置。
技術(shù)背景
在現(xiàn)代的國(guó)防科技中，水下武器的發(fā)展越來(lái)越成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，隨之而來(lái)的一系列水下中高速運(yùn)動(dòng)物理的水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)測(cè)試也備受各國(guó)學(xué)術(shù)界的關(guān)注。目前對(duì)于這類問(wèn)題理論上已經(jīng)有了很大的發(fā)展，為了驗(yàn)證各種理論的可靠性，建立模型實(shí)驗(yàn)是最直接也是最可靠的途徑。為了使水下物體獲得很高的運(yùn)動(dòng)速度，一般應(yīng)有很長(zhǎng)的水下加速距離才能實(shí)現(xiàn)，這也就意味著需要大尺度的水下環(huán)境，這對(duì)于模型實(shí)驗(yàn)是一很大的弊端。本文通過(guò)應(yīng)用動(dòng)量傳遞原理及應(yīng)力波基礎(chǔ)，能夠使水下物體瞬間獲得很高的速度(30-40)，從而省去了加速距離，并提供了準(zhǔn)確的物體速度初始條件。但在水下物體獲得高速的同時(shí)，由于水體的阻力系數(shù)，使物體在剛開(kāi)始的階段速度衰減很快，這就要求外部輸入能量要比水下物體獲得的能量高，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定了兩者能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在理論上給出能量損失機(jī)制，最后通過(guò)建立數(shù)值模擬模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了該能量損失機(jī)制的正確性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠使彈丸在水下瞬間獲得很高速度，從而省去彈丸的加速距離的彈丸發(fā)射裝置，該裝置模擬彈丸水下發(fā)射更加真實(shí)，并保證實(shí)驗(yàn)測(cè)得彈丸在水下的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)更加準(zhǔn)確的水下模擬發(fā)射裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，包括發(fā)射機(jī)構(gòu)和水箱，發(fā)射機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和導(dǎo)向膛管，所述導(dǎo)向膛管的前端與所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置氣密連接，后端和水箱氣密連接，導(dǎo)向膛管內(nèi)自前到后依次設(shè)置動(dòng)量桿和動(dòng)量傳遞桿，緊貼動(dòng)量傳遞桿的后端設(shè)置有彈丸，所述彈丸置于水箱中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)量桿在導(dǎo)向膛管中加速移動(dòng)，并撞擊所述動(dòng)量傳遞桿通過(guò)在動(dòng)量傳遞桿中產(chǎn)生的應(yīng)力波將彈丸從水箱中發(fā)射出去，通過(guò)水箱內(nèi)和導(dǎo)向膛管上設(shè)置的測(cè)量裝置對(duì)彈丸的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量， 其中動(dòng)量桿、動(dòng)量傳遞桿和彈丸三者的直徑相同，水箱內(nèi)還設(shè)置有防止彈丸擊穿水箱的緩沖部件。
進(jìn)一步，所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括高壓氣室和閥門(mén)，所述導(dǎo)向膛管的前端與所述高壓氣室連通，通過(guò)所述閥門(mén)控制高壓氣室中的高壓氣體進(jìn)入到導(dǎo)向膛管中，驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)量桿在導(dǎo)向膛管中移動(dòng)。
進(jìn)一步，所述閥門(mén)由所述導(dǎo)向膛管的前端徑向上設(shè)置的通孔和導(dǎo)向膛管內(nèi)設(shè)置的活塞配合構(gòu)成，所述活塞的直徑與導(dǎo)向膛管的內(nèi)徑相同，活塞塊將所述通孔堵住，將所述高壓氣室和導(dǎo)向膛管之間密封。
進(jìn)一步，所述導(dǎo)向膛管的軸線方向在通孔兩側(cè)設(shè)置有左、右密封圈。
進(jìn)一步，所述動(dòng)量傳遞桿為一根長(zhǎng)桿或多段短桿拼接成一整體，該動(dòng)量傳遞桿的每段直徑大小相同，動(dòng)量桿、動(dòng)量傳遞桿和彈丸三者的材料相同。
進(jìn)一步，所述導(dǎo)向膛管由動(dòng)量桿容置段和彈丸容置段構(gòu)成，所述動(dòng)量桿容置在動(dòng)量桿容置段中，所述動(dòng)量傳遞桿架設(shè)在動(dòng)量桿容置段和彈丸容置段之間，所述水箱的一側(cè)設(shè)置有通孔，通過(guò)該通孔將所述彈丸容置段與水箱氣密連接，并與固定頂板一起將彈丸容置段夾持固定在水箱上。
進(jìn)一步，彈丸容置段與固定頂板夾持部位水箱側(cè)壁夾持部位設(shè)置有橡膠墊。
進(jìn)一步，所述彈丸容置段的徑向上設(shè)置有角度調(diào)節(jié)裝置，該角度調(diào)節(jié)裝置為穿過(guò)彈丸容置段的調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘擰入或松出調(diào)節(jié)彈丸容置段的角度。
本發(fā)明的模擬水下發(fā)射裝置，通過(guò)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置使動(dòng)量桿撞擊動(dòng)量傳遞桿產(chǎn)生的應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)彈丸在水箱內(nèi)瞬間獲得很高速度發(fā)射出去，模擬水下發(fā)射更加真實(shí)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于操作，省去了彈丸的加速距離，令水下模擬實(shí)驗(yàn)不受環(huán)境的影響在室內(nèi)即可進(jìn)行。


圖1為本發(fā)明基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置的示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中模擬水下發(fā)射裝置示意圖；
圖3為本發(fā)明的動(dòng)量桿和動(dòng)量傳遞桿對(duì)撞模型的示意圖；
圖4為本發(fā)明的動(dòng)量桿和動(dòng)量傳遞桿的坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
如圖1所示，本發(fā)明基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，包括發(fā)射機(jī)構(gòu)1和水箱2，發(fā)射機(jī)構(gòu)1包括高壓氣室11和導(dǎo)向膛管12，高壓氣室11中通有一定壓力的氣體，導(dǎo)向膛管12的前端置入高壓氣室11中，并且其前端口與高壓氣室12內(nèi)壁之間氣密連接，導(dǎo)向膛管12沿其軸線方向貫穿高壓氣室11，與高壓氣室11的接縫部位設(shè)置密封圈；導(dǎo)向膛管12內(nèi)設(shè)置活塞13和動(dòng)量桿14，其中活塞13和動(dòng)量桿14的截面直徑與導(dǎo)向膛管12的內(nèi)徑大小相同，可在導(dǎo)向膛管12內(nèi)左右移動(dòng)，導(dǎo)向膛管12前端的徑向上設(shè)置有與高壓氣室 11相連通的通孔121，活塞13堵住通孔121，使高壓氣室11內(nèi)的氣體無(wú)法從通孔121進(jìn)入導(dǎo)向膛管12中，為了保證活塞13和通孔121處的氣密性，還在活塞13的兩側(cè)設(shè)置了密封圈122，保證活塞13在沒(méi)有力的作用下不會(huì)在導(dǎo)向膛管12內(nèi)移動(dòng)而出現(xiàn)誤操作；水箱2的側(cè)壁上設(shè)置有供導(dǎo)向膛管12與水箱2連接的通孔，水箱2的通孔中套裝支承筒21，為了保證水箱2與支承筒21之間氣密連接，在支承筒21的內(nèi)壁上設(shè)置有兩道密封圈，動(dòng)量傳遞桿 15兩端架設(shè)在導(dǎo)向膛管12和支承筒21中，動(dòng)量傳遞桿15可以為一根長(zhǎng)桿或者為多段短桿緊密接合而成，并且動(dòng)量傳遞桿15上每一段的截面直徑保持與導(dǎo)向膛管12和支承筒21的內(nèi)徑大小相同，動(dòng)量傳遞桿15在桿支承筒21端，緊貼動(dòng)量傳遞桿15設(shè)置有與其內(nèi)徑相同的彈丸16，彈丸16、動(dòng)量傳遞桿15和動(dòng)量桿14三者的材料相同。支承筒21在其徑向方向上具有側(cè)翼，通過(guò)支承筒21和固定頂板22將支承筒21與水箱2 —側(cè)夾固，支承筒21和固定頂板22夾持部位之間設(shè)置橡膠墊23，水箱2內(nèi)和導(dǎo)向膛管12出口處設(shè)置有對(duì)應(yīng)設(shè)置有測(cè)速裝置17、123，其中，測(cè)速裝置123用于測(cè)量動(dòng)量桿14的速度，測(cè)速裝置17用于測(cè)量彈丸16在水箱2內(nèi)發(fā)射速度，為了防止彈丸16射出后將水箱2擊穿，在水箱2的另一側(cè)壁上設(shè)置有緩沖部件24。動(dòng)量傳遞桿15架設(shè)在導(dǎo)向膛管123和支承筒211之間，應(yīng)盡可能使動(dòng)量傳遞桿15與導(dǎo)向膛管12和支承筒211在同一軸線上，支承筒21的側(cè)翼上設(shè)置了調(diào)節(jié)螺釘211，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘211擰入或松出調(diào)節(jié)支承筒211的角度，保證支承筒211的軸線與導(dǎo)向膛管12對(duì)正。導(dǎo)向膛管12也可以直接通過(guò)水箱2上的通孔與水箱2氣密連接，動(dòng)量傳遞桿15容置在水箱2外部的導(dǎo)向膛管12中，如此省去了支承筒211和調(diào)節(jié)裝置21。
實(shí)施例2:
如圖2所示，本發(fā)明的模擬水下發(fā)射裝置，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置為高壓氣室11和閥門(mén) 111，通過(guò)閥門(mén)111開(kāi)閉控制向?qū)蛱殴?2中注入高壓氣體，本發(fā)明的其它部件均與實(shí)施例 1中相同。
以下介紹模擬水下發(fā)射裝置的實(shí)驗(yàn)原理
為了減少外界因素對(duì)發(fā)射體速度的影響及理論計(jì)算的簡(jiǎn)化，我們采用了細(xì)長(zhǎng)桿的對(duì)撞模型，如圖3和4所示模型做了如下假設(shè)和限制
1、假設(shè)各段桿材料相同并且質(zhì)量連續(xù)均勻分布；
2、每個(gè)桿都為等直徑桿，并且每個(gè)桿截面積都相等；
3、R < 10L，可以近似采用一維模型，桿中傳播的是一維應(yīng)力波；
4、忽略界面處摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的能量損耗，所有能量都以波動(dòng)形式傳播；
5、"^^辦卵{呆請(qǐng)頓》白勺力—隱性@，#胃射杯姓難'變形；
以撞擊時(shí)刻為初始時(shí)刻、=0，撞擊位置χ = 0，根據(jù)強(qiáng)間斷面上動(dòng)量守恒條件
σ = +p0c0dv
其中ρ ^為材料密度，C0為彈性波速。
桿L1與L2在、=0發(fā)生碰撞，之前L1質(zhì)點(diǎn)速度為V1 = ν、σ = 0，L2質(zhì)點(diǎn)速度V2 =0、σ= 0，在發(fā)生碰撞瞬間，碰撞面出應(yīng)滿足強(qiáng)間斷面上的動(dòng)量守恒，設(shè)碰撞后的間斷面上的質(zhì)點(diǎn)速度為Ve,應(yīng)力為σ e，由碰撞間斷面S12左右兩側(cè)應(yīng)力相等得到
σ e =帶入上述邊界條件，解得
V
Ve =—
2
也就是說(shuō)在、=0時(shí)刻同時(shí)向L1和L2開(kāi)始傳播幅值為1 =，[的左行強(qiáng)間斷
應(yīng)力波和右行強(qiáng)間斷應(yīng)力波，在t = L1Zc0時(shí)刻，L1中傳播的左行應(yīng)力波到達(dá)自由面開(kāi)始反射右行卸載波。在t = 2U/c0時(shí)刻，卸載波到達(dá)χ = 0處，面上應(yīng)力和速度都卸載為0，撞
擊過(guò)程結(jié)束。在1^2中則傳播著波長(zhǎng)為2L1;幅值為的應(yīng)力脈沖。在t = L2/C(i，應(yīng)
力脈沖到達(dá)L2與L3的交界面，由于兩桿的波阻抗和橫截面積都相同，應(yīng)力脈沖將不會(huì)發(fā)生反射而毫無(wú)阻礙的向L3中傳播。同樣，在L3右端處，應(yīng)力脈沖將發(fā)生自由面反射，向左傳播左行卸載波，當(dāng)滿足條件L3 ^ L1的情況下，在t = 1^+21^/ 時(shí)刻，左行卸載波還未到達(dá)交界面的，而應(yīng)力脈沖已經(jīng)全部進(jìn)入L3中，S23處應(yīng)力和速度都卸載為0，撞擊結(jié)束。
至此，L1桿的動(dòng)量全部傳入L3, L3桿中傳播著脈沖寬度為2L”幅值為= 的
應(yīng)力脈沖，總的動(dòng)量為
I ^ SU-2LX-V/2 = MlV
由于橫向慣性的影響，在L3中傳播的應(yīng)力脈沖將發(fā)生彌散效應(yīng)，脈寬將逐漸增大， 經(jīng)過(guò)η次自由面反射過(guò)后，應(yīng)力脈沖將全部轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)3的動(dòng)量，即
I^MIV = M1VK
L3最終的速度為V1A主要取決于R/L”在上述桿徑限制的情況下，η大概在10_15 次之后動(dòng)量會(huì)平均，那么平均時(shí)間T為
取L3為200mm，C0為5000m/s，T的量級(jí)大概為400-600 μ s。也就是說(shuō)，通過(guò)上述
動(dòng)量傳遞原理，能在水下400-600 μ s的時(shí)間內(nèi)獲得穩(wěn)定的速度/。
權(quán)利要求
1.基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，包括發(fā)射機(jī)構(gòu)和水箱，發(fā)射機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和導(dǎo)向膛管，所述導(dǎo)向膛管的前端與所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置氣密連接，后端和水箱氣密連接，導(dǎo)向膛管內(nèi)自前到后依次設(shè)置動(dòng)量桿和動(dòng)量傳遞桿，緊貼動(dòng)量傳遞桿的后端設(shè)置有彈丸，所述彈丸置于水箱中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)量桿在導(dǎo)向膛管中加速移動(dòng)，并撞擊所述動(dòng)量傳遞桿通過(guò)在動(dòng)量傳遞桿中產(chǎn)生的應(yīng)力波將彈丸從水箱中發(fā)射出去，通過(guò)水箱內(nèi)和導(dǎo)向膛管上設(shè)置的測(cè)量裝置對(duì)彈丸的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其中動(dòng)量桿、動(dòng)量傳遞桿和彈丸三者的直徑相同，動(dòng)量桿和動(dòng)量傳遞桿的截面直徑與導(dǎo)向膛管的內(nèi)徑大小相同，水箱內(nèi)還設(shè)置有防止彈丸擊穿水箱的緩沖部件。
2.如權(quán)利要求
1所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括高壓氣室和閥門(mén)，所述導(dǎo)向膛管的前端與所述高壓氣室連通，通過(guò)所述閥門(mén)控制高壓氣室中的高壓氣體進(jìn)入到導(dǎo)向膛管中，驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)量桿在導(dǎo)向膛管中移動(dòng)。
3.如權(quán)利要求
2所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，所述閥門(mén)由所述導(dǎo)向膛管的前端徑向上設(shè)置的通孔和導(dǎo)向膛管內(nèi)設(shè)置的活塞配合構(gòu)成，所述活塞的直徑與導(dǎo)向膛管的內(nèi)徑相同，活塞塊將所述通孔堵住，將所述高壓氣室和導(dǎo)向膛管之間密封。
4.如權(quán)利要求
3所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，所述導(dǎo)向膛管的軸線方向在通孔兩側(cè)設(shè)置有左、右密封圈。
5.如權(quán)利要求
1所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，所述動(dòng)量傳遞桿為一根長(zhǎng)桿或多段短桿拼接成一整體，該動(dòng)量傳遞桿的每段直徑大小相同，動(dòng)量桿、動(dòng)量傳遞桿和彈丸三者的材料相同。
6.如權(quán)利要求
1所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，所述導(dǎo)向膛管由動(dòng)量桿容置段和彈丸容置段構(gòu)成，所述動(dòng)量桿容置在動(dòng)量桿容置段中，所述動(dòng)量傳遞桿架設(shè)在動(dòng)量桿容置段和彈丸容置段之間，所述水箱的一側(cè)設(shè)置有通孔，通過(guò)該通孔將所述彈丸容置段與水箱氣密連接，并與固定頂板一起將彈丸容置段夾持固定在水箱上。
7.如權(quán)利要求
6所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，彈丸容置段與固定頂板夾持部位水箱側(cè)壁夾持部位設(shè)置有橡膠墊。
8.如權(quán)利要求
6所述的基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，其特征在于，所述彈丸容置段的徑向上設(shè)置有角度調(diào)節(jié)裝置，該角度調(diào)節(jié)裝置為穿過(guò)彈丸容置段的調(diào)節(jié)螺釘， 通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘擰入或松出調(diào)節(jié)彈丸容置段的角度。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于動(dòng)量傳遞原理的模擬水下發(fā)射裝置，包括發(fā)射機(jī)構(gòu)和水箱，發(fā)射機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和導(dǎo)向膛管，導(dǎo)向膛管的前端與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置氣密連接，后端和水箱氣密連接，導(dǎo)向膛管內(nèi)自前到后依次設(shè)置動(dòng)量桿和動(dòng)量傳遞桿，緊貼動(dòng)量傳遞桿的后端設(shè)置有彈丸，彈丸置于水箱中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)動(dòng)量桿在導(dǎo)向膛管中加速移動(dòng)，并通過(guò)在動(dòng)量傳遞桿中產(chǎn)生的應(yīng)力波將彈丸發(fā)射出去，通過(guò)水箱內(nèi)和導(dǎo)向膛管上設(shè)置的測(cè)量裝置對(duì)彈丸的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，水箱內(nèi)還設(shè)置有防止彈丸擊穿水箱的緩沖部件。本發(fā)明的模擬水下發(fā)射裝置，模擬水下發(fā)射更加真實(shí)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于操作，省去了彈丸的加速距離，令水下模擬實(shí)驗(yàn)不受環(huán)境的影響在室內(nèi)即可進(jìn)行。
文檔編號(hào)F42B35/00GKCN101539388 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200910082603
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2009年4月21日
發(fā)明者方新, 段祝平, 魏延鵬, 黃晨光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan