水下航行器展教仪器介绍

水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。无论在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。本展教仪器围绕着水下航行器科普推广，开发研制了水下航行器试验水箱、水下航行器模型、水下航行器弹体发射系统、水下航行器控制系统以及气源系统等，水下航行器试验水箱是水下航行器水下航行推进系统、弹体发射系统的载体，由蓄水箱、试验水箱两个部分组成。水下航行器模型包括水下深潜器模型、潜航器模型，潜航器模型用来展示水下航行器的上浮、下沉试验，通过水下航行器试验展示水下发射原理、水下流动等。水下航行器弹体发射系统由供气系统、控制系统、移动发射车、发射筒、储气箱等构成，本展教仪器可以实现水下航行原理、水下航行器水下发射、水下推动等原理的展示、演示以及科普。

一、水下航行展教仪器结构及原理

水下航行器展教仪器主要包括如下部分：密封水箱、加压和真空系统、水平拖拉系统、发射系统、流场显示系统、软回收系统和时间同步控制系统。密封水箱整体采用桁架式结构，在相邻侧面处，设置有加强筋板，有效增强了结构刚度和强度；水箱左右侧面设置有电源、气管和传感器等进出水箱的连接法兰和进出水箱的备用法兰，也为传感器信号、发射单元和灯光等提供密封的穿墙接口；水箱正面用有机玻璃替换钢板，提供高速摄影和PIV测量的大视窗；在水箱后面设置有进出人孔，方便设备安装和维护；在水箱顶部布设了泡沫铝夹芯板，为模型弹发射出水后提供防护。弹丸和防护层撞击时，可根据弹丸受损坏程度，改进防护层结构。密封水箱用于盛放水，模拟水下环境，之所以密封是因为液面上方空间需要抽真空。加压和真空系统包含空压机和真空泵等，空压机为发射系统内部空间充入高压气体同时也是弹丸的击发动力。真空泵用于对液面上方空间抽真空。

水平拖拉系统为发射装置的水平在轨移动提供动力，采用伺服电机通过钢丝绳拖动的方式实现水平移动控制，伺服电机拖动为基础的模型驱动方式为主要驱动力，电机经过减速器减速后，由卷扬机通过绳索驱动，借助定滑轮换向，对发射系统进行拖拽，实现发射系统水下在轨恒速移动。由于本试验模型为缩尺模型，对速度精度要求较高，因此，发射系统的移动速度为试验系统设计的核心指标之一。

发射系统采用气动发射技术，内部设置有三个分割气室，对应三个发射筒，三个发射管集成在底部基座上，发射基座安装在滑块上，滑块安装在光轴导轨上，依靠水平拖拉系统，推动集成后的发射系统往左侧移动。每个弹丸由快速阀释放高压空气并驱动弹丸，弹丸上安装的底部O型密封圈经过发射筒格栅位置时，分割的气室分别将各自发射筒的弹丸推出，各发射筒的控制互相不关联，具体结构如图1所示。

图1  发射系统结构示意图

流场显示系统包括高速摄影和PIV测量，目的是观察弹丸出筒、出水等物理过程；为研究发射筒口的扰流流场，需进行PIV测量，得到弹丸出口附近的速度场。

高速摄影包括光源和成像系统，光源由位于试验水箱内的LED等组成，成像系统主要是带有长焦镜头的CCD相机。相机外触发TTL电平端口和发射系统通过时间同步控制组成。

PIV测量需要采用激光器、片光展开系统和CCD相机组成，其中粒子需要试验前预先均匀播散在水中。由于水流场对片光的扰动，需要增大片光强度以获得清晰片光的粒子Mie散射照片。在水箱右侧壁面典型位置布置光筒，将光束自右侧进入光筒，在光筒左侧装有带密封件的光学玻璃或有机玻璃。通过左右移动光筒，就可以实现在预定显示流场位置布置片光。光筒右侧和导轨滑块连接，这样可以保证光筒可自由地左右移动。

图2  PIV测量激光光路

软回收系统是为了对发射系统进行减速控制，实现软着陆，避免与水箱左侧内壁面发生冲击碰撞，造成水箱设备的损坏，其工作原理是当带有剩余速度和动能的发射系统继续向左运动时，压迫带侧向孔的水阻尼缸运动，将水阻尼缸内的水挤向侧面，其反力使发射系统减速。

二、仪器操作界面介绍

1.控制面板介绍

仪器控制界面如图3所示，包括水泵控制、发射、发射速度设置、电机控制等。控制模式包括手动控制、自动控制等，其中图4为参数设置界面，图5为手动模式界面，图6为自动模式界面。

图3  控制模式界面

手动速度：点击“前进”或“后退”，小车往前或往后移动，移动的速度即为所示的手动速度；

发射速度：小车由静止开始加速，到达这个速度后匀速移动；

加速时间：小车从静止到达到发射速度的时间。

图4  参数设置界面

电机1转前进：这个参数建议不要轻易改动，这是通过卷扬机直径和电机减速比等参数算出来的，跟内部PLC程序的参数挂钩，用来调速，改动会导致其他参数都乱了，无法正常调速。

小车最大行程：对小车行进距离进行限制，当达到设置的距离后，电机停转，小车向前滑动，类似于限位开关；

发射延迟：启动后，经“发射延迟”的时间后发射第一枚炮弹；

发射间隔：发射第一枚炮弹后经“发射间隔”的时间后发射第二枚炮弹；

阀1开启：用于1号发射筒内弹丸击发的触发电磁阀的控制，完成1号发射筒弹丸发射的命令。

阀2开启：用于2号发射筒内弹丸击发的触发电磁阀的控制，完成2号发射筒弹丸发射的命令。

图5  手操模式界面

图5所示为实验平台的手动模式，即每个按钮仅完成一项指令。具体操作按钮的意义如下：

照明1：打开底层照明灯。

照明2：打开上层照明灯。

PIV：启动PIV流场显示系统。

气动助推：相应的气动阀门打开，利用高压空气辅助推动小车。

复位：各机动控制点恢复到最初的状态。

弹1发射：控制发射弹丸1。

弹2发射：控制发射弹丸2。

弹3发射：控制发射弹丸3。

控制模式：实现手动模式和自动模式的切换。

2.气路控制面板介绍

气路控制面板如图6所示。

图6  气路控制面板

右侧表为数字压力表，显示气路中的压力。压力表与气路之间通过名为“表”的手动阀连接，处于开的状态后表与气路连同。左侧泵的手动阀用于连接气源泵。

最上层的四个手动阀分别为放气、3#、真空表、2#，其中2#和3#分别表示为2号和3号气罐充气，真空表与真空计连接，用于检测真空度。中间一行为击发手动阀，包含2#、3#、水箱、真空泵（气罐）。2#、3#表示该阀实现2号和3号发射筒弹丸的击发，水箱对应阀表示连接水箱顶部区域，用于抽真空，真空泵对应阀门连接真空泵，用于抽真空。也可连接气罐用于给气室供气。左下角的两个手动阀分别为“2”和“3”，用于给2号和3号发射气室充气。

三、水下航行器展教仪器操作流程

1.实验准备

（1）将小车推到发射水箱最右端，在水箱内粘贴标尺，用于对比小车位置，标定小车运行速度；

（2）关闭试验水箱舱门，打开注水开关，往水箱内注水至2.5m处；

（3）对水箱上层空间进行抽真空，真空度至指定真空度；

（4）将水下发射小车发射速度触发开关与高速摄像机触发端口设置同步，设定高速摄像机采样速率，多弹丸发射时需要设定两个弹丸发射的时间间隔；

2.实验时

（1）启动水下发射系统运行按钮；

（2）单个弹丸或者多个弹丸水下发射，高速摄影相机拍摄记录；

（3）发射车撞击到缓冲装置上，缓冲减速直到静止。

3.实验后

（1）保存实验数据，拆卸测量设备；

（2）将实验系统中的水抽到水箱中；

（3）从人孔进入到实验设备内部，取出弹丸观察，并将小车推到右侧，以备下次实验。

4、操作注意事项

（1）操作人员必须熟知仪器的性能和有关安全知识，非本岗人员严禁操作。

（2）本体上的安全附件应齐全，并且是灵敏可靠，计量仪表应经质监部门进行检验合格在有效期内。

（3）进行抽真空操作时应按工作程序进行操作，当抽真空工作完成后，再进行下一步的工作。

（4）实验前需进行计算，获得发射压力及拖动电机的运行功率。

（5）实验设备在运行过程中，要时刻观察运行状态，随时做好运行记录。设备的本体是否有肉眼可见的变形等，发现异常情况立即采取措施并报告。

地址：河北省廊坊市广阳区爱民东道133号北华航天工业学院跨气水介质飞行器重点实验室

联系人：康会峰