本发明属于航行体水下发射实验，具体涉及一种用于研究水下航行体流体动力学特性且具有尾流阻断功能的多角度发射实验系统。
背景技术：
1、目前，针对诸如潜射导弹等跨介质航行体，对其发射出筒航行及出水过程中的流体动力学特征问题的研究，常通过缩比模型的航行体水下发射实验来实现。在现有的航行体水下发射出水实验中，一些利用了惯性原理采用拖曳方式，但此方式与实际潜射存在差异；另一类利用压缩空气弹射以及水下航行体干式发射方式，其虽具有较好的内弹道性能和发射稳定性能，但实验过程操作繁琐，可重复操作性差，并且存在出筒尾气流云团扰动问题，对实验结果影响较大。因此，如何提供更接近真实发射条件且精度更高的水下航行体发射实验装置和方法，是本领域中迫切需要解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，针对本领域中所存在的技术问题，本发明提供了具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，由航行体发射系统、供气调节系统、排水循环系统、图像采集系统以及控制系统组成；
2、其中，航行体发射系统具体包括发射器装置、水槽箱和防护回收板；发射器装置固定设置在水槽箱内部，由发射筒、发射平台、支撑杆件、三通弯管接头、尾流阻断器组成；所述发射筒用于安装承载航行体，其与发射平台上固定连接，用于提供不同发射角度的多个不同发射筒可根据实验需要随时更换；发射平台通过多根支撑杆件固定于水槽箱底板上；三通弯管接头设置在发射平台下方，并分别与发射筒、供气调节系统及排水循环系统连接，其中设置有单向阀体，允许气流单向通过进入发射筒，并防止液体介质回流入气路；尾流阻断器设置在发射筒的顶端，由端盖外壳、限位弹簧以及阻断滑块组成，端盖外壳上设置有供航行体飞出的开口，端盖外壳内部空间的一侧通过限位弹簧与横向设置的阻断滑块连接，阻断滑块上也设有一开口，在航行体发射前阻断滑块与端盖外壳的两开口相互对齐；阻断滑块与端盖外壳另一侧形成一个气密腔室，端盖外壳开口下方侧壁设具有一个与该腔室连通的通气孔道，在航行体飞出发射筒后高压气体能够通过通气孔道进入该腔室，并推动阻断滑块使其与端盖外壳的开口形成错位，从而将发射筒处的尾流阻断；
3、水槽箱用于容纳实验用液体介质；防护回收板设置在水槽箱顶部，用于阻挡和回收飞出液体介质的航行体；
4、供气调节系统与航行体发射系统相连，用于通过发射筒向航行体提供发射推进力；
5、排水循环系统用于在每次实用重新安装航行体后，将发射器装置内部的液体介质排出到水槽箱中；
6、图像采集系统用于采集航行体发射全过程的图像；
7、控制系统用于对航行体发射系统、供气调节系统、排水循环系统、图像采集系统进行控制，实现航行体发射与相应流体动力学特性分析的全部实验过程。
8、进一步地，所述发射筒具体为带法兰的直管发射筒，用于与发射平台通过法兰实现安装与拆卸更换；发射筒内径为变径形式，上部内径较大用于与航行体直径适配，下部内径为上部内径的四分之三，既起到承载航行体的作用，并且可使通气气流较多地冲击航行体底部，减少或避免气流从航行体四周逸出，降低航行体出筒气团观测的误差；发射筒底部开口边缘为圆弧角结构，用于气流导向的作用，减小气流对发射筒的冲击，使气流较为集中地冲击航行体底部；发射筒的法兰结构为凸面密封连接面，该连接面与一带法兰缓冲直管固定连接；该带法兰缓冲直管向下方延伸穿过发射平台通过螺纹等方式与三通弯管接头连接，其内径大于发射筒的内径，用于稳定冲击航行体的气流；带法兰缓冲直管的法兰上具有与发射筒法兰凸面密封连接面配合的凹面密封连接面；发射筒、缓冲直管、发射平台三者通过螺栓螺母连接件实现紧固连接。
9、进一步地，所述支撑杆件具体由支撑杆、缓冲弹簧和固定吸盘组成，支撑杆的上半部分具有螺纹下半部分为光滑杆，其上端与发射平台连接固定，下端设置有一个用于安装固定吸盘的刚性圆盘；缓冲弹簧套设在光滑杆外侧，用于缓冲及限位；固定吸盘用于将发射器装置吸附固定在水槽箱底部。
10、进一步地，所述发射平台结构为开孔的矩形平板，多个支撑杆件连接孔分布在平板四周，平板中间开设一个用于安装带法兰缓冲直管的圆孔和多个法兰螺栓连接孔呈圆周分布，圆孔的孔径大于缓冲直管外径。
11、进一步地，所述供气调节系统具体由空气压缩机、缓冲气瓶、压力表、泄压阀、电磁阀和气路软管组成；其中，空气压缩机用于为缓冲气瓶供气，缓冲气瓶用于对空气压缩机提供的气流稳压；缓冲气瓶通过气路软管与三通弯管接头的进气端连接，可通过常闭式的电磁阀控制通气或断气；压力表用于显示缓冲气瓶中的压力；泄压阀用于使气路泄压。
12、进一步地，所述排水循环系统具体由手动球阀、抽水泵和排水管组成；其中，抽水泵通过排水管与三通弯管接头的排水端连接；手动球阀设置在排水管上，用于在航行体发射前保持紧闭，确保发射筒内部压力不会泄漏，并在重新安装后打开，以便由抽水泵将发射筒内的液体介质排出，保证每次发射条件的同一性。
13、进一步地，图像采集系统由计算机、高速摄像机和led灯板组成；其中，高速摄像机用于拍摄航行体发射过程，并由计算机记录采集发射过程的图像数据，led灯板用于提供照明。
14、进一步地，控制系统具体采用plc(可编程逻辑控制器)，分别连接控制空气压缩机、压力表、电磁阀、高速摄像机和计算机；通过设定航行体出筒的速度数值，由出筒速度与压力的关系推导计算出压力预定值，当采集的压力表数值达到预定值时，触发电磁阀通断电和高速摄像机采集开关，进行水下发射和实验数据采集，并将采集的图像信息传输到计算机上，用于执行相应的数据处理和航行体流体动力学特性分析。
15、进一步地，水槽箱可采用现有技术中常规的透明亚克力材料制造；防护回收板则可采用泡沫材料制造。
16、相应地，本发明还提供了一种利用上述系统执行的水下航行体多角度发射实验方法，具体包括以下步骤：
17、步骤一、在发射器平台上装配特定发射角度的发射筒，并发射装置固定在水槽箱底，之后向水槽箱内注入一定高度的液体介质；
18、步骤二、调试图像采集系统，调整水槽箱内的照明亮度、拍摄视野和焦距，以获得最佳的拍摄图像；
19、步骤三、将航行体装填进发射筒内，用锡纸将尾流阻断器端盖外壳的开口进行密封；使发射器内排水，航行体装填完毕后，通过排水循环系统将发射筒内部的水循环排入水槽箱，以获得一致的重复干发射实验条件；
20、步骤四、利用控制系统执行发射与拍摄，首先设置航行体速度值并由出筒速度与供气压力关系计算得预定压力值，供气调节系统在此基础上提供相应通气量；启动开关后，供气调节系统开始加压，当压力采集值大于等于预定值时停止，并同步触发完成通气发射航行体和高速摄像机的图像信息采集；
21、步骤五、发射结束，通过供气调节系统使发射装置泄压以及尾流阻断器复原。
22、进一步地，对于发射时的预定压力值，具体根据理想气体状态方程、动能定理和伯努利方程结合试验数据，推导出的以下航行体出筒速度与缓冲气瓶压力的近似关系式来计算得到：
23、
24、ψ＝k[1-(λ+ξ'+ξ)]
25、式中，v0为航行体完全出筒时刻的速度；m为航行体质量；a为航行体底部截面面积；l为航行体长度；p为缓冲气瓶储气压力；v为缓冲气瓶容积；s为发射筒内航道长度；d为气路管内径；l为气路管长度；p0为环境压力即大气压；ρ为液体介质的密度；g为重力加速度；h为水面到发射筒口的深度；γ为气体膨胀系数；δ为筒口密封损失系数；ψ为气路损失修正系数；λ为气路沿程损失系数；ξ’为气路局部损失系数；ξ为阀门损失系数；k为试验数据修正系数。
26、上述本发明所提供的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，采用了气动压力压为航行体水下发射动力和发射稳定的干发射形式，并设计了尾流阻断器排水循环系统和集成控制系统，可同步实现航行体的水下发射与图像信息采集过程，在提高效率的同时能够保证多次重复实验的条件始终一致，有助于实现更为精确的航行体水下发射过程流体动力学特性分析。
1.具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：由航行体发射系统、供气调节系统、排水循环系统、图像采集系统以及控制系统组成；
2.如权利要求1所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：所述发射筒具体为带法兰的直管发射筒，用于与发射平台通过法兰实现安装与拆卸更换；发射筒内径为变径形式，上部内径较大，下部内径为上部内径的四分之三；发射筒底部开口边缘为圆弧角结构；发射筒的法兰结构为凸面密封连接面，该连接面与一带法兰缓冲直管固定连接；该带法兰缓冲直管向下方延伸穿过发射平台与三通弯管接头连接，其内径大于发射筒的内径；带法兰缓冲直管的法兰上具有与发射筒法兰凸面密封连接面配合的凹面密封连接面；发射筒、缓冲直管、发射平台三者通过螺栓螺母连接件实现紧固连接。
3.如权利要求1所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：所述支撑杆件具体由支撑杆、缓冲弹簧和固定吸盘组成，支撑杆的上半部分具有螺纹下半部分为光滑杆，其上端与发射平台连接固定，下端设置有一个用于安装固定吸盘的刚性圆盘；缓冲弹簧套设在光滑杆外侧，用于缓冲及限位；固定吸盘用于将发射器装置吸附固定在水槽箱底部。
4.如权利要求2所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：所述发射平台结构为开孔的矩形平板，多个支撑杆件连接孔分布在平板四周，平板中间开设一个用于安装带法兰缓冲直管的圆孔和多个法兰螺栓连接孔呈圆周分布，圆孔的孔径大于缓冲直管外径。
5.如权利要求1所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：所述供气调节系统具体由空气压缩机、缓冲气瓶、压力表、泄压阀、电磁阀和气路软管组成；其中，空气压缩机用于为缓冲气瓶供气，缓冲气瓶用于对空气压缩机提供的气流稳压；缓冲气瓶通过气路软管与三通弯管接头的进气端连接，可通过常闭式的电磁阀控制通气或断气；压力表用于显示缓冲气瓶中的压力；泄压阀用于使气路泄压。
6.如权利要求1所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：所述排水循环系统具体由手动球阀、抽水泵和排水管组成；其中，抽水泵通过排水管与三通弯管接头的排水端连接；手动球阀设置在排水管上，用于在航行体发射前保持紧闭，并在重新安装后打开。
7.如权利要求1所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：图像采集系统由计算机、高速摄像机和led灯板组成；其中，高速摄像机用于拍摄航行体发射过程，并由计算机记录采集发射过程的图像数据，led灯板用于提供照明。
8.如权利要求1所述的具有尾流阻断功能的水下航行体多角度发射实验系统，其特征在于：控制系统具体采用plc，分别连接控制空气压缩机、压力表、电磁阀、高速摄像机和计算机；通过设定航行体出筒的速度数值，由出筒速度与供气压力的关系推导计算出压力预定值，当采集的压力表数值达到预定值时，触发电磁阀通断电和高速摄像机采集开关，进行水下发射和实验数据采集，并将采集的图像信息传输到计算机上，用于执行相应的数据处理和航行体流体动力学特性分析。
9.一种利用如权利要求1-8任一项所述系统执行的水下航行体多角度发射实验方法，具体包括以下步骤：
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：对于发射时的预定压力值，具体根据理想气体状态方程、动能定理和伯努利方程结合试验数据，推导出的以下航行体出筒速度与缓冲气瓶压力的近似关系式来进行计算和调节：
