[发明专利]一种极地冰区物体出入水模型实验装置

说明书

本发明公开了一种用于冰区物体出入水实验的物体发射机构及其实验装置，该装置包括冷却机构、物体发射机构、水池机构、监测系统和控制系统。冷却机构用于降低水池温度，制造冰层；物体发射机构用于发射物体和改变物体发射角度，模拟物体出入水的过程；水池机构用于安装模型实验的各个机构；监测系统用于监测水池温度、冰厚和物体发射速度，以及记录物体破冰出入水的过程和海冰断裂破坏形式；控制系统用于接收监测系统采集的信息，并根据信息控制结冰速度、结冰形式、以及物体发射速度和发射角度。本发明所述实验装置可以实现物体破冰出入水过程中的受力和运动姿态物理模型试验研究，并能够根据实际需求灵活地调整冰况和物体发射状态。

技术领域

本发明属于船舶制造技术，涉及极地冰区下的船舶制造模拟实验装置，具体涉及一种极地冰区物体出入水模型实验装置。

背景技术

随着全球气候变暖，阻碍货船通行的北极冰层厚度和覆盖面积逐渐缩小，使得船只经由北极地区航行逐渐成为现实可能。据观测，由于极地地区海冰的消退，船舶甚至全年都可以在白令海峡和摩尔曼斯克之间航行。此外，在北极地区也探明了新的碳氢化合物矿区，其中石油蕴藏量多达900亿桶，天然气蕴藏量超过47万亿立方米。同时，不排除随着北极地区冰况的改善，还将发现适于开采的新矿产资源。

鉴于可能通行的航道资源和蕴藏的丰富碳氢化合物，北极地区的形式也在逐步发生变化，其战略地位也越来越重要。近年来，北极地区周边各国，特别是一些近北极国家，都在加强北极地区的战略部署，域外一些国家也对北极表现出了浓厚的兴趣。与此同时，我国也把北方海上航路列入了“新丝绸之路”全球经济计划。不论是对极地航道和矿产资源的开发，还是进行战略防御，都离不开适用于极地复杂海洋环境的工程装备研发，而物体破冰出入水过程中的受力规律，便是其中的一个重要基础科学问题。

物体在出入水的过程中，涉及到周围介质的突变，即从空气跨越至水，或从水跨越至空气，介质的突变使得物体受力变化非常剧烈，而极地海冰的存在，令该问题的理论分析变得十分复杂，迫切需要开展相关的物理模型实验研究，以理清其中的力学特性，为物体出入过程中的姿态控制提供技术支撑。

发明内容

发明目的：针对现有装置对于冰区研究实验技术中存在的不足问题，本发明的目的是提供一种极地冰区物体出入水模型实验装置，能够根据实际需求灵活地调整冰况和物体发射状态。

技术方案：本发明包括水池机构、冷却机构、物体发射机构、监测系统和控制系统；所述水池机构包括两组嵌套设置的水池；所述冷却机构通过降低水池机构内的液体温度形成冰层；所述物体发射机构包括两组发射机构，用于发射物体和控制发射物体入水的角度和速度；所述监测系统用于监测水池机构内液体的温度、冰厚、物体发射速度和记录物体运动过程影像；所述的控制系统获取监测系统的信息并向冷却机构和物体发射机构传输控制指令。

进一步的，所述水池机构包括内层水池和外层水池，并且嵌套设置，所述内层水池为透明材质，所述外层水池设有观察窗。

所述水池机构为嵌套的矩形结构，所述内层水池的后壁面设有刻度尺，所述外层水池的观察窗视角范围包括刻度尺及内层水池的全部视域范围。

进一步的，所述的冷却机构包括冷凝管和压缩机，所述冷凝管呈“U”形，并设置一组及其以上，排列在水池机构内层水池的周围。

进一步的，所述物体发射机构包括水池机构顶部和底部的两组或两组以上的发射机构，所述发射机构的发射弹簧前端与活塞连接，后端安装在发射底座上。

进一步的，所述监测系统包括传感器和高速摄像机，所述传感器包括速度传感器、温度传感器和冰厚传感器，高速摄像机设置在水池机构观察窗的对面一侧，记录实验图像数据。

进一步的，所述控制系统包括信号接收器、CPU和信号发射器，所述信号接收器接收监测系统采集的信息，并将信息传输给CPU，所述CPU将控制指令通过信号发射器发送给冷却机构和物体发射机构，控制海冰形态和物体发射方式。