喷水枪工作原·理

喷水枪工作原理
喷水枪自出现以来，就一直是夏天最流行的玩具之一，原因很简单：当您还是孩童或者童心未泯时，还会有什么方法比在炎热的下午和朋友及家人一起打水仗更凉快呢？

水枪在过去20年间有了很大的发展。普通喷射水枪只能
把水喷出2.4或2.7米远，但是像这款Spuer Soaker
CPS1200型的泵式喷射水枪的射程却可以超过15米。
多年来喷水玩具有了很大的改进。三十年前，普通水战“勇士”仅有一把袖珍喷水手枪，不但射程相当短，甚至连“弹药舱”也容量有限。如今，您可以在大多数玩具店找到各种各样的水武器，还有喷水机枪、水火箭筒，甚至是水榴弹发射器。
本文中，我们为您揭开这些让人透心凉的夏季玩具。我们还会追溯喷水枪的发展史，从传统喷射手枪到电动Uzi喷水冲锋枪，最终发展到如今主导市场的泵式喷水器。
20世纪80年代以前，水枪的性能相当有限。手持式水枪只能将水射出很短的距离。这些水枪射出的水流又细又弱，而且每次水射完之后都要跑到水龙头那里重新灌水。当然这些枪已经是很了不起的玩具，并且完美体现了管道供水系统的基本原理。
传统水枪只有几个基本零件：
包括使水枪内的微型水泵工作的扳机杆。 水泵连接着一根与贮水箱相通的塑料水管，以便从其底部抽水（大多数情况下，整把水枪就是一个贮水箱）。 水泵将水挤压入一根细管，然后从水枪口的小洞中喷出。 这个洞，或者说喷嘴，将流水调整为集束水流。
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这种设计中唯一的复杂元件是水泵，但其原理与最初的水泵一样简单。其主要活动元件是位于液缸内的活塞。液缸内还有一个微型弹簧。要操作此泵您需要：
向后扣动扳机，将活塞推入液缸。 这会压缩弹簧，因此当您松开扳机时，弹簧会将活塞推出液缸。
活塞进出液缸的这两个冲程组成了一个完整的抽吸循环。
活塞进入的下行冲程会收缩液缸容积，将水或空气挤出水泵。弹簧将活塞推出的上行冲程会扩大液缸的容积，将水或空气吸入水泵。在水枪内，您需要从下方的贮水箱中吸水，然后通过上方的枪管将水喷出。为使所有的水都能通过枪管出去，水泵必须只能将水喷出，不能将水送回贮水箱。换言之，水只能沿一个方向通过水泵。
单向阀就起到了这样的作用。简易喷射手枪中的单向阀由巧妙安装在微型密封件内的橡胶微球组成。共有两个单向阀：一个位于贮水箱和水泵之间，另一个位于水泵和喷嘴之间。扣动扳机，微型水泵处于下行冲程时，水的流向是反的。在微型水泵和储水箱之间的阀门里，橡胶微球受力向密封件内部移动，阻挡了水流；在微型水泵和枪管之间的阀门里，橡胶微球受力向外部移动。
这样，水在压力的作用下便从枪口喷出。这种水泵设计合理简单，但存在着两大限制因素：
首先，每次喷射的水­量受到泵缸容积的限制，而泵缸容积又取决于扳机机构的行程。要压缩并喷射更多的水，您就必须将活塞推拉更长的距离，这意味着要将扳机推拉到很后面。 喷射持续时间同样有限。每次扣动扳机只能产生很小的喷射水流。要想不断喷水，就必须不断扣动和松开扳机。
在水枪的整个历史中，设计师始终致力于通过不断摸索创造出更好的抽吸系统。下一节中，我们将会了解到两种能够提高水枪的射程、压力和持续时间的简易水枪设计。然后再来探究令所有其他喷水武器都黯然失色的水枪设计。
上一节中，我们看到由简易活塞、液缸水泵和两个单向阀组成的简易喷射手枪。因为水泵是通过前后移动扳机来工作的，所以这种设计在喷射水流的大小、射程和持续时间上都十分有限。
解决这类问题的一个简单的办法是增加泵缸和扳机的尺寸，这就是传统水火箭筒的基本思路。如下图所示，此设计中，扳机实际上不再是扳机，而更像是注射器。基本上，您只需一手按住活塞，另一手按住液缸便可。如果您要从贮水箱中吸水，那么将活塞和液缸拉开。要喷射水流的话，则只需将活塞推回液缸。
这使您在每次射击时可以喷射出更多的水。如果您用力地将活塞推入液缸，就可以将水射出更远的距离。如果您缓慢推入活塞，就可以延长水流喷射的持续时间。有些水火箭筒没有附加贮水箱：要装水，就必须像使用注射器一样通过枪管吸水。
显然，这种设计与传统喷射手枪相比，需要射击者付出更大的力气，因此不是非常容易使用。20世纪80年代诞生了一种几乎全自动运行的新式水枪。从下边的示意图中，您可以看到这种手枪的工作方式基本上与传统喷射手枪相同，不同之处是它的水泵由微型电机而不是扳机来提供动力的。扳机只不过是用于闭合电路的开关，以便让电池驱动电机，而电机则通过转动一系列齿轮来推动一个微型凸轮。旋转凸轮带有一根勾住活塞的延长杆，可以不断拉动活塞，然后松开，使弹簧将活塞向前推回。利用这种方式，电机可以使活塞进出液缸，在上行冲程时从贮水箱中抽水，在下行冲程时将水推入枪管。
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由于水泵通过转动的电机而不是扳机来工作，所以这种设计可以稍稍扩展液缸的尺寸，而又不会使水枪难以操作使用。这在一定程度上可以扩大喷射水流的射程。但这种设计的真正优点是射击者无需持续扣动扳机就能不断喷水。如果您按下扳机，电机就能保持抽吸，快速射出水流，就像是能够连发的机枪。
这两种水枪的设计虽然都在普通喷射手枪的基础上迈出了一大步，但是它们依然有着明显的缺陷。才需要射击者有足够的臂力，而电机水枪的水流依然相当微弱。下一节，我们将了解引领行业革命的水枪设计——一种能喷射到15米开外的水枪。
正如前两节的内容所述，传统水枪的主要问题是不能产生非常强劲的水流。这是因为每次射击必须由射击者或电动系统提供水压。然而，这种情况下产生高压水流是不可能的，因为这意味着要在短时间内施加很大的力。
1982年，一位名叫朗尼·约翰逊的核科学家提出了一个极具创意的解决方案。他在业余时间研究一种利用流水调节温度的新型热泵系统。某天深夜，他将其中一款抽吸装置接到浴室水池，结果横穿整个浴室的强劲水流，让他吓了一跳。就在那一瞬间，他突然想到水枪采用压缩空气就能为喷射水流提供压力。

Super Soaker牌CPS1200型水枪带有两个
贮水箱、一个可扩展水囊和一个手动操作的泵系统。
为实现自己的想法，约翰逊向多才多艺的发明家布鲁斯·达德雷德（Bruce D'Andrade）求助。达德雷德和约翰逊联手提出了后来被称为Super Soaker水枪的设计。
Super Soaker水枪同样建立在水泵装置的基础上，但实际上水泵的作用不是将水喷出枪外，而是在喷射水流前积聚水压。最初型号的Super Soaker水枪中，使用者通过直接将空气抽吸到单个贮水箱来积聚压力。随着抽入的空气越来越多，贮水箱内空气的压缩程度也越来越高，因而对箱内的水施加的压力也就越来越大。
后来推出的新款水枪中，使用者通过抽入水而不是空气来积聚压力。通过以下示意图，您可以了解到这种水枪的各个部件是如何组装在一起的。
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与之前的水枪不同，这款水枪有两个贮水箱（图中标为A和B），两者通过管道网络连通。给水枪“装弹”时，只给容量较大的贮水箱 (A) 灌水。水枪准备喷射时，反复拉动水泵把手（C）几次。水泵把手连接着一个又长又窄的活塞（D），后者在液缸（E）内来回运动。这个水泵类似于喷射手枪中的水泵，同样依靠单向阀来控制水流的方向。第一个单向阀（F）位于大贮水箱和水泵装置之间，第二个单向阀（G）位于水泵和小贮水箱之间，后者负责向枪管（H）供水。


在Super Soaker水枪的内部您可以发现一个塑料管道网络。
这有点类似您家用于将水泵送到每个地方的管道系统。
抽吸循环上行冲程时，随着您拉出泵把手，后退的活塞从上方的大贮水箱中不断吸水。此时第二个单向阀（G）保证小贮水箱（B）中的水不会向上流出。抽吸循环下行冲程时，您拉回泵把手，突进的活塞将水通过第二个单向阀（G）推出液缸并进入小贮水箱（B）。此时第一个单向阀（F）保证受压的水不会流回贮水箱（A）。
但所有这些又实现了些什么？下一节，我们将把各个部件组合起来，看看Super Soaker水枪如何形成这样强劲的喷射水流。
Super Soaker水枪中泵吸系统的目的是压缩空气。每次从大贮水箱将水推入小贮水箱，就会向上推挤小贮水箱内部的所有空气。空气是一种可压缩流体，也就是说您可以通过挤压来减小空气的体积，但水却不是如此。当您将越来越多的水添加到小贮水箱时，水就会占据越来越大的容积。因为贮水箱的空间有限，占据更多体积的水就会压缩枪体内的空气，以至其压力远高于水枪外的空气压力。这个高压气垫推动贮水箱中所有的水，而水则挤压水枪的侧边，试图冲出枪外以恢复压力平衡。',4)">
将水保持在枪内的唯一装置是扳机。扳机只是固定在枪壳的一根控制杆。连接在枪壳上的坚硬金属条保持此控制杆的顶部靠着柔性塑料管到达枪管，并将其压紧，因而没有水可以流出。当您向后扣拉扳机时，金属部件会弯曲，因而控制杆会松开塑料管。由于此时通道打开了，高压空气就会将所有的水推出水枪，从而与外面的空气重新建立压力平衡。如果您积聚了足够的压力，水就会以极高的速度喷射。
因为每滴水都会进一步压缩气垫，所以喷射的力量取决于有多少水被抽吸到小贮水箱中。压力足够高时，压缩空气和高压水的向外作用力可能超过枪体管道系统的整体结构强度，导致漏水。为避免出现这种情况，扳机装置在设计上允许当压力到达一定程度时允许一部分水流通过。这个“泄漏等级”由向下压迫扳机的金属的强度确定。基本上，这片金属类似于普通的弹簧，其弹性由其成分确定。金属的刚性越好，冲出通道所需的水压就越高。如果采用柔性较好的金属，水枪就会以较低的压力漏出一些水流。

Super Soaker水枪的恒压系统（CPS）通过
将水抽吸入小型可扩展水囊来为水增压。
20世纪90年代末，具有更高压力水平的新型Super Soaker水枪面世。布鲁斯·达德雷德开发的这些水枪，都采用了独特的恒压系统（CPS）。该系统的主要组件是一个简易水囊。后者类似于气球，其不同之处是以刚性更好的材料制成。这些水枪采用与其他Super Soaker水枪相同类型的泵，但是水和空气被推入水囊，而不是塑料贮水箱。泵中进了更多的水，水囊就像您给气球吹气一样发生膨胀。水囊膨胀变长时，会产生一种恢复自然形状的要求，因此会对水产生很大的内向压力。此时拉动扳机，打开枪管通道，巨大的压力就会将所有水流推出枪外，这样就形成了比仅仅通过压缩空气所能得到水流更强劲的喷射效果。

Larami Ltd.公司供图
2001年推出的部分Super Soaker
水枪产品。单击每张图片可查看大图。
这些不过是两种泵式水枪。朗尼·约翰逊和布鲁斯·达德雷德的第一款Super Soaker水枪以及随后增加了水囊的新款水枪启动了整个喷水玩具武器系列。为增加“弹药”，一些设计中采用了像背包一样背在背上的巨型贮水箱。而其他一些水枪，可以让您向前方、后方和侧方同时射击，这彻底颠覆了水枪世界的面貌。过去，孩子们来玩具店买新水枪时，对于能买到什么样的水枪一清二楚。而如今，每年夏天货架上都堆满了各种设计新颖的玩具水枪。除非您最近去过玩具店，否则您肯定想不到下一次打水仗时，邻居家的小孩可能会使用什么新式“武器”。

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