CN101337583A - 能浅潜水的地效飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种“能浅潜水的地效飞行器”，能浅潜隐蔽喷水推进，又能跃升海面增加喷气推进，借水翼变成机翼，产生地效效应，掠海或离地面很近飞行，和着陆喷气行驶。将“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”或“多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵”，作为浅潜时“喷水推进器泵”及掠海飞行时“喷气推进器泵”。水泵除供喷射水流外，还兼具向压水舱的进水下潜及排水；尾部射流，关掉一侧，即转向；掠海飞行时，仍紧贴海面喷水推进。“喷气推进器泵”通过阀分配至尾部喷气推进及底部喷气垫升，尾部喷气可转向，达改变航向。本飞行器有四种航行状况：以喷水浅潜航；喷水、喷气贴海掠飞为主；以喷气近地面飞行；喷气陆驶轮着地为辅，以纤维增强复合材料(FRP)等新型轻材料为主制造。

Description

能浅潜水的地效飞行器

一、技术领域

本发明涉及提供一种以“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”作为“能浅潜水的地效飞行器”，在浅潜水时为“喷水推进器泵”，在跃出水面掠飞时为“喷气推进器泵”，借地效效应高速飞行的飞行器构造。

二、背景技术

2.1地效飞行器的优越性

当飞行器在紧贴水面或离地面仅几米飞行时，它的空气动力学特征与高空中如飞机的飞行时会有所不同。飞行器在飞行时，相对于飞行器作相反运动的气流被飞行器的机翼分成上下两部分。由于飞行器紧贴水面或离地面很近，从翼下流过空气运动受阻，因而使翼上下表面的压力差增大，从而使飞行器获得更大的升力。即这种地面效应有利于飞行器的飞行，升力与阻力之比值要比它在高空中飞行增加2倍，载重系数比相同型号的普通飞机大一倍，耗油量却减少一半，航程增加50％。

海水能吸收电磁波，雷达很难发现浅潜的飞行器，海水能收红外线，因而自动寻的响尾蛇导弹，也只能“望洋兴叹”；因飞行器掠海飞行高度不超过3米，低于巡航导弹最低飞行高度3至5米，可有效避开饱和攻击。在夜幕中，飞行器可借母船运至敌舰近海海域浅潜而靠近，突然跃出水面攻击。当以万计这种灵巧的飞行器发起突击，那将是一场蔚为壮观的“海上人民战争”，为捍卫祖国神圣和尊严而战斗！

2.2关键在本飞行器结构将如何合理设计，如何配置喷水推进、喷气跃升的动力，去实现上述战术目标？

设计具割划式、呈梯形布置的双水翼，可以浅潜水的飞行器，在跃升时水翼变机翼，借地效效应掠海飞行。其推进动力是二台泵，一台水泵，一台气泵，由专利申请号：200710089932.8所保护。适用于水泵的齿轮模数小泵窄，压力高，流量较少；而适用于气泵的齿轮模数大泵很宽，压力较低，流量却很大。水泵设置在飞行器尾部，形成左右二股强大的水流，按牛顿第三定律，即推力等于阻力，F＝75N/V喷水推进。气泵设置在飞行器中部，从上面吸入空气，经加压后向飞行器底部喷气，形成一组平行向下气柱，如无形巨手，将飞行器托上水面。在托出水面后，大部份向后喷气，机翼在地效效应作用下产生强大升力，使飞行器掠飞。

显然，泵是本飞行器实现上述功能的物质基础。纵观国内外，没有何种泵能满足：结构极其简单易造，重量轻，而又能产生高压大流量水或气的泵，即水气两用泵，尤其泵的效率高，能在长期运转中节能。本泵能较全面地满足这些要求，因此是本飞行器创新的物质基础。

2.3飞行器喷水推进，比螺旋桨推进，有诸多的优点：

2.3.1螺旋桨是主要噪声源，一旦桨叶产生空泡，则噪声大大增强，采用泵喷水推进器比采用七叶大侧螺旋桨具有更好的声隐身性能。

2.3.2泵喷水推进器比螺旋桨推进器节能，其理由是：螺旋桨的功率与转速之间存三次方函数关系，即N₁/N₀＝(n₁/n₀)³。例如，螺旋桨转速从n₀＝130转/分，上升三倍到n₁＝390转/分，其消耗功率从N₀上升至N₁＝3³·N₀＝27N_O！所有以离心力为原理的离心水泵，直升机螺旋桨，都是遵照此物理学规律(引自：俄·济诺维也夫主编的《简明技术手册》第399页，“18离心泵”的功率取决于它的转数)。因而，为了获得螺旋桨较高转速之下，能发出更强大的推力，必须配备强大的发动机，这已是设计中的金科玉律！

本泵是容积泵，不是离心泵，其工作原理不同，可按日本·木村·章著《机械设计列线图集》第159图“泵所需功率”及第181图“流量、压力与理论功率的关系”来求出泵所需功率。在泵出口压力一定的前提下，泵的流量增大，船速加快，与功率增大，是正比例关系，即不存三次方函数关系而剧增。以上从理论上阐明本泵为何能节能，相应可配套较小功力装置，这极其有利于本飞行器掠海飞行。轻型化是降低动力配置、动力损失的极重要内容。

2.4飞行器采用本喷气泵比采用风轮机产生气垫更节能。因为，风轮机也属于离心工作原理其功率与风轮机半径平方成正比，即N₁/N₀＝(R₁/R₀)²，与风速三次方成正比，即N₁/N₀＝(V₁/V₀)³。而本气泵的工作原理与前述水泵相同，即风压一定前提下，风机功率与流量成正比，或流量一定前提下，功率与输出风压成正比，没有因前述的二次方、三次方的剧增关系而导致配套功率亦剧增。目前，气垫船是普遍采用风轮机而形成气幕结构复杂，本飞行器用4至6根高压喷气柱来取代，使结构亦获大大简化。

2.5美国“海狼”级核潜艇用“泵推进器”其实并不是真正意义上的泵推进器，只是在七叶大侧螺旋桨之外，设置导流器，其前方又增设固定的定子，用于使水流均匀。其转速仅130转/分，目的是为降低噪声，提高潜航的安全性。本飞行器用泵推进才是真正意义上，用容积泵来推进，其优越性前已叙述。

2.6水翼在航行时，为适应来袭的波浪可调节其升力大小，将其结果交由计算机处理，而发生信号控制。美国普遍所采用是全浸式水翼。本飞行器的机翼，在水中为水翼，为使背后不产生空泡，尽量做得宽而扁些，而且前后对称，或前缘做得较薄，后缘较厚的“超空泡翼型”，将空泡引至水翼尾缘后一定范围，以继续保持较高的流体动力性能。两种翼形可选一种。

在机翼布置上采用“梯型水翼”，即飞行器首部一对，在尾部一对，形成一个大支承面，有利抗击波浪的升沉垂荡和兴波阻力下有稳定的作用。机翼布置在飞行器壳体之外的上侧，属割划式水翼，区别于全浸式水翼。设置在上侧好处是：一部分在水面之上，仅部分面积浸在水中，依靠喷气泵提供升力，很快成为机翼，在地效效应作用下凉海飞行。割划式水翼的缺点是对波浪很敏感，适航性欠佳，对内河湖泊风浪较小时颇为理想。但对本飞行器来说潜航不是主要的，而掠海飞行才是主要的。水翼动力学理论和水翼兴波阻力的计算方法，由前苏联学者伏拉季米罗夫所奠定，而实际情况要通过试验来优选其结构。何况本水翼又是机翼，更有其特殊性，应通过实践来选定。

2.7美国研制地效飞机，全重543吨，有效载重超过200吨，加上地效飞机可在3～14米的高度进行超低飞行，隐蔽性好。俄最大地效飞机最大起飞重量达313吨，可搭载900多名全副武装的士兵。韩国投资1700亿韩元研制超高速地效飞行器，类似飞机长83米，载重约100吨，在水面上1～5米飞行达很高的巡航速度。

专家预言：大型地效飞机的时代即将到来！本飞行器与之相比是一个微不足道的小型化，但能浅潜水，属灵巧的战术武器。所携带的也只有为数不多的采用垂直发射或内藏式发射的导弹之类武器，以出奇制胜，用西游记里“小金猴”群，围歼航母战斗群，很适合国情。如改用的民用交通工具，也就用不着浅潜水，可以大大化简结构。

2.8涉及本“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”的结构原理，由该专利中详述，本处不作介绍。但将属同一技术领域内的《复合齿轮泵》许贤良等著。2007年2月第一次印刷，拿来进行对比却很有必要。作者自述“穷思苦虑，执着研究”十来年，才取得此研究成果。但本人认为结构太复杂，对三个“顶隙极小”，以及“齿轮根切”所带来的一系列设计、制造问题，还有泵流量、动力特性问题实在是太复杂了，最后研究成果很难被生产企业所接受。对比之下本泵简单多了，更无根切现象，一般机械厂都能制造，很适于本飞行器的实际应用。

三、发明内容

本发明目的在于：创造一种浅潜水航行又能借地效效应飞行的飞行器。将“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”，用于本飞行器“喷水推进器泵”(简称水泵)及借地效效应飞行时“喷气推进器泵”(简称气泵)，还可借喷气在地面上行驶。这种灵巧的飞行器有一定的军事用途。

本发明目的是通过以下结构来实施的，详见附表1所示。表中绘出本飞行器的三种航行状况及相关原理和结构的处理。第一种是浅潜航行，第二种是贴海面掠飞，第三种是近地面飞行。着陆后行驶亦属于第三种状况。以下再分述实施的结构。

3.1在一个有拉长水滴状外型，有上密封盖的飞行器壳体之外，设有前后二对水翼；属割划式梯形布置，翼面上曲下平能在高速下产生动升力，翼根部铰接，借液压机构向上折合，便于储存在大船仓内，航行时再放平。可参照水翼动力学理论和兴波阻力的计算方法，进行翼形设计。因本水翼又是机翼掠飞，要兼顾此特殊情况，采用扁平前后对称型翼面。

3.2飞行器尾部配置发动机及水泵，从飞行器前方吸入水，经泵多级加压，分二路通过阀门，在飞行器尾部左右产生二股高压流量的喷射流。当潜航速度为25节，喷射流速在：25节＝25×1.852×1000÷3600＝12.86米/秒以上。左右二股喷射流，通过阀门开闭，使飞行器转弯。因喷射管伸入水中较深，对飞行器将产生一个低头力矩，且管受喷射力所产生的弯矩大。为此，喷射管上增设液压缸，其作用有三：其一是借此缸作摆动定位，以改变喷射角度，来平衡飞行器姿势，以抵消低头力矩；其二是构成支柱，使喷管有较强的刚性，承受喷射流反冲力；其三是陆地行驶时，收起喷射管，贴紧在飞行器底部，高于车轮的最低位置。

3.3飞行器中部配置发动机及气泵，从飞行器顶部吸入空气，经多级加压通过阀门，其中一路送向底部的喷管组。喷管组由4至8只分管，分布在二侧底部，形成平行向上合力，将飞行器托出水面；通过阀门将另一路气送到尾部喷头，产生高压大流量气流，推动飞行器掠飞。尾部喷头可通过自动控制，达左右摆动，改变飞行器的航向。

3.4水气密度相差800倍左右，因此水泵的流量小，泵体积亦小，而气泵流量大泵体积亦大。仅凭增大气泵的体积还不够，其一是提速，将气泵转速提到3000转/分以上(本泵齿轮最高转速达9215转/分，线速115米/秒)；其二是将水泵的发动机，通过联轴器脱开后，转移至气泵(这种联轴器最古老是用皮带通过皮带轮组转换，如同皮带天轴传动，是英国产业革命同一时代的机械传动装置，现用电磁联轴节，要专门设计)。即构成二台发动机驱动一只气泵达高速和超高速，以获取更强大的气喷推动力，实现掠海或沿地面高速飞行，此时地效效应也获得更好地发挥作用。这是本飞行器的主要掠飞状态。

3.5水泵除喷水推进之外，还向飞行器底部的压水舱进水及排水，以平衡船浅潜时的船姿，都通过阀门组进行控制调节，即泵具多功能。

3.6各阀门及尾部可调向喷头，都采用能够连接到个人计算机、PLC、DOS系统，如采用数字定位器，通过提高控制阀及精度来提高阀门的控制性能。典型应用有采用HART网的Field Browser。本人“化简型双向强密高温球阀”，专利申请号：200710091277.X，就可以配上执行器和定位器应用于本飞行器。(已通过初审，尚未公开)

3.7附表1中说明贴海掠飞是本飞行器的主要航行状态。因水气密度相差大约800倍，在水中潜航增加航速时，阻力成份中的磨擦阻力，粘性阻力与航速的平方成正比增大，而兴波阻力按6次方飞速增大。当从第一种潜航状态转入第二种掠飞状态，能有效避开水阻力，提高航速这是原因之一；更因飞行器仍然在喷水推进(喷管长入水深)，借水的密度大能获取更大的反推力，这是原因之二。即将二种提高航速，减少阻力的方法，紧紧结合在一起，是国内外舰船推进方法中绝无仅有的独创！

四、附图说明

如附图1的所示，图中(4)为水泵，装在飞行器壳体的底舱(3)后部，从前方进水，经水泵加压，通过伸入水中较深的喷管上弯头(6)向后喷射出高压大流量的射流，并借液压缸(5)控制摆动定位，达到调节飞行器姿态及起飞时收起紧贴在底部，高于车轮(7)的最低位置而不影响行驶。从图中可看出弯头(6)是二只左右设置，即形成二股射流，用阀门关掉一股，失去平衡达飞行器水下转向。水泵(4)除向后喷射达推进之外，还从水舱进排水，控制浅潜或浮出水面。

图示(2)为气泵，装在飞行器壳体的底舱(3)中部，从壳体上方驾驶塔(1)后侧吸入空气，经加压向底部的喷气头(11)，喷出4至8根气柱，将飞行器托出水面。同时气泵(2)有一分路，将压缩空气输送至尾部的可调向喷气头(10)，借它的后喷产生强大的推进力，使飞行器掠海飞行，并借自动控制之下调向，达到飞行器灵敏地转向。

壳体分水线上部，用于设置驾驶塔(1)，水线面上有仓面密封盖(12)，水线下部是底舱(3)呈拉长水滴状，以减少前进的阻力。

图示(8)、(9)为前后机翼，入水为水翼，铰接在壳体底舱(3)上侧靠近水线处，称为割划式水翼，前后共4翼称为呈梯形布置双水翼。(13)为液压缸，用于铰接机翼的收放控制。在翼尖处有向上折起部分，可挡住翼尖处形成的涡流，减少诱导阻力，这是吸收最新科研的成果。

图1所示编号：(1)驾驶塔，(2)气泵，(3)底舱，(4)水泵，(5)液压缸，(6)喷管及弯头，(7)车轮，(8)前机翼，(9)后机翼，(10)可调向后喷头，(11)底部喷气头，(12)仓面密封盖，(13)液压缸。附水泵、气泵管线上阀门布置图。图2为潜航，图3为掠海飞行，图4为贴地面飞行。

五、具体实施方式

5.1假设本飞行器水下排水量为40吨，水泵提供驱动功率170匹马力，水下最高航速25节，相当于V＝25×1.852＝46.25km/h＝12.815m/s。为了克服浅潜时水下阻力，按牛顿第三定律，推力等于阻力匀速前进，水的推力为：F＝75N/V＝75×170/12.85＝992.2kgf＝0.992吨≈1吨力。求得潜水航行推重比γ＝1/40，而战斗机巡航γ＝1/4，两者属不同技术领域，潜航自然推重比要低，两者相差10倍之多。

5.2本泵属齿轮泵，工程上常用工作压力的P＝12～20Mpa，是用于油液，今是水压力要低，取P＝7.5Mpa＝75kgf/cm²。齿轮泵总效率y＝0.75～0.92，容积效率y v＝0.8～0.95，今以0.83计总效率。常用齿轮泵的转速范围n＝1000～3000r/min，最高达8000r/min，今水泵取最低1000r/min。气泵取3000r/min。总之，以上取值是在试验基础上，保守计算，给飞行器提速留一个很大的空间。

5.3水泵设计。用二级增压泵，双圆弧齿轮按GB12759-91标准加工。取模数m＝12，齿数z＝12，节圆d＝144mm，取齿宽b＝80mm，代入齿轮泵几何排量公式V_B＝2πm²zb＝2π×12²×12×80＝868147mm³＝868cm³＝0.000868m³/r当n＝1000r/min时，Q＝V_B.n＝0.000868×1000＝0.868m³/min＝52m³/h.

按日本木村·章著《机械设计列线图集》第181图，“流量压力与理论功率关系”进行校验。N＝10×P×Q/60×70＝10×75×0.868×1000/60×70＝145HP按上述求得理论功率，还要考虑泵总效率，即实际配套功率N＝145÷0.83＝175HP。校验结果与原配170HP相近，当然最好动力配大些。

5.3.1水泵进管取φ80即与齿轮厚度相同，出管要收缩，直径取出管φ60，在左右喷管的弯头处应收缩至φ30。即左右各有一股φ30的高压射流向尾部喷射。这时航速达19.84节，为要达25节，泵还要提速至1259转/分，即动力最好配大些。

5.4气泵设计。用二级增压泵，亦配用170匹马力，在气压强度达i6kgf/cm²的前提下，求气压泵的结构参数。

5.4.1当已知P＝16kgf/cm²，N＝170HP，代入日本·木村·章著列线图第181图，泵的流量Q＝60×70N/10×P＝60×70×170/10×16＝4462.5 I考虑泵总效率0.83，实际流量应达Q＝5.37m³/min这显然是一个很大流量的气泵。

5.4.2假定气泵在3000r/min下工作，求得泵实际排量V_B＝5.37÷3000＝0.00179m³/r＝0.00179×10⁹＝1790000mm³/r。

5.4.3根据泵排量求模数m。取Z＝12，假设二级分泵齿宽b＝100求模数 $m=\sqrt{\frac{V_B}{2\mathrm{\πZb}}}=\sqrt{\frac{1790000}{2\mathrm{\π}12\×100}}=15.4,$ 取整数m＝16。即求得二级分泵的模数m＝16，齿数Z＝12，节径d＝192，二级齿宽b＝100mm；而一级分气泵的模数与齿数与二级分泵均相同，即节径相同，仅仅齿宽b＝150mm，这样一级分气泵容积空间比二级分泵大50％，在相同转速下，由一级输至二级气体受到强烈压缩而增压，达到16kgf/cm²。

本气泵是容积泵，除将一级与二级分泵串联增压之外，又借齿厚减薄使容积缩小再增压，达到双重增压的效果，这是一种绝无仅有独创的气泵增压的方法。多级容积泵如此增压从理论上说，其增压没有上限。

5.5通过上述水泵设计，得出水泵长×宽×高约40×22×32cm，其体积并不大。气泵设计表明，该泵长×宽×高约65×28×45cm其体积比水泵稍大，但对于一只40吨排水量的船来说也是微不足道。配上二只发动均是170匹马力或稍大，力求选适合船用轻型化设计的优质产品，以减轻载重量。

5.6泵轴的计算：按日本·木村·章列线图第68图， $d=71.5\sqrt[3]{\frac{N}{\mathrm{\τ}\·n}}$ 式中[τ]取310kgf/cm²较低值，一般高值可在500～550kgf/cm²，今N＝170HPn＝1000r/min，代入： $d=71.5\sqrt[3]{\frac{170}{310\×1000}}=5.8\mathrm{cm}.$ 取最小轴径为φ68，轴承处φ70；齿轮内孔φ72，级差尽量小。气泵与水泵在轴配合处的直径均相同。轴材料用优质合金钢，给低速下留强度。其中专门设计的电磁联轴节亦可按扭矩T＝71620N/n＝71620×170/1000＝12175.4kgf·cm及轴径φ68来设计。达到二台170HP的发动机驱动一台气泵超高速(8000转/分)发生更强大的高压气流，使本飞行器高速掠海飞行。这时气泵轴径 $d=71.5\sqrt[3]{\frac{170\×2}{310\×8000}=}3.69\mathrm{cm},$ 远小于现有轴径φ68，而气泵的双圆弧齿轮模数m＝16，属钢齿轮有足够的强度。又因啮合齿轮中被动一只是塑料，达到传动无噪声，必须采用新型优质高性能塑料。

通过上述仔细的计算与分析，为本飞行器中至关重要的水泵与气泵的优化设计、合理结构布局，奠定理论基础。

综上述，美国、俄国、韩国以地效效应制造大型地效飞机，专家预言：大型地效飞机时代即将到来！！然而小型能浅潜，能掠海飞行，能贴地面飞行，甚至如喷气汽车着陆行驶的飞行器，却有高度的机动能力，易制造成本亦不大，可出奇不意以“海上人民战争”歼灭一切敢于来犯之敌，我是退伍军人，也是九三学社社员从事科技，没有忘记保卫祖国！

①飞行器运动状况	隐蔽潜航见附图2	高速掠海飞行见附图3	飞行器沿陆地飞行见附图4
				②泵工作状况	水泵工作产生二股水流；气泵停转。	水泵工作，喷管产生推进力；气泵工作，产生气柱托力，也可分一部分在尾部为推力。	水泵停止工作。气泵在提速工作，最高达8000转/分，向下和向后喷气推进。
③发动机工作状况	水泵发动机运转，高低可调；气泵发动机停转。	水泵发动机运转，较高速，气泵发动机运转，较低速。	通过联轴节变换装置，将停转的水泵发动机转入气泵，联合工作。即一只气泵二台发动机同时驱动。
				④适航性	割划式双水翼，部分在水面，部分浸水中，受兴波阻力等影响较大，适于内河湖泊航行。	飞行器已离水，在水面掠飞，仅喷水管在水中，因而与海浪冲击全无关，适航性很好。	飞行器沿陆地飞行，如喷气直升机。这时喷气以向后喷为主，向下为辅，主要靠机翼地效效应，适航性好。
⑤航速	约25节潜航，隐蔽性。水泵同时用于水仓的进排水，平衡船姿，控制下潜量。	超25节，最高100多节，达高速掠海飞行。这是本飞行器主要航行状态。	约在25节至50节之间，因山川地貌复杂，不可能高速超低空飞行。
				⑥动力学原理	水泵喷水推进，机翼此时成水翼，产生动升力。因水密度比空气大800倍左右，推进与升力的效率比空气中好。	机翼受地效效应作用强烈，产生强大的升力，获取高的升力与阻力比值，载重系数大，油耗减一半，航程增50％，这也是本飞行器主要工作原理。	同左
⑦机翼功能	除产生动升力外，有稳定的作用，前后左右四翼构成一个稳定的大支面。这种布置可称为水翼梯形布置。	机翼贴水面很近，翼上下表面压力差增大，获更大的升力。用“超空泡翼型”将翼压面空泡引伸至水翼尾缘后一定范围，能保持较高流体动力性能，适于本飞行器水气两用的特殊情况。	此时机翼离地面不可能很近，翼上下表面压力差比贴海水掠飞小。如再降速将失去升力，靠轮子着地滚动喷气前进，如一辆喷气推进的汽车。

Claims (4)

1、本发明“能浅潜水的地效飞行器”其特征在于：以“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”安装在飞行器壳体内，作为本飞行器浅潜时“喷水推进器泵”，在跃出水面掠飞时为“喷气推进器泵”，设有可折合的机翼借地效效应高速飞行，以轮着陆喷气前进。

2、根据“能浅潜水的地效飞行器”权利要求(1)中所述的“多级双圆弧齿轮高压大流量泵“其特征是：由专利申请号：200710089932.8所保护。

3、根据“能浅潜水的地效飞行器”权利要求(1)所述的：“喷水推进器泵”其特征在于：除向飞行器尾部喷射水推动前进之外，还兼具向压水舱进排水，具多功能；掠海飞行仍喷水推进；尾部二射流，关掉其一，达转向。

4、根据“能浅潜水的地效飞行器”权利要求(1)所述的“喷气推进器泵”其特征在于：泵所供气流，一路供底部形成气柱垫升；另一路在尾部喷气推进，分配量通过阀门控制，尾喷有“可调向后喷头”来改变航向。

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