CN102050220B

CN102050220B - 利用硼氢化钠水解制氢推动的水下运载工具

Info

Publication number: CN102050220B
Application number: CN 201110000085
Authority: CN
Inventors: 刘宾虹; 李洲鹏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-02
Filing date: 2011-01-02
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2031-01-02
Also published as: CN102050220A

Abstract

本发明涉及水下高速运载的装置，旨在提供一种利用硼氢化钠水解制氢推动的水下运载工具。其推进系统包括设于船体头部的进水口、船体尾部的气体喷管、硼氢化钠容器和锥形反应器；进水口为部分伸入硼氢化钠容器前端的管路，在伸入部分的管壁上开有小孔，硼氢化钠容器后部为滤网；锥形反应器的前端经开设多个通孔的隔板与硼氢化钠容器后部相接，锥形反应器后部通过管路连接至气体喷管；所述硼氢化钠容器中装填硼氢化钠粉末，所述锥形反应器中装填有多孔三维结构的催化剂。本发明中硼氢化钠水解产氢速度快，使水下运载工具获得很高的加速度；无需燃烧，易控制，推进速度高。在海洋科学调查，海底勘测、海底电缆检测等方面具有广阔的应用前景。

Description

利用硼氢化钠水解制氢推动的水下运载工具

技术领域

本发明涉及一种水下高速运载的装置，更具体地说，本发明涉及一种利用硼氢化钠水解制氢，产生氢气通过喷射器产生强大推力高速行进的水下运载工具。

背景技术

海洋中无论是水面航行的船只还是水下的潜艇，基本上都采用螺旋桨推进方式，螺旋桨通过推进轴直接由发动机驱动，当螺旋桨旋转时，将水流推向运载工具后方。根据作用与反作用原理，水便对螺旋桨产生反作用力，该反作用力即称为螺旋桨的推力。然而正如人类历史上航空器的发展那样，由于螺旋桨产生的推力相对较弱，所以螺旋桨飞机的速度相对较慢。而喷气式飞机，由于发动机中的燃料燃烧，膨胀的燃气高速向后喷出，发动机便得到与燃气喷出方向相反的推力而向前高速运动。因此，喷气飞机的速度远远比螺旋桨飞机快得多。

喷气发动机分为两大类：一是空气喷气发动机，它是利用大气来产生喷气射流的喷气发动机。例如：以大气中的氧气作为氧化剂，燃烧燃料产生燃气射流；或在热交换器中加热空气，然后由喷管排出；二是火箭发动机，它是自身携带全部喷射物质的喷气发动机。例如：带有氧化剂和燃烧剂以产生燃气射流。火箭发动机所达到的推力和速度远远超过了一般的推进方法。这种发动机不依赖周围介质条件，在空间环境也能工作，这一特点，保证了在不同飞行速度下，发动机产生的推力不受空气接受能力的影响，而是恒定的，这也使得火箭（发动机）所能达到的飞行速度比其它任何类型发动机要高得多；其次，由于是直接反作用运动，没有中间机构，在主要的喷射通道中不存在限制工作温度的运动机构，这就决定了火箭发动机的结构简单，所产生的推力却很大。

硼氢化钠是含氢量较高的络合氢化物（含氢量10.8wt%），是一种白色的固体。美国专利（US 6 358 488）报道了采用镍、钴或储氢合金粉末催化硼氢化钠水解发生氢气的方法。反应方程式如下：

NaBH₄+ 2H₂O→4H₂ +NaBO₂

在常温常压下硼氢化钠能够在催化剂的作用下发生水解反应获得氢气，与其他储氢方式相比，燃料的储氢量高，是常规金属氢化物储氢的5倍；在反应过程中不需要外加能量就可以把NaBH₄及水中的氢释放出来。发明专利（CN101157441A）提出了一种利用硼氢化钠水解的管式反应器，实现了为燃料电池的连续供氢。近年来，虽然将硼氢化钠作为储氢材料用于燃料电池的供氢技术引起了科学家和企业的广泛关注，但将硼氢化钠水解产生的氢气射流应用于水下运载工具的推进系统尚无报道。

本发明借鉴前人的发明创造，发明设计了一种水下高速运载的方法及装置，大幅度提高水下运载工具的航行速度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，利用水下便利的供水条件，提供一种利用硼氢化钠水解制氢推动的水下运载工具。

为解决技术问题，本发明的方案是：

提供一种利用硼氢化钠水解制氢推动的水下运载工具，包括推进系统与设有机翼和尾舵的船体；所述推进系统包括设于船体头部的进水口、船体尾部的气体喷管、船体内的硼氢化钠容器和锥形反应器；进水口与部分伸入硼氢化钠容器前端的管路相连，且该管路在伸入部分的管壁上开有小孔，硼氢化钠容器后部为滤网；锥形反应器的前端经开设多个通孔的隔板与硼氢化钠容器后部相接，锥形反应器的后部通过管路连接至气体喷管；所述硼氢化钠容器中装填有硼氢化钠粉末，所述锥形反应器中装填有多孔三维结构的镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂。

本发明中，所述锥形反应器后部与气体喷管之间的管路上设置单向阀和电磁阀。

本发明中，所述进水口与硼氢化钠容器之间的管路上设置单向阀和电磁阀。

本发明中，所述锥形反应器后部与进水口之间通过管路上连接，并设置单向阀和电磁阀。

本发明中，所述气体喷管呈喇叭形，气体喷射口设有整流罩。

本发明中，所述进水口呈喇叭形，进水口设有整流罩。

本发明中，所述船体的外表面粘覆有憎水性的面膜。

本发明中，所述船体的外表面粘覆有羽状憎水纤维构成的微气泡吸附层；所述羽状憎水纤维为聚四氟乙烯纤维，直径为1～1000纳米；聚四氟乙烯纤维的植入方向与船体运行方向一致，根端在前尾端在后。

本发明中，所述船体尾部设置能够弹射出的缓冲伞。

本发明中，所述机翼上设调节翅片，尾舵上设调节舵片。

本发明中的水下快速运载工具的使用方法是：

（1）控制电路开启进水口的管路与硼氢化钠容器之间的电磁阀，海水通过电磁阀进入硼氢化钠容器，部分硼氢化钠溶解后形成溶液；

（2）硼氢化钠溶液进入锥形反应器，在镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂的作用下发生水解反应，产生氢气；

（3）氢气由锥形反应器通过单向阀进入气体喷管，高速氢气流在气体喷射口的整流罩作用下产生近似平推流的氢气流，使运载工具获得推力，运载工具开始加速。

（4）当运载工具高速行进时，在运载工具表面的羽状憎水纤维发生超声振动（振动频率超过20KHz）而产生超声波。在超声波的作用下，船体表面与之接触的海水发生局部气化，产生微气泡；微气泡吸附在覆盖在运载工具表面的羽状憎水纤维之间，形成气层。此时，船体和海水之间被气层所隔开，因此大大降低了运载工具行进时的阻力。

（5）当运载工具需要制动时，由控制电路关闭锥形反应器和气体喷管之间的电磁阀，此时锥形反应器中的氢气通过与进水口连接的导管，进行反向喷射，一方面阻止海水进入硼氢化钠容器，另一方面产生与运载工具行进方向相反的推力进行制动。此时进水口成为反向气体喷射口。通过调节原进水口与硼氢化钠容器之间的电磁阀调节出气量控制制动速度。

（6）一旦速度下降，运载工具表面的羽状憎水纤维的振动频率低于超声振动（频率低于20KHz），船体和海水之间的气层不能维持而消失，阻力大幅度增加制动效果更为明显。运载工具停止后，通过控制电路关闭进水口，使推进系统重回到待命状态。

（7）制动系统因用途而异，飞机上采用的缓冲伞制动及机翼制动同样适合于水下运载工具的辅助制动。

（8）为了控制运载工具航行姿态，可设置机翼和尾舵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

获得比螺旋桨推进更大的推力，硼氢化钠水解产氢速度快，使水下运载工具获得很高的加速度。本推进系统无需燃烧，易控制，推进速度高。本发明所具备的这些功能，在海洋科学调查，海底勘测、海底电缆检测等方面具有广阔的应用前景。对于实时战区警戒、进攻与反监测有着极其重要的影响。发展海洋观测技术对提升海洋防灾减灾能力，保障海洋资源开发安全；维护我国海洋主权和权益，保障国家安全；拓展我国海洋战略空间，增强国际竞争力；创新海洋监测技术，促进海洋科学进步具有重要意义。

附图说明

图1为进水口、喷嘴、机翼和尾舵在本发明的水下运载工具的相对位置。

图2 为本发明的水下运载工具的推进系统。

图1中的附图标记为：201船体，202进水口，203喷嘴，104机翼，105调节舵片，106尾舵，107调节翅片。

图2中的附图标记为：201船体，202进水口，203喷嘴，204锥形反应器，205电磁阀，206单向阀，207硼氢化钠容器，208滤网，209硼氢化钠溶液，210隔板，211三维网状催化剂，212电磁阀，213单向阀，214整流罩，215硼氢化钠，216电磁阀，217单向阀，218整流罩。

具体实施方式

图1为本发明的水下高速运载工具的外观形体，由船体201，喷嘴203，安装在船体两侧的机翼104和安装在船尾喷嘴两侧的尾舵106构成。尾舵106与机翼成垂直关系。水下高速运载工具的行进姿态、方向控制由安装在机翼104上的调节翅片107和安装在尾舵106上的调节舵片105进行调节。

下面将根据系统装置示意图（图2）对本发明进行详细描述。

本发明的水下高速运载工具由硼氢化钠推进系统提供推力。船体进水口202通过管路分别连接于硼氢化钠容器207和锥形反应器204，一支管路依次通过电磁阀205、截止阀206与装有硼氢化钠粉末的容器207相连，管路一直伸入硼氢化钠容器207中。伸入容器中的管路上开有小孔。当电磁阀205和212开启，关闭电磁阀216时，海水通过进水口202沿管路依次通过电磁阀205和单向阀206，经过管子末端的小孔进入硼氢化钠容器207，使硼氢化钠粉末215溶解，经过滤网硼氢化钠溶液209汇集于隔板210前。透过隔板210上开设的小孔，硼氢化钠溶液209进入锥形反应器204，在三维网状催化剂211的作用下，硼氢化钠溶液发生水解产生氢气及副产物偏硼酸钠溶液，水解产物沿管道依次通过电磁阀212和单向阀213到达喷射口，在整流罩214的作用下形成平推流通过喷嘴203高速喷射，使水下高速运载工具获得巨大推力，推动运载工具高速前行。

当需要制动运载工具时，关闭电磁阀205和212，开启电磁阀216，进水停止，但残余的硼氢化钠溶液仍然继续发生水解反应，由于电磁阀212的关闭，水解产物无法到达喷嘴203进行喷射，只能沿管道依次通过电磁阀216和单向阀217，到达进水口前，通过整流罩218形成平推流，从进水口202高速喷出，使得运载工具减速。

运载工具的行进方向依靠左右调整安装在尾舵106的调节舵片105与船体行进方向的角度进行控制，运载工具的上浮和下潜是通过上下调整安装在机翼104的调节翅片107与运载工具的行进方向的角度来实现的。

当需要紧急制动时，可以调整机翼104的调节翅片107与运载工具的行进方向成直角，作为挡板以增加阻力，也可以在尾部喷嘴弹射出缓冲伞进行紧急制动。

为了减小船体行进时的阻力，运载工具外表面粘覆有植有聚四氟乙烯纤维的面膜，聚四氟乙烯具有最好的憎水性能。羽状的聚四氟乙烯纤维可以起到最大的憎水效果同时，直径为1～1000纳米的羽状聚四氟乙烯纤维之间的空隙还可以粘附微气泡，形成微气泡吸附层。聚四氟乙烯纤维植入方向与船体行进方向一致，可以维持微气泡层的动态稳定。当运载工具高速行进时，在运载工具表面的羽状憎水纤维发生超声振动（振动频率超过20KHz）而产生超声波。在超声波的作用下，船体表面与之接触的海水发生局部气化，产生微气泡；微气泡吸附在覆盖在运载工具表面的羽状聚四氟乙烯纤维之间，形成气层。此时，船体和海水之间被气层所隔开，从而大大降低了运载工具行进时的阻力。

运载工具可以通过重新装入硼氢化钠，达到重复使用的目的。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.利用硼氢化钠水解制氢推动的水下运载工具，包括推进系统与设有机翼和尾舵的船体；其特征在于，所述推进系统包括设于船体头部的进水口、船体尾部的气体喷管、船体内的硼氢化钠容器和锥形反应器；进水口与部分伸入硼氢化钠容器前端的管路相连，且该管路在伸入部分的管壁上开有小孔，硼氢化钠容器后部为滤网；锥形反应器的前端经开设多个通孔的隔板与硼氢化钠容器后部相接，锥形反应器的后部通过管路连接至气体喷管；所述硼氢化钠容器中装填有硼氢化钠粉末，所述锥形反应器中装填有多孔三维结构的镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂。

2.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述锥形反应器后部与气体喷管之间的管路上设置单向阀和电磁阀。

3.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述进水口与硼氢化钠容器之间的管路上设置单向阀和电磁阀。

4.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述锥形反应器后部与进水口之间通过管路连接，并设置单向阀和电磁阀。

5.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述气体喷管呈喇叭形，气体喷射口设有整流罩。

6.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述进水口呈喇叭形，进水口设有整流罩。

7.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述船体的外表面粘覆有憎水性的面膜。

8.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述船体的外表面粘覆有羽状憎水纤维构成的微气泡吸附层；所述羽状憎水纤维为聚四氟乙烯纤维，直径为1～1000纳米；聚四氟乙烯纤维的植入方向与船体运行方向一致，根端在前尾端在后。

9.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述船体尾部设置能够弹射出的缓冲伞。

10.根据权利要求1所述的水下运载工具，其特征在于，所述机翼上设调节翅片，尾舵上设调节舵片。