CN106335598A - 一种航行器尾部引气减阻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于包括集气环和防冲刷裙，集气环内侧通过多个引气孔与发动机喷管相通，将发动机喷管的燃气导入集气环，集气环外侧开有多个排气孔，将集气环的燃气排出；防冲刷裙固定接续在航行器壳体尾部，沿航行器轴向延伸至发动机喷管中部，其轴向长度大于集气环与发动机底部的距离；航行器推进系统启动后，发动机装药点火产生燃气，燃气通过发动机喷管向下游喷射，部分燃气在发动机喷管中部通过引气孔进入集气环，在集气环中燃气得到膨胀和降温，再通过排气孔喷出，喷出的燃气被防冲刷裙阻挡，在发动机底部聚集形成稳定气泡，提高发动机底部的压力，降低尾部阻力。

Description

一种航行器尾部引气减阻装置
技术领域
本发明涉及一种航行器尾部引气减阻装置，应用于水下高速航行体的高效能推进领域。
背景技术
水中高速航行器面临着速度高阻力大的难题，难以有足够的推力保持高速航行，因此必须进一步降低水下航行阻力。目前高速航行器设计通过超空泡覆盖和表面减阻涂层等方法可以大幅降低头部阻力和航行体表面的摩擦阻力。
高效能推进动力面临的问题是，在推进动力产生的高速喷流的外围，因为喷流的引射作用，产生较大的低压空间，致使尾部的阻力较大，从而降低推力的效率，尾部的阻力在总的阻力中占据了约50％甚至更高。
对于尾部无法设计为流线型收缩外形的水下航行体，为减少尾部阻力，已经提出的方法是在尾部补气产生稳定的气泡，气泡填充尾部的外形，形成流线型气泡外形，从而消除尾部分离流动阻力。但是该方法不适用于有高速喷流的状态。
要减少推进动力的高速喷流引射带来的尾部阻力，需要通过持续的径向引气改变喷流外围的流动，在尾部形成持续的高压环境，从而降低尾部阻力，甚至在尾部产生一定的附加推力。虽然径向引气会消耗一定的动力喷流的流量，但是鉴于尾部阻力已经占据了总阻力的50％以上，通过降低尾部阻力可以弥补喷流的流量损失，而且总体提高动力的使用效率。
中国专利：ZL 201110012161.9《一种XXXX尾部补气减阻方法》提供了一种尾部补气减阻方法。采用该方法可以使航行体在水中飞行的过程中逐步向尾气泡充气，保持尾部有饱满的尾部气泡，有效地保持尾泡外形与饱满程度，减小尾部阻力的目的。但是该方法需要在初始时刻需要通过高压燃气压入，形成初始的尾泡，不能保持尾泡的尺寸和形状，在航行过程中，会被水流冲刷，变得越来越小，高速喷流有抽吸现象，会加速尾泡的消失，因此，不适用于尾部有高速喷流的状态。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航行器尾部引气减阻装置，在航行器尾部形成持续稳定的气泡，消除高速喷流引射产生的低压区域，提高尾部压力，从而降低尾部阻力，总体提高推进效率。
本发明的技术解决方案是：一种航行器尾部引气减阻装置，该装置包括集气环和防冲刷裙，集气环为环形管，围绕发动机喷管中部外周固定安装，集气环内侧通过多个引气孔与发动机喷管相通，将发动机喷管的燃气导入集气环，集气环外侧开有多个排气孔，将集气环的燃气排出；防冲刷裙为中空壳体，固定接续在航行器壳体尾部，其外径与航行器壳体平齐，沿航行器轴向延伸至发动机喷管中部，其轴向长度大于集气环与发动机底部的距离；航行器推进系统启动后，发动机装药点火产生燃气，燃气通过发动机喷管向下游喷射，部分燃气在发动机喷管中部通过引气孔进入集气环，在集气环中燃气得到膨胀和降温，再通过排气孔喷出，喷出的燃气被防冲刷裙阻挡，在发动机底部聚集形成稳定气泡，提高发动机底部的压力，降低尾部阻力。
所述引气孔的开孔面积应保证引出燃气的最大流量不超过发动机总流量的10％。
所述排气孔总面积为引气孔的总面积的2～2.5倍。
所述集气环的最大直径小于发动机喷管的最大直径，防止发动机喷管对集气环的抽吸。
所述集气环的内部圆环直径范围为引气孔直径的10～50倍，保持集气环的燃气合理的膨胀。
所述排气孔均布在集气环外沿，排气孔与集气环连线与垂直于航天器轴线的平面夹角均在[-45°,45°]范围内，形成径向和斜向上游和斜向下游的燃气喷流。
所述集气环与发动机喷管融合焊接而成。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明在航行器发动机喷管中部安装集气环，采用引气孔持续将小部分发动机喷管内的高压高温燃气引入到集气环中，燃气在集气环中燃气得到膨胀，再由排气孔将高压高温燃气，从发动机侧面喷出，在尾部形成高压区域，形成尾部高压气泡，从而提高尾部压强，降低尾部阻力；
(2)、本发明在航行器尾部安装防冲刷裙，从排气孔喷出的高压高温燃气被防冲刷裙遮挡，在发动机底部聚集，防冲刷裙保护尾部高压气泡，减小上游对尾部气泡的冲刷，保持尾部气泡长时间稳定，从而减少燃气的消耗，长时间减小尾部阻力；
(3)、本发明集气环的多个排气孔均布在集气环外沿两侧45度范围内，形成径向和斜向上游和斜向下游的燃气喷流，喷出的燃气集中在尾部，效率高，可以进一步减少燃气的排量；
(4)、本发明集气环与发动机喷管融合焊接，起到加强喷管中部强度的作用，解决由于发动机喷管中部开孔带来的强度下降问题；
(5)、本发明引气孔的最大流量不超过发动机总流量的10％，避免因引气带来的推力损失。
(6)、本发明排气孔总面积为引气孔的总面积的2～2.5倍，能够保证集气环中燃气有合理的膨胀降压和降温。
附图说明
图1为本发明发动机装置与尾部引气减阻装置纵向剖面图；
图2为本发明发动机装置与尾部引气减阻装置横截面图。
说明：1、航行器壳体 2、防冲刷裙 3、发动机底部 4、集气环 5、排气孔 6、引气孔7、发动机喷管、8、发动机装药。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种航行器尾部引气减阻装置包括集气环4和防冲刷裙2。
集气环4为环形圆管，采用耐高温金属材料制成，围绕发动机喷管7中部外周与发动机喷管直接用融合焊接的方法固定连接，集气环4内侧开有多个引气孔6，引气孔6与集气装置相通，将发动机喷管7的燃气导入集气环4，引气孔可以为圆形孔。融合焊接的安装方式起到加强喷管中部强度的作用，解决由于发动机喷管中部开孔带来的强度下降问题。集气环4外侧开有多个排气孔5，均布在集气环4外沿，排气孔5与集气环4连线与垂直于航天器轴线的平面夹角均在[-45°,45°]范围内，形成径向和斜向上游和斜向下游的燃气喷流，将集气环4的燃气排出，喷出的燃气集中在尾部，在尾部形成尾部高压气泡，从而提高尾部压强，降低尾部阻力。
防冲刷裙2为中空圆柱形壳体，固定接续在航行器壳体1尾部，其外径与航行器壳体1平齐，沿航行器轴向延伸至发动机喷管7中部，其轴向长度大于集气环4与发动机底部3的距离，覆盖集气环50％以上的面积。从排气孔喷出的高压高温燃气被防冲刷裙遮挡，在发动机底部聚集，防冲刷裙保护尾部高压气泡，减小上游对尾部气泡的冲刷，保持尾部气泡长时间稳定，从而减少燃气的消耗，长时间减小尾部阻力。
航行器底部为发动机，其内部装填发动机装药8，发动机喷管7通过发动机底部3固定在航行体壳体1尾部，并嵌入发动机装药8，航行器推进系统启动后，发动机装药点火产生燃气，燃气通过发动机喷管7向下游喷射，部分燃气在发动机喷管7中部通过引气孔6进入集气环4，在集气环4中燃气得到膨胀和降温，然后通过排气孔将燃气喷出，再通过排气孔5喷出，喷出的燃气被防冲刷裙2阻挡，在发动机底部聚集形成稳定气泡，提高发动机底部的压力，降低尾部阻力。
为了避免因引气带来的推力损失，基于最大流量计算设计引气孔的引气孔6的开孔面积，使之保证引出燃气的最大流量不超过发动机总流量的10％。排气孔总面积为引气孔的总面积的2～2.5倍，保证集气环中燃气有合理的膨胀降压和降温。集气环4的内部圆环直径范围为每个引气孔直径的10～50倍，在气环内燃气膨胀带来压强与温度同时降低，压强降低到1～10个大气压，温度降低到1000K以下。
如图2所示，集气环4的最大直径小于发动机喷管7的最大直径，这样，可以防止发动机喷管7对集气环4的抽吸。
上述装置在尾部通过集气环引入发动机燃气，并向发动机底部持续补充高压燃气，提高尾部压强，在尾部形成稳定气泡，改变航行体的尾部的流动状态，从而将航行体的尾部阻力大幅降低，通过降低阻力提高航行体在水下加速与保持高速航行的能力。通过引入小流量的燃气，大幅降低尾部阻力，实现推进系统总体效率的提高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于包括集气环(4)和防冲刷裙(2)，集气环(4)为环形管，围绕发动机喷管(7)中部外周固定安装，集气环(4)内侧通过多个引气孔(6)与发动机喷管(7)相通，将发动机喷管(7)的燃气导入集气环(4)，集气环(4)外侧开有多个排气孔(5)，将集气环(4)的燃气排出；防冲刷裙(2)为中空壳体，固定接续在航行器壳体(1)尾部，其外径与航行器壳体(1)平齐，沿航行器轴向延伸至发动机喷管(7)中部，其轴向长度大于集气环(4)与发动机底部(3)的距离；航行器推进系统启动后，发动机装药点火产生燃气，燃气通过发动机喷管(7)向下游喷射，部分燃气在发动机喷管(7)中部通过引气孔(6)进入集气环(4)，在集气环(4)中燃气得到膨胀和降温，再通过排气孔(5)喷出，喷出的燃气被防冲刷裙(2)阻挡，在发动机底部聚集形成稳定气泡，提高发动机底部的压力，降低尾部阻力。
2.根据权利要求1所述的一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于所述引气孔(6)的开孔面积应保证引出燃气的最大流量不超过发动机总流量的10％。
3.根据权利要求1所述的一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于排气孔(5)总面积为引气孔的总面积的2～2.5倍。
4.根据权利要求1所述的一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于集气环(4)的最大直径小于发动机喷管(7)的最大直径，防止发动机喷管(7)对集气环(4)的抽吸。
5.根据权利要求1所述的一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于集气环(4)的内部圆环直径范围为引气孔直径的10～50倍，保持集气环(4)的燃气合理的膨胀。
6.根据权利要求1所述的一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于排气孔(5)均布在集气环(4)外沿，排气孔(5)与集气环(4)连线与垂直于航天器轴线的平面夹角均在[-45°,45°]范围内，形成径向和斜向上游和斜向下游的燃气喷流。
7.根据权利要求1所述的一种航行器尾部引气减阻装置，其特征在于集气环(4)与发动机喷管(7)融合焊接而成。
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