CN106809361A - 一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，包括潜艇外壳、活塞推动机构和压水喷水推进机构，所述潜艇外壳内设置有吸水腔和排水腔，所述活塞推动机构包括电机固定架一(4)、电机一(5)、联轴器(3)、丝杆(2)、丝杆活塞连接板(1)、活塞(6)，所述压水喷水推进机构包括电机二(7)、电机固定架二(6)、曲柄(9)、连杆一(10)、摇杆(11)、定向固定架(12)、滑套(13)、连杆二、推进器(14)，所述吸水腔和排水腔连通，且所述吸水腔与排水腔设置有单向阀；所述推进器(14)包括支架、推进器页片(142)以及合页(141)。本发明推进机构是利用活塞垂直作用于水上，故而效率较高。而且相对于传统螺旋桨噪音较小，隐蔽性高。

Description

一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇

技术领域

本发明涉及一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，属于潜艇技术领域。

背景技术

研究现状：潜艇声隐身技术的发展方向目前影响潜艇声隐身水平提高的主要矛盾仍然是机、桨和液压系统噪声等技术难题。要突破这些瓶颈,须加大对这部分噪声的治理研究,如采用大型舱筏集中隔离机械设备的振动传递。特别是应加大对推进系统的噪声治理,提高主动力系统的降噪效果、控制推进轴系的振动、降低推进器噪声。而专利主要着眼于降低推进器噪声。

潜艇由于具有隐蔽性、机动灵活、自给力、续航力大及突发攻击能力强等特点而成为现代海军的主战力量。由于非声物理场的现实检测约与艇长尺度同量级,而声波可远达数十至上千海里,所以潜艇的声隐身技术决定潜艇的安全性和作战效能。美国海军在《2000～2035年海军技术—潜艇平台技术》报告中提出21世纪潜艇必须重点发展的六大关键技术:隐身技术、新结构技术、高性能传感器技术和通讯设备技术、有效负载技术、高功率密度动力技术、外载航行器技术。其中隐身技术被列为重点发展的关键技术之首。研究表明,潜艇水下噪声降低10dB,则敌方探测发现我方潜艇的距离可缩短32％；如果声纳平台自噪声降低5dB,我方潜艇探测距离可增加60％,探测目标的海区面积可增加至原来的3倍。因此,发展和应用潜艇的声隐身技术,成为提高潜艇生存力的重要手段。

已有基础：潜艇是一个复杂的噪声源分布体,水下噪声产生的原因主要有以下三个方面:其一,机械设备和管系通过基座与非支撑件激励艇体振动并向水中辐射噪声,舱室空气噪声激励艇体振动产生水下噪声以及通海管路中的流体脉动向水中辐射噪声；其二,螺旋桨在非均匀流场中旋转运动产生辐射噪声,以及螺旋桨诱导脉动压力通过轴系激励或直接激励艇体产生噪声；其三,艇体结构受表面湍流脉动压力激励产生水动力噪声,以及突体、附体、空腔与湍流脉动压力相互作用产生水动力噪声。而螺旋桨产生辐射噪声为目前潜艇的主要噪音来源。

故而本文注重于该问题。从而创新性的提出一种不同于螺旋桨推进的潜艇推进方式，即在精确的电控系统下控制电机通过活塞连杆机构带动一个活塞，向后推动吸入潜艇后部的水。根据牛顿第三定律，潜艇会得到一个向前的推力，从而前进。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，通过电控系统下控制电机通过活塞连杆机构带动一个活塞，推杆推动合页机构，向后推动吸入潜艇后部的水。根据牛顿第三定律，潜艇会得到一个向前的推力，从而前进。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，包括潜艇外壳、活塞推动机构和压水喷水推进机构，所述潜艇外壳内设置有吸水腔和排水腔，所述活塞推动机构包括电机固定架一(4)、电机一(5)、联轴器(3)、丝杆(2)、丝杆活塞连接板(1)、活塞(6)，所述电机固定架一(4)固定在潜艇外壳内，所述电机一(5)安装在电机固定架一(4)上，而所述电机一(5)的驱动轴通过联轴器(3)与丝杆(2)连接，所述丝杆(2)通过丝杆活塞连接板(1)与活塞(6)连接，所述活塞(6)设置于吸水腔内；所述压水喷水推进机构包括电机二(7)、电机固定架二(6)、曲柄(9)、连杆一(10)、摇杆(11)、定向固定架(12)、滑套(13)、连杆二、推进器(14)，所述电机固定架二(6)固定在潜艇外壳内，所述电机二(7)安装在电机固定架二(6))上，而所述电机二(7)的驱动轴、曲柄(9)、连杆(10)、摇杆(11)、定向固定架(12)、滑套(13)、推进器(14)依次传动连接，所述推进器(14)设置于排水腔内；所述吸水腔和排水腔连通，且所述吸水腔与排水腔设置有单向阀；所述推进器(14)包括支架、推进器页片(142)以及合页(141)，所述支架与连杆二固定连接，而所述推进器页片(142)与支架之间通过合页(141)连接。

优选的：所述活塞(6)的外圈设置有活塞密封圈(61)。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

现有潜艇的螺旋浆效率低，本研究推进机构是利用活塞垂直作用于水上，故而效率较高。而且相对于传统螺旋浆噪音较小，隐蔽性高。本发明的潜艇推进机构发出的频率与普通螺旋浆发出的频率存在巨大差异，有利于在军事上迷惑敌方。在军事等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为整体外观图；

图2为活塞推动机构示意图；

图3为压水喷水推进机构示意图；

图4为压水喷水推进机构的合页机构部分示意图；

图5为技术路线附图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，如图1-4所示，包括潜艇外壳、活塞推动机构和压水喷水推进机构，所述潜艇外壳内设置有吸水腔和排水腔，所述活塞推动机构包括电机固定架一4、电机一5、联轴器3、丝杆2、丝杆活塞连接板1、活塞6，所述电机固定架一4固定在潜艇外壳内，所述电机一5安装在电机固定架一4上，而所述电机一5的驱动轴通过联轴器3与丝杆2连接，所述丝杆2通过丝杆活塞连接板1与活塞6连接，所述活塞6设置于吸水腔内；所述压水喷水推进机构包括电机二7、电机固定架二6、曲柄9、连杆一10、摇杆11、定向固定架12、滑套13、连杆二、推进器14，所述电机固定架二6固定在潜艇外壳内，所述电机二7安装在电机固定架二6上，而所述电机二7的驱动轴、曲柄9、连杆10、摇杆11、定向固定架12、滑套13、推进器14依次传动连接，所述推进器14设置于排水腔内；所述吸水腔和排水腔连通，且所述吸水腔与排水腔设置有单向阀；所述推进器14包括支架、推进器页片142以及合页141，所述支架与连杆二固定连接，而所述推进器页片142与支架之间通过合页141连接。

所述活塞6的外圈设置有活塞密封圈61。

如图5所示，首先建立以经典力学中的动力学为基础的运动学模型。模型为：活塞推水的推力等于潜艇向前运动的阻力加上整个潜艇的质量乘以加速度的乘积。建立潜艇的外形：外形主体为以30毫米为半径的圆柱体，圆柱体长为300毫米。圆柱体前部与半径为30毫米的半球相切，圆柱体后部与半径为30毫米的半球体相切。潜艇潜身之间有一半径为10毫米的圆柱体通孔。在电气方面：选用“ACE 2200mAh 3S 11.1V 20C”电池，并且选用两个“LM2596S-ADJ DC-DC可调降压模块”将电池11.1V的电压降成8.4V供主舵机使用，以及降成5V供单片机使用。选用“XDRC MC6 6通道2.4G遥控器”作为遥控器，发出信号。选用两个“MG995”舵机，并且将舵机与潜艇后部的划水翼链接，靠划水翼的左右偏摆控制方向。选用“STM32F103RCT6最小系统板”作为单片机，用来接收信号和控制舵机。以及选用一块“16路模块PWM/舵机驱动板”来接单片机的信号并驱动舵机。驱动潜艇前进的主舵机选用“JXServo/PDI-HV5932MG/30KG/大扭力金属齿数字舵机”，舵机的行程是180°。曲柄连杆机构中，摇杆杆长为60毫米，摇杆长为65毫米。活塞缸直径设计为20毫米，活塞行程为120毫米。并计算出此时机构的机械振动频率(为防止后期装配出来的潜艇模型的固有频率于此相近，导致共振危害整个潜艇)。之后再在利用SolidWorks进行潜艇的零件建模和总装。建模思路如下：首先在建好的潜艇外壳下，将选好的电机和电池选好合适的位置，尽量在潜艇的下部。以保持低重心，防止潜艇翻滚。同时也要考虑潜艇内部的重量前后分布，使电池和潜艇外壳的实际尺寸相适应，将其尽量靠头部布置。将电机和设计出的活塞连杆机构靠尾部布置。同时运用杠杆原理，估算出潜艇重心。将控制潜艇上下潜浮的排水舱建模在此重心位置上。以保持潜艇在上浮下潜排水或者吸水的时候，重心不变，保持前后水平。而排水舱的大小通过估算潜艇的重量和总的体积(排水量)来确定。排水舱排完水时潜艇的总排水量要略大于潜艇的总重量，以便上浮。而排水舱在吸水至最大量时，潜艇的排水量要小于重量，以便下沉。在此部分完成后，将建好的潜艇模型放入ANSYS中进行细致的流体力学分析和优化，根据分析出来的阻力等情况再反过来修正活塞直径。从而得到在潜艇外形下的最佳动力。

因此本发明根据潜艇模型的尺寸，选用合适的电池和电机，以及相应的控制电路。根据电机型号，向厂家取得电机的转速—负载图。将两图合并，即可计算出潜艇工作时的电机转速和潜艇前进平均速度。得到了以上两个数据即可以设计出活塞缸的尺寸——即每个运动周期中排出的水量。选定合适的活塞缸直径后得到活塞缸的长度，即可得到活塞运动的行程，再根据机械设计原理设计相应的曲柄连杆机构。在满足行程和压力角最大为40°的情况下，设计出最紧凑的机构。并计算出此时机构的机械振动频率。之后再在利用SolidWorks进行潜艇的零件建模和总装。首先在建好的潜艇外壳下，将选好的电机和电池选好合适的位置，尽量在潜艇的下部。以保持低重心，防止潜艇翻滚。同时也要考虑潜艇内部的重量前后分布，使电池和潜艇外壳的实际尺寸相适应，将其尽量靠头部布置。将电机和设计出的活塞连杆机构靠尾部布置。同时运用杠杆原理，估算出潜艇重心。将控制潜艇上下潜浮的排水舱建模在此重心位置上。以保持潜艇在上浮下潜排水或者吸水的时候，重心不变，保持前后水平。而排水舱的大小通过估算潜艇的重量和总的体积(排水量)来确定。排水舱排完水时潜艇的总排水量要略大于潜艇的总重量，以便上浮。而排水舱在吸水至最大量时，潜艇的排水量要小于重量，以便下沉。在此部分完成后，将建好的潜艇模型放入ANSYS中进行细致的流体力学分析和优化，根据分析出来的阻力等情况再反过来修正活塞直径。从而得到在潜艇外形下的最佳动力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，其特征在于：包括潜艇外壳、活塞推动机构和压水喷水推进机构，所述潜艇外壳内设置有吸水腔和排水腔，所述活塞推动机构包括电机固定架一(4)、电机一(5)、联轴器(3)、丝杆(2)、丝杆活塞连接板(1)、活塞(6)，所述电机固定架一(4)固定在潜艇外壳内，所述电机一(5)安装在电机固定架一(4)上，而所述电机一(5)的驱动轴通过联轴器(3)与丝杆(2)连接，所述丝杆(2)通过丝杆活塞连接板(1)与活塞(6)连接，所述活塞(6)设置于吸水腔内；所述压水喷水推进机构包括电机二(7)、电机固定架二(6)、曲柄(9)、连杆一(10)、摇杆(11)、定向固定架(12)、滑套(13)、连杆二、推进器(14)，所述电机固定架二(6)固定在潜艇外壳内，所述电机二(7)安装在电机固定架二(6))上，而所述电机二(7)的驱动轴、曲柄(9)、连杆(10)、摇杆(11)、定向固定架(12)、滑套(13)、推进器(14)依次传动连接，所述推进器(14)设置于排水腔内；所述吸水腔和排水腔连通，且所述吸水腔与排水腔设置有单向阀；所述推进器(14)包括支架、推进器页片(142)以及合页(141)，所述支架与连杆二固定连接，而所述推进器页片(142)与支架之间通过合页(141)连接。

2.根据权利要求1所述利用合页开合压水式喷水推进的潜艇，其特征在于：所述活塞(6)的外圈设置有活塞密封圈(61)。