CN107310687B - 一种阻力自适应可变结构空化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻力自适应可变结构空化器，主要包括锥形空化器部件、可移动部件和弹性部件，锥形空化器部件包括圆锥形头部和圆柱形尾部，圆柱形尾部与所述圆锥形头部的底面相连；弹性部件位于所述圆柱形尾部上，且位于远离圆锥形头部的一端；所述可移动部件包绕在所述锥形空化器的外侧，并能够在所述圆柱形尾部滑动。本发明的有益效果：在航行器不同的航速和航深下，通过阻力调整结构，有效保持空泡的尺度，从而使航行器受力稳定，减小航行器因速度变化造成的沾湿状态的剧烈变化；降低了空化数的变化对阻力的影响，减小航行器的阻力波动范围；在受到入水冲击时，通过弹性材料改变结构，增加航行器的缓冲时间，减小入水冲击力，提高入水安全性。

Description

一种阻力自适应可变结构空化器

技术领域

本发明涉及超空泡技术中的空化器设计领域，尤其涉及一种阻力自适应可变结构空化器。

背景技术

水下航行器在速度达到一定值时，由于表面上压力分布的变化，在部分位置可能造成压力小于水的蒸汽压，使水由液态转换为气态，覆盖在航行器表面。利用这个原理，各国对其水下减阻能力进行了研究，并研制出了超空泡航行器。

超空泡航行器的大部分表面被空泡包裹，从而减小了阻力。头部用来稳定产生空泡的部件是空化器，也是整个航行器最重要的与水保持稳定接触的部分。

空化器是水下超高速航行器上最重要的部件之一。它被用来产生稳定的空泡，包裹航行器，从而减小航行器的阻力，提高航行器速度。当前使用的空化器，主要都是固定外形结构的空化器，如圆盘空化器、圆锥空化器等；已知的国内外研究的超空泡航行器上使用的都是圆盘空化器或者锥形空化器。

目前国内外对两种空化器的流体动力特性研究的比较多，其流体动力特性也较为清楚。但对于其它结构外形的空化器研究的相对较少。

相关领域技术人员在空化器倾斜角对超空泡流影响的三维数值仿真研究中曾对圆盘空化器与锥形空化器的组合结构的流体动力特性进行了研究，其研究结果表明，利用锥形空化器与圆盘空化器的组合，能够改变其流体动力，使其流体动力参数在圆盘空化器与锥形空化器之间变化；其研究主要针对固定结构空化器的流体动力，对其实际应用需要的技术没有进一步研究。

现有技术中，空化器的结构一般为圆盘空化器和锥形空化器，由于其结构在航行器的不同状态下保持不变，设计空泡流型时，通常只是使空泡的尺度满足航行器巡航状态的要求；而在不同航行状态下，航行器的空化数会产生变化，使空泡尺度随着变化，比如速度增大时，空化数减小，从而造成空泡尺度增大；速度减小时，空化数增大，空泡尺度减小；而这种空泡尺度的增大是以增加航行器阻力为代价的，且增大的空泡尺度对航行器并没有其他益处；空泡尺度的减小则可能使空泡无法包裹住航行器，增大航行器沾湿面，使超空泡航行器阻力增大，甚至造成航行器失稳；因此，现有的空化器结构难以适应变速度超空泡航行器的实际需要，无法使超空泡的减阻效果达到最好；即使锥形空化器与圆盘空化器的固定组合结构，其流体动力参数也是固定不变的，难以适应速度或深度变化，造成空化数、空泡尺度变化给航行器带来的不利影响。现有技术中往往是利用通过对超空泡航行器的空泡内通气，可以改变空化数，从而改变空泡尺度；空泡内通气的方法对于稳定空泡形态有重要意义，通常超空泡航行器都必须有通气装置，但是由于通气量的大小与空泡形态之间的精确关系难以确定，且通气量过大时还会造成空泡形态的失稳；因此，目前空泡内通气的方法仅用于引导超空泡的生成，以及保持空泡的持续稳定生成，用改变通气量来控制空泡尺度的方法是难以实现的。

固定结构的空化器在使用过程中，有以下不足：

第一、在航行器航行过程中速度变化，或者深度变化时，空泡大小也会随之变化，而为了包裹航行器所需要的空泡大小是不变的；过大的空泡意味着航行器阻力的增大；过小的空泡则意味着航行器没有被完全包裹，没有完全达到减阻的目的；

第二、固定结构的空化器在入水时的冲击下，载荷非常大，而结构本身强度相对较弱，不利于航行器入水；尤其是超空泡射弹，入水速度极高，射弹头部也更容易产生变形损坏。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种阻力自适应可变结构空化器，用以解决现有固定结构空化器在航行器外部条件变化时空泡尺度变化造成的航行器航行不稳定、增加无效阻力的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种阻力自适应可变结构空化器，主要包括锥形空化器部件、可移动部件和弹性部件，所述锥形空化器部件包括圆锥形头部和圆柱形尾部，所述圆柱形尾部与所述圆锥形头部的底面相连；所述弹性部件位于所述圆柱形尾部上，且位于远离圆锥形头部的一端；所述可移动部件包绕在所述锥形空化器的外侧，并能够在所述圆柱形尾部滑动。

本发明阻力自适应可变结构空化器，通过在航行过程中使空化器的结构随其受到的阻力自行调整，从而减小空化器阻力变化的幅度，最终使空泡尺度的变化大大减小；对于速度逐渐变化的超空泡航行器来说，能够始终以一定范围内的阻力保持空泡尺度的稳定，有利于提高射程和保持稳定性；对于入水冲击过程，本发明阻力自适应可变结构空化器使入水冲击载荷也大大降低。

进一步的，所述圆锥形头部底面的直径大于所述圆柱形尾部的直径。

进一步的，所述圆锥形头部的锥角范围为40°～90°。

理论上，圆形头部器的锥角范围可以在0°～180°之间选择，而实际上，需要考虑不同锥角的空化器的流体动力特性(阻力、升力特性)，锥角通常选择在40°-90°之间，选择时需要考虑空化器安装条件、升力阻力比。

进一步的，所述圆柱形尾部的直径为所述圆锥形头部底径的0.8倍，所述圆柱形尾部的直径为所述圆锥形头部长度的2倍。

圆柱形尾部的直径小于锥面的最大直径，以限制可移动部件运动的极限位置，同时要满足使用过程中的强度要求，初步取值时，可选择为圆锥底径的0.8倍；其长度要大于可移动部件2左右运动的距离，同时需要满足弹性部件的安装，初步取值时，通常在圆锥长度的二倍左右。

进一步的，所述锥形空化器部件的材质为铝合金或钨钢。

空化器部分材质的选择与使用环境有关，超空泡射弹上空化器部分通常会选择钨钢材质，使射弹有较好的动能保持性，同时有较高的强度；在普通超空泡航行器上，对强度要求相对较低，可选择铝合金材质，以较小的质量满足需求。

进一步的，所述可移动部件为圆环状结构，包括圆环本体、凸缘和限位环，所述凸缘位于所述圆环本体上靠近所述圆锥形头部的外端面，所述限位环位于远离凸缘一侧的所述圆环本体的内壁上。

进一步的，所述限位环与所述弹性部件始终保持紧贴状态。

进一步的，所述圆环本体的内径与圆锥形头部的底径相同，所述限位环的直径与圆柱形尾部的直径相同。

圆环本体的直径中，其内径与圆锥底径相同，能够使锥部限定其径向的自由度，其外径需要依据强度条件进行校核，在强度要求不高时，可取2mm左右。

进一步的，当需要空化器更偏向于圆盘空化器的流体动力特性时，所述凸缘直径为圆锥形头部底径的二倍以上；当需要空化器偏向于锥形空化器的流体动力特性时，所述凸缘直径为圆锥形头部底径的二倍以内。

进一步的，所述可移动部件的材质为铝合金或钨钢。

本发明可移动部件在射弹上选择钨钢，在普通超空泡航行器上采用铝合金。

进一步的，所述弹性部件为圆环状结构，包绕在所述圆柱形尾部的外侧。

进一步的，所述弹性部件为弹性材料或橡胶材料。

优选地，所述弹性部件为弹簧。

进一步的，所述自适应可变结构空化器通过圆柱形尾部与航行器同轴固定连接，所述弹性部件抵在限位环与航行器之间。

进一步的，所述自适应可变结构空化器与航行器采用螺栓、螺钉或螺纹连接。

本发明有益效果如下：

(1)本发明阻力自适应可变结构空化器在航行器不同的航速和航深下，通过阻力调整结构，有效保持空泡的尺度，从而使航行器受力稳定，减小航行器因速度变化造成的沾湿状态的剧烈变化；

(2)本发明阻力自适应可变结构空化器降低了空化数的变化对阻力的影响，减小航行器的阻力波动范围；在设计超空泡航行器空泡流型时，由于不同条件下空泡尺度变化不大，避免了为保证航行器低速时被空泡包裹，而采用过大的空泡，造成阻力过大的不利影响；

(3)本发明阻力自适应可变结构空化器结构能够根据受到的阻力自行调整，不需要采用复杂且几乎难以实现的的主动控制方式，同时，本发明能够依据航行器应用环境，可预先调整空化器结构参数，能够满足变航速，变空化数等条件下的应用；

(4)本发明阻力自适应可变结构空化器在受到入水冲击时，能够通过弹性材料改变结构，增加航行器的缓冲时间，减小入水冲击力，提高入水安全性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的特征和优点从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明阻力自适应可变结构空化器结构剖视图；

图2为本发明阻力自适应可变结构空化器与航行器连接示意图。

图中，1-锥形空化器部件，2-可移动部件，3-弹性部件，4-航行器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

对于固定外形的空化器来说，其产生的空泡大小与空化数相关，轴对称超空泡尺度的经验公式，通常可近似如下：

式中，σ为空化数，D_c为空泡直径，L_c为空泡长度，D_n为空化器直径，k为经验常数，可在0.9-1.0之间取值；A为经验常数，当σ不小于0.01时，通常可接受A≈2.0；C_x为空化器阻力系数。

从式Ⅰ、式Ⅱ可见，空泡的尺度与空化器的阻力系数密切相关，在同一空化数下，空化器阻力系数的大小取决于空化器的外形，圆盘空化器的阻力系数大于锥形空化器的阻力系数；锥形空化器的阻力系数随锥角的增大而增大，圆盘空化器可以看做是锥角180°的锥形空化器。

空化数σ是超空泡技术的一个重要参数，其定义如下：

p_∞为所在流场的绝对压力，p_v为研究问题所在处的饱和蒸汽压力或已经形成的空泡内部当时的压力，ρ为液体的密度，v是所在流场的速度；

根据式Ⅰ、式Ⅱ、式Ⅲ，有

由式Ⅳ可知，在空化数或速度确定的情况下，一定的阻力系数对应的空泡尺度是确定的；也就是说，回转形空化器的空泡的大小与阻力系数是对应的。在相同条件下，空化器的阻力系数与空化器的形状有关；如果能够改变空化器的形状，使速度增大时，空化器变形使阻力系数有减小的趋势，速度减小时，空化器变形使阻力系数有增大的趋势；那么就可以使空泡尺度的变化幅度比固定结构的空化器大为减小。

常用的圆盘空化器和锥形空化器，两者之间的阻力系数存在一定的差异；比如在小空化数下，圆盘空化器的阻力系数在0.82左右，90°锥形空化器的阻力系数则在0.6左右；通过改变空化器结构，使空化器上的部件在圆盘空化器与锥形空化器之间转变，可使空化器阻力特性在两者之间过渡。

根据上述原理，本发明提供一种阻力自适应可变结构空化器，设计的变结构空化器的中部为锥形空化器，外部套有可左右移动的圆环型结构，通过弹性结构使圆环部分可以根据阻力大小来移动，最终改变整体结构的流体动力参数。

下面采用具体实施例对一种阻力自适应可变结构空化器进行具体描述。

实施例

本实施例一种阻力自适应可变结构空化器，如图1所示，包括锥形空化器部件1，可移动部件2，弹性部件3，锥形空化器部件1包括圆锥形头部和圆柱形尾部，圆柱形尾部的一端面与圆锥形头部的底面相连，且圆柱形尾部的直径小于圆锥形头部的底面直径，弹性部件3位于圆柱形尾部远离圆锥形头部的一端，可移动部件2包绕在锥形空化器部件1的外侧，且可以在弹性部件3与圆锥形头部之间移动，可移动部件2与弹性部件3采用小间隙的间隙配合。阻力自适应可变结构空化器用于普通超空泡航行器时，锥形空化器部件1和可移动部件2采用铝合金材料；当用于超空泡射弹时，锥形空化器部件1和可移动部件2采用钨钢材料。

锥形空化器部件1通过圆柱形尾部与航行器4进行固定相连，如图2所示，锥形空化器部件1与航行器4之间可以采用螺纹连接、焊接或粘接的连接方式，需要满足将空化器固连于航行器，并保证同轴度；圆柱形尾部的直径需要满足与可移动部件2、弹性部件3的连接需要，当设计本实施例中空化器与航行器连接结构时，航行器4与空化器连接部分的尺寸，依据空化器圆柱形尾部的直径来确定。

本实施例锥形结构锥角可以是60°，主流选择在40°～90°之间；锥形空化器部件1中圆锥形底面直径、圆柱形结构的长度、直径都需要根据航行器设计指标来确定，而航行器的设计指标包括航速、航深、空泡流型、航行器直径、航行器长度、航行器重量等条件，这些参数都会影响到锥形空化器部件1的结构，本实施例可以选择航行器直径533mm，可初步选择锥角60°，锥部底径80mm,圆柱形尾部直径60mm，长度150mm，可移动部件2直径最大处(凸缘)为130mm；本发明中锥形空化器部件1的尺寸不仅限于此。

可移动部件2为回转形结构，本实施例中选择圆环形结构，包括圆环本体、凸缘和限位环，凸缘位于圆环本体上靠近锥形空化器部件1的端面，限位环位于圆环本体上远离锥形空化器部件1的一端的内部；限位环与圆环本体远离锥形空化器部件1另一端面的距离为3-5mm；限位环与弹性部件3一直保持紧贴状态；圆环本体的内径与圆锥底径相同，本实施例中圆环本体的内径为80mm，圆环本体的长度不大于锥形空化器部件1的圆柱形尾部的长度，本实施例圆环本体的长度为120mm；限位环宽度主要用来保证可移动部件2与锥形空化器部件1的圆柱形尾部的同轴度，保持可移动部件2左右运动的顺畅，本实施例中限位环的宽度不小于10mm；凸缘的直径与航行器4的设计指标有关，本实施例中凸缘的直径为130mm；本发明中凸缘作为迎流面，通过改变位置来改变迎流状态，限位环用于限制可移动部件2左右移动的极限位置，当可移动部件2左右移动时，弹性材料伸缩。

弹性部件3为回转形结构，可以选择橡胶材料或弹簧，本实施例中选择弹簧作为弹性部件，本实施例中所使用的弹簧为螺旋弹簧(压簧)，这种带弹性结构的自适应空化器为机械式自适应空化器，本实施例中即为机械式自适应空化器，本实施例中弹簧与限位环始终处于紧贴状态。

值得注意的，本发明能够根据阻力(压力)改变位移的电气化结构也能完成弹性部件3的相应功能，如根据压力传感器，将压力传感器设置在可移动部件2的凸缘上，根据压力大小，通过舵机来操控可移动部件2的位置，这是自适应空化器的电气化形式，电气化形式与机械式空化器的基本原理都是根据受力来调整可移动部件2的位置；本发明能够完成相应功能的结构并不限于此，只要是根据空化器受力来改变可移动部件2位置，以达到改变空化器流体动力的方式，均与本发明基本原理相同。

值得注意的，本实施例中阻力自适应可变结构空化器是根据外部环境的变化所引起的被动改变方式，被动改变方式是指如速度或其他条件改变时，可移动部件2受力随之变化，改变可移动部件2的位置后，就可以减小外部环境带来的影响。本发明也可以通过采用主动改变空化器结构达到相同的效果，如通过使用控制电机控制可移动部件2的位置，就改变了整个空化器的受力情况，使可移动部件2进行改变；这种状况下，不考虑当时状态下空化器受力，仅仅是为了改变空化器结构，满足航行器对空化器的需求，需求包括而不限于空化器受力需求，也包括航行器改变航行状态、改变控制力等，上述方式就是主动控制方式。

本发明阻力自适应可变结构空化器在航行过程中的变化为：当航行阻力较小时，可移动部件2受到的阻力也小，在弹性部件3的作用下，可移动部件2向左运动，阻力自适应可变结构空化器整体结构有增加阻力系数的趋势，当锥面完全被可移动部件2包裹时，阻力自适应可变结构空化器整体结构的迎流面为圆盘形，阻力系数接近于圆盘空化器；当航行器的迎流阻力较大时，可移动部件2受到的力增大，使其向右运动，整体结构有减小阻力系数的趋势，当迎流阻力足够大时，空化器整体的迎流面变为锥形结构，阻力系数接近于锥形空化器。

阻力自适应可变结构空化器整体结构中，根据实际情况可以调整的参数有锥形空化器锥角β、弹性结构的弹性系数ξ、锥面在变结构迎流面上的投影占总迎流面积的比例η；空化器锥角β决定了空化器受力较大时，所能达到的最小阻力系数；弹性材料的弹性系数ξ不同时，其整体结构的阻力系数随阻力的变化趋势也会产生一定的差异。由此，可以预先根据航行器运行条件，选择合适的弹性系数；锥面在总体结构中的占比η决定了总体结构的性质更偏向于锥形空化器还是圆盘空化器。

在本发明的可变结构下，空化器阻力系数的最小值和最大值分别与相应的锥形空化器和圆盘空化器阻力系数相同；与固定结构的空化器相比，航行器速度的增加或者减小造成的阻力变化值均减小；由此可以判断，空化器产生的空泡尺度随速度的变化也将减小，空泡的尺度能够更充分的利用，有利于提高航程和航行器的稳定性，由于本结构中空化器部分设有弹性结构，在遭受入水冲击时，弹性结构能够起到缓冲作用，避免过高的冲击载荷。

综上所述，本发明提供了一种阻力自适应可变结构空化器，本发明可变结构空化器可以根据受到的阻力自行调整，不需要采用复杂且几乎难以实现的的主动控制方式，同时，本发明可变结构空化器可以依据航行器应用环境，可预先调整空化器结构参数，能够满足变航速，变空化数等条件下的应用；可变结构空化器在受到入水冲击时，能够通过弹性材料改变结构，增加航行器的缓冲，减小入水冲击力，提高入水安全性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，包括锥形空化器部件、可移动部件和弹性部件，所述锥形空化器部件包括圆锥形头部和圆柱形尾部，所述圆柱形尾部与所述圆锥形头部的底面相连；所述弹性部件位于所述圆柱形尾部上，且位于远离圆锥形头部的一端；所述可移动部件包绕在所述锥形空化器部件的外侧，并能够在所述圆柱形尾部滑动。

2.根据权利要求1所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述圆锥形头部底面的直径大于所述圆柱形尾部的直径。

3.根据权利要求2所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述圆锥形头部的锥角范围为40°～90°。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述可移动部件为圆环状结构，包括圆环本体、凸缘和限位环，所述凸缘位于所述圆环本体上靠近所述圆锥形头部的外端面，所述限位环位于远离凸缘一侧的所述圆环本体的内壁上。

5.根据权利要求4所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述限位环与所述弹性部件始终保持紧贴状态。

6.根据权利要求5所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述圆环本体的内径与圆锥形头部的底径相同，所述限位环的直径与圆柱形尾部的直径相同。

7.根据权利要求6所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，当需要空化器更偏向于圆盘空化器的流体动力特性时，所述凸缘直径为圆锥形头部底径的二倍以上；当需要空化器偏向于锥形空化器的流体动力特性时，所述凸缘直径为圆锥形头部底径的二倍以内。

8.根据权利要求7所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述弹性部件为圆环状结构，包绕在所述圆柱形尾部的外侧。

9.根据权利要求8所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述弹性部件为弹性材料。

10.根据权利要求9所述的一种阻力自适应可变结构空化器，其特征在于，所述自适应可变结构空化器通过圆柱形尾部与航行器同轴固定连接，所述弹性部件抵在限位环与航行器之间。