CN107543462B - 一种超空泡航行体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超空泡航行体，包括超空泡发生器，弹体和中间气道；所述超空泡发生器包括圆锥段和钝体段，所述圆锥段底部与钝体段通过过渡段连接；所述钝体段设在弹体顶部，所述钝体段呈球冠型，所述球冠的圆心在弹体的中心线上；所述过渡段的直径小于圆锥段底圆直径，圆锥段底圆直径小于钝体段截面的弦长；所述弹体内设有中间气道，所述弹体和中间气道之间填充推进剂，所述过渡段上设有与所述中间气道导通的排气口；所述排气口内设有密封件。本发明可以减弱航行体水下航行阻力，提高航行体在水下的航程。

Description

一种超空泡航行体

技术领域

本发明涉及水下航行体或者海上鱼雷领域，特别涉及一种超空泡航行体。

背景技术

物体在水中运动时，还需要克服与水的摩擦力所造成的黏性阻力，这种阻力大约是空气阻力的1000倍。液体绕物体快速运动时压力会下降，而随着速度的增加，当液体压力等于水蒸气压力时，液体便由水相变为气相，形成水蒸气。空泡会使水流发生畸变，从而损失水泵、涡轮水翼和推进器的使用效率，还可能导致强冲击波的出现，并引起金属表面的腐蚀。

但是当物体在水中的运动速度超过50米/秒时，钝头航行器或安装在头部的气体注入系统就可能产生低密度气穴。空泡长度与物体的运动速度有关，物体能够在自己产生的长气泡内部，使流体对物体表面的浸湿面积最少，从而大大降低黏性阻力，以最小的阻力飞速前进。这种低密度气泡就是超空泡.超空泡是空泡的一种极端形式。

申请号为201410187692.5的中国发明专利公开了一种带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，包括装有空化器的头部锥段及装有尾翼的舱体，舱体包括测压舱段、电机舱段、反馈舱段及尾翼舱段，相邻舱段固接且密封，舱体内装有舵机装置，舵机装置包括由电机和减速机驱动的传动轴，传动轴上装有旋转编码器，传动轴轴端固接有主动锥齿轮，空心轴两端均固接有一舵轴，空心轴轴线与传动轴轴线垂直，空心轴上设有与主动锥齿轮啮合传动的从动锥齿轮；电机和减速机固装在电机舱段内，旋转编码器位于反馈舱段内，传动轴穿过反馈舱段并伸入尾翼舱段内，两个舵轴可转动地支撑在尾翼舱段，两个舵轴形成所述尾翼。该发明能将舵机装置集成布置在超空泡航行体模型内部，且能实现对两舵轴的主动控制和角度反馈。其采用的平面形空化发生器将增大航行体头部局部阻力，而锥形的空化发生器产生空泡的能力较差。

申请号为201510884379.1的中国发明专利公开了一种人工通气超空泡鱼雷的减阻-推进一体化构型。改变传统的鱼雷结构，去掉了传统结构中头部的空泡发生器，改为将鱼雷的头部做为平面，去掉位于鱼雷尾部的发动机喷管，改为四个小型发动机喷管，设置在鱼雷的前端，均匀的分布在上下左右四个方向；这种结构就避免了因为前后同时受到推力而使运动形式不稳定的情况，同时能够提供均匀的推力。该发明既可以运用于低速运动，也能够实现高速运动，低速运动时，鱼雷前部平面无法形成自然空泡，发动机喷管喷气，在附近形成一个通气空泡，降低空泡包覆部分的阻力，达到减阻效果，实现了鱼雷推进系统和减阻系统的合二为一。其采用的平面形空化发生器将增大航行体头部局部阻力，而锥形的空化发生器产生空泡的能力较差。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种超空泡航行体，减弱航行体水下航行阻力，提高航行体在水下的航程。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种超空泡航行体，包括超空泡发生器，弹体和中间气道；所述超空泡发生器包括圆锥段和钝体段，所述圆锥段底部与钝体段通过过渡段连接；所述钝体段设在弹体顶部，所述钝体段呈球冠型，所述球冠的圆心在弹体的中心线上；所述过渡段的直径小于圆锥段底圆直径，圆锥段底圆直径小于钝体段截面的弦长；所述弹体内设有中间气道，所述弹体和中间气道之间填充推进剂，所述过渡段上设有与所述中间气道导通的排气口；所述排气口内设有密封件。

进一步，所述钝体段截面的弦长为圆锥段底圆直径的1.3～1.4倍。

进一步，所述过渡段直径为圆锥段底圆直径的0.25～0.3倍。

进一步，所述推进剂为固体推进剂。

进一步，所述圆锥段角度为20-35°。

一种安装超空泡航行体的潜艇，包括超空泡航行体，所述超空泡航行体安装在潜艇的内，用于水下发射。

一种安装超空泡航行体的舰艇，包括超空泡航行体，所述超空泡航行体安装在舰艇上，用于从水面上方向水下发射。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的超空泡航行体，通过锥形段和钝体段，达到有效减弱了航行体头部局部阻力。

2.本发明所述的超空泡航行体，中间气道一方面将燃气引向尾部产生推进弹体前进的反作用力，另一方面通过在过渡段设有排气口，将少量燃气引向过渡段，使超空泡发生器圆锥段末端处产生的局部空泡压力增加以增大空泡体积，在通过钝体段后形成包裹住弹体的气团。

附图说明

图1为本发明所述的超空泡航行体剖视图。

图2为本发明所述的超空泡发生器发大图。

图3为本发明所述的超空泡航行体的水中流体分析。

图中：

1-超空泡发生器；2-弹体；3-中间气道；4-钝体段；5-过渡段；6-排气口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1和图2所示，一种超空泡航行体，包括超空泡发生器1，弹体2和中间气道3；所述超空泡发生器1包括圆锥段和钝体段4，所述圆锥段底部与钝体段4通过过渡段5连接；所述钝体段4设在弹体2顶部，所述钝体段4呈球冠型，所述球冠的圆心在弹体2的中心线上；所述过渡段5的直径小于圆锥段底圆直径，圆锥段底圆直径小于钝体段4截面的弦长；所述弹体2内设有中间气道3，所述弹体2和中间气道3之间填充推进剂，所述推进剂一般为固体推进剂；所述过渡段5上设有与所述中间气道3导通的排气口6；所述排气口6内设有密封件。所述钝体段4截面的弦长为圆锥段底圆直径的1.3～1.4倍。所述过渡段5直径为圆锥段底圆直径的0.25～0.3倍。所述圆锥段角度为20-35°。

工作原理：圆锥段锥面与在航行体巡航时与液体接触，圆锥面有利于减少航行体所受水体阻力，空泡产生于圆锥面末端处。当推进剂燃烧产生的气体通过中间气道3，中间气道3一方面将燃气引向尾部产生推进弹体2前进的反作用力，另一方面由于中间气道3的压力加大排气口6处的密封件迅速失效，即少量燃气经过排气口6引向过渡段5，使超空泡发生器圆锥段末端处产生的局部空泡压力增加以增大空泡体积，在通过钝体段4后形成包裹住弹体的气团。这种连续气团在水下包裹住弹体2，阻碍了弹体2与液体界限之间的直接接触，由于其巡航时弹体2由气体包裹，而不与液体直接接触，极大地减弱了航行阻力，所以其巡航速度相比传统水下航行体具有数倍的提高。由于该超空泡航行体弹体充满气体，其航行时弹体2所受压强大大小于同样液体深度处所受压强，因此该航行体可在极深的水下正常工作。燃烧的气体通过尾部的喷嘴从中间气道3后部排出，形成推进射流。由于喷嘴6相比弹体前部的开口过流面积较大，因此喷嘴将较大量的燃烧气体产生的反作用力作用在弹体2上平衡前进阻力，所产生的平衡力允许弹体2向前巡航而不减速，并使弹体2保持超空泡运行状态。

运用本发明的实施例1为：一种安装超空泡航行体的潜艇，包括超空泡航行体，所述超空泡航行体安装在潜艇的内，用于水下发射。运用本发明的实施例2为一种安装超空泡航行体的舰艇，包括超空泡航行体，所述超空泡航行体安装在舰艇上，用于从水面上方向水下发射。

图3给出了本发明的超空泡航行体在水中航行的CFD模拟结果。采用定常方式模拟航行体外流场，设置航行体在水中的相对运动速度为50m/s，水温为25℃，采用两相流空化模型，设置液体水的汽化压力为3170Pa。图3以灰度表示弹体周围流体中水蒸气的体积百分比，白色部分表示流体中水蒸气百分比较高。从图中可见气泡产生于超空泡发生器1的圆锥段末端，并在通过次级钝体段后形成包裹住整个弹体的气团，弹体周围的水蒸气体积百分比接近100％。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超空泡航行体，其特征在于，包括超空泡发生器(1)、弹体(2)和中间气道(3)；所述超空泡发生器(1)包括圆锥段和钝体段(4)，所述圆锥段底部与钝体段(4)通过过渡段(5)连接；所述钝体段(4)设在弹体(2)顶部，所述钝体段(4)呈球冠型，所述球冠的圆心在弹体(2)的中心线上；所述过渡段(5)的直径小于圆锥段底圆直径，圆锥段底圆直径小于钝体段(4)截面的弦长；所述弹体(2)内设有中间气道(3)，所述弹体(2)和中间气道(3)之间填充推进剂，所述过渡段(5)上设有与所述中间气道(3)导通的排气口(6)；所述排气口(6)内设有密封件。

2.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，所述钝体段(4)截面的弦长为圆锥段底圆直径的1.3～1.4倍。

3.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，所述过渡段(5)直径为圆锥段底圆直径的0.25～0.3倍。

4.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，所述推进剂为固体推进剂。

5.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，所述圆锥段角度为20-35°。

6.一种安装权利要求1-5中任一项所述超空泡航行体的潜艇，其特征在于，包括超空泡航行体，所述超空泡航行体安装在潜艇的内部，用于水下发射。

7.一种安装权利要求1-5中任一项所述超空泡航行体的舰艇，其特征在于，包括超空泡航行体，所述超空泡航行体安装在舰艇上，用于从水面上方向水下发射。