CN108891595A - 采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置，包括：涡扇发动机喷气推进系统，以喷气推进模态为飞航器提供动力；涵道叶片喷水推进系统，以喷水推进模态为飞航器提供动力；介质感知装置，用于感知工作介质变化；以及涵道密封机构，当介质感知装置感知到工作介质变化为空气时，涵道密封机构开启涡扇发动机喷气推进系统并密封涵道叶片喷水推进系统，以及当介质感知装置感知到工作介质变化为水时，涵道密封机构密封涡扇发动机喷气推进系统并开启涵道叶片喷水推进系统。

Description

采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置

技术领域

本公开涉及一种采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置。

背景技术

未来对飞行器的跨介质飞航能力提出了需求。跨介质飞航器既能够在空中高速飞行，又可以潜入水下潜航躲避搜寻与攻击，从而兼备快速突防和长时间隐蔽潜航的综合作战能力。美、俄等国已开展了跨介质飞航器的研究，美国国防先期计划局于2008年提出潜水飞机的研制计划，俄罗斯国防部则在2015年开始了由潜艇携带的水下无人机的授权开发。

由于水和空气物性的巨大差异，跨介质动力装置需要适应迥异的工作环境，这是研制跨介质飞航器的关键及难点。目前，现有较为成熟的航空燃气涡轮发动机、活塞发动机与水下电机驱动螺旋水桨、泵喷推进等方式仅能在单介质中正常工作。因此需要通过合理的方式将空中动力和水下动力紧凑地组合在一起，才能满足跨介质飞航器的动力要求。

专利US3092060公开了一种水、空两用飞航器方案。在这种方案中，空中飞行时由内燃机驱动螺旋桨提供空中动力，水下潜航时由电机驱动螺旋水桨提供水下动力。该方案空中和水下的动力系统是独立的，结构形式不紧凑。

专利US9616997公开了另一种水、空两用飞航器方案。在这种方案中，由电机驱动的水、空两用螺旋桨在水下和空中均能工作产生推力，但是水和空气的动力粘度和密度等物性的不同导致水、空两用的螺旋桨设计难度大，效率低。

专利CN202226062U公开了一种水、空两用无人机的动力装置。这种装置在活塞发动机的基础上加入了电机驱动水桨的机构，空中飞行时由活塞发动机驱动螺旋桨提供空中动力，水下潜航时螺旋桨折叠，由电机驱动水桨提供动力。不过活塞发动机在空中的表现尚较难满足高速飞行的要求。

专利CN104481696公开了一种对转式水、空两用发动机。这种发动机是在涡扇发动机的基础上配备了金属-水反应燃烧室。空中飞行时通过外骨架与内转子对转的方式实现压气机及涡轮的对转以提供空中动力，水下潜航时通过金属与水的燃烧反应实现喷水推进以提供水下动力。然而该方案并未提及涡扇发动机水下密封方法，并且外转子在旋转时由于转动惯量较大，限制了发动机转速，同时对轴承等提出了更高的要求。另外金属-水反应冲压发动机及金属-水反应相关领域的研究还处于起始阶段，相应技术应用受到较大制约。

考虑到工作环境及飞行器的需求，跨介质动力装置须保证紧凑的结构设计、高速飞行能力和良好的水下密封性能，而现有技术在这些方面仍有一定限制。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置。

根据本公开的一个方面，采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置包括：

涡扇发动机喷气推进系统，以喷气推进模态为飞航器提供动力；

涵道叶片喷水推进系统，以喷水推进模态为飞航器提供动力；

介质感知装置，用于感知工作介质变化；以及

涵道密封机构，当介质感知装置感知到工作介质变化为空气时，涵道密封机构开启涡扇发动机喷气推进系统并密封涵道叶片喷水推进系统，以及当介质感知装置感知到工作介质变化为水时，涵道密封机构密封涡扇发动机喷气推进系统并开启涵道叶片喷水推进系统。

根据本公开的至少一个实施方式，涵道密封机构包括：

密封片，用于密封或开启涡扇发动机喷气推进系统，以及密封或开启涵道叶片喷水推进系统；

连杆，与密封片相连，控制密封片密封或开启涡扇发动机喷气推进系统及涵道叶片喷水推进系统；以及

直线作动器，与连杆相连，带动连杆与密封片运动。

根据本公开的至少一个实施方式，涵道叶片喷水推进系统环绕涡扇发动机喷气推进系统进行设置，并且涵道叶片喷水推进系统与涡扇发动机喷气推进系统通过中层机匣隔开，涵道叶片喷水推进系统外侧为外层机匣；

密封片安装在中层机匣的两端，用于密封或开启涡扇发动机喷气推进系统，以及安装在外层机匣的两端，用于密封或开启涵道叶片喷水推进系统。

根据本公开的至少一个实施方式，密封片为多个分别沿中层机匣和外层机匣周向均匀分布的圆锥形扇形曲面薄壁件，并且密封片可以绕安装处转动。

根据本公开的至少一个实施方式，每个密封片的边缘处安装弹性密封圈，相邻的密封片之间通过过盈配合确保密封性。

根据本公开的至少一个实施方式，涡扇发动机喷气推进系统包括风扇、中涵道、高压压气机、内涵道、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮；

空气经风扇加压后分别进入中涵道与内涵道，形成中涵道气流与内涵道气流，中涵道气流直接流至发动机尾部，内涵道气流经高压压气机加压后进入燃烧室燃烧并形成高温高压燃气，推动高压涡轮与低压涡轮转动，高温高压燃气与中涵道气流最终于发动机尾部排出，实现喷气推进。

根据本公开的至少一个实施方式，涡扇发动机喷气推进系统还包括：

进气锥，配置在涡扇发动机喷气推进系统的前端；以及

尾锥，配置在涡扇发动机喷气推进系统的尾端；

进气锥、尾锥和中层机匣与密封片贴合的相应位置均为弹性结构。

根据本公开的至少一个实施方式，涵道叶片喷水推进系统包括：

前置整流叶片，对水流进行均流和整流；

涵道叶片和永磁体，组成系统转子，对水流进行加速；

环形电机线圈，使系统转子转动；以及

第三涵道，为水流提供通道。

根据本公开的至少一个实施方式，当飞航器入水开始水下潜航，此时由涵道叶片喷水推进系统提供动力；

当飞航器出水进入空中飞行，此时由涡扇发动机喷气推进系统提供动力。

根据本公开的至少一个实施方式，当飞航器从喷气推进模态向喷水推进模态转换时，配置在涡扇发动机喷气推进系统内的直线作动器伸长，带动连杆运动，连杆推动密封片转动，从而封闭涡扇发动机喷气推进系统，同时配置在涵道叶片喷水推进系统内的直线作动器收缩，带动连杆运动，连杆拉动密封片转动，从而开启涵道叶片喷水推进系统；

当飞航器从喷水推进模态向喷气推进模态转换时，配置在涡扇发动机喷气推进系统内的直线作动器收缩，带动连杆运动，连杆拉动密封片转动，从而开启涡扇发动机喷气推进系统，同时配置在涵道叶片喷水推进系统内的直线作动器伸长，带动连杆运动，连杆推动密封片转动，从而关闭涵道叶片喷水推进系统。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的跨介质飞航器动力装置的涵道密封机构示意图。

图2是根据本公开至少一个实施方式的跨介质飞航器动力装置喷气推进工作模态结构示意图。

图3是根据本公开至少一个实施方式的跨介质飞航器动力装置喷气推进工作模态进口示意图。

图4是根据本公开至少一个实施方式的跨介质飞航器动力装置入水时模态切换过程示意图。

图5是根据本公开至少一个实施方式的跨介质飞航器动力装置喷水推进工作模态结构示意图。

图6是根据本公开至少一个实施方式的跨介质飞航器动力装置喷水推进工作模态进口示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开提供一种采用介质感知装置和涵道密封机构的跨介质飞航器动力装置，可以根据工作介质的转换，在保证密封性能的前提下，实现涡扇发动机喷气推进模态与涵道叶片喷水推进模态之间的工作模态的转换，从而在不同环境下持续为跨介质飞航器提供动力。

在本公开的一个可选实施方式中，跨介质飞航器动力装置包括涡扇发动机喷气推进系统、涵道叶片喷水推进系统、介质感知装置和涵道密封机构。涡扇发动机喷气推进系统，能够以喷气推进模态为飞航器在空中飞行提供动力。涵道叶片喷水推进系统，能够以喷水推进模态为飞航器在水下潜航提供动力。介质感知装置用于感知工作介质的变化。如图1所示，当介质感知装置27感知到工作介质变化为空气时，涵道密封机构可以开启涡扇发动机喷气推进系统并密封涵道叶片喷水推进系统。当介质感知装置27感知到工作介质变化为水时，涵道密封机构可以密封涡扇发动机喷气推进系统并开启涵道叶片喷水推进系统，以此来实现涡扇发动机喷气推进模态与涵道叶片喷水推进模态之间的模态转换，在不同介质中持续工作，以满足跨介质飞航器的动力需求。

此外，本公开技术方案采用的涵道叶片的喷水推进系统，可以减小水下推进噪音，提高推进效率。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，涵道密封机构包括密封片24、连杆25和直线作动器26。密封片24与连杆25相连。连杆25与直线作动器26相连。介质感知装置27感知到工作介质变化时，可以发出模态转换的信号。直线作动器26接收到模态转换信号后，可以带动连杆25运动，进一步使得连杆25带动密封片24转动，从而密封或开启所述涡扇发动机喷气推进系统及所述涵道叶片喷水推进系统。

在本公开的一个可选实施方式中，涵道叶片喷水推进系统环绕涡扇发动机喷气推进系统进行设置，并且涵道叶片喷水推进系统与涡扇发动机喷气推进系统通过中层机匣15隔开，使得涵道叶片喷水推进系统的内侧为中层机匣15，外侧设置为外机匣28。

密封片24配置在中层机匣15的两端，用于密封或开启涡扇发动机喷气推进系统。在外机匣28的两端也配置密封片24，用于密封或开启涵道叶片喷水推进系统。

在本公开的一个可选实施方式中，如图3和图6所示，密封片24为圆锥形扇形曲面薄壁件。密封片24的数量为多个，例如为24片。所有密封片24周向均匀的安装在外层机匣28以及中层机匣15的两端，并且密封片24可以绕着安装处转动。

在本公开的一个可选实施方式中，密封片24的边缘处配置了弹性密封圈，通过相邻密封片24之间的过盈配合可以保证密封性能。

在本公开的一个可选实施方式中，如图2和3所示，涡扇发动机喷气推进系统由风扇2、高压压气机3、内涵道4、燃烧室5、高压涡轮6、低压涡轮7、低压轴9、滚珠轴承10、高压轴11、滚棒轴承12、内层机匣13、中涵道14和支板16构成。吸入空气经风扇2加压后分为两股，分别进入中涵道14与内涵道4，形成中涵道气流与内涵道气流。中涵道气流直接流至发动机尾部。内涵道气流经高压压气机3进一步加压后进入燃烧室5与燃油混合并燃烧形成高温高压燃气。随后高温高压燃气进行膨胀做功以推动高压涡轮6与低压涡轮7转动。最后高温高压燃气与中涵道气流于发动机尾部一并排出，从而实现喷气推进。

在本公开的一个可选实施方式中，如图2所示，涡扇发动机喷气推进系统还包括进气锥1和尾锥8。进气锥1配置在涡扇发动机喷气推进系统的前端。尾锥8配置在涡扇发动机喷气推进系统的尾端。进气锥1、尾锥8和中层机匣15在与密封片24贴合的相应位置均设置为弹性结构。密封片24可以在直线作动器26的牵引下，压紧在弹性结构处，以确保密封效果。

例如，当介质感知装置27感知到工作介质从空气转变为水介质时，即发出工作模态转换信号。如图4所示，配置在中层机匣15内的直线作动器26伸长并带动连杆25运动，连杆25推动配置在中层机匣15两端的所有密封片24绕着安装处向内转动。最终密封片24上与安装处相反的一端压紧在进气锥1和尾锥8的弹性结构处，保证了密封效果。而配置在中层机匣15两端的所有密封片24之间相互通过过盈配合，进一步确保了涡扇发动机喷气推进系统的密封效果。同时，配置在外层机匣28内的直线作动器26收缩并带动了连杆25运动，连杆25拉动配置在外层机匣28两端的所有密封片24绕安装处向内转动，使得密封片24上与安装处相反的一端从中层机匣15上的弹性结构处脱离，从而开启了涵道叶片喷水推进系统。此时，动力装置完成了从喷气推进模态向喷水推进模态的转换。

在本公开的一个可选实施方式中，如图5和6所示，涵道叶片喷水推进系统由前置整流叶片17、涵道叶片18、永磁体19、支撑轴承20、环形电机线圈21、第三涵道22和支板23构成。当飞航器入水潜航时，前置整流叶片17可以对水流进行均流和整流，并与支板23共同起支撑作用。涵道叶片18和永磁体19组成系统转子安装在支撑轴承20上。环形电机线圈21固定在外层机匣28上。环形电机线圈21由动力电池供电。涵道叶片18和永磁体19组成的系统转子在环形电机线圈21的激励下转动。水介质流入第三涵道22，经整流叶片17的整流和涵道叶片18加速后喷向动力装置后部，从而实现喷水推进。

在本公开的一个可选实施方式中，当飞航器入水开始水下潜航，此时由涵道叶片喷水推进系统提供动力；当飞航器出水进入空中飞行，此时由涡扇发动机喷气推进系统提供动力。

在本公开的一个可选实施方式中，当飞航器出水进入空中飞行时，如图2和3所示，介质感知装置27感知到工作介质由水转变为空气，发出模态转换的信号，飞航器开始从喷水推进模态向喷气推进模态转换，涵道密封机构开启涡扇发动机喷气推进系统并密封涵道叶片喷水推进系统。具体地，介质感知装置27发出模态转换信号以后，配置在中层机匣15内的直线作动器26收缩，直线作动器26带动连杆25运动，连杆25拉动密封片24向外转动，开启涡扇发动机喷气推进系统。同时配置在外层机匣28内的直线作动器26伸长，直线作动器26带动连杆25运动，连杆25推动密封片24向外转动，关闭涵道叶片喷水推进系统。此时动力装置以涡扇发动机喷气推进模态提供动力。在空气被吸入发动机后，经过风扇2的压缩可以分为两股气流，分别进入内涵道4与中涵道14。进入中涵道14的气流直接流至发动机尾部。进入内涵道4的气流经高压压气机3的进一步压缩后进入燃烧室5与燃油进行混合并燃烧，形成高温高压的燃气。随后燃气膨胀做功推动高压涡轮6和低压涡轮7转动。最后，来自内涵道4的仍有一定能量的尾气与来自中涵道14的气流相汇一并于发动机尾部排出，从而产生推力实现喷气推进。

当飞航器入水开始水下潜航时，如图4、5和6所示，介质感知装置27感知到工作介质由空气转变为水，发出模态转换的信号，飞航器开始从喷气推进模态向喷水推进模态转换，涵道密封机构开启涵道叶片喷水推进系统并密封涡扇发动机喷气推进系统。具体地，介质感知装置27发出模态转换信号以后，配置在中层机匣15内的直线作动器26伸长，直线作动器26带动连杆25运动，连杆25推动密封片24向内转动，封闭涡扇发动机喷气推进系统。同时配置在外层机匣28内的直线作动器26收缩，直线作动器26带动连杆25运动，连杆25拉动密封片24向内转动，开启涵道叶片喷水推进系统。此时动力装置以涵道叶片喷水推进模态提供动力。动力电池为环形电机线圈21供电，涵道叶片18和永磁体19组成的系统转子在环形电机线圈21的激励下转动。水介质流入第三涵道22，经整流叶片17的整流和涵道叶片18的加速后喷向动力装置的后部，从而实现喷水推进。

当飞航器出水再次进入空中飞行时，如图2和3所示，介质感知装置27感知到工作介质的变化，发出模态转换信号。配置在外层机匣28内的直线作动器26伸长，带动连杆25运动，并进一步推动密封片24向外转动，以便密封涵道叶片喷水推进系统。同时配置在中层机匣15内的直线作动器26收缩，带动连杆25运动，并拉动密封片24向外转动，以便开启涡扇发动机喷气推进系统。此时动力装置再次以涡扇发动机喷气推进模态工作。

在本公开中，跨介质飞航器动力装置采用了介质感知装置和涵道密封机构，当介质感知装置感知到工作介质发生转变后，涵道密封机构通过直线作动机构牵引密封片转动，来实现涡扇发动机喷气推进系统和涵道叶片喷水推进系统的密封与开启，并通过相邻密封片之间的过盈配合来确保密封性能，以此来实现涡扇发动机喷气推进模态与涵道叶片喷水推进模态之间的模态转换，从而满足飞航器在不同介质中的动力需求。此外，本公开的跨介质飞航器动力装置的安装方式与传统航空发动机类似，既可以吊装也可以安装在机体内部，满足了跨介质飞航器外形设计的需要。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种采用介质感知装置和涵道密封的跨介质飞航器动力装置，其特征在于，包括：

涡扇发动机喷气推进系统，以喷气推进模态为飞航器提供动力；

涵道叶片喷水推进系统，以喷水推进模态为飞航器提供动力；

介质感知装置，用于感知工作介质变化；以及

涵道密封机构，当所述介质感知装置感知到所述工作介质变化为空气时，所述涵道密封机构开启所述涡扇发动机喷气推进系统并密封所述涵道叶片喷水推进系统，以及当所述介质感知装置感知到所述工作介质变化为水时，所述涵道密封机构密封所述涡扇发动机喷气推进系统并开启所述涵道叶片喷水推进系统。

2.根据权利要求1所述的动力装置，其特征在于，所述涵道密封机构包括：

密封片，用于密封或开启所述涡扇发动机喷气推进系统，以及密封或开启所述涵道叶片喷水推进系统；

连杆，与所述密封片相连，控制所述密封片密封或开启所述涡扇发动机喷气推进系统及所述涵道叶片喷水推进系统；以及

直线作动器，与所述连杆相连，带动所述连杆与所述密封片运动。

3.根据权利要求2所述的动力装置，其特征在于，

所述涵道叶片喷水推进系统环绕涡扇发动机喷气推进系统进行设置，并且所述涵道叶片喷水推进系统与所述涡扇发动机喷气推进系统通过中层机匣隔开，所述涵道叶片喷水推进系统的外侧为外层机匣；

所述密封片安装在所述中层机匣的两端，用于密封或开启所述涡扇发动机喷气推进系统，以及安装在所述外层机匣的两端，用于密封或开启所述涵道叶片喷水推进系统。

4.根据权利要求3所述的动力装置，其特征在于，所述密封片为多个分别沿所述中层机匣和所述外层机匣周向均匀分布的圆锥形扇形曲面薄壁件，并且所述密封片可以绕安装处转动。

5.根据权利要求4所述的动力装置，其特征在于，每个所述密封片的边缘处安装弹性密封圈，相邻的所述密封片之间通过过盈配合确保密封性。

6.根据权利要求4或5所述的动力装置，其特征在于，所述涡扇发动机喷气推进系统包括风扇、中涵道、高压压气机、内涵道、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮；

空气经所述风扇加压后分别进入所述中涵道与所述内涵道，形成中涵道气流与内涵道气流，所述中涵道气流直接流至发动机尾部，所述内涵道气流经所述高压压气机加压后进入所述燃烧室燃烧并形成高温高压燃气，推动所述高压涡轮与所述低压涡轮转动，所述高温高压燃气与所述中涵道气流最终于发动机尾部排出，实现喷气推进。

7.根据权利要求6所述的动力装置，其特征在于，所述涡扇发动机喷气推进系统还包括：

进气锥，配置在所述涡扇发动机喷气推进系统的前端；以及

尾锥，配置在所述涡扇发动机喷气推进系统的尾端；

所述进气锥、所述尾锥和所述中层机匣与所述密封片贴合的相应位置均为弹性结构。

8.根据权利要求1所述的动力装置，其特征在于，所述涵道叶片喷水推进系统包括：

前置整流叶片，对水流进行均流和整流；

涵道叶片和永磁体，组成系统转子，对水流进行加速；

环形电机线圈，使所述系统转子转动；以及

第三涵道，为水流提供通道。

9.根据权利要求7或8所述的动力装置，其特征在于，

当飞航器入水开始水下潜航，此时由所述涵道叶片喷水推进系统提供动力；

当飞航器出水进入空中飞行，此时由所述涡扇发动机喷气推进系统提供动力。

10.根据权利要求4或5所述的动力装置，其特征在于，

当飞航器从喷气推进模态向喷水推进模态转换时，配置在所述涡扇发动机喷气推进系统内的所述直线作动器伸长，带动所述连杆运动，所述连杆推动所述密封片转动，从而封闭所述涡扇发动机喷气推进系统，同时配置在所述涵道叶片喷水推进系统内的所述直线作动器收缩，带动所述连杆运动，所述连杆拉动所述密封片转动，从而开启涵道叶片喷水推进系统；

当飞航器从喷水推进模态向喷气推进模态转换时，配置在所述涡扇发动机喷气推进系统内的所述直线作动器收缩，带动所述连杆运动，所述连杆拉动所述密封片转动，从而开启所述涡扇发动机喷气推进系统，同时配置在所述涵道叶片喷水推进系统内的所述直线作动器伸长，带动所述连杆运动，所述连杆推动所述密封片转动，从而关闭涵道叶片喷水推进系统。