CN110182342A - 一种深海扇翼潜航器 - Google Patents

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渠继东
董海杰
冯康佳
刘乐
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Abstract

本发明涉及一种深海扇翼潜航器，包括艇身、风扇系统、尾翼和内部装置，在水滴形结构的艇身下方设置风扇系统，尾部设置尾翼，内腔设置内部装置。风扇系统包括横流风扇、翼状体和导流环，翼状体对称分布在艇身两侧，翼状体内侧连接艇身底部，两侧翼状体上设置有相同数量的横流风扇，于横流风扇外侧设置导流环，导流环一端连接翼状体；尾翼包括水平翼、水平舵、垂直翼和方向舵，于艇身尾部表面设置垂直翼，于垂直翼尾部设置方向舵，水平翼以垂直翼为中心对称分布在艇身两侧，于两侧水平翼对称设置水平舵；内部装置包括耐压体和驱动电机。本发明系统简单，航行安全性高，辐射噪音低，采用球‑柱结合的耐压体和扇翼的水动力下潜技术，潜深更大。

Description

一种深海扇翼潜航器
技术领域
本发明涉及水下航行器技术领域，尤其是一种深海扇翼潜航器。
背景技术
随着科学技术的发展，在海洋开发过程中水下航行器越来越为人们所倚重。目前水下主要潜航器是潜艇，通常由动力及推进系统、电力系统、操艇的舵系统、潜浮系统、均衡系统、高压空气系统、导航系统、通信系统、信息系统和作战系统等组成，其中潜艇的上浮、下潜以及航行需要采用潜浮系统、均衡系统、高压空气系统以及推进系统共同完成。潜浮系统、高压空气系统协同完成使潜艇由水面状态转变到水下状态的过程，这一过程中起主要作用的是潜浮系统和高压空气系统包含的压载水舱和空气吹除系统。均衡系统使潜艇在水下完成浮力调整，并在航行时保证预定的浮态。推进系统吸收功率，产生推力。
使用潜艇作为深海潜航器的主要的不足有：系统复杂、设备多，重量平衡和空间布置要求高；高压空气吹除及各类泵工作时会产生大量辐射噪声，对潜艇的隐蔽性产生不良影响；当深度超过2000米时，海水压力极大，潜浮及均衡系统设备选型困难，安全性问题突出等等。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的深海扇翼潜航器，通过在水滴形艇身的下方安装具有横流式风扇的动力翼来提供水下航行器下潜时的负升力和推力，结合尾翼及舵系统来完成水下航行器上浮、下潜运动时的姿态控制，从而达到通过横流推进的动力翼代替潜浮系统、均衡系统、高压空气系统、推进器的目的，使得潜艇的组成系统得到明显的简化，有助于实现潜艇超大潜深快速下潜、安静隐蔽航行的功能，简化系统操控。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深海扇翼潜航器，包括艇身、风扇系统、尾翼和内部装置。艇身为对称式水滴形结构，在艇身下方设置风扇系统，在艇身尾部设置尾翼，在艇身内腔设置内部装置；风扇系统包括横流风扇、翼状体和导流环，翼状体位于潜航器重心前部，翼状体内侧连接艇身底部，翼状体对称分布在艇身两侧，两侧翼状体上设置有相同数量的横流风扇，于横流风扇外侧设置导流环，导流环一端连接翼状体；尾翼包括水平翼、水平舵、垂直翼和方向舵，于艇身尾部表面设置垂直翼，于垂直翼尾部设置方向舵，水平翼以垂直翼为中心对称分布在艇身两侧，水平翼内侧连接艇身尾部表面，于两侧水平翼对称设置水平舵；内部装置包括耐压体和驱动电机，艇身的轻外壳与耐压体通过框架结构相连，在靠近翼状体和艇身的连接处、于所述耐压体一侧及艇身的轻外壳之间设置一组或多组驱动电机。
其进一步技术方案在于：
翼状体的前端为与艇身垂直且与横流风扇轴心同轴的圆弧面，翼状体上表面为平面，翼状体下表面为与翼状体上表面相交且交线沿艇身外侧向翼状体外侧延伸并呈倾斜的曲面(或平面)；
导流环内外表面为与横流风扇轴心同轴的圆弧面，导流环为与翼状体连接的活动结构，导流环外表面的半径小于翼状体前端圆弧面的半径，导流环内表面的半径大于横流风扇的半径；
耐压体由球形壳体和圆柱形壳体组合而成，球形和圆柱形壳体内部均有空腔，相邻空腔互相连通，耐压体沿艇身中心线对称分布。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，本发明利用扇翼同时提供下潜力和推力的特性，通过扇翼和尾翼的配合使用，可以替代传统潜艇的潜浮系统、均衡系统、高压空气系统、推进器，系统更加简单，一旦系统故障导致驱动电机无法工作，本发明可以依靠耐压体的正浮力自然上浮到水面，避免沉入海底的风险，提高航行安全性；当潜航器在水下航行时，随着航行速度的变化潜航器的重心会发生一定的偏移，本发明的翼状体可以减小航行速度对重心位置的影响；且不同于潜艇的潜浮系统、均衡系统、高压空气系统受海水压力的明显制约，本发明采用扇翼的水动力下潜技术，本发明的舷外电机可以在水下7000米正常工作，较传统潜航器获得更大的潜深；由于取消高压空气系统，减少通海泵、阀门和管路，其辐射和噪声更低，安全性更高。另外横流风扇相对于螺旋桨，翼型表面的流速更低，水动力噪声可以得到很好的抑制，有利于安全航行。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明前部的局部侧视图。
图3为横流式风扇工作原理示意图(A-A剖面)。
其中：1、艇身；2、横流风扇；3、翼状体；4、驱动电机；5、水平翼；6、垂直翼；7、水平舵；8、方向舵；9、耐压体；10、导流环。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1～3所示，本发明包括艇身1、风扇系统、尾翼和内部装置。艇身1为对称式水滴形结构，在艇身1下方设置风扇系统，在艇身1尾部设置尾翼，在艇身1内腔设置内部装置。风扇系统包括横流风扇2、翼状体3和导流环10，翼状体3位于潜航器重心前部，翼状体3内侧连接艇身1底部，翼状体3对称分布在艇身1两侧，两侧翼状体3上设置有相同数量的横流风扇2，于横流风扇2外侧设置导流环10，导流环10一端连接翼状体3。尾翼包括水平翼5、水平舵7、垂直翼6和方向舵8，于艇身1尾部表面设置垂直翼6，于垂直翼6尾部设置方向舵8，水平翼5以垂直翼6为中心对称分布在艇身1两侧，水平翼5内侧连接艇身1尾部表面，于两侧水平翼5对称设置水平舵7。内部装置包括耐压体9和驱动电机4，艇身1的轻外壳与耐压体9相连，在靠近翼状体3和艇身1的连接处、于耐压体9一侧及艇身1的轻外壳之间设置一组或多组驱动电机4，驱动电机4的输出端和横流风扇2的轴心同轴。
翼状体3的前端为与艇身1垂直且与横流风扇2轴心同轴的圆弧面，翼状体3上表面为平面，翼状体3下表面为与翼状体3上表面相交且交线沿艇身1外侧向翼状体3外侧延伸并呈倾斜的曲面(或平面)。导流环10内外表面为与横流风扇2轴心同轴的圆弧面，导流环10外表面的半径小于翼状体3前端圆弧面的半径，导流环10内表面的半径大于横流风扇2的半径。在翼状体3的前端圆弧面两侧设置用于安装导流环10的活动结构，在本实施例中所述活动结构为圆弧形导轨，所述导轨为公知结构，导流环10在导轨内做开闭运动可以改变α角的大小。耐压体9由球形壳体和圆柱形壳体组合而成，球形和圆柱形壳体内部均有空腔，相邻空腔互相连通，耐压体9沿艇身1中心线对称分布。
本发明的具体运行过程如下：
在水面静浮状态时，本发明同常规潜艇类似，主要通过耐压体9提供的正浮力漂浮于水面之上，并保证一定的干舷。在航行时，扇翼推进的驱动方式能够同时满足下潜和推进的要求。本发明通过现有供电技术为驱动电机4供电，驱动横流风扇2运转。翼状体3斜面段上表面水流经横流风扇2加速后流经翼状体3斜面段下表面，此时翼状体3斜面段上下表面水流流速不同，翼状体3斜面段下表面的水流流速大于上表面，在翼状体3上下表面产生压力差，从而产生第一下潜力。同时下表面部分水流被横流风扇2吸入，沿翼状体3的弧形翼面反向流动，在叶片中心偏左上方的地方产生低压偏心涡，形成第二下潜力。第一下潜力和第二下潜力组成总下潜力，当总下潜力与重量之和大于本发明的总浮力时，本发明开始下潜。在横流风扇2的旋转叶片转动时，旋转叶片向后推出水流，水流给横流风扇2向前的反作用，形成向前的第一推力。此外横流风扇2吸入的水流在旋转叶片中心偏左上方的位置形成低压偏心涡影响了翼状体3水平方向的压强分布，进而产生向前的第二推力。第一推力和第二推力组成总推力。推动本发明向前运动。当横流风扇2旋转速度下降时，提供的下潜力和推力降低，本发明会上浮并减速。
在水下航行时，本发明可以通过导流环10的伸出和收缩调整进流处的α角，这一控制过程与横流风扇2转速控制协调，可以实现在指定深度的变速航行(如图3所示)。本发明通过尾翼来控制航行方向，水平翼5用于保证航行的纵向运动稳定性，操纵水平舵7，可以形成纵向不平衡力矩，用于改变本发明的纵倾角；垂直翼6用于保证航行的航向稳定性，操纵方向舵8，可以形成偏航力矩，用于改变本发明的航行方向。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (4)

1.一种深海扇翼潜航器，包括艇身(1)、风扇系统、尾翼和内部装置，其特征在于：所述艇身(1)为对称式水滴形结构，在艇身(1)下方设置风扇系统，在艇身(1)尾部设置尾翼，在艇身(1)内腔设置内部装置；
所述风扇系统包括横流风扇(2)、翼状体(3)和导流环(10)，翼状体(3)位于潜航器重心前部，翼状体(3)内侧连接艇身(1)底部，翼状体(3)对称分布在艇身(1)两侧，两侧翼状体(3)上设置有相同数量的横流风扇(2)，于横流风扇(2)外侧设置导流环(10)，导流环(10)一端连接翼状体(3)；
所述尾翼包括水平翼(5)、水平舵(7)、垂直翼(6)和方向舵(8)，于艇身(1)尾部表面设置垂直翼(6)，于垂直翼(6)尾部设置方向舵(8)，水平翼(5)以垂直翼(6)为中心对称分布在艇身(1)两侧，水平翼(5)内侧连接艇身(1)尾部表面，于两侧水平翼(5)对称设置水平舵(7)；
所述内部装置包括耐压体(9)和驱动电机(4)，艇身(1)的轻外壳与耐压体(9)相连，在靠近翼状体(3)和艇身(1)的连接处、于所述耐压体(9)一侧及艇身(1)的轻外壳之间设置一组或多组驱动电机(4)。
2.如权利要求1所述的一种深海扇翼潜航器，其特征在于：所述翼状体(3)的前端为与艇身(1)对称面垂直且与横流风扇(2)轴心同轴的圆弧面，翼状体(3)上表面为平面，翼状体(3)下表面为与翼状体(3)上表面相交且交线沿艇身(1)外侧向翼状体(3)外侧延伸并呈倾斜的曲面(或平面)。
3.如权利要求1所述的一种深海扇翼潜航器，其特征在于：所述导流环(10)内外表面为与横流风扇(2)轴心同轴的圆弧面，导流环(10)为与翼状体(3)连接的活动结构，导流环(10)外表面的半径小于翼状体(3)前端圆弧面的半径，导流环(10)内表面的半径大于横流风扇(2)的半径。
4.如权利要求1所述的一种深海扇翼潜航器，其特征在于：所述耐压体(9)由球形壳体和圆柱形壳体组合而成，球形和圆柱形壳体内部均有空腔，相邻空腔互相连通，耐压体(9)沿艇身(1)中心线对称分布。
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