CN111959674B - 一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器 - Google Patents

一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，包括圆锥空化器，圆锥空化器依次连接连接段、前锥段、圆柱段、尾喷段，前锥段、圆柱段、尾喷段均为空心结构，连接段上沿垂直方向穿接舵片，舵片包括三个部分，位于连接段内部部分截面为矩形，两端部截面为直角三棱柱形；舵片的直角三棱柱形中短边对应的锐角为舵角，入水后由舵片沾湿面积可控，通过改变舵片有效区域长度和改变舵角来改变机动性，从而达到大大增强机动性的效果。

Description

一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器
技术领域
本发明属于超空泡航行器技术领域，具体涉及一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器。
背景技术
现代海战对水中兵器提出了高航速、远航程、大深度和智能化等的期望。超空泡技术可以大幅减小水下航行体的阻力,提高水下武器的速度及战斗力,因此对超空泡航行体的研究具有重要的战略意义和军事应用价值。
对于常规布局的超空泡水下航行器，在航行器后部、发动机长尾管前方布置一对上下直舵，该直舵可用于航向控制，对它们复合差动动作即可同时完成横滚控制功能。该模式在弱机动航行条件，工程实现相对简单。但同时也存在不足之处，具体表现为：1、直舵后置的流体动力布局会造成舵效不足，仅用来修正航向是可行的，而对于强机动航行的超空泡航行器已不再适合。2、若通气量控制不足够准确，致使超空泡不能闭合在控制面之前的圆柱段上，当航行器存在攻角时，会引起上下控制面对于超空泡的穿刺程度不同，操直舵时会造成上下侧向力不平衡，进而产生横滚力矩。
基于上述原因，在超空泡航行器领域如何能提高航行器机动性以及降低航行器阻力是一件迫在眉睫的事。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，解决了现有的超空泡航行器由于直舵后置的流体动力布局造成的舵效不足，空泡未完全闭合在控制面前导致的上下侧向力不平衡进而产生横滚力矩的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，包括圆锥空化器，圆锥空化器依次连接连接段、前锥段、圆柱段、尾喷段，前锥段、圆柱段、尾喷段均为空心结构，连接段上沿垂直方向穿接舵片，舵片包括三个部分，位于连接段内部部分截面为矩形，两端部截面为直角三棱柱形。
本发明的特点还在于：
舵片的直角三棱柱形的短边对应锐角作为舵角，舵片长度即展长的设计过程为：
根据超空泡前部空泡流型公式：
Figure BDA0002568903150000021
其中，Rn是空化器半径，x距离空化器的距离，R(x)是距离空化器x处空泡半径。
已知舵片前端距离空化器底面距离、舵片后端面距离空化器底面以及所需形成的空泡半径，根据超空泡前部空泡流型公式分别计算出高出空泡器半径，在保证失效面积的前提下，计算舵片失效展长；
在试验模型内预设舵角，利用舵角、所需升力进行仿真计算得到舵片有效展长；
舵片失效展长与舵片有效展长之和为舵片长度即展长。
前锥段为圆台状，直径小的一端中部通过螺纹连接连接段，前锥段直径小的端面开设一圈通气孔。
通气孔直径为前锥段端面直径的1/10。
舵片通过顶丝连接连接段。
尾喷段直径为圆柱段直径的1/2。
本发明的有益效果是：
本发明一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，将舵片前置，解决了现有的超空泡航行器由于直舵后置的流体动力布局造成的舵效不足，空泡未完全闭合在控制面前导致的上下侧向力不平衡进而产生横滚力矩的问题。本发明中舵片的直角三棱柱形中短边对应的锐角为舵角，入水后由舵片沾湿面积可控，通过改变舵片有效区域长度和改变舵角来改变机动性，从而达到大大增强机动性的效果。
附图说明
图1为本发明一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器结构示意图；
图2为本发明中舵片结构示意图；
图3为本发明实施例中舵片的有效区域与失效区域展示图。
图中，1.圆锥空化器，2.舵片，3.前锥段，4.连接段，5.通气孔，6.圆柱段，7.尾喷段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，如图1及图2所示，包括圆锥空化器1，圆锥空化器1依次连接连接段4、前锥段3、圆柱段6、尾喷段7，前锥段3、圆柱段6、尾喷段7均为空心结构，连接段4上沿垂直方向穿接舵片2，舵片2包括三个部分，位于连接段4内部部分截面为矩形，两端部截面为直角三棱柱形。
前锥段3为圆台状，直径小的一端中部通过螺纹连接连接段4，前锥段3直径小的端面开设一圈通气孔5。
通气孔5直径为前锥段3端面直径的1/10。
舵片2通过顶丝连接连接段4。
尾喷段7直径为圆柱段6直径的1/2。
本发明一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器中各部件的作用如下：
圆锥空化器1被高速打入水面后，由于高速运动诱导产生空泡。
如图2所示，舵片2包括三个部分，位于连接段4内部部分截面为矩形，两端部截面为直角三棱柱形，短边所对应锐角作为舵角，舵角大小与舵片有效展长(有效区域长度)可根据所需机动性强弱来确定。
其中，空泡经过舵片2时会使舵片2一部分处于空泡区域内，舵片2有效区域在空泡以外。
舵片2的直角三棱柱形的短边对应锐角作为舵角，舵片长度即展长的设计过程为：
超空泡前部流型会使舵片一部分区域处于空泡区，从而使舵有效展长减小，因此需要计算空泡前部流型造成的舵片失效面积。根据超空泡前部空泡流型公式：
Figure BDA0002568903150000041
已知舵片前端距离空化器底面距离、舵片后端面距离空化器底面以及所需形成的空泡半径，根据超空泡前部空泡流型公式分别计算出高出空泡器半径，在保证失效面积的前提下，计算舵片失效展长。
在试验模型内预设舵角，利用舵角、所需升力进行仿真计算得到舵片有效展长。
实施例
如图3所示，舵片前端距离空化器底面距离1.05mm，舵片后端面距离空化器底面8.55mm，所形成的空泡半径分别为19.2mm,24.4mm，分别高出空泡器半径(18.2mm)1mm、6.2mm，在保证失效面积的前提下，得到舵片失效展长为3.6mm。
因此试验模型在预置舵角3°、6°、9°和12°时，相对应的舵片有效展长分别为8.1mm，12.6mm，17.1mm，21.6mm。舵片无效区域详细结构如图3所示。
前锥段3为圆台状，直径小的一端中部通过螺纹连接连接段4，前锥段3直径小的端面开设一圈通气孔5。
连接段4用于垂直连接舵片2。
通气孔5能够在航行时，将前锥段3中的气体排出，以外部注入的方式对圆锥空化器1产生的空泡增加压力，实现对航行器空泡尺寸的控制。
本发明一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器的工作过程为：
使用时，该强机动性高速超空泡航行器由高压炮管从水面上打出，在入水过程中圆锥空化器1在高速运动时诱导产生空泡，通过通气孔5向空泡内通气提高空泡压力，实现对航行器空泡尺寸的控制。空泡经过舵片2时会使舵片2一部分处于空泡区域内，舵片2有效区域在空泡以外。通过预先设计舵片2的舵角和有效区域长度改变舵片表面升力，从而改变超空泡航行器的机动性。
本发明的高速超空泡航行器通过减小舵片的舵角大小与舵片有效展长控制航行器的沾湿面积，当航行器的沾湿面积最小时，减阻效果更为明显，同时，本发明高速超空泡航行器摒弃尾部附体后系统对超空泡外形、人工通气量准确度的要求显著降低。
通过上述方式，本发明一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，将舵片前置，解决了现有的超空泡航行器由于直舵后置的流体动力布局造成的舵效不足，空泡未完全闭合在控制面前导致的上下侧向力不平衡进而产生横滚力矩的问题。本发明中舵片的直角三棱柱形中短边对应的锐角为舵角，入水后由舵片沾湿面积可控，通过改变舵片有效区域长度和改变舵角来改变机动性，从而达到大大增强机动性的效果。

Claims (5)

1.一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，其特征在于，包括圆锥空化器（1），所述圆锥空化器（1）依次连接连接段（4）、前锥段（3）、圆柱段（6）、尾喷段（7），所述前锥段（3）、圆柱段（6）、尾喷段（7）均为空心结构，所述连接段（4）上沿垂直方向穿接舵片（2），所述舵片（2）包括三个部分，位于连接段（4）内部部分截面为矩形，两端部截面为直角三棱柱形；
所述舵片（2）的直角三棱柱形的短边对应锐角作为舵角，所述舵片（2）长度即展长的设计过程为：
根据超空泡前部空泡流型公式：
Figure 787365DEST_PATH_IMAGE001
其中，Rn是空化器半径，x是距离空化器的距离，R(x)是距离空化器x处空泡半径；
已知舵片前端距离空化器底面距离、舵片后端面距离空化器底面距离以及所需形成的空泡半径，根据超空泡前部空泡流型公式分别计算出高出空泡器半径，在保证失效面积的前提下，计算舵片失效展长；
在试验模型内预设舵角，利用舵角、所需升力进行仿真计算得到舵片有效展长；
舵片失效展长与舵片有效展长之和为舵片（2）长度即展长。
2.根据权利要求1所述一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，其特征在于，所述前锥段（3）为圆台状，直径小的一端中部通过螺纹连接连接段（4），所述前锥段（3）直径小的端面开设一圈通气孔（5）。
3.根据权利要求2所述一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，其特征在于，所述通气孔（5）直径为前锥段（3）端面直径的1/10。
4.根据权利要求1所述一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，其特征在于，所述舵片（2）通过顶丝连接连接段（4）。
5.根据权利要求1所述一种基于直舵前置流体动力布局的强机动性超空泡航行器，其特征在于，所述尾喷段（7）直径为圆柱段（6）直径的1/2。
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