CN112985188A - 一种具有入水降载功能的变结构空化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有入水降载功能的变结构空化装置，包括超空泡航行器，超空泡航行器入水端内嵌接圆盘空化器，圆盘空化器中部沿轴线开设阶梯孔，圆盘空化器通过阶梯孔配合连接圆锥空化器，圆锥空化器连接驱动单元，使圆锥空化器沿阶梯孔内壁移动；采用一种伸缩式空化器在超空泡航行器空投入水时，能够将圆锥空化器伸出，减小航行器入水冲击力，提高入水安全性；在超空泡航行器进入水下弹道后，能够将圆锥空化器缩入，与圆盘空化器组合形成组合空化器，在直航过程中自然空化形成能够完全包裹航行器的超空泡，减小航行阻力。

Description

一种具有入水降载功能的变结构空化装置
技术领域
本发明属于超空泡空化器技术领域，具体涉及一种具有入水降载功能的变结构空化装置。
背景技术
水下高速运动的物体在速度驻点后会出现一个低压区，当低压区内压力低于当地饱和蒸汽压时时，水介质会发生相变并形成空泡，这种现象即“空化”现象。超空化技术将空化现象应用于水中兵器中，使得超空泡航行器3在水下航行时全身被空泡包裹，航行阻力大为减小。空化器是超空泡航行器3最为重要的组件之一，是产生空泡的组件，也是超空泡航行器3航行时唯一总是处于沾湿状态的组件。目前国内外研究的用于超空泡航行器3上的空化器大多采用圆盘外形或者圆锥外形，且其结构在超空泡航行器3的各个航行阶段没有变化。
由于动力系统的限制，水下发射超空泡航行器3航程较短，而结合空投的方式发射可以大为提升其航程，是目前超空泡航行器3的发展趋势。空投超空泡航行器3入水速度极高，入水时撞击水面形成的冲击力可能会对航行器的结构造成破坏。相关研究表明，对于空投超空泡航行器3而言，在航行器入水阶段可以采用圆锥空化器1以减小其高速入水时受到的冲击力，但随着超空泡航行器3速度的衰减，圆锥空化器1产生的空泡可能不足以完全包络住航行器，破坏航行器的流体动力布局，造成弹道失稳；直接采用圆盘空化器2会导致超空泡航行器3头部入水时受到过大的冲击力，甚至导致结构破坏。因此，现有的圆盘或是圆锥外形的空化器结构无法同时满足空投超空泡航行器3入水各阶段的实际要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有入水降载功能的变结构空化装置，解决了现有的空化装置不能根据实际入水状态调整空泡尺度的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种具有入水降载功能的变结构空化装置，包括超空泡航行器，超空泡航行器入水端内嵌接圆盘空化器，圆盘空化器中部沿轴线开设阶梯孔，圆盘空化器通过阶梯孔配合连接圆锥空化器，圆锥空化器连接驱动单元，使圆锥空化器沿阶梯孔内壁移动。
本发明的特点还在于：
圆盘空化器包括圆盘形头部，圆盘形头部中心垂直连接圆柱杆，圆盘形头部与圆柱杆内沿中心轴线开设阶梯孔，且靠近圆盘形头部的一端口径小，圆柱杆嵌接在超空泡航行器入水端内，圆盘形头部固定连接在超空泡航行器入水端，阶梯孔内壁配合连接圆锥空化器。
圆锥空化器包括滑杆，滑杆一端穿过圆柱杆、圆盘形头部连接圆锥头，滑杆另一端连接位于阶梯孔内的挡板，滑杆、挡板均贴合阶梯孔内壁。
滑杆长度与挡板厚度之和等于阶梯孔沿圆盘空化器中心轴线方向的长度。
驱动单元包括阶梯孔内填充的液压油，挡板上连接单向阀。
驱动单元包括连接在阶梯孔内壁的电机，电机依次连接丝杠、挡板。
圆锥头的锥角为60°。
圆盘形头部半径为圆锥头底面半径的1.4倍。
圆锥空化器沿阶梯孔内壁移动的极限距离与圆锥头底面直径相等。
本发明有益效果是：
本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置，采用一种伸缩式空化器在超空泡航行器空投入水时，能够将圆锥空化器伸出，减小航行器入水冲击力，提高入水安全性；在超空泡航行器进入水下弹道后，能够将圆锥空化器缩入，与圆盘空化器组合形成组合空化器，在直航过程中自然空化形成能够完全包裹航行器的超空泡，减小航行阻力。
附图说明
图1是本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置的结构示意图；
图2是本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置的另一种状态结构示意图；
图3是本发明实施例中入水超空泡外形图；
图4是本发明实施例中水下超空泡外形图。
图中，1.圆锥空化器，1-1.圆锥头，1-2.滑杆，1-3.挡板，2.圆盘空化器，2-1.圆盘形头部，2-2.圆柱杆，3.超空泡航行器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置，如图1所示，包括超空泡航行器3，超空泡航行器3入水端内嵌接圆盘空化器2，圆盘空化器2中部沿轴线开设阶梯孔，圆盘空化器2通过阶梯孔配合连接圆锥空化器1，圆锥空化器1连接驱动单元，使圆锥空化器1沿阶梯孔内壁移动，当超空泡航行器3处于不同的状态，通过驱动单元驱动圆锥空化器1沿阶梯孔内壁移动，能够实现不同结构外形的空化装置。
圆盘空化器2包括圆盘形头部2-1，圆盘形头部2-1中心垂直连接圆柱杆2-2，圆盘形头部2-1与圆柱杆2-2内沿中心轴线开设阶梯孔，且靠近圆盘形头部2-1的一端口径小，圆柱杆2-2嵌接在超空泡航行器3入水端内，圆盘形头部2-1固定连接在超空泡航行器3入水端，阶梯孔内壁配合连接圆锥空化器1，圆盘形头部2-1连接在超空泡航行器3端部，超空泡航行器3结束入水弹道进入水下弹道后，圆锥形空化器1缩入，超空泡航行器3与圆盘空化器2形成组合空化装置以形成更大尺度的足以包裹整个航行体的超空泡。
圆锥空化器1包括滑杆1-2，滑杆1-2一端穿过圆柱杆2-2、圆盘形头部2-1连接圆锥头1-1，滑杆1-2另一端连接位于阶梯孔内的挡板1-3，滑杆1-2、挡板1-3均贴合阶梯孔内壁，空投超空泡航行器3入水过程中伸出圆锥头1-1，从而减小其高速入水时受到的冲击力，同时自然空化生成超空泡。
滑杆1-2与圆柱杆2-2间采用间隙配合，能够使滑杆1-2在圆柱杆2-2内滑动。
滑杆1-2长度与挡板1-3厚度之和等于阶梯孔沿圆盘空化器2中心轴线方向的长度，能够使圆锥形空化器1缩入时，圆锥头1-1贴合在圆盘形头部2-1上表面。
驱动单元包括阶梯孔内填充的液压油，挡板1-3上连接单向阀，空投超空泡航行器3高速入水过程中，圆锥空化器1承受冲击力的作用并压缩液压油，起到缓冲作用，同时快速形成包裹航行器的空泡。超空泡航行器3结束入水弹道后打开单向阀，圆锥空化器1在阻力的作用下推动滑杆1-2挤出液压油，向内缩入至图2位置，使超空泡航行器3与圆盘空化器2组合空化产生超空泡。
驱动单元包括连接在阶梯孔内壁的电机，电机依次连接丝杠、挡板1-3，使用电机带动丝杠来操控滑杆1-2的位置。
圆锥头1-1的锥角为60°，圆盘形头部2-1半径为圆锥头1-1底面半径的1.4倍，圆锥空化器1沿阶梯孔内壁移动的极限距离与圆锥头1-1底面直径相等，能够使空投超空泡航行器3入水时，由圆锥空化器1生成的超空泡能越过圆盘空化器2。
圆盘空化器2和圆锥空化器1均采用93钨材料。
圆盘空化器2通过圆柱杆与超空泡航行器3通过螺纹或螺栓同轴连接。
本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置通过控制器的设计方法为：其外形需要根据空投超空泡航行器的设计条件来选取，具体要求空投超空泡航行器入水以及水下直航时，空化器能生成完全包络航行器的超空泡。可以根据以下步骤进行设计：
首先，给定空投超空泡航行器的型线、入水速度、水下直航速度、航深；
其次，根据给定的入水速度，按照当地大气压计算入水空化数；给定一圆锥空化器2底径，根据公式(1)和公式(2)计算入水空泡流型，
Figure BDA0002919078950000051
式(1)中，R(x)为距空化器x处的超空泡半径，Rn为空化器半径，Rcm、Lcm分别为超空泡的最大截面半径和空泡全长，σ为空化数，p∞为远场压力，pc为当地水蒸气的饱和蒸汽压，ρ、v分别为来流密度和速度。在空化器底面与来流速度垂直的情况下，以圆盘或圆锥底面积为特征面积的空化器阻力系数cxn可表述为：
Figure BDA0002919078950000052
式(2)中，αn为空化器锥角。在计算圆锥空化器1伸出时形成的空泡外形时，可以依照阻力相等的原则将圆锥空化器1等效为圆盘空化器2后采用式(1)进行计算；在计算圆锥空化器1缩入时形成的空化器外形时，可以在式(1)中直接令Rn等于圆盘空化器2圆盘形空化器的半径。
式(1)和式(2)表明，空泡外形与空化器直径和空化数直接相关。在选择圆盘空化器2和圆锥空化器1的外形时，应综合考虑空投超空泡航行器3的设计指标和运动特点，根据式(1)和式(2)预估空泡尺度，确保在各航行阶段的空泡包络要求。
若空泡壁与空投超空泡航行器型线距离过大，则减小圆锥空化器2底径重新计算；若空泡壁与给定的空投超空泡航行器型线相交，则增大圆锥空化器2底径重新计算。如此反复迭代，直至空泡壁刚好越过空投超空泡航行器型线，得到圆锥空化器2底部半径初值。
再次，根据给定的水下直航速度以及航深，计算水下直航空化数；令圆盘空化器1半径为1.4倍确定的圆锥空化器2底部半径，根据公式(1)和公式(2)计算水下空泡流型，若空泡壁未与给定的空投超空泡航行器型线相交，则确定此时的圆盘空化器1半径；若空泡壁与步骤Ⅰ给定的空投超空泡航行器型线相交，则逐步增大圆盘空化器1的半径，直至空泡壁刚好越过空投超空泡航行器型线，确定此时的圆盘空化器1半径；
确定圆锥空化器2底部半径为1/1.4倍圆盘空化器1半径。
本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置的使用方法为：
实施例1
在空投超空泡航行器3处于待发射状态时，打开单向阀并向圆柱杆大孔内注入液压油，推动滑杆1-2使得圆锥空化器1向外伸出至图1位置后关闭单向阀，起到限位的目的。空投超空泡航行器3高速入水过程中，圆锥空化器1承受冲击力的作用并压缩液压油，起到缓冲作用，同时快速形成包裹航行器的空泡。超空泡航行器3结束入水弹道后打开单向阀，圆锥空化器1在阻力的作用下推动滑杆1-2挤出液压油，向内缩入至图2位置，超空泡航行器3与圆盘空化器2组合空化产生超空泡，减小航行阻力。
实施例2
在空投超空泡航行器3处于待发射状态时，电机带动丝杠来操控滑杆1-2的位置，使滑杆1-2向外移动，将圆锥头1-1推向最前端，空投超空泡航行器3高速入水过程中，圆锥空化器1承受冲击力的作用，同时快速形成包裹航行器的空泡，超空泡航行器3结束入水弹道后，电机带动丝杠来操控滑杆1-2的位置，使滑杆1-2向内移动，使圆锥头1-1贴合在圆盘形头部2-1上，如图2所示，超空泡航行器3与圆盘空化器2组合空化产生超空泡，减小航行阻力。
实施例3
对于某型空投超空泡航行器，其入水速度为200m/s，水下直航速度为100m/s，航深为10m。依照上述设计方法优选的，可以令圆锥空化器2底部半径为27.2mm，圆盘空化器1半径为38mm。计算得到该空投超空泡航行器入水超空泡外形如图3所示，水下直航时空泡外形如图4所示，图中将空泡壁和航行器尺寸对航行器全长进行了无量纲化处理。可见在入水以及水下直航时超空泡均能完全包络该型空投超空泡航行器，说明根据所提出的设计方法设计的组合空化器外形能够满足空投超空泡航行器的空泡流型要求。
通过上述方式，本发明一种具有入水降载功能的变结构空化装置通过控制器，在超空泡航行器空投入水时，能够将圆锥空化器伸出，减小航行器入水冲击力，提高入水安全性；在超空泡航行器进入水下弹道后，能够将圆锥空化器缩入，与圆盘空化器组合形成组合空化器，在直航过程中自然空化形成能够完全包裹航行器的超空泡，减小航行阻力。

Claims (9)

1.一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，包括超空泡航行器(3)，所述超空泡航行器(3)入水端内嵌接圆盘空化器(2)，所述圆盘空化器(2)中部沿轴线开设阶梯孔，所述圆盘空化器(2)通过阶梯孔配合连接圆锥空化器(1)，所述圆锥空化器(1)连接驱动单元，使圆锥空化器(1)沿阶梯孔内壁移动。
2.根据权利要求1所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述圆盘空化器(2)包括圆盘形头部(2-1)，所述圆盘形头部(2-1)中心垂直连接圆柱杆(2-2)，所述圆盘形头部(2-1)与圆柱杆(2-2)内沿中心轴线开设阶梯孔，且靠近圆盘形头部(2-1)的一端口径小，所述圆柱杆(2-2)嵌接在超空泡航行器(3)入水端内，所述圆盘形头部(2-1)固定连接在超空泡航行器(3)入水端，所述阶梯孔内壁配合连接圆锥空化器(1)。
3.根据权利要求2所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述圆锥空化器(1)包括滑杆(1-2)，所述滑杆(1-2)一端穿过圆柱杆(2-2)、圆盘形头部(2-1)连接圆锥头(1-1)，所述滑杆(1-2)另一端连接位于阶梯孔内的挡板(1-3)，所述滑杆(1-2)、挡板(1-3)均贴合阶梯孔内壁。
4.根据权利要求3所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述滑杆(1-2)长度与挡板(1-3)厚度之和等于阶梯孔沿圆盘空化器(2)中心轴线方向的长度。
5.根据权利要求3所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述驱动单元包括阶梯孔内填充的液压油，所述挡板(1-3)上连接单向阀。
6.根据权利要求3所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述驱动单元包括连接在阶梯孔内壁的电机，所述电机依次连接丝杠、挡板(1-3)。
7.根据权利要求3所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述圆锥头(1-1)的锥角为60°。
8.根据权利要求3所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述圆盘形头部(2-1)半径为圆锥头(1-1)底面半径的1.4倍。
9.根据权利要求1所述一种具有入水降载功能的变结构空化装置，其特征在于，所述圆锥空化器(1)沿阶梯孔内壁移动的极限距离与圆锥头(1-1)底面直径相等。
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