CN113277047A - 一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，包括缸体、电磁感应模块、振动膜和射流罩，电磁感应模块设置于缸体内，通电能够产生电磁感应力；振动膜能够在电磁感应力的作用下进行鼓动；射流罩上开设射流孔，射流罩内的液体能够在振动膜的鼓动下作用从射流孔射出。该水下滑翔机合成射流装置基于电磁感应原理，结构简单合理，用于飞行器能够显著提高升阻比，进而提高水下滑翔机的滑翔效率。

Description

一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置

技术领域

本发明涉及主动流动控制技术领域，特别是涉及一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置。

背景技术

海洋资源进行开发与利用，离不开先进的海洋监测技术和设备。由于海洋是一个幅员辽阔的立体空间，许多观测对象都具有大尺度特性，因此，海洋监测设备需要具备长续航、大范围、广深度等特性。目前，世界上各海洋强国都在大力研发与海洋资源开发和利用相关的科学技术与海洋装备。

水下滑翔机(AUG)作为一种新型的无人运载机，没有传统的推进装置，其运动靠自身的浮力与重力差驱动，配合姿态角的调节，实现水下的“W”型线运动。相比于传统水下航行器，水下滑翔机具有低阻力、航程远、持续工作能力强和经济性好等优点。第一代水下滑翔机由艇体、水平翼、尾翼组成，由于艇体部分基本不产生升力，且内部空间有限，使得滑翔比与滑翔速度较小，大大限制了水下滑翔机的滑翔效率。“飞翼”又叫做翼身一体，这一概念源于飞行器设计，指的是机身隐藏于机翼中，或者通过流畅的过渡淡化机身。将“飞翼”的概念引入水下滑翔机，旨在获得更好的水动力性能，其扁平且有翼剖面形状的机身，能产生一部分的升力，它的机翼与其它部位平滑地与机身融合在一起，这种构形既具有较高的升阻比，又有足够的内部空间。

水下滑翔机滑翔效率的关键影响因素是升阻比。传统回转体型的水下滑翔机即使加装了大展弦比的机翼，其最大升阻比一般不会超过5，虽然翼身融合水下滑翔机通过外形优化设计升阻比高达35，但是不管外形怎么优化，在航行过程中由于流动分离现象的存在，导致阻力系数增加和升力系数减小，限制其升阻比的进一步提升。经研究表明，翼身融合水下滑翔机的机身越扁平，其升阻比越大，这导致提高翼身融合水下滑翔机的水动力性能和增大其内部空间之间产生了矛盾，因此，怎样平衡水动力性能和内部空间之间的矛盾，成为翼身融合水下滑翔机外形优化设计中的一个难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，其能够提高滑翔机的升阻比，进而提高水下滑翔机的滑翔效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，主要包括：

缸体；

电磁感应模块，所述电磁感应模块设置于所述缸体内，所述电磁感应模块通电能够产生电磁感应力；所述电磁感应模块包括具有第一磁性单元的定子和具有第二磁性单元的动子，在所述电磁感应力的作用下，所述动子能够沿直线方向往复运动；

振动膜，所述振动膜的边缘固定于所述缸体上，所述振动膜的膜面与所述动子相连，以在所述动子的带动下进行鼓动；

射流罩，所述射流罩与所述动子分别位于所述振动膜的两侧，且所述射流罩与所述振动膜围合形成射流腔，所述射流罩上开设有射流孔，所述射流腔内的液体能够在所述振动膜的作用鼓动下从所述射流孔射出。

优选地，所述第一磁性单元和所述第二磁性单元中的一者为永磁铁，另外一者为通电线圈。

优选地，所述第一磁性单元为永磁铁，所述永磁铁设置于所述缸体内，用于产生均匀磁场；所述第二磁性单元为通电线圈，所述通电线圈位于所述均匀磁场内，并能够切割所述均匀磁场产生安培力；所述安培力作用于所述振动膜，以使所述振动膜鼓动。

优选地，所述动子还包括用于缠绕所述通电线圈的线圈套筒，所述线圈套筒的顶端连接所述振动膜。

优选地，所述缸体中心设置有缸体芯，所述线圈套筒套设于所述缸体芯的外周。

优选地，所述永磁铁设置有多块，多块所述永磁铁均布于所述缸体芯的外周。

优选地，所述缸体的顶部具有顶部开口；所述合成射流激励器还包括缸盖，所述缸盖用于封闭所述缸体的所述顶部开口。其中，所述缸盖与所述缸体螺纹连接，所述振动膜位于所述缸盖的上方，所述线圈套筒贯穿所述缸盖的中心后与所述振动膜连接。

优选地，还包括上压片，所述上压片位于所述缸盖与所述永磁铁之间，用于压紧所述永磁铁，防止永磁铁在所述缸体内晃动或移动。

优选地，还包括密封外壳，所述密封外壳固定于所述缸盖的上方，所述射流罩位于所述密封外壳的上方并与所述密封外壳对接，所述振动膜的边缘固定于所述射流罩与所述密封外壳之间。

优选地，所述线圈套筒的顶端与所述振动膜胶合，形成刚性连接。

优选地，所述通电线圈内通入的是交流电流。

同时，本发明公开一种主动流动控制系统，主要包括控制模块、压力传感组件和如上所述的基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置；其中：

所述压力传感组件与所述控制模块通讯连接，用于实时监测所述水下滑翔机合成射流装置外部的压力；

所述控制模块与所述水下滑翔机合成射流装置通讯连接，用于根据所述压力传感组件反馈的外界压力值，调控所述水下滑翔机合成射流装置的射流速度和/或射流流量，进而实现对所述水下滑翔机合成射流装置的主动流动控制。

优选地，所述压力传感组件为压力传感器。

优选地，所述合成射流激励器设置有多组，多组所述合成射流激励器并联于所述控制模块。

优选地，还包括电源，所述电源与所述控制模块电性连接，可用于为系统内所有用电部件供电。该电源优选为电池组。

上述主动流动控制系统，包括控制模块、压力传感组件和所述的水下滑翔机合成射流装置，压力传感组件与控制模块通讯连接，用于实时监测水下滑翔机合成射流装置外部的压力；控制模块与水下滑翔机合成射流装置通讯连接，用于根据压力传感组件反馈的外界压力值，调控水下滑翔机合成射流装置的射流速度和射流流量。控制系统与水下滑翔机合成射流装置连接形成主动流动控制系统，能够通过调整水下滑翔机合成射流装置内交流电的大小和方向，达到调控水下滑翔机合成射流装置的射流速度和射流流量的效果，调节精度高，使得水下滑翔机合成射流装置更易于调节，这为水下滑翔机合成射流装置进行智能化和最优化流动控制奠定了基础和创造了条件。

同时，本发明还公开一种水下滑翔机，具体为一种翼身融合的水下滑翔机，其包括机翼和融合于所述机翼上的机身，还包括如上所述的水下滑翔机合成射流装置；所述水下滑翔机合成射流装置安装于所述机翼内，所述机翼上开设有与所述射流孔连通的喷口。

优选地，还包括控制系统，所述控制系统包括：

压力传感器，所述压力传感器设置有多个，多个所述压力传感器均布于所述机翼内，用于实时监测水下滑翔机的周边流场压力；

控制单元，所述控制单元与所述压力传感器和所述水下滑翔机合成射流装置通讯连接，能够根据所述周边流场压力调控所述水下滑翔机合成射流装置的射流速度和/或射流流量；

该控制系统与所述水下滑翔机合成射流装置连接形成主动流动控制系统。

优选地，所述水下滑翔机合成射流装置设置有多组，多组所述水下滑翔机合成射流装置在所述机翼内均匀分布。此处的“均匀分布”是指所述水下滑翔机合成射流装置在所述机翼内依据所述机翼具体形状以及具体轮廓进行布置。

优选地，所述喷口为机械式喷口。

该水下滑翔机，通过设置基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，能够通过主动流动控制技术，实现增升减阻，提高水下滑翔机的滑翔效率；尤其当水下滑翔机为一种翼身融合的水下滑翔机时，通过设置基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，能够在保持滑翔机内部体积不变的情况下，通过主动流动控制技术，提高升阻比，进而提高水下滑翔机的滑翔效率。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开的基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，包括缸体、电磁感应模块、振动膜和射流罩，电磁感应模块设置于缸体内，电磁感应模块通电能够产生电磁感应力；振动膜能够在电磁感应力的作用下进行鼓动；射流罩上开设射流孔，射流罩内的液体能够在振动膜的鼓动下作用从射流孔射出。该水下滑翔机合成射流装置基于电磁感应原理，结构简单合理，用于飞行器能够显著提高升阻比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的水下滑翔机的俯视图；

图2为本发明实施例所公开的水下滑翔机机翼行进方向的切面示意图；

图3为本发明实施例所公开的基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置的内部结构剖视图；

图4为本发明实施例所公开的基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置通电瞬时振膜受力示意图；

其中，附图标记为：1、水下滑翔机；1-1、机翼；1-2、机身；2、控制单元；3、机翼前端压力传感器；4、机翼末端压力传感器；5、电池组；6、机翼末端合成射流装置；7、机翼前端合成射流装置；8、喷口；9、缸体；10、永磁铁；11、上压片；12、缸盖；13、通电线圈；14、线圈套筒；15、振动膜；16、密封外壳；17、射流罩；18、射流孔；19、螺栓；20、螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的之一是提供一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置。

本发明的另一目的是提供一种翼身融合的水下滑翔机，其能够在保持内部最大空间的情况下，提高升阻比，进而提高水下滑翔机的滑翔效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1-2所示，本实施例提供一种翼身融合的水下滑翔机1，其具体为一种基于电磁感应式合成射流的水下滑翔机，其机身1-2和机翼1-1融合设置。翼身融合的水下滑翔机1还包括设置于机翼1-1上的压力传感器，压力传感器连接有控制单元2，控制单元2分别连接有位于机翼1-1前缘的机翼前端合成射流装置7和位于机翼1-1后缘的机翼末端合成射流装置6，任意机翼前端合成射流装置7和任意机翼末端合成射流装置6均连接有喷口8；压力传感器和各合成射流装置都接于电池组5上，形成闭环主动流动控制系统。其中，压力传感器包括位于机翼1-1前缘的机翼前端压力传感器3和位于机翼1-1后缘的机翼末端压力传感器4，“机翼前端”和“机翼末端”分别表示压力传感器的安装位置，并不限定压力传感器的功能，本实施例中，机翼前端压力传感器3和机翼末端压力传感器4的作用是相同的。同理，机翼前端合成射流装置7和机翼末端合成射流装置6中的“机翼前端”和“机翼末端”分别表示合成射流装置的安装位置，并不限定合成射流装置的功能，本实施例中，机翼前端合成射流装置7和机翼末端合成射流装置6的作用是相同的，上述及下述的合成射流装置亦可称之为合成射流激励器。

本实施例中，如图3和4所示，合成射流装置基于电磁感应，包括缸体9、永磁铁10、上压片11、缸盖12、通电线圈13、线圈套筒14、振动膜15、密封外壳16、射流罩17、射流孔18、螺栓19和螺栓20；永磁铁10上部与上压片11接触，下部与缸体9的底端面接触，缸盖12与缸体9的顶部开口螺纹连接或密封卡接，并与密封外壳16通过螺栓20连接，一方面可以将密封外壳16固定，另外可以将上压片11与永磁铁10紧固于缸体9内。振动膜15与线圈套筒14胶合形成刚性连接，线圈套筒14上绕有通电线圈13；密封外壳16、振动膜15、射流罩17通过螺栓19连接，射流罩17上开有射流孔18。

永磁铁10用于产生一均匀磁场，缸体芯与永磁铁10之间有形成磁气隙，线圈套筒14悬挂于磁气隙之间，当通电线圈13通交流电时，通电线圈13在磁场中受到力的作用，这个力F的大小与通电线圈13中流过的电流I、磁气隙中的磁感应密度B以及线圈的等效总长度L成正比，即：F＝BLI。当通电线圈13在磁气隙中随电流方向的不断改变而上下振动时，振动膜15将随着线圈套筒14(线圈套筒14与通电线圈13固定，线圈套筒14随通电线圈13移动)的上下振动而鼓动，振动膜15鼓动频率的快慢与输入的电流的频率有关，振动膜15鼓动的幅度与输入的音频电流的强弱有关；通过压力传感器感受机翼1-1外部的水压，并将信号传给控制单元2，由控制单元2控制电流的频率与强弱，来控制振动膜15鼓动的快慢与幅度，进而控制喷射水流的流速与流量。

于本具体实施例中，如图3和4所示，任意永磁铁10有两个固定的S极、N极，一种情况下，可使任意永磁铁10与上压片11接触的一侧为S极、与缸体9底端面接触的一侧为N极，那么，在永磁铁10的作用下，缸体芯与永磁铁10之间形成的磁气隙中便产生一个均匀磁场，磁场中磁力线的方向由N极出发流向S极，即由永磁铁10的底部指向上压片11。当通电线圈13通电时，假设某一瞬间线圈中电流I的方向如图4所示，根据弗莱明左手定律，通电线圈13向上运动，即这时通电线圈13受到向上的力F。当通电线圈13内电流I的方向改变时，通电线圈13的受力方向也发生相应变化。上述力F的大小与线圈中流过的电流I、磁气隙中的磁感应强度B和线圈的等效总长度L成正比，即：F＝BLI。

一般情况下，磁气隙中的磁感应强度B和线圈的等效总长度L在合成射流激励器设计制造过程中一经确定即成为常数，因此，当电流经过通电线圈13时，通电线圈13将受到一个与电流I成正比的力，由于线圈套筒14与振动膜15刚性地连接在一起，当通电线圈13在磁气隙中随电流方向的不断改变而上下振动时，振动膜15将随着通电线圈13及线圈套筒14的上下振动而鼓动(或振动)，振动膜15鼓动(或振动)的快慢与输入交流电的频率有关，振动膜15鼓动(或振动)的幅度与输入交流电的强弱有关。此过程中，通过压力传感器实时监测机翼1-1外部的水压，将信号传给控制单元2，由控制单元控制控制电流的频率、大小、方向，来控制振动膜15鼓动(或振动)的快慢与强弱，进而控制喷射水流的流量与流速。

另一种情况下，本实施例中合成射流装置的电磁感应模块，还可以是通电线圈一和通电线圈二的组合，且通电线圈一和通电线圈二中的一者为单根线圈，另外一者为缠绕设置的线圈。由通电线圈一和通电线圈二组成电磁感应模块，所依据的是励磁线圈感应原理，在此不再赘述。

本实施例通过电磁式合成射流装置对翼身融合水下滑翔机进行主动流动控制，并通过压力传感器、控制单元形成主动流动控制系统；电磁式合成射流装置在振动膜下部安装线圈来控制振动膜鼓动(或振动)的频率与幅度，从而可以有效控制喷口处射流的速度比和动量比，使得该合成射流装置更易于调节，这为合成射流装置进行智能化和最优化流动控制奠定了基础和创造了条件。本实施例通过压力传感器实时监控水下滑翔机周边流场，控制单元可以根据压力变化控制线圈内电流频率与大小，进而调节合成射流装置的振动膜的振幅与频率，达到控制喷射水流的流量与流速的目的；本实施例可在保持滑翔机内部最大空间的情况下，通过主动流动控制获得局部或全局的有效流动改变，实现增升减阻、改善流场、抑制噪声，进而提高水下滑翔机的滑翔效率。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于电磁感应式的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，包括：

缸体；

电磁感应模块，所述电磁感应模块设置于所述缸体内，所述电磁感应模块通电能够产生电磁感应力，所述电磁感应模块包括具有第一磁性单元的定子和具有第二磁性单元的动子，在所述电磁感应力的作用下，所述动子能够沿直线方向往复运动；

振动膜，所述振动膜的边缘固定于所述缸体上，所述振动膜的膜面与所述动子相连，以在所述动子的带动下进行鼓动；

射流罩，所述射流罩与所述动子分别位于所述振动膜的两侧，且所述射流罩与所述振动膜围合形成射流腔，所述射流罩上开设有射流孔，所述射流腔内的液体能够在所述振动膜的作用鼓动下从所述射流孔射出。

2.根据权利要求1所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，

所述第一磁性单元为永磁铁，所述永磁铁设置于所述缸体内，用于产生均匀磁场；

所述第二磁性单元为通电线圈，所述通电线圈位于所述均匀磁场内，并能够切割所述均匀磁场产生安培力；所述安培力作用于所述振动膜，以使所述振动膜鼓动。

3.根据权利要求2所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，所述动子还包括用于缠绕所述通电线圈的线圈套筒，所述线圈套筒的顶端连接所述振动膜。

4.根据权利要求3所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，所述缸体中心设置有缸体芯，所述线圈套筒套设于所述缸体芯的外周。

5.根据权利要求3所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，所述缸体的顶部具有顶部开口；所述合成射流激励器还包括缸盖，所述缸盖用于封闭所述顶部开口；所述振动膜位于所述缸盖的上方，所述线圈套筒贯穿所述缸盖的中心后与所述振动膜连接。

6.根据权利要求5所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，还包括上压片，所述上压片位于所述缸盖与所述永磁铁之间，用于压紧所述永磁铁。

7.根据权利要求5所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，还包括密封外壳，所述密封外壳固定于所述缸盖的上方，所述射流罩位于所述密封外壳的上方并与所述密封外壳对接，所述振动膜的边缘固定于所述射流罩与所述密封外壳之间。

8.根据权利要求1所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，所述水下滑翔机合成射流装置用于安装在水下滑翔机的机翼内，所述机翼上开设有与所述射流孔连通的喷口。

9.根据权利要求8所述的水下滑翔机合成射流装置，其特征在于，所述喷口为机械式喷口。

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