CN114408144B - 一种仿生脉冲式射流推进装置 - Google Patents

Abstract

一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：包括柔性本体以及设置在柔性本体内的电流驱动控制组件，柔性本体的内部具有第一空腔，第一空腔内间隔设置多层隔层，各层隔层上均嵌设多个第一电磁线圈和多个透水孔道，各第一电磁线圈均与电流驱动控制组件电连接，用于为各第一电磁线圈提供不同极性和大小的电流，以使通电时相邻隔层上的第一电磁线圈相互吸合而带动柔性本体变形并挤压第一空腔，柔性本体上还设有与其内部第一空腔相连通的进水组件和出水组件，出水组件设置一个或多个，进水组件为单向或可开合结构，出水组件为可开合结构。该仿生脉冲式射流推进装置推进效率高、结构简化、易于实现小型化。

Description

一种仿生脉冲式射流推进装置

技术领域

本发明涉及推进装置技术领域，具体涉及一种仿生脉冲式射流推进装置。

背景技术

传统的推进装置一般采用螺旋桨推进，但螺旋桨推进装置具有以下缺点：1、推进效率低，在产生推力的同时，还产生了无用的扭矩；2、易产生空泡，损害螺旋桨叶片；3、噪声大；4、回转部件会对液体环境造成影响。

基于传统螺旋桨推进装置存在的上述缺陷，目前出现了泵喷射流推进装置。泵喷射流推进装置一般由进水口、喷口、泵、传动机构等组成，通过进水口进水，进入的水经泵加压后，从喷口喷射出去。现有的泵喷射流推进装置虽然可以弥补螺旋桨推进装置噪声大、效率低的缺陷，但是传动机构复杂，体积庞大，难以实现小型化。

针对上述问题，我们发现水中的生物却有着非凡的运动能力，不仅可以在稳定游速下保持低能耗、高效率，而且可以在爆发游速下实现高机动性。例如体形小巧的乌贼，它是通过改变身体内腔体的容积来完成喷水和吸水动作，周而复始，实现脉冲式射流推进。脉冲射流由于尾迹中涡环的作用，相对于连续射流，可获得更大的推力，推进效率更高。假如能将乌贼的仿生结构应用到射流推进装置中，也能取消泵喷射流推进装置所需的复杂的传动结构，更有利于射流推进装置结构的简化和小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种推进效率高、结构简化、易于实现小型化的仿生脉冲式射流推进装置。

本发明的技术解决方案是：一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：包括柔性本体以及设置在柔性本体内的电流驱动控制组件，所述柔性本体的内部具有第一空腔，所述第一空腔内间隔设置多层隔层，各层隔层上均嵌设多个第一电磁线圈和多个透水孔道，各第一电磁线圈均与电流驱动控制组件电连接，用于为各第一电磁线圈提供不同极性和大小的电流，以使通电时相邻隔层上的第一电磁线圈相互吸合而带动柔性本体变形并挤压第一空腔，所述柔性本体上还设有与其内部第一空腔相连通的进水组件和出水组件，所述出水组件设置一个或多个，所述进水组件为单向或可开合结构，所述出水组件为可开合结构。

本发明仿生脉冲式射流推进装置的工作原理如下：

关闭出水组件，利用进水组件向柔性本体内部的第一空腔输送水，进入的水可以通过隔层上的透水孔道在第一空腔各层之间流通；当第一空腔内充满水时，使第一电磁线圈通电产生磁场，利用电流驱动控制组件控制各第一电磁线圈的电流极性和大小，以使相邻隔层上的第一电磁线圈相互吸合而带动柔性本体变形并挤压第一空腔，同时根据推进方向，打开相应方向上的出水组件，将腔室内的高压水喷射出去，当柔性本体的第一空腔内需要重新补充水时，控制第一电磁线圈电流反向，即可使柔性本体和第一空腔恢复原状，然后再重复上述步骤，即可实现脉冲喷射，从而将柔性本体向期望的水下目的地不断推进。

采用上述结构后，本发明具有以下优点：

本发明仿生脉冲式射流推进装置利用柔性本体模拟乌贼的身体，利用第一空腔模拟乌贼体内的腔体，利用第一空腔内设置的多层第一电磁线圈，并通过控制第一电磁线圈的电流和方向，使第一空腔压缩或舒张，来模拟乌贼腔体的容积变化，再结合进水组件和出水组件，即可模拟乌贼在腔体容积变化的情况下分别进行吸水和喷水的动作，从而实现脉冲喷射；该装置只需在第一空腔内设置隔层并在隔层上布设第一电磁线圈即可实现，而第一电磁线圈的数量可以根据推进装置的大小进行自由选择，相比泵喷射流推进装置，省掉了泵及结构复杂的传动结构，结构简化，更有利于实现小型化；而且本装置产生的脉冲射流，相比泵喷射流推进装置的连续射流，推进效率更高。

作为优选，所述出水组件设置多个，且位于柔性本体的不同方位上。不同方向上的出水组件可对推进方向进行控制，从而实现推力矢量控制，可使推进装置的运动更加灵活。

作为优选，所述隔层由上而下依次设置，各层隔层上的第一电磁线圈上下位置对应。上下方向压缩，变形更稳定可靠，且各层隔层上的第一电磁线圈上下位置对应，可使层间电磁力更大。

作为优选，所述隔层包括设置在柔性本体中间位置的一个第一隔层、以及设置在第一隔层两侧的一个或多个第二隔层，所述电流驱动控制组件为各层隔层上的第一电磁线圈提供的电流，是从第一隔层向两侧的第二隔层对称地逐渐递减。设置第一隔层上的第一电磁线圈的电流最大，而各第二隔层上的第一电磁线圈的电流向两侧方向对称地逐渐递减，可以使第一隔层的位置基本不动，而上下两侧的第二隔层均向中间吸合靠近，这样可使柔性本体的瞬时航向保持不变，且变形压缩效果更好。

作为优选，所述第一隔层采用硬性材料。设置第一隔层的硬度较大，可使柔性本体的中间位置不易变形，保证柔性本体压缩过程中的稳定性及沿中轴保持对称性。

作为优选，所述第一隔层的厚度大于第二隔层的厚度。该设置可使第一隔层更不易变形且位置稳定性更好。

作为优选，还包括与电流驱动控制组件电连接的电池组件，所述第一隔层的中间位置设置前后贯通的第二空腔，所述电流驱动控制组件和电池组件安装在第二空腔的中间位置处，所述第一隔层的上侧壁和下侧壁上均嵌设多个第一电磁线圈和多个透水孔道，所述第一隔层上侧壁上的透水孔道与下侧壁上的透水孔道位置对应且通过管道连通，所述电流驱动控制组件为第一隔层上侧壁上的第一电磁线圈和下侧壁上的第一电磁线圈均对称地提供最大的电流。在第一隔层的中间设置第二空腔，方便安装电流驱动控制组件和电池组件，且两个电子部件安装在第二空腔内不会进水，使用更安全，另外两个电子部件安装在第一隔层的中间位置，整体结构也更稳定；同时，在第一隔层的中间设置第二空腔，所采用的材料及所形成的第二空腔实现在整个柔性本体充满水时，整个柔性本体的平均密度和水的密度一致，从而可使柔性本体能在水中平稳运行。

作为优选，所述第一电磁线圈的中心设置第一铁芯。该设置可使第一电磁线圈的电磁力更强。

作为优选，所述柔性本体上还嵌设有多个第二电磁线圈，各第二电磁线圈也与电流驱动控制组件电连接，用于为各第二电磁线圈提供不同极性和大小的电流，以使通电时与相应隔层上的第一电磁线圈相互吸合，各第二电磁线圈与相应隔层上的第一电磁线圈位置对应。该设置可使柔性本体也可被隔层上的第一电磁线圈吸合，压缩效果更好。

作为优选，所述第二电磁线圈的中心设置第二铁芯。该设置可使第二电磁线圈的电磁力更强。

作为优选，所述进水组件包括进水口和特斯拉阀，所述进水口设置在柔性本体的中轴之下，所述特斯拉阀的进水端与进水口相连通，出水端与柔性本体的第一空腔相连通。特斯拉阀内部无需设置开关，即可控制流体单向流动，不仅节能省电、而且操作方便。

作为优选，所述出水组件包括出水口以及设置在出水口两侧的两个第三电磁线圈，所述第三电磁线圈也与电流驱动控制组件电连接，用于通电时控制两个第三电磁线圈吸合而关闭出水口，而断电或电流反向时控制两个第三电磁线圈分离而打开出水口。利用第三电磁线圈开合出水口，可以由电流驱动控制组件统一控制，控制更简单。

作为优选，所述第三电磁线圈的中心设置第三铁芯。该设置可使第三电磁线圈的电磁力更强。

作为优选，所述出水口为漏斗状，且靠近第一空腔一端的口径大于另一端的口径。该设置仿生乌贼的喷水口形状，能耗更低、效率更高，喷射力更大。

作为优选，所述出水口两端的硬度大于其余部分的硬度。该设置可使出水口不易发生凹陷而影响出水。

作为优选，所述出水口远离第一空腔的一端伸出到柔性本体外。该设置可使出水口排水更顺畅。

作为优选，所述柔性本体的第一空腔内还设有一液位检测装置，所述液位检测装置与电流驱动控制组件电连接。该设置可利用液位检测装置检测第一空腔内的液位，从而可以较好地控制柔性本体的压缩和舒张节拍，推进效率更高。

附图说明：

图1为本发明仿生脉冲式射流推进装置吸水时的纵向剖视图；

图2为图1中A处的局部放大示意图；

图3为图1中B处的局部放大示意图；

图4为本发明仿生脉冲式射流推进装置喷水时的纵向剖视图；

图5为图4中C处的局部放大示意图；

图6为本发明仿生脉冲式射流推进装置的横向剖视图；

图中：1-柔性本体，2-电流驱动控制组件，3-第一空腔，4-隔层，5-第一电磁线圈，6-透水孔道，7-进水组件，8-第一铁芯，9-出水组件，10-第二铁芯，11-第三铁芯，12-第三电磁线圈，13-第二电磁线圈，14-液位检测装置，15-进水口，16-出水口，17-特斯拉阀，18-第一隔层，19-第二隔层，20-电池组件，21-第二空腔，22-第一隔层的上侧壁，23-第一隔层的下侧壁。

具体实施方式

下面结合附图，并结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例：

如图1-6所示，一种仿生脉冲式射流推进装置，包括柔性本体1以及设置在柔性本体1内的电流驱动控制组件2，柔性本体1可采用硅胶制成，表面形状为流线型，电流驱动控制组件2包括控制模块和电流驱动模块，控制模块的核心部件为单片机或DSP，控制模块和电流驱动模块采用现有技术即可，所述柔性本体1的内部具有第一空腔3，所述第一空腔3内间隔设置多层隔层4，各层隔层4上均嵌设多个第一电磁线圈5和多个透水孔道6，各第一电磁线圈5均与电流驱动控制组件2电连接，用于为各第一电磁线圈5提供不同极性和大小的电流，以使通电时相邻隔层4上的第一电磁线圈5相互吸合而带动柔性本体1变形并挤压第一空腔3，所述柔性本体1上还设有与其内部第一空腔3相连通的进水组件7和出水组件9，所述出水组件9可根据需要设置1个或多个，本实施例中，出水组件9设置多个，且位于柔性本体1的不同方位上，所述进水组件7为单向或可开合结构，所述出水组件9为可开合结构。

所述隔层4由上而下依次设置，各层隔层4上的第一电磁线圈5上下位置对应；所述隔层4包括设置在柔性本体中间位置的一个第一隔层18、以及设置在第一隔层18两侧的一个或多个第二隔层19，所述电流驱动控制组件2为各层隔层4上的第一电磁线圈5提供的电流，是从第一隔层18向两侧的第二隔层19对称地逐渐递减；所述第一隔层18采用硬性材料，所述第二隔层19的硬度可以小于第一隔层18的硬度，第二隔层19既可采用硬性材料，又可采用柔性材料，本实施中，第一隔层18为硬性材料制成，例如陶瓷、硬质塑料，第二隔层19为柔性材料制成，例如硅胶，采用硅胶方便与柔性本体1一起加工成型；所述第一隔层18的厚度大于第二隔层19的厚度；第一隔层18的厚度和硬度较大，几乎不变形，并且第一隔层18上的第一电磁线圈5的电流最大，因此第一隔层18可保证柔性本体压缩过程中的稳定性及沿中轴保持对称性，只有两侧的第二隔层19向第一隔层18吸合靠近，这样可以使得柔性本体1在获得较好的压缩变形效果的同时保持柔性本体1的稳定性及瞬时航向。

还包括与电流驱动控制组件2电连接的电池组件20，所述第一隔层18的中间位置设置前后贯通的第二空腔21，所述电流驱动控制组件2和电池组件20安装在第二空腔21的中间位置处，所述第一隔层18的上侧壁22和下侧壁23上均嵌设多个第一电磁线圈5和多个透水孔道6，所述第一隔层18上侧壁22上的透水孔道6与下侧壁23上的透水孔道6位置对应且通过管道连通，所述第一隔层18上侧壁22上的透水孔道6与下侧壁23上的透水孔道6可通过硬管连通，采用硬管连通可使第一隔层18的结构更稳固，所述电流驱动控制组件2为第一隔层18上侧壁22上的第一电磁线圈5和下侧壁23上的第一电磁线圈5均对称地提供最大的电流；本实施例中，多个第一电磁线圈5和多个透水孔道6沿横向和纵向方向都均匀间隔排列，且第一隔层18上的第一电磁线圈5和透水孔道6分布较疏，而第二隔层19上的第一电磁线圈5和透水孔道6分布较密，第二隔层19上的第一电磁线圈5和透水孔道6分布如图6所示；另外将第一隔层18设置得较为厚重，有助于实现在整个柔性本体1充满水时，整个柔性本体1的平均密度和水的密度一致，从而可使柔性本体1能在水中平稳运行。

所述柔性本体1上还嵌设有多个第二电磁线圈13，各第二电磁线圈13也与电流驱动控制组件2电连接，用于为各第二电磁线圈13提供不同极性和大小的电流，以使通电时与相应隔层4上的第一电磁线圈5相互吸合，各第二电磁线圈13与相应隔层4上的第一电磁线圈5位置对应；在最外层的柔性本体1上设置第二电磁线圈13，可使压缩变形效果更好。

所述进水组件7包括进水口15和特斯拉阀17，所述进水口15设置在柔性本体1的中轴之下，所述特斯拉阀17的进水端与进水口15相连通，出水端与柔性本体1的第一空腔3相连通。

所述出水组件9包括出水口16以及设置在出水口16两侧的两个第三电磁线圈12，所述第三电磁线圈12也与电流驱动控制组件2电连接，用于通电时控制两个第三电磁线圈12吸合而关闭出水口16，而断电或电流反向时控制两个第三电磁线圈12分离而打开出水口16；所述出水口16为漏斗状，且靠近第一空腔3一端的口径大于另一端的口径；所述出水口16两端的硬度大于其余部分的硬度；所述出水口16远离第一空腔3的一端伸出到柔性本体1外。

所述第一电磁线圈5的中心设置第一铁芯8；所述第二电磁线圈13的中心设置第二铁芯10；所述第三电磁线圈12的中心设置第三铁芯11；在各电磁线圈的中心设置铁芯，可使电磁线圈的吸合力更强。

所述柔性本体1的第一空腔3内还设有一液位检测装置14，所述液位检测装置14与电流驱动控制组件2电连接，液位检测装置14采用现有技术即可，这里不再赘述，该设置可利用所述液位检测装置14检测第一空腔内的液位，从而可以较好地控制柔性本体1的压缩和舒张节拍，使推进效率更高。

本发明仿生脉冲式射流推进装置的工作原理如下：

设置柔性本体1相当于乌贼的身体，第一空腔3相当于乌贼身体内的腔体，出水组件9相当于乌贼的漏斗，控制第一电磁线圈5和第二电磁线圈13的电流和方向即可仿生乌贼身体内腔体的容积变化；在吸水时，如图1-3所示，控制第三电磁线圈12的电流和方向，使所有出水口16均关闭，控制第一电磁线圈5和第二电磁线圈13的电流和方向，使柔性本体1和第一空腔3处于舒张状态，利用进水组件7向柔性本体1内部的第一空腔3输送水，进入的水可以通过隔层4上的透水孔道6在第一空腔3各层之间流通；当液位检测装置14检测到第一空腔3内充满水时，进入喷水阶段，如图4-5所示，控制第一电磁线圈5和第二电磁线圈13电流反向，使相邻隔层4上的第一电磁线圈5相互吸合、以及柔性本体1上的第二电磁线圈13与相应隔层4上的第一电磁线圈5吸合，从而带动柔性本体1变形并挤压第一空腔3，压缩后的第一空腔3内部压力升高，同时控制第三电磁线圈12断电或电流反向，使相应的出水口16打开，即可将第一空腔3内压缩的高压水喷射出去；重复上述步骤，使柔性本体1内的第一空腔3按照一定的频率压缩和舒张，即可完整地模拟乌贼的吸水和喷水动作，并在出水口16处获得脉冲式射流，脉冲式射流对柔性本体1产生反方向的作用力，从而推动柔性本体1按照预设的方向不断前进。

Claims (8)

1.一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：包括柔性本体(1)以及设置在柔性本体(1)内的电流驱动控制组件(2)，所述柔性本体(1)的内部具有第一空腔(3)，所述第一空腔(3)内间隔设置多层隔层(4)，各层隔层(4)上均嵌设多个第一电磁线圈(5)和多个透水孔道(6)，各第一电磁线圈(5)均与电流驱动控制组件(2)电连接，用于为各第一电磁线圈(5)提供不同极性和大小的电流，以使通电时相邻隔层(4)上的第一电磁线圈(5)相互吸合而带动柔性本体(1)变形并挤压第一空腔(3)，所述柔性本体(1)上还设有与其内部第一空腔(3)相连通的进水组件(7)和出水组件(9)，所述出水组件(9)设置一个或多个，所述进水组件(7)为单向结构，所述出水组件(9)为可开合结构；所述隔层(4)由上而下依次设置，各层隔层(4)上的第一电磁线圈(5)上下位置对应；所述隔层(4)包括设置在柔性本体(1)中间位置的一个第一隔层(18)、以及设置在第一隔层(18)两侧的一个或多个第二隔层(19)，所述电流驱动控制组件(2)为各层隔层(4)上的第一电磁线圈(5)提供的电流，是从第一隔层(18)向两侧的第二隔层(19)对称地逐渐递减。

2.根据权利要求1所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：所述出水组件(9)设置多个，且位于柔性本体(1)的不同方位上。

3.根据权利要求1所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：所述第一隔层(18)为硬性材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：还包括与电流驱动控制组件(2)电连接的电池组件(20)，所述第一隔层(18)的中间位置设置前后贯通的第二空腔(21)，所述电流驱动控制组件(2)和电池组件(20)安装在第二空腔(21)的中间位置处，所述第一隔层(18)的上侧壁(22)和下侧壁(23)上均嵌设多个第一电磁线圈(5)和多个透水孔道(6)，所述第一隔层(18)上侧壁(22)上的透水孔道(6)与下侧壁(23)上的透水孔道(6)位置对应且通过管道连通，所述电流驱动控制组件为第一隔层(18)上侧壁(22)上的第一电磁线圈(5)和下侧壁(23)上的第一电磁线圈(5)均对称地提供最大的电流。

5.根据权利要求1所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：所述柔性本体(1)上还嵌设有多个第二电磁线圈(13)，各第二电磁线圈(13)也与电流驱动控制组件(2)电连接，用于为各第二电磁线圈(13)提供不同极性和大小的电流，以使通电时与相应隔层(4)上的第一电磁线圈(5)相互吸合，各第二电磁线圈(13)与相应隔层(4)上的第一电磁线圈(5)位置对应。

6.根据权利要求1所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：所述进水组件(7)包括进水口(15)和特斯拉阀(17)，所述进水口(15)设置在柔性本体(1)的中轴之下，所述特斯拉阀(17)的进水端与进水口(15)相连通，出水端与柔性本体(1)的第一空腔(3)相连通。

7.根据权利要求1所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：所述出水组件(9)包括出水口(16)以及设置在出水口(16)两侧的两个第三电磁线圈(12)，所述第三电磁线圈(12)也与电流驱动控制组件(2)电连接，用于通电时控制两个第三电磁线圈(12)吸合而关闭出水口(16)，而断电或电流反向时控制两个第三电磁线圈(12)分离而打开出水口(16)。

8.根据权利要求7所述的一种仿生脉冲式射流推进装置，其特征在于：所述出水口(16)为漏斗状，且靠近第一空腔(3)一端的口径大于另一端的口径。

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