CN114516395A - 仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器 - Google Patents

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Abstract

本公开有关于一种仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，包括柔性仿生尾鳍、喷水推进系统和一体化控制系统，其中所述柔性仿生尾鳍与所述喷水推进系统采用一体化设计，所述柔性仿生尾鳍作为所述喷水推进系统的出水口和舵，同时实现快速移动和高效回转；所述一体化控制系统，用于综合处理任务信息和传感器感知的流场信息，并根据综合处理任务信息和传感器感知的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。本公开的复合式推进器兼顾了仿生尾鳍推进和喷水推进的技术优势，通过特殊的一体化组合设计，使其兼具声隐蔽性和快速性，可应用于各类在水下和水面往复机动的跨介质航行器等，具有广泛的应用场景。

Description

仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器
技术领域
本公开涉及水中推进装置，尤其涉及一种仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器。
背景技术
现代螺旋桨被发明已有约200年，至今仍然是水面舰船、水下潜艇及其他各类涉水航行器最常用的推进方式。尽管螺旋桨设计技术在很多方面都已经逐渐成熟，但因受限于其推进形式本身，无可避免地会产生大量的机械能损耗，影响推进效率，且高速推进时会产生空化，产生巨大的噪声。随着对航行器性能要求的不断提高，常规的螺旋桨推进器越来越无法满足实际工程需求。
喷水推进是一种利用反冲作用力推进的新型推进形式。与螺旋桨相比，喷水推进抗空泡的能力强，且高航速时效率更高，是世界各国近年来争先发展和应用的一种推进形式。然而，单独的喷水推进形式在低航速时效率很低，且产生的推力矢量化程度低，转弯等操作不灵敏，具有技术上的局限性。
随着材料技术的不断发展，利用柔性结构代替刚性结构实现推进成为可能。自然界中的大多数鱼类，都是通过尾鳍摆动进行推进。这种推进方式具有效率高、噪声低、回转性好等优点，但高度航行所需要的摆动频率过高，可靠性较差。
自主水下航行器(AUV)等多种无人水下航行器(UUV)、潜艇及水-空跨介质航行器等高性能海洋装备因其各自不同的任务特性，往往需要在水下和水面往复机动，并兼顾快速性、声隐蔽性和可操纵性，因此亟需发展新型高性能推进器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本公开采用的技术解决方案如下：
一种仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，该复合式推进器包括柔性仿生尾鳍、喷水推进系统和一体化控制系统，其中：所述柔性仿生尾鳍与所述喷水推进系统采用一体化设计，所述柔性仿生尾鳍作为所述喷水推进系统的出水口和舵，同时实现快速移动和高效回转；所述一体化控制系统，用于综合处理任务信息和传感器感知的流场信息，并根据综合处理任务信息和传感器感知的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。
上述方案中，所述柔性仿生尾鳍包括尾鳍1、刚性圆管2、流道3、传动机构4和第一电动机5，其中：所述尾鳍1采用柔性材料，承接于所述刚性圆管2的后方，所述尾鳍1的中心设置所述流道3，且所述流道3与所述刚性圆管2连通，以供水流通过；所述刚性圆管2通过所述传动机构4与所述第一电动机5相连接，所述刚性圆管2在所述第一电动机5的带动下使所述尾鳍1往复摆动，所述尾鳍1通过往复摆动单独为航行器提供推进动力以及控制方向。
上述方案中，所述柔性仿生尾鳍还包括尾部收缩段15，该尾部收缩段15采用柔性材料与所述尾鳍1相连接，但不会限制所述尾鳍1的摆动。
上述方案中，所述喷水推进系统包括第二电动机6、进水口7、出水口8、管道9、传动轴11和喷水泵16，其中：所述进水口7在工作时保持浸没在水中，所述出水口8设置于所述尾鳍1中心的末端，所述进水口7与所述出水口8通过所述管道9连通；所述喷水泵16内部设置有叶轮10，所述叶轮10与所述第二电动机6之间通过所述传动轴11连接，由所述第二电动机6带动所述叶轮10旋转，从而将水从所述进水口7吸入，经过所述柔性仿生尾鳍中心的流道3，从所述出水口8向后排出，进而产生前进动力，并利用所述尾鳍1摆动作为舵调节方向。
上述方案中，所述叶轮10与所述电机6之间的所述传动轴11穿过所述管道9，贯穿处进一步通过一动密封构件12进行密封，防止所述管道9中的水进入舱体内部。
上述方案中，所述一体化控制系统包括传感器13和控制器14，其中：所述传感器13用于实时感知流场信息并传输给所述控制器14；所述控制器14采用反馈控制，用于根据所述传感器13感知和处理后的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。
上述方案中，在低速推进时，不开启所述喷水推进系统，即不启动所述第二电动机6，仅启动所述第一电动机5，通过所述传动机构4带动所述刚性圆管2往复摆动，进而带动包覆在所述刚性圆管2外的所述尾鳍1往复摆动。所述控制器14根据预设的任务信息以及所述传感器13采集的流场信息改变所述第一电动机5的转速和转向，借助所述传动机构4，调整所述刚性圆管2及所述尾鳍1的摆动频率和角度，实现变速和变向功能。
上述方案中，在高速推进时，开启所述喷水推进系统，同时启动所述第一电动机5和所述第二电动机6；所述第二电动机6在所述控制器14的控制下通过所述传动轴11带动所述喷水泵16内部的叶轮10转动，将水从所述进水口7吸入，流经所述管道9，通过叶轮10进入所述刚性圆管2中心的流道3，最终通过所述尾鳍1的出水口8排出，利用喷水的反作用力作为推进动力；在所述第二电动机6工作的同时，保持所述第一电动机5同步工作，借助所述传动机构4，调整所述刚性圆管2及所述尾鳍1的摆动角度，并根据回转需求转动至某一角度后固定，作为舵使用，实现推进方向的改变。所述第二电动机6在所述控制器14的控制下还用于改变所述叶轮10的转动速度，从而改变复合式推进器的推进速度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器与现有技术相比，结构设置合理、功能性强，主要具有以下的有益效果：
1、本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，通过将柔性仿生尾鳍与喷水推进系统进行一体化设计，柔性仿生尾鳍能够与喷水推进配合工作，作为喷水推进系统的出水口和舵使用，同时实现快速性和回转性，减少高速航行时因空化产生的噪声。
2、本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，通过将柔性仿生尾鳍与喷水推进系统进行一体化设计，兼顾了仿生尾鳍推进和喷水推进的技术优势，使其兼具声隐蔽性和快速性，可应用于各类在水下和水面往复机动的跨介质航行器等，具有广泛的应用场景。
3、本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，柔性仿生尾鳍也可以独立工作，在不需要超高航速时可以不开启喷水推进，仅通过尾鳍摆动产生前进动力。
4、本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，柔性仿生尾鳍采用柔性材料，大大提升了推进效率，特别是在低速航行时，同时也可提升声隐蔽性。
5、本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，一体化控制系统采用反馈控制，配备传感器实时感知流场信息，可以根据感知和处理后的信息进行反馈，合理切换复合式推进器的推进模式及匹配速度。
附图说明
本公开的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的整体结构示意图；
图2为依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的侧向透视图；
图3为依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的控制原理图。
附图标记：1为尾鳍，2为刚性圆管、3为流道、4为传动机构、5为第一电动机、6为第二电动机、7为进水口、8为出水口、9为管道、10为叶轮、11为传动轴、12为动密封构件、13为传感器、14为控制器、15为尾部收缩段，16为喷水泵。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参照图1和图2所示，图1为依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的整体结构示意图，图2为依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的侧向透视图。本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，包括柔性仿生尾鳍、喷水推进系统和一体化控制系统。其中，所述柔性仿生尾鳍与所述喷水推进系统采用一体化设计，所述柔性仿生尾鳍作为所述喷水推进系统的出水口和舵，同时实现快速移动和高效回转。所述一体化控制系统，用于综合处理任务信息和传感器感知的流场信息，并根据综合处理任务信息和传感器感知的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。在本公开实施例中，在不需要高速航行时，所述柔性仿生尾鳍通过摆动单独为航行器提供推进动力，减少了噪声，提高了声隐蔽性能。
请参照图1和图2，所述柔性仿生尾鳍包括尾鳍1、刚性圆管2、流道3、传动机构4和第一电动机5，其中：所述尾鳍1采用柔性材料，承接于所述刚性圆管2的后方，所述尾鳍1的中心设置所述流道3，且所述流道3与所述刚性圆管2连通，以供水流通过；所述刚性圆管2通过所述传动机构4与所述第一电动机5相连接，所述刚性圆管2在所述第一电动机5的带动下使所述尾鳍1往复摆动，所述尾鳍1通过往复摆动单独为航行器提供推进动力以及控制方向。
在本公开实施例中，所述柔性仿生尾鳍还包括尾部收缩段15，该尾部收缩段15采用柔性材料与所述尾鳍1相连接，但不会限制所述尾鳍1的摆动。
请参照图1和图2，所述喷水推进系统包括第二电动机6、进水口7、出水口8、管道9、传动轴11和喷水泵16，其中：所述进水口7在工作时保持浸没在水中，所述出水口8设置于所述尾鳍1中心的末端，所述进水口7与所述出水口8通过所述管道9连通；所述喷水泵16内部设置有叶轮10，所述叶轮10与所述第二电动机6之间通过所述传动轴11连接，由所述第二电动机6带动所述叶轮10旋转，从而将水从所述进水口7吸入，经过所述柔性仿生尾鳍中心的流道3，从所述出水口8向后排出，进而产生前进动力，并利用所述尾鳍1摆动作为舵调节方向。
在本公开实施例中，所述叶轮10与所述电机6之间的所述传动轴11穿过所述管道9，贯穿处进一步通过一动密封构件12进行密封，防止所述管道9中的水进入舱体内部。
请参照图1和图2，所述一体化控制系统包括传感器13和控制器14，其中：所述传感器13可以设置于复合式推进器的表面，用于实时感知流场信息并传输给所述控制器14；所述控制器14采用反馈控制，用于根据所述传感器13感知和处理后的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。
基于图1和图2所示的依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的结构示意图，图3示出了依照本公开实施例的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器的控制原理图。
如图3所示，在低速推进时，不开启所述喷水推进系统，即不启动所述第二电动机6，仅启动所述第一电动机5，通过所述传动机构4带动所述刚性圆管2往复摆动，进而带动包覆在所述刚性圆管2外的所述尾鳍1往复摆动。在本公开实施例中，所述控制器14根据预设的任务信息以及所述传感器13采集的流场信息改变所述第一电动机5的转速和转向，借助所述传动机构4，调整所述刚性圆管2及所述尾鳍1的摆动频率和角度，实现变速和变向功能。
如图3所示，在高速推进时，开启所述喷水推进系统，同时启动所述第一电动机5和所述第二电动机6；所述第二电动机6在所述控制器14的控制下通过所述传动轴11带动所述喷水泵16内部的叶轮10转动，将水从所述进水口7吸入，流经所述管道9，通过叶轮10进入所述刚性圆管2中心的流道3，最终通过所述尾鳍1的出水口8排出，利用喷水的反作用力作为推进动力。在所述第二电动机6工作的同时，保持所述第一电动机5同步工作，借助所述传动机构4，调整所述刚性圆管2及所述尾鳍1的摆动角度，并根据回转需求转动至某一角度后固定，作为舵使用，实现推进方向的改变。在本公开实施例中，所述第二电动机6在所述控制器14的控制下还用于改变所述叶轮10的转动速度，从而改变复合式推进器的推进速度。
进一步地，本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，柔性仿生尾鳍、喷水推进系统和一体化控制系统等各组成构件之间具备水密或防水性能。
根据本公开的实施例，本公开提供的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器与现有技术相比，通过将柔性仿生尾鳍与喷水推进系统进行一体化设计，结构设置合理、功能性强，兼顾了仿生尾鳍推进和喷水推进的技术优势，使其兼具声隐蔽性和快速性，可应用于各类在水下和水面往复机动的跨介质航行器等，具有广泛的应用场景。另外，柔性仿生尾鳍能够与喷水推进配合工作，作为喷水推进系统的出水口和舵使用，同时实现快速性和回转性，减少高速航行时因空化产生的噪声。柔性仿生尾鳍也可以独立工作，在不需要超高航速时可以不开启喷水推进，仅通过尾鳍摆动产生前进动力。柔性仿生尾鳍采用柔性材料，大大提升了推进效率，特别是在低速航行时，同时也可提升声隐蔽性。一体化控制系统采用反馈控制，配备传感器实时感知流场信息，可以根据感知和处理后的信息进行反馈，合理切换复合式推进器的推进模式及匹配速度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“某些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，该复合式推进器包括柔性仿生尾鳍、喷水推进系统和一体化控制系统，其中：
所述柔性仿生尾鳍与所述喷水推进系统采用一体化设计，所述柔性仿生尾鳍作为所述喷水推进系统的出水口和舵，同时实现快速移动和高效回转；
所述一体化控制系统，用于综合处理任务信息和传感器感知的流场信息，并根据综合处理任务信息和传感器感知的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。
2.根据权利要求1所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述柔性仿生尾鳍包括尾鳍(1)、刚性圆管(2)、流道(3)、传动机构(4)和第一电动机(5)，其中：
所述尾鳍(1)采用柔性材料，承接于所述刚性圆管(2)的后方，所述尾鳍(1)的中心设置所述流道(3)，且所述流道(3)与所述刚性圆管(2)连通，以供水流通过；
所述刚性圆管(2)通过所述传动机构(4)与所述第一电动机(5)相连接，所述刚性圆管(2)在所述第一电动机(5)的带动下使所述尾鳍(1)往复摆动，所述尾鳍(1)通过往复摆动单独为航行器提供推进动力以及控制方向。
3.根据权利要求2所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述柔性仿生尾鳍还包括尾部收缩段(15)，该尾部收缩段(15)采用柔性材料与所述尾鳍(1)相连接，但不会限制所述尾鳍(1)的摆动。
4.根据权利要求2所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述喷水推进系统包括第二电动机(6)、进水口(7)、出水口(8)、管道(9)、传动轴(11)和喷水泵(16)，其中：
所述进水口(7)在工作时保持浸没在水中，所述出水口(8)设置于所述尾鳍(1)中心的末端，所述进水口(7)与所述出水口(8)通过所述管道(9)连通；
所述喷水泵(16)内部设置有叶轮(10)，所述叶轮(10)与所述第二电动机(6)之间通过所述传动轴(11)连接，由所述第二电动机(6)带动所述叶轮(10)旋转，从而将水从所述进水口(7)吸入，经过所述柔性仿生尾鳍中心的流道(3)，从所述出水口(8)向后排出，进而产生前进动力，并利用所述尾鳍(1)摆动作为舵调节方向。
5.根据权利要求4所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述叶轮(10)与所述电机(6)之间的所述传动轴(11)穿过所述管道(9)，贯穿处进一步通过一动密封构件(12)进行密封，防止所述管道(9)中的水进入舱体内部。
6.根据权利要求4所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述一体化控制系统包括传感器(13)和控制器(14)，其中：
所述传感器(13)用于实时感知流场信息并传输给所述控制器(14)；
所述控制器(14)采用反馈控制，用于根据所述传感器(13)感知和处理后的流场信息进行反馈，切换复合式推进器的推进模式及匹配速度，增强自主化航行性能。
7.根据权利要求6所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，在低速推进时，不开启所述喷水推进系统，即不启动所述第二电动机(6)，仅启动所述第一电动机(5)，通过所述传动机构(4)带动所述刚性圆管(2)往复摆动，进而带动包覆在所述刚性圆管(2)外的所述尾鳍(1)往复摆动。
8.根据权利要求7所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述控制器(14)根据预设的任务信息以及所述传感器(13)采集的流场信息改变所述第一电动机(5)的转速和转向，借助所述传动机构(4)，调整所述刚性圆管(2)及所述尾鳍(1)的摆动频率和角度，实现变速和变向功能。
9.根据权利要求6所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，在高速推进时，开启所述喷水推进系统，同时启动所述第一电动机(5)和所述第二电动机(6)；
所述第二电动机(6)在所述控制器(14)的控制下通过所述传动轴(11)带动所述喷水泵(16)内部的叶轮(10)转动，将水从所述进水口(7)吸入，流经所述管道(9)，通过叶轮(10)进入所述刚性圆管(2)中心的流道(3)，最终通过所述尾鳍(1)的出水口(8)排出，利用喷水的反作用力作为推进动力；
在所述第二电动机(6)工作的同时，保持所述第一电动机(5)同步工作，借助所述传动机构(4)，调整所述刚性圆管(2)及所述尾鳍(1)的摆动角度，并根据回转需求转动至某一角度后固定，作为舵使用，实现推进方向的改变。
10.根据权利要求9所述的仿生尾鳍与喷水一体化的复合式推进器，其特征在于，所述第二电动机(6)在所述控制器(14)的控制下还用于改变所述叶轮(10)的转动速度，从而改变复合式推进器的推进速度。
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