CN117141691B - 一种带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，属于水下高速航行技术领域，包括：空泡发生单元、进水管、固体燃料段、预燃燃气通道、水反应燃烧室、第一控制阀、多个侧喷流姿态控制发动机及主发动机；所述进水管贯穿所述空泡发生单元延伸至所述水反应燃烧室；所述固体燃料段用于在点火后产生富燃燃气，所述燃气经所述预燃燃气通道进入所述水反应燃烧室；所述主发动机通过所述第一控制阀与所述水反应燃烧室连通；所述侧喷流姿态控制发动机沿所述主发动机周向均匀设置，用于通过产生燃气喷流提供垂直于航向方向的控制力。本发明能够满足高速水下航行体航行、姿态控制及机动航行条件下的稳定性需求。
Description
技术领域
本发明属于水下高速航行技术领域，更具体地，涉及一种带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体。
背景技术
水下高速航行体通过高速运动在其表面和周身形成空化层，航行过程中只有头部和尾部空泡消失点两处与水有接触，大幅减小航行阻力并提升航速。其原理是当航行体附近液体局部压力降低到一定程度时，在液体或航行体与液体交界面上，会形成蒸汽或气体的空穴，即空泡结构，有时会辅以人工通气或利用发动机排气的方式使空泡扩大到能包覆整个航行体的范围。
水下高速航行体此前主要以高速直航为主，为了使其具备在水下航行时的机动能力，目前采用的方案是使用水翼、尾舵之类的控制面(即舵面结构)或发动机矢量喷口之类的推力矢量系统。但是水翼、尾舵之类的舵面结构穿透空泡界面时容易对局部空泡结构产生较大干扰，进而难以控制舵面与水接触面积，使得难以获得稳定的控制力；而尾喷口摆动和排气方向变化易诱发航行体滚动和空泡结构失稳；并且，水翼、尾舵之类的舵面结构或者发动机矢量喷口之类的推力矢量系统还受高速航行体的航行速度、水下深度影响，更加难以获得稳定的控制力。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，其目的在于提升高速水下航行体航行及机动航行条件下姿态控制的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，包括：空泡发生单元、进水管、固体燃料段、预燃燃气通道、水反应燃烧室、第一控制阀、多个侧喷流姿态控制发动机及主发动机；
所述空泡发生单元用于产生包覆所述水下高速航行体的空泡结构，所述进水管贯穿所述空泡发生单元延伸至所述水反应燃烧室；所述固体燃料段用于在点火后产生富燃燃气，所述燃气经所述预燃燃气通道进入所述水反应燃烧室；
所述主发动机通过所述第一控制阀与所述水反应燃烧室连通，用于提供所述水下高速航行体航行的推力；所述侧喷流姿态控制发动机沿所述主发动机周向均匀设置，用于通过产生燃气喷流提供垂直于航向方向的控制力。
进一步地，所述侧喷流姿态控制发动机上设置有斜向尾流方向的斜切喷管；
所述斜切喷管用于通过收缩扩张通道后喷流，以获得与所述水下高速航行体轴向成预设角度的侧向姿态控制力。
进一步地，还包括第二控制阀；
所述水反应燃烧室通过所述第二控制阀与所述侧喷流姿态控制发动机连通。
进一步地，所述侧喷流姿态控制发动机沿所述主发动机周向均匀设置四个。
进一步地，还包括在所述主发动机周向均匀设置且不与所述水反应燃烧室连通的固体加速发动机。
进一步地，所述固体加速发动机与所述侧喷流姿态控制发动机在所述主发动机周向交替均匀设置。
进一步地，所述固体加速发动机有四个。
进一步地，还包括设置在所述水反应燃烧室中的钝体扰流片，用于将经所述进水管进入所述水反应燃烧室中的水和经所述预燃燃气通道进入所述水反应燃烧室的燃气混合。
进一步地，所述固体燃料段中设置有固体药柱燃面，所述固体药柱围绕所述进水管装填。
进一步地，所述空泡发生单元包括空化头和辅助空化碗；所述辅助空化碗同轴设置在所述空化头的后方，用于辅助所述空化头产生所述空泡结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，通过沿主发动机周向均匀设置侧喷流姿态控制发动机产生的高温高压燃气喷流，提供垂直于航向方向的控制力，而喷出的高温高压燃气流作用于空泡结构，进一步加大空泡结构的范围，而不存在刺破空泡结构的现象，因而，也不会不受水下高速航行体的航行速度、水下深度影响，用多个侧喷流姿态控制发动机喷流产生的力矩增量对航行体的机动及航行稳定进行姿态控制，能够获得更加稳定的控制力，且没有控制舵面及相应复杂作动机构。
(2)进一步地，通过沿斜向尾流方向在每个侧喷流姿态控制发动机上设置斜切喷管，斜切喷管沿着航行体和水的交界面斜向尾流方向喷流，斜切尾喷流方向与空化泡发展方向吻合，该斜切尾喷气流不会穿透空化泡结构，而是会进一步扩大空化泡结构，可以改善机动过程因航行攻角造成的航行体局部沾湿及空化泡流向偏移，以及尾流发展过程还有助于空化泡结构的后续发展及闭合，进一步提高了水下高速航行体的机动性及稳定性。
(3)进一步地，水反应燃烧室通过第二控制阀与侧喷流姿态控制发动机连通，通过水反应燃烧室内产生的高温高压燃气为侧喷流姿态控制发动机提供转向机动的控制力，如此，主发动机与侧喷流姿态控制发动机共用一个水反应燃烧室，在获得合适侧向控制力的同时，不会造成航行体流向推动力的大幅增强或衰减，进一步提升控制的稳定性。
(4)进一步地，本发明的水下高速航行体还包括在主发动机周向均匀设置的固体加速发动机，固体加速发动机不与水反应燃烧室连通，可以在水下高速航行体自载具释放后，提供高速航行体初始加速推动力的动力，或者在特定任务需求下配合主发动机同时工作，满足高速航行体加速追及或紧急避让条件下的大推进力需求。
(5)作为优选，固体加速发动机与侧喷流姿态控制发动机在主发动机周向交替均匀设置，可以提升水下高速航行体的紧凑性。
(6)进一步地，本发明的水下高速航行体还包括用于扰流增强的钝体扰流片，使进入水反应燃烧室的作为氧化剂的水和富燃燃气进行充分混合，提升水和和富燃燃气发生反应产生高温高压气体的量。
(7)作为优选，固体燃料段中的固体燃料药柱围绕进水管装填，可以进一步提升水下高速航行体的紧凑性。
(8)作为优选，空泡发生单元包括同轴设置的空化头和辅助空化碗，水下高速航行体在航行时，空化头和水直接接触，辅助空化碗用于辅助空化，利用航行后方回流区产生低压区，压力低于水的饱和压力时，水汽化产生大量的气泡，最后直至发展成包覆整个航行体的空泡结构。
总而言之，本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，通过适时控制侧喷流姿态控制发动机的介入与退出，用侧喷流的方式代替水翼、尾舵之类的控制面或者喷口的摆动的方式，为水下高速航行体提供短时机动规避能力，同时不影响航行体稳定性。
附图说明
图1为本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体的整体结构示意图。
图2为本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体的侧视图。
图3为本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体的A剖视图。
图4为本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体的B局部剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-空化头，2-辅助空化碗，3-进水管，4-固体燃料段，5-预燃燃气通道，6-钝体扰流片，7-水反应燃烧室，8-控制阀，9-侧喷流姿态控制发动机，10-斜切喷管，11-固体加速发动机，12-主发动机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1-图4所示，本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，主要包括：空泡发生单元、进水管3、固体燃料段4、预燃燃气通道5、钝体扰流片6、水反应燃烧室7、第一控制阀、多个侧喷流姿态控制发动机9及主发动机12；
空泡发生单元用于产生包覆整个航行体的空泡结构，进水管3贯穿空泡发生单元延伸至水反应燃烧室7；其中，进水管3用于自空泡发生单元的前方引入高总压水进入水反应燃烧室7；
固体燃料段4用于在点火后产生富燃带活性金属粉末的燃气，该燃气经预燃燃气通道5从水反应燃烧室7一端进入从水反应燃烧室7；
钝体扰流片6设置在水反应燃烧室7中，用于将通过进水管3进入水反应燃烧室7中的水和通过预燃燃气通道5进入水反应燃烧室7的富燃燃气混合；
水反应燃烧室7另一端通过第一控制阀与主发动机12连通，侧喷流姿态控制发动机9沿主发动机12周向均匀设置；其中，侧喷流姿态控制发动机9用于通过产生高温高压燃气喷流提供垂直于航向方向的控制力，多个侧喷流姿态控制发动机9提供的控制力的合力用于对航行体的机动及航行稳定进行姿态控制。
本发明实施例中，空泡发生单元包括同轴设置的空化头1和辅助空化碗2，辅助空化碗2同轴设置在空化头1的后方；进水管3贯穿空化头1和辅助空化碗2延伸至水反应燃烧室7。水下高速航行体在航行时，空化头1和水直接接触，辅助空化碗2用于辅助空化，利用航行后方回流区产生低压区，空化头1和辅助空化碗2的后方形成低压区，压力低于水的饱和压力时，水汽化产生大量的气泡，最后直至发展成包覆整个航行体的空泡结构。
固体燃料段4类似固体火箭发动机装药，在固体燃料段4中设置固体药柱燃面。在本发明实施例中，固体燃料段4围绕进水管3设置，且不与进水管3连通，在固体燃料段中设置有一圈环形固体药柱燃面，也即，固体燃料药柱围绕进水管装填，固体药柱燃面预燃烧产生的富燃带活性金属粉末的燃气经预燃燃气通道5进入水反应燃烧室7的一端进入水反应燃烧室7中。在本发明实施例中，水反应燃烧室7的一端环缝进口连接预燃燃气通道5。
通过进水管3的水也经水反应燃烧室7的一端进入水反应燃烧室7中，进入水反应燃烧室7中的水作为氧化剂，与进入水反应燃烧室7的富燃带活性金属粉末的燃气进行二次燃烧产生高温高压燃气；其中，通过钝体扰流片6可以提升水和富燃带活性金属粉末的燃气的充分混合，提升二次燃烧产生的高温高压燃气量；富燃带活性金属粉末包括但是不限于镁、铝等活性金属粉末，燃燃气中的镁、铝等活性金属粉末以水为氧化剂进行二次燃烧反应放出大量的热，同时产生大量的高温高压气体。
水反应燃烧室7的另一端通过第一控制阀与主发动机12连通，当第一控制阀打开后，水反应燃烧室7内的高温高压燃气为主发动机12提供巡航的主要推力。主发动机主要用于在水下高速航行体加速及高速巡航阶段提供推力的动力输出；主发动机可以在初期加速阶段由第一控制阀和主发动机尾喷口间的固体药柱燃烧后自尾喷口高速喷出产生推力，主发动机内固体药柱完全燃烧后第一控制阀打开，切换到由水反应燃烧室产生的高温高压燃气自主发动机喷出后产生航行体所需的主要推进力。
设置在主发动机12周向的侧喷流姿态控制发动机9用于提供航行体转向机动的控制力。侧喷流姿态控制发动机9可由独立控制的固体药燃烧产生的高温高压燃气或从水反应燃烧室分流的燃气经喷流后获得所需垂直于航向方向的控制力。
作为优选，侧喷流姿态控制发动机9为四个，沿主发动机12周向均匀设置，四个侧喷流姿态控制发动机9分别产生四个垂直于航向方向的控制力，通过控制进入四个侧喷流姿态控制发动机9的高压气体流量，进而获得满足所需方向及大小的控制力的组合，以对航行体的机动及航行稳定进行姿态控制。
作为优选，本发明实施例中，侧喷流姿态控制发动机9从水反应燃烧室分流的燃气经喷流后获得所需垂直于航向方向的控制力，具体地，水反应燃烧室7还通过第二控制阀与侧喷流姿态控制发动机9连通，通过水反应燃烧室7内产生的高温高压燃气为侧喷流姿态控制发动机9提供转向机动的控制力，通过第二控制阀来控制周向侧喷流姿态控制发动机9的燃气流量。并且，此时，主发动机12与侧喷流姿态控制发动机9共用一个水反应燃烧室7，在获得合适侧向控制力的同时，不会造成航行体流向推动力的大幅增强或衰减，进一步提升控制的稳定性。在本发明实施例中，第一控制阀和第二控制阀统称为控制阀8，控制阀8同时用于控制进入主发动机12与侧喷流姿态控制发动机9的燃气流量。
进一步地，本发明实施例中，每个侧喷流姿态控制发动机9上设置有斜向尾流方向的斜切喷管10，通过收缩扩张通道后喷出获得与航行体轴向成一定角度的侧向控制力，通过斜切喷管沿着航行体和水的交界面斜向尾流方向喷流，斜切尾喷流方向与空化泡发展方向吻合，该斜切尾喷气流不会穿透空化泡结构，而是会进一步扩大空化泡结构，可以改善机动过程因航行攻角造成的航行体局部沾湿及空化泡流向偏移，以及尾流发展过程还有助于空化泡结构的后续发展及闭合，进一步提高了水下高速航行体的机动性及稳定性。
进一步地，本发明实施例中的水下高速航行体还包括固体加速发动机11，固体加速发动机11不与水反应燃烧室连通，固体加速发动机11在主发动机12的周向均匀设置，作为优选，固体加速发动机11与侧喷流姿态控制发动机9在主发动机12周向交替均匀设置。固体加速发动机11中装有固体药柱，可以在水下高速航行体自载具释放后，主发动机未点火工作的情况下(或者与主发动机配合)，提供高速航行体初始加速推动力的动力；也可以在特定任务需求下配合主发动机同时工作，满足高速航行体加速追及或紧急避让条件下的大推进力需求。
基于上述的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，本发明实施例中的一种工作方式为：
水下高速航行体自载具以初速度释放后，固体加速发动机11和主发动机12点火启动，在水下高速航行体加速到空化泡成型后固体加速发动机11停止工作；
高总压水自空化头1中心位置的进水管3进入水反应燃烧室7，固体燃料段4点火预燃烧后形成的富燃气固两相燃气自预燃燃气通道5进入水反应燃烧室7中，经钝体扰流片6扰流增强后，与进入水反应燃烧室7中的水进行高效混合，预燃燃气中的活性金属等组分以水为氧化剂发生反应产生大量高温高压气体；第一控制阀打开后高温高压气体从主发动机12尾喷口排出产生推力维持水下高速航行体的持续航行；
水下高速航行体进行机动过程中，第二控制阀打开，高温高压气体进入侧喷流姿态控制发动机9经过斜切喷管10收缩扩张通道后从斜切尾喷口排出，产生与航行体轴向成一定角度的四方向控制力，通过控制周向四个侧喷流姿态控制发动机9的燃气流量获得所需方向及大小的控制力组合，以满足航行体机动力及机动过程的稳定控制需求。
在其它实施例中，侧喷流姿态控制发动机9也可以是在水下高速航行体稳定行进过程中进行工作，不一定非要在水下高速航行体进行机动过程中才工作。而固体加速发动机可以与主发动机共同工作，加速水下高速航行体空泡结构的形成，或者特定工作状态下的避让或加速追及过程。
本发明的带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，通过沿主发动机周向均匀设置侧喷流姿态控制发动机产生的高温高压燃气喷流，提供垂直于航向方向的控制力，而喷出的高温高压燃气流作用于空泡结构，进一步加大空泡结构的范围，而不存在刺破空泡结构的现象，因而，也不会不受水下高速航行体的航行速度、水下深度影响，用多个侧喷流姿态控制发动机喷流产生的力矩增量对航行体的机动及航行稳定进行姿态控制，能够获得稳定的控制力，且没有控制舵面及相应复杂作动机构。
本发明可以满足高速水下航行体航行、姿态控制及机动航行条件下的稳定性需求，减少控制舵面及相应复杂作动机构设置，改善机动过程因航行角度造成的航行体局部沾湿及空化泡流向偏移，获得合适侧向控制力的同时，不至于造成航行体流向推动力的大幅增强或衰减。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种带侧喷流姿态控制发动机的水下高速航行体，其特征在于，包括：空泡发生单元、进水管(3)、固体燃料段(4)、预燃燃气通道(5)、水反应燃烧室(7)、第一控制阀、多个侧喷流姿态控制发动机(9)及主发动机(12)；
所述空泡发生单元用于产生包覆所述水下高速航行体的空泡结构，所述进水管(3)贯穿所述空泡发生单元延伸至所述水反应燃烧室(7)；所述固体燃料段(4)用于在点火后产生富燃燃气，所述燃气经所述预燃燃气通道(5)进入所述水反应燃烧室(7)；
所述主发动机(12)通过所述第一控制阀与所述水反应燃烧室(7)连通，用于提供所述水下高速航行体航行的推力；所述侧喷流姿态控制发动机(9)沿所述主发动机(12)周向均匀设置，用于通过产生燃气喷流提供垂直于航向方向的控制力；
所述侧喷流姿态控制发动机(9)上设置有斜向尾流方向的斜切喷管(10)；
所述斜切喷管(10)用于通过收缩扩张通道后喷流，以获得与所述水下高速航行体轴向成预设角度的侧向姿态控制力；
还包括第二控制阀；
所述水反应燃烧室(7)通过所述第二控制阀与所述侧喷流姿态控制发动机(9)连通。
2.根据权利要求1所述的水下高速航行体，其特征在于，所述侧喷流姿态控制发动机(9)沿所述主发动机(12)周向均匀设置四个。
3.根据权利要求1所述的水下高速航行体，其特征在于，还包括在所述主发动机(12)周向均匀设置且不与所述水反应燃烧室(7)连通的固体加速发动机(11)。
4.根据权利要求3所述的水下高速航行体，其特征在于，所述固体加速发动机(11)与所述侧喷流姿态控制发动机(9)在所述主发动机(12)周向交替均匀设置。
5.根据权利要求3或4所述的水下高速航行体，其特征在于，所述固体加速发动机(11)有四个。
6.根据权利要求1所述的水下高速航行体，其特征在于，还包括设置在所述水反应燃烧室(7)中的钝体扰流片(6)，用于将经所述进水管(3)进入所述水反应燃烧室(7)中的水和经所述预燃燃气通道(5)进入所述水反应燃烧室(7)的燃气混合。
7.根据权利要求1所述的水下高速航行体，其特征在于，所述固体燃料段(4)中设置有固体药柱燃面，所述固体药柱围绕所述进水管(3)装填。
8.根据权利要求1所述的水下高速航行体，其特征在于，所述空泡发生单元包括空化头(1)和辅助空化碗(2)；所述辅助空化碗(2)同轴设置在所述空化头(1)的后方，用于辅助所述空化头(1)产生所述空泡结构。
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