CN1453183A - 航具的电磁流边界层推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航具的电磁流边界层推进系统，包括：航具以及电磁极控制部件；其特点是还包括：若干电极，该电极设置在航具壳体上且与航具壳体绝缘连接；位于航具壳体外表面上的电极从航具壳体前部延伸至后部呈条状分布，并形成相互并行的若干行；若干磁极，该磁极设置在相邻的电极行之间，它们间隔设置并行排列，呈阵列分布；所述的电极和磁极可与设置在航具内的电磁极控制部件连接，在航具外表行面形成受控强电磁场；通过使用本发明提出的电磁场来推动船体外表面的边界层流以减低船体的摩擦阻力并提供部分或全部的航行推力，可以在现有船舶没有增加引擎输出功率，使船体变得更窄或减少有效负载的情况下大幅度地提高航速，因此极为实用。

Description

航具的电磁流边界层推进系统

技术领域

本发明涉及一种航具的电磁流边界层推进技术，尤其涉及一种可提高航具的航行速度，改进航具推进方式和流体推进方式的电磁流边界推进系统。

背景技术

在流体(水和空气)中运动的航具必须克服摩擦阻力，尤其是在高速航行的时候。由于水的磨擦阻力，波浪阻力和涡流阻力，绝大部分的船舶的航行速度都较陆地及空中交通工具的低，提高目前那些使用螺旋浆或喷射推进等技术的船舶航速是人类千百年来梦昧以求的目标。

现在，已有许多方案可以用于提高船舶的航速，诸如采用狭窄的船舶壳体，利用水翼或气垫使船舶壳体部份或整体脱离水面皆是现在常见的办法。然而，这些方案都具有它们非常不利的一面，显着减少船舶的有效载重(导致狭窄的船体)和有效推力，而船舶的经济航速仍然十分有限。举例而言，目前绝大部分船舶的航速在20~30节(时速37~56公里)左右。即使是极度渴望高速航行的战舰，也只有40节(时速74公里)左右的速度。以潜艇为例，它们的经济航速只有25节(时速46.3公里)。若以陆地车辆而论，它们的经济时速在50~150公里左右。相比之下，水中船舶速度之低显而易见。

目前绝大部份船只使用螺旋浆向后排斥水流以抵消阻力并获得向前的动量。使用螺旋浆推进的船只必须克服由于船体外表面与水体接触而产生的粘阻摩擦力(动态和静态)，以及波浪和涡流阻力。因此，与那些仅须克服滚动摩擦或空气阻力的陆地和空中航具相比，绝大部分船舶的航速和引擎推动力之利用效率都很低。潜艇则是一个特例，其船体速度和转向完全受控于船体表面的水流状态，涡流阻力被减到了最小，除了少量的类似飞机所受的涡流阻力以外，潜艇航行的阻力基本来自摩擦阻力。

在特殊情况下，例如具有强大动力的驱逐舰，可以超出这个上述经济航速，但是通常得过分消耗能源。事实上，为了获得更高的航速，很多船舶依靠水翼把船体托出水面以减少船体外壁与水体之间的摩擦阻力，其结果是船舶的有效负载显着减少。

目前减少阻力最成功的方法基本上局限于是减少波浪阻力。虽然某些研究提出了减少船体与水体之间边界层阻力的方法，但是很少有证据显示这些诸如边界层水流控制，采用合成船体表面或其它方法的实际应用。

中国专利CN85105602A提出以序列喷嘴在船体外表面进行边界层喷射，从而以这层介于船舶壳体和水体之间的快速移动的边界层射流来减少摩擦阻力并产生推力。这种推进方式需要一个很大的吸水口/水泵或大量的小入水口/水泵，因而要求极其复杂的船体内部管道或外部喷射系统，并且占据大量原本可以用于船员和货物的有效空间，船体的结构也因此变得脆弱。使船舶壳体外表面布满喷嘴的设想事实上难以被付诸实施，其造价将非常昂贵，且系统难以控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有船舶、航具在航行速度慢，航行推进装置动力利用率低的缺点，而提出一种结构简单，静音，无污染，推进效率高，不需用机械执行部件的航具电磁流边界层推进系统，它可直接应用于改造、建造现有船具、工具，从而可以通过电磁场来推动船体外表面的边界层流以减低船体的摩擦阻力并提供部分或全部的航行推力，从而使现有船舶在没有增加引擎输出功率，而使船体变得更窄或减少有效负载的情况下大幅度地提高航速。

本发明的目的是这实现的：

一种航具的电磁流边界层推进系统，包括：航具以及电磁极控制部件；其特点是于还包括：

若干电极，该电极设置在航具壳体上且与航具壳体绝缘连接；位于航具壳体外表面上的电极从航具壳体前部延伸至后部呈条状分布，并形成相互并行的若干行；

若干磁极，该磁极设置在相邻的电极行之间，它们间隔设置并行排列，呈阵列分布；

所述的电极和磁极可与设置在航具内的电磁极控制部件连接，在航具外表行面形成受控强电磁场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的电极设置在船舶壳体上且与船舶壳体外表面绝缘连接，位于船舶壳体外表面上的电极从船头延伸至船尾呈条状分布，并相互并行排列多行；在相邻的电极行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极，且呈阵列分布；电极与设置在船舶壳体内的电磁极控制部件连接，在船舶壳体外表面形成受控强电磁场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的电极设置在鱼雷/潜艇壳体上与鱼雷/潜艇壳体外表面绝缘连接；位于鱼雷/潜艇壳体外表面上的电极从鱼雷/潜艇壳体头部延伸至鱼雷/潜艇壳体的尾部呈条状分布，并相互平行排列多行；在相邻的电极行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极，且呈阵列分布；电极与设置在鱼雷/潜艇壳体内的电磁极控制部件连接，在鱼雷/潜艇壳体外表面形成受控强电磁场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的电极设置在航具壳体上且与航具壳体外表面绝缘连接；位于航具壳体外表面上的电极从航具顶部延伸至航具周边纵向呈发散/放射状分布；在相邻的电极行列之间，间隔设置有纵向排列的若干个磁极；电极与设置在航具壳体内的电磁极控制部件连接，在航具壳体外表面形成受控强电磁场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的电极设置在航具局部壳体位置上且与航具壳体外表面绝缘连接；位于航具局部壳体外表面上的电极呈条状分布，并相互平行排列多行；在相邻的电极行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极，且呈阵列分布；电极与设置在航具内的电磁极控制部件连接，在航具局部外表行面形成受控强电磁场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的单个电极可由一个电极或若干个电极成组构成；所述的单个磁极可由一个或若干个小磁极成组/束构成。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的电极与设置在航具内的电磁极控制部件连接，并由电磁极控制部件调控电极的电流强度和方向，磁极产生的磁场强度和方向及电磁场性能参数。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的单个条状电极可以分段连接，电极可单独受控或整体联动受控，船体表面形成整体、局部、纵向、很受控电场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的磁极可单独受控或整体联动受控，船体外表面形成局部、整体受控磁场。

在上述的航具的电磁流边界层推进系统中，其中，所述的电磁场设为脉冲式或连续式。

本发明航具的电磁流边界层推进系统，由于采用上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明在船具或航具上设置有电磁流边界层推进系统，利用航具载体，如水的导电性和航具外表面的受控强电磁场来产生高速滑移的边界层，即电磁流边界层推进。

2、本发明由于电磁流边界层推进过程中，电流的载体是具有导电性的水分/离子、导电离子、气体或等离子体等任何导电流体。磁场是(强)磁铁/极提供，而电场则由电极产生。由于电极仅有很少的部分露出于水体之中，当电极加入电压的时候，水体就会在船体外表面形成一层很薄的导电边界层，这个带电边界层在磁场的作用下快速移动，从而产生减阻滑移的边界层推进力。

3、本发明由于使用以阵列式排列的(电)磁极和电极来实现边界层水流的推进的方案，因此具有结构简单和不使用机械移动部件的优点，并且易于工程实用，它可以直接用于改造鱼雷，潜艇或其他中、小型船舶。

4、本发明由于不需要大的吸水口/水泵和许多小螺旋桨/水泵，因此，船舶即可以保持它的完整结构，并且又可以进行极其有效的边界层减阻推进；此外，还具有电磁流推进技术所固有的静音和无污染的特点，使其在军事和环保上具有特殊的优势。

附图说明

图1是依据本发明提出的航具的电磁流边界层推进系统的电磁流推进原理图；

图2是本发明航具的电磁流边界层推进系统第一实施例在船舶中的应用结构示意图；

图3是本发明航具的电磁流边界层推进系统中矩阵控制结构示意图；

图4是本发明航具的电磁流边界层推进系统第二实施例在鱼雷中的应用外观示意图；

图5是本发明航具的电磁流边界层推进系统第二实施例在鱼雷中的部分电磁极分布示意图；

图6是本发明航具的电磁流边界层推进系统第二实施例在鱼雷中的应用透视示意图；

图7是本发明航具的电磁流边界层推进系统第三实施例在碟形航具中的应用结构示意图。

具体实施方式

本发明在船具或航具上设置有电磁流边界层推进系统是利用流体的导电性、电磁场来产生高速流动的边界层，即电磁流边界层推进，利用电磁场来使流体产生运动。

电磁流动力(F)以如下公式表达，

F＝qvXB                                                (1)

公式(1)表示电磁流推力F(亦可称为洛仑兹力)等于电流(电量q与电子运动速度v的乘积)与磁场强度(B)的乘积并且其方向垂直于电流和磁场的方向(遵守左手则)。

上述公式亦可表达为

F＝IXB                                                 (2)

公式(2)表示电磁流推力F(亦可称为洛仑兹力)等于电流强度(I)与磁场强度(B)的乘积并且其方向垂直于电流和磁场的方向(遵守左手则)。

请参见图1，在实际的电磁流边界层推进过程中，电流的载体是具有导电性的水分(离)子。磁场是(强)磁极提供，而电场则由电极产生。由于电极仅有很少的部分露出于水体之中，当电极加入电压的时候，水体就会在船体外表面相邻电极之间形成一层很薄的导电边界层。因为这层很薄的导电水流层同时处于由磁极形成的强磁场之中，洛沦兹力(F电磁流推进力)就会促使这个带电边界层水流快速移动，从而产生减阻滑移的边界层推进力(见公式1和2)。

请参见图2，是本发明的第一实施例，即电磁流边界层推进系统在船舶中的应用，船舶的电磁流边界层推进系统包括：船体的外壳4、以及设置在船体内的电磁极控制部件、负载船舶的导电流体河水或海水5、若干个电极1、若干个磁极2；电极1设置在船舶壳体4上且与船舶壳体4外表面绝缘连接，位于船舶壳体4外表面上的电极1从船头延伸至船尾呈条状分布，并相互并行排列多行；在相邻的电极1行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极2，且呈阵列分布；电极1与设置在船舶壳体4内的电磁极控制部件连接，在船舶壳体4外表面形成受控强电磁场。

船舶壳体4的外壳隔绝船外的水体5与船内的结构，船体4外表面形成强磁场。磁极/铁2设为可以防水，这些磁极/铁2既可直接安装在船体4的外表面下也可暴露于水体5。电极1与导电船体4外表面之间是绝缘的(黑色表示正极而白色表示负极，在实际应用中可随机调整极性)。船舶壳体4外表面附近薄边界层水流在此电磁场作用下的运动方向，即电磁流边界层推力的方向3。

在电磁流边界层推进系统工作过程中，由于紧贴船舶壳体外表面的薄水壁是最短的电流通道，处于船舶壳体外表面的电极1将会使这个边界层水流导电。当这个薄的水层成为电流载体，在船舶壳体外表面强磁场的作用下，这个薄边界层水流就会疾速从船首滑向船尾，这个运动机制就实现了电磁流边界层推进的高效减阻推进。

呈矩阵分布的电磁场能对船舶壳体外表面边界层流体进行局部或全部的边界层彻底控制。这个矩阵系统的优点是船舶壳体外表面边界层水流可以被航行控制电脑及电磁极控制部件根据需求和水文情况进行方向，强度和区域的优化协调控制。举例而言，船舶壳体左右侧的边界层水流可以被彼此逆反推进，这样，船舶的原地或急转弯即可实现；电磁流边界层推进系统令船舶具有高度的机动性，例如可以使船只转弯灵活而易于停靠码头/港口。

在实际应用中，电极可以制作得非常薄而窄并紧贴船体外表面，而磁极/铁最好是采用大磁极表面和具有强磁性以获得强大推力，而电磁铁更便于自动控制。实际电磁极的技术参数则取决于水文环境和技术要求。本发明由于边界层推进可以显着减少水体于船壁的摩擦阻力，使用边界层喷射推进的航具可以显显着提高航速。

请参见图3所示，电极1、磁极2、其中磁极2的北极(N)21用白色表示，而南极(S)22用灰色表示，3即是在电极1和磁极2作用下，船舶壳体4外表面边界层水体5的运动方向。部分的，间歇的，不对称的或是不均匀电磁流边界层推进均可以由对部分或全部电极1或磁极2的控制而实现。

进一步而言，电磁流边界层推进可以被更灵活地优化运用，电场和磁场可以以矩阵形式分布，方形的板表示部分船舶壳体的表面俯视图(图2)。船舶壳体的下面是呈矩阵分布的磁极以在船舶壳体部分或全部外表面产生强磁场；如果这些磁极可以用电流来单独或联动控制，磁性的分布就可以变化多端以适合不同边界层推进的需要，。

比如图3所给的这个例子，在船舶壳体外表面，并行分布的带/线电极亦可在船舶壳体的局部或整体外表面形成强大电场。这些电极亦可以分段，单条或联动控制以实行优化控制。当船舶壳体的外表面建立了受控的强电磁场后，电磁流推进的方向可以被随意选择，例如图3所给的负Y轴边界层水流运动方向。这样，边界层水流既可以沿船舶壳体的纵向(船头至船尾)，也可以沿船体的横向(左侧或右侧)由受控电磁场产生。另外，这个边界层水流的速度和强度亦可由这个受控电磁场控制并产生间歇或连续的边界层运动。除此以外，电磁流边界层推进的强度和方向亦可以由调整电极1暴露于水体的厚度和极性来控制。在船舶推进中，电磁流边界层推进技术可以实现船舶极度灵活的运动方式。例如，船体的原地转向可以由船体左右侧边界层的水流彼此逆向推进而实现，而船舶的倒退则可以由简单地交换电磁极的极性来实现。如果所有的磁极2和电极1都实行单独，分段/组或联动控制，那幺任何状态的船舶壳体部分或全部表面的边界层流状态都可以实现。这样，控制电磁极的电脑就可以对船舶壳体全部外表面边界层水流的状态进行彻底的控制，比如针对不同环境水体的导电性，水流状态或温度等条件加以优化调整。

请参见图4，图5、图6，是本发明的第二实施例，电磁流边界层推进系统在鱼雷6中应用，鱼雷6的电磁流边界层推进系统包括：鱼雷6以及电磁极控制部件、电极1、磁极2，电极1设置在鱼雷壳体6上与鱼雷壳体6外表面绝缘连接；位于鱼雷壳体6外表面上的电极1从鱼雷/潜艇壳体6头部延伸至鱼雷壳体6的尾部呈条状分布，并相互平行排列多行；在相邻的电极1行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极2，且呈阵列分布；电极1与设置在鱼雷/潜艇壳体6内的电磁极控制部件连接，在鱼雷/潜艇壳体6外表面形成受控强电磁场。

在这个设置有电磁流边界层推进系统的鱼雷中，电极1沿鱼雷体6的纵向分布，且并行排列在外表面。在相邻的电极1之间，磁极2也与电极1平行排列并且在鱼雷体6外表面形成强磁场，处于鱼雷体6外表面的边界层水流就会因电磁场作而用向尾部喷射。因为只有鱼雷6外表面附近很薄的边界层水流被电磁场作用而产生推力，从而使鱼雷体6与停滞的水体相对隔绝，所以电磁流边界层推进减阻效果良好并且能对动力利用更充分。

请参见图7，是本发明的第三实施例，电磁流边界层推进系统在碟形航具中应用。电磁流边界层推进技术适用于任何形状的壳体，采用电磁流推进技术的还适合于具有大内部空间的球状，碟状或椭球状的航具。由于高速航空，航天器在大气层内运行过程中会形成高温等离子导电流体，此项电磁流边界层推进技术亦可被用于航具外表的降温或减阻。

图7中，电极1设置在航具壳体7上且与航具壳体7外表面绝缘连接；位于航具壳体7外表面上的电极1从航具7顶部71延伸至航具周边纵向呈发散/放射状分布；在相邻的电极1行列之间，间隔设置有纵向排列的若干个磁极2；电极1与设置在航具壳体7内的电磁极控制部件连接，在航具壳体7外表面形成受控强电磁场。在受控电磁场的作用下，促使碟形航具上升的边界层流体运动方向3。

本发明航具上的电磁流边界层推进系统，适用于任何需要以边界层推进的航具或工具，可以设为不同的结构和不同的控制方式被广泛应用于在流体中运动的航具：电极1可设置在航具局部壳体位置上且与航具壳体外表面绝缘连接；位于航具局部壳体外表面上的电极1呈条状分布，并相互平行排列多行；在相邻的电极1行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极2，且呈阵列分布；电极1与设置在航具内的电磁极控制部件连接，在航具局部外表行面形成受控强电磁场。

在上述的各实施例中，所述的单个电极1可由一个电极或若干个电极成组构成，所述的单个磁极2可由一个或若干个小磁极成组/束构成；所述的电极1与设置在航具内的电磁极控制部件连接，并由电磁极控制部件调控电极的电流强度和方向，磁极产生的磁场强度和方向及电磁场性能参数；而单个条状电极可以分段连接，电极可单独受控或整体联动受控，船体表面形成整体、局部、纵向、很受控电场；所述的磁极可单独受控或整体联动受控，船体外表面形成局部、整体受控磁场；并且，电磁场可设为脉冲式或连续式。

综上所述，航具上的电磁流边界层推进系统，可应用于如普通船舶，潜艇，鱼雷或航空航天器；在工业中，电磁流边界层推进技术适用于任何具有导电性流体(如气体/等离子流体/海水等)的近表层推进；通过使用本发明提出的电磁场来推动船体外表面的边界层流以减低船体的摩擦阻力并提供部分或全部的航行推力的电磁流边界层推进系统，可以在现有船舶没有增加引擎输出功率，使船体变得更窄或减少有效负载的情况下大幅度地提高航速，因此极为实用。

Claims (10)

1.一种航具的电磁流边界层推进系统，包括：航具以及电磁极控制部件；其特征在于还包括：

若干电极(1)，该电极(1)设置在航具壳体上且与航具壳体绝缘连接；位于航具壳体外表面上的电极(1)从航具壳体前部延伸至后部呈条状分布，并形成相互并行的若干行；

若干磁极(2)，该磁极(2)设置在相邻的电极行之间，它们间隔设置并行排列，呈阵列分布；

所述的电极(1)和磁极(2)可与设置在航具内的电磁极控制部件连接，在航具外表行面形成受控强电磁场。

2.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的电极(1)设置在船舶壳体(4)上且与船舶壳体(4)外表面绝缘连接，位于船舶壳体(4)外表面上的电极(1)从船头延伸至船尾呈条状分布，并相互并行排列多行；在相邻的电极(1)行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极(2)，且呈阵列分布；电极(1)与设置在船舶壳体(4)内的电磁极控制部件连接，在船舶壳体(4)外表面形成受控强电磁场。

3.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的电极(1)设置在鱼雷/潜艇壳体(6)上与鱼雷/潜艇壳体(6)外表面绝缘连接；位于鱼雷/潜艇壳体(6)外表面上的电极(1)从鱼雷/潜艇壳体(6)头部延伸至鱼雷/潜艇壳体(6)的尾部呈条状分布，并相互平行排列多行；在相邻的电极(1)行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极(2)，且呈阵列分布；电极(1)与设置在鱼雷/潜艇壳体(6)内的电磁极控制部件连接，在鱼雷/潜艇壳体(6)外表面形成受控强电磁场。

4.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的电极(1)设置在航具壳体(7)上且与航具壳体(7)外表面绝缘连接；位于航具壳体(7)外表面上的电极(1)从航具(7)顶部(71)延伸至航具周边纵向呈发散/放射状分布；在相邻的电极(1)行列之间，间隔设置有纵向排列的若干个磁极(2)；电极(1)与设置在航具壳体(7)内的电磁极控制部件连接，在航具壳体(7)外表面形成受控强电磁场。

5.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的电极(1)设置在航具局部壳体位置上且与航具壳体外表面绝缘连接；位于航具局部壳体外表面上的电极(1)呈条状分布，并相互平行排列多行；在相邻的电极(1)行之间，间隔设置有并行排列的若干个磁极(2)，且呈阵列分布；电极(1)与设置在航具内的电磁极控制部件连接，在航具局部外表行面形成受控强电磁场。

6.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的单个电极(1)可由一个电极或若干个电极成组构成；所述的单个磁极(2)可由一个或若干个小磁极成组/束构成。

7.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的电极(1)与设置在航具内的电磁极控制部件连接，并由电磁极控制部件调控电极的电流强度和方向，磁极产生的磁场强度和方向及电磁场性能参数。

8.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的单个条状电极(1)可以分段连接，电极可单独受控或整体联动受控，船体表面形成整体、局部、纵向、很受控电场。

9.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的磁极(2)可单独受控或整体联动受控，船体外表面形成局部、整体受控磁场。

10.根据权利要求1所述的航具的电磁流边界层推进系统，其特征在于：所述的电磁场设为脉冲式或连续式。

Images