CN85105602A - 减阻推进射流航具 - Google Patents

Abstract

减阻推进射流航具属于海、空、宇运输工具，目的在于减少阻力，提高航运速度和转向速度。其特征在于利用射流的附壁效应，在航具外表面加上一完整的表面射流层，改变流体绕流的物面边介条件，使绕流阻力消失；利用二相流原理或磁流体原理，消除射流阻力；表面射流层在航具尾部汇合，压力提高，使航具获得推力和升力。本发明可用于改造船、舰、潜艇，可制造能潜水、能航海、能航空、能航天、能悬停、能垂直起落、转弯灵活的高速运输工具。

Description

本发明属于水中潜行、水面航行、大气中飞行、能够悬停、能垂直起落、转弯灵活、可以航天的高速运输工具。

目前的航具在航行时由于流体绕流的物面边介条件为零，因而产生摩擦阻力损失和压差阻力损失。在大气中起声速飞行时产生激波波阻，高超声速航行时引起介质高温离解。由于阻力大，进一步提高航具速度十分困难。为了减阻，把航具制成细长形状，至使航具结构强度减弱，载物空间缩小。在空气中飞行时依靠机翼获得升力，更增加了航具尺度和重量，起落需要专用机场。转弯靠尾舵，转弯力小，转向不灵活。目前虽然在机翼尾端的上侧面使用了间接局部射流，但只用于补偿流体绕流的动量损失，减少涡流损失，远未发挥射流的减阻推进作用。

本发明的目的在于充分发挥射流的减阻推进作用，制造能够在水中高速潜行，在水面高速航行、在大气中高速飞行、能够悬停、能垂直起落、转弯灵活、可以航天的高速航具，并且改造现有船、舰、潜艇，使之减少阻力、提高速度、转弯灵活。

利用射流的附壁效应，把航具推进时产生的射流切向分布在航具外表面上，形成完整的表面射流层。把航具外表面设计成为对于表面射流层的迹线来说是向外凸出的形状，使得表面射流层延壁面运动时，动量方向不断改变，产生延流线主法线方向的压力梯度。其值等于压力梯度在流线主法向上的投影：

其中，ρ是射流密度，v是射流速度，R是射流迹线曲率半径，

是流线单位主法向量，其方向指向迹线弯曲的一方。在迹线主法向压力梯度的作用下，航具表面压力降低，对于不可压缩流体，当射流速度接近

$\mathrm{V\; =}\sqrt{P_a/\frac{\delta }{R}\mathrm{(1+}\frac{1}{2}\frac{\delta }{R}\mathrm{)\; \rho }}$

时，壁面压力接近于零。其中ρ_a是射流外层压强，δ是射流层厚度，R是射流外层迹线曲率半径，由于壁面压力接近于零，靠近壁面射流发生低压沸腾。沸腾的汽泡在射流层法向压力梯度的作用下向壁面运动，产生汽泡的附壁效应，在壁面形成含泡液，减少壁面摩擦阻力。如果所需射流速度不足以使射流层产生低压沸腾，可以使用含泡水作为表面射流层。当航具航行在大气中时，表面射流层可以使用压缩气体，这适宜于航具的起落阶段，也可以使用高温等离子体，这适宜于航具高速飞行阶段。当壁面压力低到气体极稀薄的时候，表面摩擦阻力下降;当使用高温等离子体时，可以在航具壁面附近表面射流层所占空间加上强磁场，其磁力线方向与射流运动方向相同或略偏向外，利用磁冻结效应，射流延磁力线运动，减少射流与壁面的接触，改变空气动力学系数，减少热传递率，降低物面温度，减少壁面摩擦阻力。表面射流层在航具尾端汇合，压力升高，离开航具向后运动，给航具以升力和推力。当航具进入航天阶段时，表面射流层解体，只需使用少数几个喷咀，即可控制航具速度，操纵飞行状态。把带有表面射流层的航具视为一个整体，流体绕流的边界条件将发生变化。可以证明，在粘性不可压缩流体中，如果初始条件无旋，物面边界满足滑移条件，绕流流体对航具的阻力为零;如果使表面射流层运动速度超过滑移速度，其阻力为负，获得附加推进力;当航具在大气中作亚声速、超声速、高超声速运动时，表面射流层可以起到消除旋涡损失，减少激波波阻，减少绕流介质升温和离解的作用，从而减少航具机械能的耗散。这种减阻推进方法还可以用于改造现有船、舰和潜艇，使之减少阻力，转向灵活，成为高速、灵活、节能的航具;如果把航具设计成圆球形，可以获得最大的容积，运动更加机动灵活，适宜制成小型、轻便的航具;如果把航具设计成旋转椭球形，用于大、中型航具，有较大的适用空间。有较好的滑翔性能;如果把航具设计成圆柱形，用于大、中型航具，其两端作为圆球形航具的门孔，可以作为母船使用;还可以把航具设计成以上形状的组合例如双扣着的盘子形、草帽形等等，制成大、中型航具，也能获得较大的适用空间和较好的滑翔性能。表面射流层所用物质，最好与绕流介质同态，在液态介质中航行的航具，使用液态射流层，在大气中航行的航具，使用气态或等离子态射流层。射流的产生，可以用直接加压的方法，也可以用燃烧的方法，这两种方法均具有吸入口，加压泵和一套喷咀;当航具具有轴对称的外形时，所述表面射流层还可以通过一组能够绕航具对称轴旋转的浆叶和带动桨叶旋转的动力装置来产生，桨叶的叶面应靠近航具并与航具外表面大体垂直，航具上还应装上使航具不致产生与桨叶反向转动的附属装置例如尾舵等;当航具使用含泡液作为表面射流层时，气液混合可以在液体加压之前完成，例如在液体吸入口装上吸气管，气液混合在吸入管中进行;也可以在气液分别加压之后混合，以减少液泵的气蚀作用;对于浅水航船，还可以在液体刚喷射之后混合，从壁面供给适当气体，在近壁面的射流层中混合成含泡液。吸入口的位置，不同的航具有不同的要求。对于船、舰和潜艇，吸入口可以安装在航具前端，以降低流体绕流的正面压力;对于圆球形、椭球形、盘制，可以利用船、舰两侧射流的动量差，这种方法转动力矩大，阻力小，因而转向速度快，同时航具两侧速度差产生的速度环量使其航具水下部份产生侧向升力，此力与航具转弯时的离心力方向相同，可以减少船、舰转弯时船身的倾斜度;对于潜艇和各种旋转对称的航具，如使用喷咀产生表面射流层，则可以用控制表面射流层动量分布的方法，使吸入口偏向欲前进的一方，从而控制航向。例如欲向左转，则加大右边射流动量，减少左边射流动量，使吸入口偏向左边，欲上升，则加大下部射流动量，减少上部射流动量，使吸入口偏向上方;对于桨叶式航具，可以利用舵来控制航向，也可以用改变重心的方法，让重心偏向待前进的一侧;对于圆柱形航具，正常航行时其轴成水平态，并与运动方向垂直，在空气中起落时，吸入口一侧向上，水平前进时吸入口偏向前进方向，其控制的方法，可以移动重心，使吸入口向运动方向偏移，也可以增加吸入口一侧喷口喷射动量，稍减另一侧喷射口喷射动量，使航具获得转动力矩，使吸入口偏向待前进的一方，需要转弯时，可增加航具一端的射流层厚度，使航具获得竖直方向转动力矩，因此可以把航具的喷咀按照柱形两端，吸入口两侧分成四个区域进行控制。大气中航行的航具还应在航具底部装上至少包括三条腿的支承架，这些支承架应具有弹性，各条腿的长度和角度可以按着陆地形进行调节，以使航具着陆时吸入口向上。门孔的位置，对于柱形航具，应在柱形两端;旋转体航具，大气中飞行的应设在航具底端旋转轴线上至少三条支承腿中间，水中潜行的航具以及既能潜水又能航空的航具，可以在航具轴线顶端和底端各开设一个门孔，在水下潜行时，喷咀向上喷射液体，在大气中飞行时，喷咀向下喷射气体或等离子体。

子形、草帽形等旋转对称航具，当航行在大气中时，吸入口可以安装在航具的顶端轴线上，当航具在水中潜行时，吸入口可以设计在航具底端轴线上，使航具能垂直下潜，对于圆柱形航具，吸入口可以设计在圆柱形的一则，延轴向均匀分布，射流延周向运动，如果吸入口处需要安装门孔时，吸入口可环绕门孔，对称装在门孔周围。喷射射流的喷咀，可以分成若干个组，以吸入口为中心，第一组喷咀紧靠吸入口;第二组距吸入口稍远;第三组更远……，一直排列到航具尾端，每组喷咀均以吸入口为中心，在航具壁面上对称分布，喷射方向大体上离开吸入口延着壁面切向，相邻喷咀之间的距离需使射流层厚度基本均匀，喷咀开设的大小及方向可适当调节，用以调节射流层的速度，厚度及方向;对于旋转对称航具，可以让第一组喷咀喷射的射流方向偏向一侧，使之能扫过该组相邻的一个喷咀，以使每个喷咀外的压力均能低于流体绕流的压力。其他各组喷咀的方向与前一组射流绕流到当地的速度方向大体相同。这些喷咀也可以排列得十分密集，以致成为蜂窝状，使射流不能与壁面接触。如果航具上需要产生磁场，可以在喷咀上缠绕导电线圈。其电流的产生，可以利用喷射流体的能量。使磁场方向略向外偏斜，当喷咀喷射等离子体射流时产生电流，把同组喷咀产生的电流依次串联起来，形成环绕航具对称轴的环形电流，每个组产生的环形电流与导电表面射流层中感应的电流合起来，加强原始的磁场。把喷咀上缠绕的导电线圈就近串联在上述电流上，也可形成与射流方向大体相同且略偏向外的磁场。在航具的控制方面，改变表面射流层的速度分布，可以获得任意方向的速度环量，获得升力和转弯力，控制表面射流层的厚度分布，也可以改变航具运行的姿态。对于船、舰转弯的控

本发明与目前的航具例如船、舰、潜艇、飞机、火箭、导弹、航天飞机比较，具有如下优点：第一，由于本航具前端和侧面压力降低，后端压力提高，使航具本身能获得升力和推力，因而在大气中飞行时可以取消机翼，在水中潜行时可以取消加重装置;第二，由于流体绕流的物面边介条件可以变为滑移边介条件，可以消除或大幅度减少航具的阻力，使航具速度提高，能耗降低;第三，由于航具能获得较大的转向力矩，转向速度快，使航具不仅速度高，而且运动灵活;第四，航具可以制成圆球形、椭球形、圆柱形等向外凸出的形状，使得航具内部空间较大，结构强度提高，因而具有较高的体积重量比;第五，这种航具可以制成既能潜水，又能航空、又能航天，可以在大气中悬停，可以垂直起落，转向灵活，速度高的运载工具;第六，在大气中飞行时，不需要机场，将来不仅可以发展成大型航具，还可以制成个人使用的航具，取代目前的汽车、飞机、船舰、潜艇，可以使人类能够常年居住在林间别墅，有利于生态系统的平衡，消除城乡差别;第七，可望在廿一世纪实现人类的水下迁居，使人们可以居住在四季如春的水下环境之中，并且能够自由往来于太阳系各行星及其卫星之间。

本发明宜首先用于改造现有小型机动船舶，进而改造大中型船、舰、潜艇，同时还可以进行球形高速潜艇的研制工作以及以压缩空气为动力的球形飞行器;在这个基础上研制使用等离子体射流层具有强磁场的高速航具，然后使这种航具进入宇宙空间，之后使航具进入水面和水下。

Claims (22)

1、一种利用射流对航具进行减阻、推进的海、空、宇高速运载工具，其特征在于当航具航行在介质中时，利用射流的附壁效应，把航具推进时产生的射流切向分布在航具外表面上，形成完整的表面射流层。

2、按权利要求1规定的航具，其特征在于航具外表面对于表面射流层的迹线来说是向外凸出的，使得表面射流层延凸面运动时能够由于动量方向不断改变而降低壁面压力，降低射流与壁面的摩擦阻力，降低壁面温度。

3、按权利要求1、2规定的航具，其特征在于可以利用现行使用的各种船、舰、潜艇改造而成，表面射流层分布于与水接触的表面上。

4、按权利要求2规定的航具，其特征在于可以设计成圆球形，制成小型轻便的航具，具有较大的容积和运动的灵活性。

5、按权利要求2规定的航具，其特征在于可以设计成旋转椭球形，这种外形适用于大、中型航具，可以获得较大的适用空间和较好的滑翔性能。

6、按权利要求2规定的航具，其特征在于可以设计成圆柱形，用于大、中型航具，两端作为门孔，适宜于其他小型航具出入，作为母船使用。

7、按权利要求2规定的航具，其特征在于可以设计成双扣着的草帽形、盘子形等等，用于大、中型航具，具有较大的适用空间和较好的滑翔性能。

8、按权利要求1规定的表面射流层，其特征在于当航具航行在水面或水下时，与水接触的表面可以使用水作为表面射流层，也可以用含泡水作为表面射流层;当航具在大气中航行时，可以用压缩气体作为表面射流层，也可以用等离子体作为表面射流层。

9、按权利要求8规定的水质射流层，其特征在于当射流层的速度接近

$\sqrt{P_a{}^a/\frac{\delta }{R}\mathrm{(1+}\frac{1}{2}\frac{\delta }{R}\mathrm{)\; \rho }}$

时。壁面压力接近于零，靠近壁面的液体发生低压沸腾，减少壁面摩擦阻力。

10、按权利要求1规定的表面射流层，其特征在于当使用等离子体等导电良好的流体作为表面射流层时，可以在射流所占区域加上强磁场，其磁力线方向与射流方向一致或略偏向外，利用磁冻结效应，消除壁面摩擦阻力，减少热传递率，降低物面温度。

11、按权利要求1规定的表面射流层，其特征在于可以通过一组喷咀来实现，也可以使用桨叶，桨叶叶面应靠近航具外表面并与外表面大体垂直。

12、按权利要求11规定使用喷咀实现表面射流层时，其特征在于需要吸入口，对于船、舰、潜艇，吸入口安装在船首，以降低流体绕流的压力，对于旋转对称航具，当航具在空气中时，吸入口在航具顶端轴线上，当航具在水中潜行时，吸入口在航具底端轴线上，对于柱形航具，吸入口在柱面同侧均匀分布，射流延周向运动。

13、按权利要求11规定的喷咀，其特征在于按喷咀与吸入口的距离分成若干个组，以吸入口为中心，第一组喷咀紧邻吸入口，第二组稍远，第二组更远……，直排列到航具尾端，每组喷咀都以吸入口为中心，在航具壁面上对称分布，喷咀方向大体上离开吸入口延着壁面切向，相邻喷咀之间的距离需使射流层基本均匀，也可以让第一组喷咀方向偏向一侧，使其喷出的射流能扫过该组中邻近的喷咀，使每个喷咀的外介压力均低于流体绕流的压力，其他各组喷咀的方向均与表面射流层到当地的方向大体相同。

14、按权利要求13规定的喷咀，其特征在于喷咀可以十分密集，排列成蜂窝状，使射流不能与壁面接触。

15、按权利要求10规定的磁场，其特征在于可以在喷咀上缠绕导电线圈而获得，也可以由壁面上环绕航具中心轴的电流与导电表面射流层中感应的电流共同形成，也可以两者同时存在。

16、按权利要求15规定的电流，其特征在于可以利用喷咀中的射流来产生，这时磁场方向应与射流方向交叉一个角度，延射流方向并略偏向外或略偏一侧。

17、按权利要求1规定的航具在大气中飞行时，其特征在于航具底部应装上至少包括三条腿的支承架。

18、按权利要求17规定的支承架，其特征在于支承架应具有弹性。

19、按权利要求17规定的支承架，其特征在于当航具离开地面后，支承架可以收缩到航具壁内。

20、按权利要求17规定的支承架，其特征在于支承架每条腿的长度和角度可以根据着陆地形进行调节。

21、按权利要求20规定的支承架，其特征在于支承架上每条支承腿在航具降落时由地面推动改变其长度和垂直角度，并且在支承腿与地面接触的部份装有触地感测装置，当至少三条腿都触及地面时支承腿的位置自动固定。

22、按权利要求1规定的航具，其特征在于当航具外形成旋转体在大气中飞行时，其门孔可以开在航具底部旋转轴线上至少三条腿之间;在水中潜行时，其门孔可以开设在航具顶端和底端旋转轴线上;如果门孔与吸入口位置重合，把吸入口开在门孔周围。