CN112644637B - 一种无人水下航行器运动减阻外壳 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种无人水下航行器运动减阻外壳，本发明结构简单轻便，可操纵性能极好，能够在多种复杂的海洋环境中发挥良好的减阻效果；硅橡胶具有极佳的耐寒、耐热、耐老化性能，导热性好，能够适应各种海洋工作环境；外壳夹层中的溶液来自外部海水，内部并不需要附加储液容器与额外的溶液，既节省空间，又节约成本；海水的比热容较大，加热后能够保证外壳表面与周围海水长时间维持稳定温差，是性价比极高的填充溶液；通过表面减阻，不受严格的尺寸限制，运用表面减阻不会破坏航行体原有的设计外形，能够保证水动力特性，因此对于绝大多数的无人水下航行器都适用。

Description

一种无人水下航行器运动减阻外壳
技术领域
本发明属于水下航行器运动减阻技术领域，具体涉及一种无人水下航行器运动减阻外壳。
背景技术
20世纪90年代以来，潜艇在水下战场中的作用已发生了明显变化，被越来越多地应用于近海海域来支援联合作战。然而，这对价格昂贵的常规潜艇及核潜艇来说，风险无疑是增加了。尤其是体积大、吨位大的潜艇，根本无法在近海浅水海域作战，即使是在水深100米以上的近海活动，也很容易被对方反潜兵力发现和攻击。与此同时，海军需要隐形的无人驾驶***到传统海上力量无法到达的地方收集情报和攻击目标；而开展非战斗性海军活动，如搜集气象和海洋数据等，也需要考虑使用无人驾驶***，以提高质量降低费用。在这种情况下，无人水下航行器便脱颖而出。世界上已有10多个国家在研究它了。
不过，现今各国的无人水下航行器大多是受到尺寸和重量的限制，动力不可能很大，然而更加矛盾的是我们还需要航行器在水下能够较快地移动，以便达到收集情报、监视和侦察，反水雷及浅水反潜的战略目的。综上所述，如何有效地减少无人水下航行器的航行阻力成为了攻坚项目的关键技术。
鱼雷和反潜导弹领域应用的超空泡减阻技术，给我们解决问题提供了一种思路。利用头部空化器产生空泡并且向低压处通气最终产生超空泡覆盖结构，最高可以减阻90％。但是由于超空泡对航行速度大小要求极为严苛，如果不能满足其空化下限要求，航行过程中非常容易失稳，很难对其做到有效可靠的操纵。且超空泡动技术需要给运动体配备高压储气瓶，这对于本就有尺寸和重量限制的无人水下航行器来说更是难上加难，此种途径对于解决矛盾来说很难行得通。水下航行体的内部布局基本无法做大的调整改动，因此必须从航行体外部入手，一种适合无人水下航行器航行稳定且相对好操控的轻便外壳结构。
物竞天择，适者生存，经过大自然成千上万年的精心筛选，现今的生物可以说是适应环境的集大成作品，我们很有必要从动物的生存方式中学习，并找寻解决问题的最优方案。海豚是海洋生物当中有名的游泳健将，以速度快耐力好文明，是少有的全程高速“长跑”能手。海豚之所以能够在海洋里快速游动，除了因为尾巴非常有力，就像一架良好的“推进器”外，还得益于它们特殊的体表结构。
首先，海豚皮肤表面没有毛，很滑很薄且富有弹性，研究表明，光滑弹性的柔性皮肤可以维持层流边界层不分离，通过提高层流边界层稳定性，推迟边界层转捩来达到减阻效果，这体现了仿生学的柔性面减阻原理；其次，海豚的真皮层里有无数个细细的管状突起，里而充满了一种特殊的、能流动的脂肪，这些脂肪在管状突起里流动，和波浪的形状保持一致，在皮下形成纵向条纹皮肤嵴，皮肤嵴结构近乎垂直于身体长轴，即与水流方向垂直，就像减振器那样，体现了仿生学的随行波表面减阻原理；最后，海豚自身的生物调节***通过改变皮肤温度，能始终保持体表温度比海水高大约9℃，这样能引起湍流边界层温度升高，体表湍流边界层中粘性底层内海水的粘度降低，降低湍流边界层阻力，同时，边界层温度升高，可以增大临界雷诺数，稳定层流边界层，推迟边界层转捩，体现了仿生学的自适应减阻原理。正是具备了以上种种有利条件，海豚才得以在海洋中飞速前行。我们可以利用上述的原理对航行器外壳结构进行设计，进而达到减阻的目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种无人水下航行器运动减阻外壳，结构简单轻便，可操纵性好，自适能力强，对于绝大多数的无人水下航行器均适用。
一种无人水下航行器运动减阻外壳，包括导液孔道(1)、多功能传感器(2)、控制设备(3)、电子调压阀(7)、表层橡胶(8)、肋条橡胶(9)、底层橡胶(10)、控制设备(3)、多功能传感器(2)以及热源(12)；
所述表层橡胶(8)、肋条橡胶(9)和底层橡胶(10)依次从外到内布置，肋条橡胶(9)有多条，互相间隔的沿外壳的周向均匀分布；表层橡胶(8)铺设在所有肋条橡胶(9)之上，并固定；表层橡胶(8)对应于相邻两肋条橡胶(9)间隔处加工有导液孔道(1)，每个导液孔道(1)上设置一个电子调压阀(7)；肋条橡胶(9)与底层橡胶(10)局部固连，两者之间形成夹层空腔(5)；所述热源(12)分布在底层橡胶(10)的表面；
所述控制设备(3)根据多功能传感器(2)探测的航行器表面压力，对电子调压阀(7)下达相应指令，以控制导液孔道(1)是否开启；同时，根据多功能传感器(2)探测的表面温度，对热源(12)下达相应指令，控制热源(12)是否开启，以及每个热源(12)的加热功率。
较佳的，导液孔道(1)均匀分布在表层橡胶(8)表面。
进一步的，控制设备(3)还通过电路设备(4)控制电子调压阀(7)的开口大小。
较佳的，所述多功能传感器(2)安置在航行器头部位置。
较佳的，所述热源(12)均匀分布在底层橡胶(10)的表面。
较佳的，所述表层橡胶(8)、肋条橡胶(9)、底层橡胶(10)采用三种弹性模量不同的硅橡胶；表层橡胶(8)采用模拟海豚表皮的材料，肋条橡胶(9)采用模拟海豚真皮的材料，底层橡胶(10)采用模拟海豚脂肪层的材料。
较佳的，表层橡胶(8)采用二甲基硅橡胶MQ；肋条橡胶(9)采用甲基乙烯基硅橡胶MVQ；底层橡胶(10)采用甲基苯基硅橡胶MPQ。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种无人水下航行器运动减阻外壳，相较于传统的超空泡技术，本发明结构简单轻便，可操纵性能极好，能够在多种复杂的海洋环境中发挥良好的减阻效果；硅橡胶具有极佳的耐寒、耐热、耐老化性能，导热性好，能够适应各种海洋工作环境；外壳夹层中的溶液来自外部海水，内部并不需要附加储液容器与额外的溶液，既节省空间，又节约成本；海水的比热容较大，加热后能够保证外壳表面与周围海水长时间维持稳定温差，是性价比极高的填充溶液；本发明设计主要通过表面减阻，不受严格的尺寸限制，运用表面减阻不会破坏航行体原有的设计外形，能够保证水动力特性，因此对于绝大多数的无人水下航行器都适用；本发明运用了一定的仿生学自适应调节原理，能够根据外部环境变化对结构表面做出最适调整，实现最佳减阻效果，自适能力强。
附图说明
图1为本发明的无人水下航行器运动减阻外壳结构示意图。
其中，1-导液孔道，2-多功能传感器，3-控制设备，4-电路设备，5-夹层空腔，6-动力装置，7-电子调压阀，8-表层橡胶，9-肋条橡胶，10-底层橡胶，12-热源。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供的外壳包括液体收集部分，缓冲部分和自适应调节部分。液体收集部分包括导液孔道1、多功能传感器2、控制设备3、电路设备4，电子调压阀7；缓冲部分包括表层橡胶8、肋条橡胶9、底层橡胶10；自适应调节部分包括控制设备3、电路设备4，多功能传感器2、小型热源12。
表层橡胶8、肋条橡胶9和底层橡胶10依次从外到内布置，肋条橡胶9有多条，互相间隔的沿外壳的周向分布；表层橡胶8铺设在所有肋条橡胶9之上，并固定；表层橡胶8对应于相邻两肋条橡胶9间隔处加工有导液孔道1，每个导液孔道2上设置一个电子调压阀7。肋条橡胶9与底层橡胶10局部固连，两者之间形成夹层空腔5，当有海水从导液孔道1注入时外壳夹层空腔5转变为外壳夹层工作腔。
其中，导液孔道1均匀分布在表层橡胶8表面，由控制设备3对电子调压阀7下达相应指令，以控制导液孔道1是否开启，哪些导液孔道1开启，以及各个电子调压阀7的开口大小。所述多功能传感器2安置在航行器头部位置，用于探测海水的温度变化和对结构的冲击压力变化；所述小型热源12均匀分布在底层橡胶10的表面，由控制设备3对其下达相应指令，控制热源12是否开启，以及每个热源12的加热功率。
以上三种橡胶层采用三种弹性模量不同的硅橡胶：表层橡胶8(二甲基硅橡胶MQ)模拟海豚表皮，肋条橡胶9(甲基乙烯基硅橡胶MVQ)模拟真皮，底层橡胶10(甲基苯基硅橡胶MPQ)模拟脂肪层。无人水下航行器在水下运动时，光滑有弹性的表层橡胶8通过推迟边界层转捩来实现减阻；肋条橡胶9模拟海豚皮下的皮肤嵴，周期波纹状的外壳结构在航行中带起的随行波浪在垂直于来流方向的相邻肋条的谷底处生成一排平行涡，这样自由来流在平行涡上流动，不与刚性表面接触，起到对湍流减阻的作用；多功能传感器2感受到外部海水的温度和对结构的冲击压力，将压力变化信号与温度变化信号传输给控制设备，进一步控制设备通过电路设备对电子调压阀7下达开关指令，一定量的海水流入空腔，与此同时控制设备3通过电路设备对小型热源12下达加热指令，模拟海豚皮肤的自适应调节能力，对腔内的海水加热，算法程序对温度变化信号做出反应，始终保证外壳表面与周围海水的最适温差，既降低了紧贴外壳表面海水的粘度，又增大临界雷诺数，稳定层流边界层，推迟边界层转捩，从而实现减阻效果。
本发明的减阻外壳的工作过程为：
当动力装置6工作时，航行器在水中向前航行，头部多功能传感器2探测到海水对结构的冲击压力变大，将信号传输给控制设备3，控制设备3通过既定算法程序给电子调压阀7下达指令，保证有最恰当数量的导液孔道1开通，此时海水注入外壳夹层空腔5，转变为外壳夹层工作腔11。
而后头部多功能传感器2探测到海水的温度变化，将信号传输给控制设备3，控制设备3通过既定算法程序给小型热源12下达指令，保证有最恰当数量的小型热源12加热工作并维持适当加热功率，此时外壳结构与海水具有适宜温差，达到最佳运动减阻工作状态。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，包括导液孔道(1)、多功能传感器(2)、控制设备(3)、电子调压阀(7)、表层橡胶(8)、肋条橡胶(9)、底层橡胶(10)以及热源(12)；
所述表层橡胶(8)、肋条橡胶(9)和底层橡胶(10)依次从外到内布置，肋条橡胶(9)有多条，互相间隔的沿外壳的周向均匀分布；表层橡胶(8)铺设在所有肋条橡胶(9)之上，并固定；表层橡胶(8)对应于相邻两肋条橡胶(9)间隔处加工有导液孔道(1)，每个导液孔道(1)上设置一个电子调压阀(7)；肋条橡胶(9)与底层橡胶(10)局部固连，两者之间形成夹层空腔(5)；所述热源(12)分布在底层橡胶(10)的表面；
所述控制设备(3)根据多功能传感器(2)探测的航行器表面压力，对电子调压阀(7)下达相应指令，以控制导液孔道(1)是否开启；同时，根据多功能传感器(2)探测的表面温度，对热源(12)下达相应指令，控制热源(12)是否开启，以及每个热源(12)的加热功率。
2.如权利要求1所述的一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，导液孔道(1)均匀分布在表层橡胶(8)表面。
3.如权利要求1所述的一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，控制设备(3)还通过电路设备(4)控制电子调压阀(7)的开口大小。
4.如权利要求1所述的一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，所述多功能传感器(2)安置在航行器头部位置。
5.如权利要求1所述的一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，所述热源(12)均匀分布在底层橡胶(10)的表面。
6.如权利要求1所述的一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，所述表层橡胶(8)、肋条橡胶(9)、底层橡胶(10)采用三种弹性模量不同的硅橡胶；表层橡胶(8)采用模拟海豚表皮的材料，肋条橡胶(9)采用模拟海豚真皮的材料，底层橡胶(10)采用模拟海豚脂肪层的材料。
7.如权利要求6所述的一种无人水下航行器运动减阻外壳，其特征在于，表层橡胶(8)采用二甲基硅橡胶MQ；肋条橡胶(9)采用甲基乙烯基硅橡胶MVQ；底层橡胶(10)采用甲基苯基硅橡胶MPQ。
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