[发明专利]超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法

说明书

本发明提供一种超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法。包括空化器以及航行体体身，空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀，航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管。在航行体形成初始空泡后，使得空化器到尾喷管形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制。

技术领域

本发明涉及水下航行体超空泡技术的应用领域，特别涉及一种超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法。

背景技术

通气超空泡技术，其基本原理是通过在航行体头部的空化器后面通入不可凝气体，生成稳定包裹航行体的空泡，使航行体表面与液体介质隔离，气体的黏性是水的千分之一，这样能大大减小航行体的摩擦阻力，最高可以实现90％以上的减阻率，展现出巨大的应用前景。

超空泡减阻技术彻底改变水下航行器运行模式，势必将引起水下运载和武器装备技术变革。目前，超空泡技术已在俄罗斯“暴风雪”号鱼雷、美国机载快速灭雷系统、德国“BARRACUDA”超空泡导弹等水下武器装备得到成功应用，超空泡鱼雷航速可达到200kn以上。然而由于生成稳定超空泡需要携带额外的气源和通气系统，因此制约了超空泡武器航程和机动能力的提高。

另外，美国超空泡水面艇“幽灵”号通过将超空泡技术应用于水下部件可以极大降低航行阻力，同时由于水面艇可实现大气与水下部件连通，因此可以巧妙的利用外界空气作为超空泡气源。

而对于常规水下超空泡航行体，一般采用携带燃气发生器来提供气源，占用航行体内空间较大，且供应气体时间受到限制。还有其他一些措施，譬如采用电解水装置，这样会产生额外的能量消耗，反而得不偿失。

发明内容

目前空泡气源问题制约着超空泡航行体的内部几何布局和航程，为解决这一难题，本发明提供一种超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法。本发明在航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管，将尾喷气体射流引为空泡的持续不断的气源，同时又保证空泡的稳定性。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

超空泡航行体，包括空化器以及航行体体身，空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀，航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管。当航行体的初始速度足够高时，能够通过自然空化即可形成一个闭合在尾喷管后面的初始空泡；当航行体的初始速度较低时，通过开启气阀，气室通过通气管路向通气孔输出气体，这样通过在空化器后面通入气体，来形成这样一个闭合在尾喷管后面的初始空泡。

作为本发明的优选方案，所述尾喷管为发动机的尾喷管，尾喷管喷出的气体射流为发动机产生的高温燃气射流，发动机设置在航行器体身内，发动机的尾喷管从航行体体身的尾部伸出。将发动机的尾喷管产生的燃气通过一定方式为空泡补充气体，同时又不干扰到空泡的稳定，这样的流动控制方法将极具工程价值和实践意义。本发明在航行体形成初始空泡后，使得空化器到尾喷管形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制。

作为本发明的优选方案，尾喷管喷出的气体射流的强度需满足其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

作为本发明的优选方案，提出了一套超空泡航行体的设计准则，航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5，航行体总体长度小于初始空泡的长度。