用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构

摘要

本发明公开了一种用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构，两组自动触发式格栅式尾翼结构对称安装在航行体尾部，格栅式控制面5安装在航行体尾部的凹槽4中；圆柱状铁芯6安装在格栅式控制面5前端正中央；旋转轴7穿过格栅式控制面5尾部固定在航行体上；电磁铁8安装在凹槽4中处于圆柱状铁芯6正下方，与航行体固连；可伸缩弹簧9安装在凹槽4纵向中后部，横向正中间，下端与航行体固连；两枚金属电极片10并排平行近距离贴在航行体尾部表面；直流电源11放置在航行体内部，通过若干导线分别与电磁铁8和金属电极片10连接。本发明优化了超空泡水下航行体的设计，增强了高速航行体在超空泡中运动时的稳定性，同时避免了增加水中航行的阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及流动控制领域，具体涉及一种用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构。

背景技术

当水下航行体高速运动时，在一定条件下会产生空泡现象。空泡现象通常是指在液体流场的低压区，当其局部压力达到液体的饱和蒸汽压时,液体介质因气化而出现“空洞”,我们把这一“空洞”称为“空泡”。一般而言，对于流场包裹的水下航行体，当产生的空泡长度小于该航行体长度时称为局部空泡；而当产生的空泡长度达到或超过该航行体的长度时称为超空泡。

超空泡由于尺度大于航行体，将整个航行体包裹在其内部，使得航行体与水体的接触面积减到最小，从而大大降低了水体对航行体的粘性阻力，减阻率可达90％以上。其中俄罗斯取得成绩最为引人注目,速度可达90～100m/s的“暴风雪”水下超空新型泡航行器,已经装备部队,并投放国际武器市场。这也导致了美、德、英和法国等西方国家从20世纪90年代初至今的第二次研究热潮。

对于带空泡的水下航行体的运动随着速度的增加存在四种稳定模式：(1)双空泡流动状态(航速约0～70m/s)。(2)沿着空泡内壁滑移(航速约50m/s～200m/s)(3)与空泡边界发生碰撞作用(航速约300m/s～900m/s)。(4)与空泡内的蒸汽及射流相互作用(航速约900m/s～1000m/s或更高)。对于后三种状态，整个航行体都被包裹在空泡中，处于超空泡状态，阻力大为减弱，与此同时当由状态(2)进入状态(3)甚至进入状态(4)时，航行体会在空泡内由于碰撞作用发生严重的失稳，极大地增加了控制难度，是超空泡航行体的工程设计中一直存在的难题。

格栅尾翼是近年来针对空气中的航行体提出的一种新型尾翼结构，具有展弦比大，铰链力矩小，升力特性好，易于折叠在表面上并能够显著增强其稳定性的特点。

中国专利96194706.3公开了一种带有格栅式控制面的火箭结构，改进了传统的带有格栅式控制面的火箭及格栅式控制面，提高了空气动力性能同时保持了其机动性。其格栅尾翼特征许多小方框组成的蜂窝式结构，弦向尺寸很小，展弦比大，铰链力矩小，升力特性好，易于折叠在表面上并能够增强其稳定性。这种格栅尾翼结构仅适用于空气中的航行体，直接应用到水下航行体时会显著增加航行阻力。

中国专利200710038780.9公开了一种水下航行体电磁加热空化装置，该装置利用电流使分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，温度迅速升高，使得空化器的温度提高，导致空化器周围的水温达到或超过汽化温度而发生汽化，从而在航行体周围形成气泡。这种方式在航行体高速运动下对水流加热效率低，适用范围窄，同时对产生的电磁力未加以控制，应用不善会导致增阻。

中国专利201410187692.5公开了一种带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，该发明能将舵机装置集成布置在超空泡航行体模型内部，且能实现对两舵轴的主动控制和角度反馈。但是该航行体模型仅适用于超空泡水下航行体水动力学试验技术领域，不考虑减阻效果，不适合用于工程实际。

发明内容

本发明的目的在于针对超空泡水下航行体提供一种自动触发式格栅尾翼结构，通过利用格栅翼结构在空气中对航行体的稳定作用以及电解质溶液(海水)的导电作用，优化超空泡水下航行体的设计，达到增强高速航行体在超空泡中运动时的稳定性同时避免增加水中航行阻力的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构，包括格栅式控制面、旋转轴、圆柱状铁芯、金属可伸缩弹簧、电磁铁、金属电极片、直流电源，以格栅式控制面收拢时为例，其中格栅式控制面嵌在靠近航行体尾部的凹槽中，凹槽形状和深度与格栅式控制面的形状和厚度基本相同，在长宽上留有可以让控制面自由弹出的间隙余量。圆柱型旋转轴穿过格栅式控制面尾部的圆孔与航行体固连，圆孔与旋转轴留有间隙余量。圆柱状铁芯安装在格栅式控制面头部中间位置且与格栅式控制面固连。金属可伸缩弹簧正下方放置电磁铁的铁芯部分且与航行体固连。两片金属电极呈横条状近距离平行排布在航行体尾部表面。直流电源通过若干导线分别与电磁铁和金属电极连接，放置在航行体内部。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明的格栅翼设计思路能有效保证超空泡航行体在水下运动时的稳定性。(2)本发明对的电极设计思路能在电极接触海水(电解质)时形成电路通路，在接触空气时形成电路断路，反应灵敏迅速而且可靠，结构简单成本低廉。(3)本发明的电磁铁设计思路能保证航行体在未形成超空泡前期在水中运动时，格栅翼收拢避免其在水中产生的巨大阻力，形成超空泡后格栅翼实时弹出起到稳定航行体的作用。

附图说明

图1为安装本发明的航行体整体示意图。

图2为本发明用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构的局部剖视图。

图3为本发明用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构的局部俯视图。

具体实施方式

下面以一种简单射弹形状的超空泡航行体且格栅式控制面收拢时为例结合附图对本发明作进一步描述。

本发明用于超空泡水下航行体的自动触发式格栅尾翼结构，该结构主要包括弹体尾部凹槽4，格栅式控制面5，圆柱状铁芯6，旋转轴7，电磁铁8，可伸缩弹簧9，电极片10，直流电源11。

结合图1、图2、图3，作为尾翼的格栅式控制面5整体嵌在航行体1尾部的凹槽4中，上下两片控制面对称分布，其尺寸可参照一般格栅尾翼。凹槽4整体形状与格栅式控制面5保持一致，在周向几何尺寸上留有1mm左右的空间余量保证格栅式控制面能自由张开。圆柱状铁芯6与格栅式控制面5固连，安装在控制面5前端中部，其上表面与格栅式控制面5平齐，下表面突出约2-3mm。栅式控制面5按照已有的常用蜂窝式格栅翼尺寸设计，长度不超过航行体总长1/4。旋转轴7与航行体1固连，位于凹槽4后部，连接格栅式控制面5与航行体1，使得格栅式控制面5能绕其旋转张开。电磁铁8放置在圆柱状铁芯6正下方与航行体1固连，格栅式控制面5收拢时电磁铁8能与圆柱状铁芯自由接触。可伸缩弹簧9安装于凹槽4纵向中后部，横向正中间，下端与航行体1固连，上端与格栅式控制面5自由接触，格栅式控制面收拢时，弹簧9处于压缩状态。一对金属电极片10用粘合剂近距离贴在航行体1尾部，并通过若干导线与电磁铁8以及放置在航行体1内部的直流电源11相连。相邻两个金属电极10极性相反。电源11采用纽扣电池以缩小体积。

结合图2,、图3，对于格栅式控制面5此处选用一般格栅尾翼，格栅形状为菱形蜂窝式，翼宽120mm，翼高120mm，弦长21mm，壁厚0.5mm。

当航行体1在水下高速运动，超空泡还未形成时，航行体1整体被海水(弱电解质)浸没，此时金属电极片10导通，电磁铁8对圆柱铁芯6产生吸引力使得格栅式控制面5牢牢吸附在航行体1尾部表面的凹槽4中，当航行体进入到超空泡状态后，头部区域1和尾部区域3首先产生空泡，进而空泡开始包裹整个弹身，影响航行体的稳定性，此时，由于金属电极片10处在空泡中而导致电路断开，电磁铁8丧失对圆柱铁芯6的吸引力，然后在处在压缩状态的弹簧9的推力作用下，格栅式控制面5被弹出凹槽，然后在迎面空气阻力的进一步作用下，格栅式控制面5与航行体轴向呈90o夹角完全张开并保持这种姿态，开始适时地起到稳定航行体的作用。