一种变推力水下超高速航行体

技术领域

本发明涉及水下高超速推进、超空泡减阻技术领域，具体是一种变推力水下超高速航行体。

背景技术

随着舰艇航行技术的进步，常规的水下航行体对舰艇的速度优势越来越小，作战效能日趋削弱，严重制约了水下航行体的发展。

超高速水下航行体外形突破常规，在头部加装具有锐利边缘的钝头形空化器，在运动过程中诱生航行体表面空化，形成包裹整个水下航行体的超空泡，实现固-液边界分离，大幅度降低水下航行过程中的摩擦阻力。超空泡技术的应用一方面显著降低了水下航行阻力，另一方面，由于空泡包裹及复杂多相流动影响，传统水下螺旋桨推进系统的效率大大降低，超高速水下航行体的动力装置必须具备对外部流场条件依赖性小的特征。水冲压发动机属于喷气式推进系统，采用高金属含量燃料并利用海水作为氧化剂，比冲可达传统固体火箭发动机的2倍以上，具有能量密度高、结构简单和安全性好等优点，是超高速水下航行体的理想动力系统，但是常规的固体药柱式水冲压发动机难以实现推力的主动调节。

而粉末燃料水冲压发动机能够通过调节粉末燃料进入燃烧室内的质量流量从而实现推力的主动调节，因此将超空泡减阻技术和粉末燃料水冲压发动机技术相结合可实现变推力水下高速航行。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种变推力水下超高速航行体，通过调节粉末燃料进入燃烧室内的质量流量从而实现推力的主动调节，将超空泡减阻技术和粉末燃料水冲压发动机技术相结合可实现变推力水下高速航行，该航行体具有比冲高、体积小、可靠性高、使用维护方便等优点，可以实现水下超高速巡航、推力可调等技术难点。

为实现上述目的，本发明提供一种变推力水下超高速航行体，包括壳体以及设在所述壳体内的流化气源、燃气发生器、粉末供应系统、水冲压发动机燃烧室与尾喷管；

所述壳体的头部设有空化器，且所述空化器与所述流化气源相连，所述燃气发生器的燃气输出端、所述粉末供应系统的粉末输出端分别与所述水冲压发动机燃烧室的入口相通，且粉末供应系统的粉末输出端与所述流化气源相连通；

所述壳体外壁上设有第一进水口，所述水冲压发动机燃烧室与所述第一进水口相连，所述尾喷管设在所述壳体尾部且与所述水冲压发动机燃烧室的出口相通。

在其中一个实施例，所述粉末供应系统、所述燃气发生器、所述水冲压发动机燃烧室沿所述壳体的轴向依次设在所述壳体内；

所述燃气发生器与所述水冲压发动机燃烧室通过绝热层挡板相连，所述绝热层挡板上设有高温燃气入口与粉末燃料入口，所述燃气发生器的燃气输出端通过所述高温燃气入口与所述水冲压发动机燃烧室的入口相通；

所述燃气发生器为环状结构，所述粉末供应系统的粉末输出端上连接有粉末管路，所述粉末管路穿过所述燃气发生器后与所述粉末燃料入口相连通。

在其中一个实施例，所述粉末供应系统包括依次设在所述壳体内的驱动气源与粉末燃料储箱；

所述粉末燃料储箱内滑动连接有活塞板，所述驱动气源与所述粉末燃料储箱的一端相通，所述粉末燃料储箱的另一端即为所述粉末供应系统的粉末输出端。

在其中一个实施例，所述粉末燃料入口上设有旋流钝体，以将粉末燃料离散。

在其中一个实施例，所述壳体尾部还设有多个助推发动机，各所述助推发动机环绕在所述尾喷管周围。

在其中一个实施例，所述壳体上还设置有穿刺尾舵。

在其中一个实施例，所述壳体内还设有水流量控制器，所述水冲压发动机燃烧室上设有与所述水冲压发动机燃烧室内部相通的第二进水口；

所述水流量控制器的入水端与所述第一进水口相连通，所述水流量控制器的出水端与所述第二进水口相通。

在其中一个实施例，所述水冲压发动机燃烧室包括双级进水旋流器与燃烧室主体，所述双级进水旋流器设在所述燃烧室主体的入口端；

所述双级进水旋流器内设有燃料通道，所述燃料通道的一端分别与所述燃气发生器的燃气输出端、所述粉末供应系统的粉末输出端相通，另一端与所述燃烧室主体相通；

所述燃料通道靠近下游的壁面为具有导流槽的夹层结构；

所述双级进水旋流器的侧部设有若干一级旋流进水通道与二级旋流进水通道，各所述一级旋流进水通道的入口端、各所述二级旋流进水通道的入口端均与所述第二进水口相通，各所述一级旋流进水通道的出口端与所述燃料通道的入口壁面相通，各所述二级旋流进水通道的出口端与所述导流槽的壁面相通；

各所述一级旋流进水通道以相同的角度沿周向分布在所述双级进水旋流器上，各所述二级旋流进水通道以相同的角度沿周向分布在所述双级进水旋流器上，所述一级旋流进水通道的旋向与所述二级旋流进水通道的旋向相反。

在其中一个实施例，所述燃料通道的中游段为文氏管结构，或所述燃料通道的上游段、中游段为文氏管结构；

所述导流槽套设在所述文氏管结构的尾段，且所述导流槽的出口与所述文氏管结构的出口端平齐。

在其中一个实施例，所述燃烧室主体为具有外壁与内壁的夹层结构；

所述外壁与内壁之间具有进水夹层，所述第二进水口设在所述外壁上对应所述水冲压发动机燃烧室中游或下游的位置；

所述双级进水旋流器嵌入所述外壁后与所述外壁、所述内壁相连，所述一级旋流进水通道的入口端、所述二级旋流进水通道的入口端均位于所述进水夹层内。

本发明提供的一种变推力水下超高速航行体，能够实现水下快速启动，并且在极短时间内进入超高速巡航阶段；在超高速巡航阶段能够通过基于粉末燃料的水冲压发动机实现超高速巡航；在超高速巡航阶段能够通过水流量控制及粉末供应控制实现推力的主动调节；在整个航行过程中均能实现超空泡状态，在航行体初始工作阶段，将流化气源内的气体引入空化器实现超空泡航行，当航行体进入超高速巡航阶段，则航行体通过自然空化实现超空泡航行。该航行体具有比冲高、体积小、可靠性高、使用维护方便等优点，可以实现水下超高速巡航、推力可调等技术难点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中航行体的整体结构剖视图；

图2为本发明实施例中水冲压发动机燃烧室入口处的局部剖视图；

图3为本发明实施例中双级进水旋流器的轴测图；

图4为本发明实施例中双级进水旋流器的轴向剖视图；

图5为本发明实施例中双级进水旋流器在的一级旋流进水通道位置的径向剖视图；

图6为本发明实施例中双级进水旋流器在的二级旋流进水通道位置的径向剖视图。

附图标号：壳体1、流化气源2、燃气发生器3、水冲压发动机燃烧室4、尾喷管5、水流量控制器6、助推发动机7、穿刺尾舵8、驱动气源9、粉末燃料储箱10、空化器11、通气加压装置12、第一通气管路13、第二通气管路14、绝热层挡板15、高温燃气入口16、粉末燃料入口17、粉末管路18、活塞板19、第三通气管路20、第四通气管路21、第一进水口22、第二进水口23、第一通水管路24、第二通水管路25、双级进水旋流器26、旋流钝体27、外壁28、内壁29、进水夹层30、一级旋流进水通道31、二级旋流进水通道32、等直段33、文氏管结构34、套管段35、导流槽36、载荷部37、总控制舱38。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-6所示为本实施例公开的一种变推力水下超高速航行体，包括壳体1以及设在壳体1内的流化气源2、燃气发生器3、粉末供应系统、水冲压发动机燃烧室4、尾喷管5、水流量控制器6、助推发动机7与穿刺尾舵8，其中，粉末供应系统由流化气源2、驱动气源9、粉末燃料储箱10、粉末管路18与旋流钝体27组成。水流量控制器6、流化气源2、驱动气源9、粉末燃料储箱10、燃气发生器3、水冲压发动机燃烧室4、尾喷管5沿壳体1的轴向依次设在壳体1内，且尾喷管5的出口端位于壳体1的尾端。助推发动机7的数量为多个，且各助推发动机7环绕在尾喷管5周围，用于将航行体在短时间内加速至高速航行状态。穿刺尾舵8则设置在壳体1的侧部穿刺尾舵8在水下能够产生运动控制所需的流体力与力矩，是水下航行的重要控制机构。变推力水下超高速航行体利用穿刺尾舵8穿过空泡边界维持相对稳定的沾湿面，从而产生相应的流体控制力与力矩。

流化气源2为一存储有流化气体的气罐，壳体1的头部设有空化器11，且空化器11与流化气源2相连通。具体地，壳体1内还设置有通气加压装置12，流化气源2通过第一通气管路13与通气加压装置12的输入端连通，通气加压装置12则通过第二通气管路14与空化器11连通。其中，通气加压装置12可以采用增压泵。流化气体从流化气源2经第一通气管路13进入通气加压装置12，进而在通气加压装置12内形成高压状态，通气加压装置12内的高压气体经第二通气管路14进入空化器11，随后流化气体从空化器11流出，随后在航行体外部的高速迎面水流下演化为超空泡。

燃气发生器3的燃气输出端、粉末供应系统的粉末输出端分别与水冲压发动机燃烧室4的入口相通，且粉末供应系统的粉末输出端与流化气源2相连。具体地，燃气发生器与水冲压发动机燃烧室4通过绝热层挡板15相连，绝热层挡板15上设有高温燃气入口16与粉末燃料入口17，燃气发生器3的燃气输出端通过高温燃气入口16与水冲压发动机燃烧室4的入口相通。燃气发生器3为环状结构，粉末供应系统的粉末输出端上连接有粉末管路18，粉末管路18穿过燃气发生器3后与粉末燃料入口17相通。进一步具体地，粉末燃料储箱10内滑动连接有活塞板19。驱动气源9为一存储有高压气体的气罐，驱动气源9通过第三通气管路20与粉末燃料储箱10的一端相通，粉末燃料储箱10的另一端即为粉末供应系统的粉末输出端，即粉末燃料储箱10的另一端通过第四通气管路21与流化气源2连通。活塞板19将粉末燃料储箱10内分隔为两部分，其中一部分与第三通气管路20连通，另一部分中存储有粉末燃料且与粉末管路18连通。当粉末供应系统运行时，通过驱动气源9将气体经由第三通气管路20通入粉末燃料储箱10，推动活塞板19滑动，进而使得粉末燃料储箱10的粉末燃料经由粉末管路18进入水冲压发动机燃烧室4。在这一过程中，通过控制驱动气源9的出气速度即能控制粉末供应系统的粉末供给量，实现粉末燃料的可调供应。其中优选地，粉末燃料入口17上设有旋流钝体27，以将粉末燃料离散。

壳体1的头部上设有第一进水口22，水冲压发动机燃烧室4与第一进水口22相连，尾喷管5设在壳体1尾部且与水冲压发动机燃烧室4的出口相通。具体地，水冲压发动机燃烧室4上设有与水冲压发动机燃烧室4内部相通的第二进水口23；水流量控制器6的入水端通过第一通水管路24与第一进水口22相通，水流量控制器6的出水端通过第二通水管路25与第二进水口23相通。其中，水流量控制器6可以直接采用阀门结构实现，通过控制阀门结构即能控制水冲压发动机燃烧室4的进水量，实现水的可调供应。

在具体实施过程中，水冲压发动机燃烧室4包括双级进水旋流器26以及筒状结构的燃烧室主体，双级进水旋流器26设在燃烧室主体的入口端。双级进水旋流器26尾回转体结构，且双级进水旋流器26内具有沿周向贯穿双极进水旋流器的燃料通道，燃料通道的一端与绝热层挡板15相接，并与高温燃气入口16、粉末燃料入口17连通，燃料通道的另一端与燃烧室主体相通。

燃料通道靠近下游的壁面为具有导流槽36的夹层结构。具体地，燃料通道由三部分组成，分别为上游的等直段33、中游的文氏管结构34以及下游的套管段35。等直段33的一端为燃料通道的入口，另一端与文氏管结构34的首段相通；套管段35的一端套设在文氏管结构34的尾段，另一端为燃料通道的出口，导流槽36即位于套管段35的内壁29与文氏管结构34的外壁28之间，且导流槽36的出口与文氏管结构34的出口端平齐。当然，也可不设置等直段33，即燃料通道的上游与中游均由文氏管结构34占据。

双级进水旋流器26的侧部设有若干一级旋流进水通道31，各一级旋流进水通道31的入口端沿周向位于双级进水旋流器26的侧壁上，各一级旋流进水通道31的入口端与第二进水口23相通，出口端与燃料通道的入口壁面(即等直段33的壁面)相通。各一级旋流进水通道31的出口型面均为直流式喷嘴型面，且各一级旋流进水通道31的长度方向与水冲压发动机燃烧室4的轴向垂直，各一级旋流进水通道31以相同的偏移角度沿周向分布在双级进水旋流器26上。

双级进水旋流器26的侧部还设有若干二级旋流进水通道32，各二级旋流进水通道32的入口端沿周向位于双级进水旋流器26的侧壁上，各二级旋流进水通道32的入口端与第二进水口23相通，出口端与导流槽36的壁面(即套筒段的壁面)相通。各二级旋流进水通道32的出口型面均为直流式喷嘴型面，且各二级旋流进水通道32的长度方向与水冲压发动机燃烧室4的轴向垂直，各二级旋流进水通道32以相同的偏移角度沿周向分布在双级进水旋流器26上。其中，一级旋流进水通道31的偏移方向与二级旋流进水通道32的偏移方向相反。

本实施例中，一级旋流进水通道31的数量为8个，8个一级旋流进水通道31均以45°角呈周向布置，即各一级旋流进水通道31与双级进水旋流器26径向的夹角为45°。二级旋流进水通道32的数量与一级旋流进水通道31的数量相等，同样为8个，8个二级旋流进水通道32均以45°角呈周向布置，即各二级旋流进水通道32与双级进水旋流器26径向的夹角为45°。其中，一级旋流进水通道31以双级进水旋流器26径向为起点顺时针偏移，二级旋流进水通道32以双级进水旋流器26径向为起点逆时针偏移。

本实施例中，燃烧室主体为具有外壁28与内壁29的夹层结构，外壁28与内壁29之间具有进水夹层30，第二进水口23设在外壁28上位于水冲压发动机燃烧室4中游或下游的位置。双级进水旋流器26嵌入外壁28后与外壁28、内壁29固定相连，一级旋流进水通道31的入口端、二级旋流进水通道32的入口端均位于进水夹层30内，其中，双级进水旋流器26、外壁28与内壁29可以通过D打印的方式一体成型。

本实施例中由双级进水旋流器26以及燃烧室主体所组成的水冲压发动机燃烧室4的运行过程为：

首先将燃气发生器3产生的高温燃气从高温燃气入口16喷入燃料通道，创造高温环境；随后将粉末供应系统产生的金属粉末燃料从粉末燃料入口17沿轴向喷入燃料通道，使金属粉末燃料在高温燃气作用下迅速达到点火温度；然后将一级旋流进水依次从第二进水口23、进水夹层30、一级旋流进水通道31喷入燃料通道上游，使一级旋流进水在高温燃气作用下转换为水蒸气，进而与金属粉末燃料在文氏管结构34内边掺混燃烧边向后加速流动；将二级旋流进水从第二进水口23、进水夹层30、二级旋流进水通道32喷入燃料通道中游，使二级旋流进水在高温燃气作用下转换为水蒸气，并以轴向旋流方式在燃料通道下游与一级旋流进水、高温燃气以及粉末燃料所形成的主流进行补燃掺混。当一级旋流水蒸气和二级旋流水蒸气流出燃料通道后，由于旋流水蒸气离心力的作用，在轴向形成负压力梯度，使后部气体回流进而在燃烧室本体内形成中心回流区；金属粉末燃料与一级旋流水蒸气、二级旋流水蒸气掺混后进入中心回流区内燃烧，最终实现燃料与冲压水流的高效稳定燃烧。

在具体实施过程中，壳体1内部还设置有载荷部37与总控制舱38，载荷部37为航行体搭载的任务载荷，总控制仓则用于控制整个航行体的运行。

根据上述内容可知，本实施例中的航行体的各个构件主要分为通气系统、水流量控制系统、动力系统三个部分。其中，通气系统主要由空化器11、总控制舱38、通气加压装置12、流化气源2组成，水流量控制系统主要由总控制舱38、水流量控制器6组成，动力系统主要由总控制舱38、流化气源2、驱动气源9、活塞板19、粉末燃料储箱10、燃气发生器3、水冲压发动机燃烧室4、长尾喷管5、助推发动机7组成。

通气系统中，空化器11位于航行体头部，其后部连接第二通气管路14，通气加压装置12的前端及侧部分别连接第二通气管路14与第一通气管路13，第一通气管路13将流化气源2内的气体输送至通气加压装置12，总控制舱38控制气流开闭状态。总控制舱38发出通气指令后，流化气体从流化气源2经第一通气管路13进入通气加压装置12，进而在通气加压装置12内形成高压状态，通气加压装置12内的高压气体经第二通气管路14进入空化器11。

水流量控制系统中，水流量控制器6前端与第一通水管路24以及壳体1头部的第一进水口22相连，水流量控制器6周向外侧与第二通水管路25相连。冲压水流首先由第一进水口22进入第一通水管路24，而后流入水流量控制器6，总控制舱38通过调节水流量控制器6内的阀门开度进而控制进入水冲压发动机燃烧室4内的进水量，通过水流量控制器6调节后的冲压水流经第二通水管路25进入水冲压发动机燃烧室4。

动力系统中，助推发动机7环向布置于长尾喷管5外侧，而水冲压巡航发动机则由流化气源2、驱动气源9、活塞板19、粉末燃料储箱10、燃气发生器3、水冲压发动机燃烧室4、长尾喷管5组成。流化气源2、驱动气源9、活塞板19、粉末燃料储箱10主要用于实现粉末燃料的可调供应，燃气发生器3主要负责为水冲压发动机燃烧室4提供高温点火环境，水冲压发动机燃烧室4负责燃料与水的掺混燃烧，长尾喷管5负责将燃烧产生的工质加速做功产生推力。

本实施例中变推力水下超高速航行体的工作过程为：

在从静止加速到超高速巡航阶段，首先总控制舱38发出点火指令触发助推发动机7点火工作，助推发动机7工作，并负责将航行体在短时间内加速至高速航行状态；

总控制舱38发出点火指令后紧接着触发通气指令，使流化气体从流化气源2经第一通气管路13进入通气加压装置12，进而在通气加压装置12内形成高压状态，通气加压装3内的高压气体经第二通气管路14进入空化器11，流化气体从空化器11流出，随后在航行体外部的高速迎面水流下演化为超空泡；

当航行体在助推发动机7作用下达到高速巡航状态，助推发动机7关机，粉末燃料水冲压发动机启动，总控制舱38关闭通气指令，此时通气空化转为自然空化，在自然空化作用下，航行体维持超空泡巡航状态；

进入高速状态后，总控制舱38先后触发燃气发生器3、供粉及供水指令。此时燃气发生器3产生的高温燃气进入水冲压发动机燃烧室4；收到供粉指令后，驱动气源9内的驱动气推动活塞板19，将粉末燃料向前推移，同时流化气源2内的流化气进入粉末燃料储箱10，使流化气携带粉末燃料进入水冲压发动机燃烧室4；收到供水指令后，水流量控制器6内的冲压水流进入水冲压发动机燃烧室4；在高速巡航状态，粉末燃料在高温燃气作用下与冲压进水进行掺混燃烧，燃烧产生的高温高压气体经尾喷管5喷出产生推力。

在高速巡航状态，通过调节流化气源2、驱动气源9流入粉末燃料储箱10的进气量进而调节进入水冲压发动机燃烧室4内的粉末燃料质量流量，通过水流量控制器6调节进入水冲压发动机燃烧室4内的冲压水流质量流量；通过调节粉末燃料质量流量及冲压水流质量流量，最终调节粉末燃料水冲压发动机推力。在整个航行过程中，总控制舱38根据航行状态触发相应的作动指令，进而通过穿刺尾舵8进行机动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。