【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下航行器减阻，具体涉及一种基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器及其驱动方法。
技术介绍
1、续航时间和航速是水下航行器规划与执行任务的关键性能指标之一，为满足未来海洋作业任务需要，提高水下航行器任务执行能力和水下生存能力，水下航行器亟需提升综合高航速、长航时、高机动的性能，尤其是20kn以上高速航行能力和超过2m/s2的高机动能力。
2、水下航行器在高速机动时续航时间会显著减少，其主要原因是高航速下阻力显著增大。因此，水下减阻技术也是提高水下航行器航速、续航时间、高速机动能力等的关键技术之一。
3、超空泡减阻技术通过在航行器周围产生稳定的气相而减小阻力，对航行器结构要求较低，减阻率可以达到90％以上。超空泡减阻分为自然超空泡减阻和人工通气超空泡减阻，前者要求航速足够大，较难实现，稳定性差；后者要求装备气源，可以用于水下航行器减阻。
4、人工通气超空泡主要有三种生成的途径或方法，分别为气体射流方法、液体射流方法和空化器方法。其中气体射流方法由于通气量过大、空泡内湍流流动特性明显，难以在实际过程中应用；空化器方法因其可以减少通气量、空泡较为稳定等优点而被广泛应用；另一方面，随着航行器下潜深度的变深，超空泡通气压力也在不断增大，会导致续航时间变短。
5、通过对压缩气体储能技术与人工通气超空泡减阻技术耦合特性的研究可以发现，在航速不同时，动力与阻力耦合情况下的压缩气体流量也不相同，且航速越大，航行过程平均压缩气体流量越大，过程平均减阻率越高，超空泡减阻对续航时间的
6、研究结果显示，由于航行器头部增设空化器，在小通气流量下，即超空泡闭合在航行器头部或柱段时，由于空化器的存在减小了空化数，使超空泡更易生成，可以获得更高的减阻率；而当通气量增大至一定程度时，形成可以完全包裹航行器的超空泡，此时超空泡闭合在航行器尾部，称之为自由闭合超空泡，超空泡航行器的阻力主要由沾湿面产生，在自由闭合超空泡阶段，沾湿面主要为头部空化器迎流端面，因此在增设空化器时达到自由闭合超空泡阶段时的沾湿面变大，导致最大减阻率受限。
7、在深海航行时，随着航行深度增大，海水静压增大，通气压力增大，即气动系统出口压力增大，一方面会导致实际通气质量增大，另一方面会导致气动系统总膨胀比降低、系统总输出功降低，二者均会进一步导致续航时间衰减。以航速10kn为例，在近水面航行时续航时间可以达到11.40h，而当航行器下潜至50m时续航时间将衰减至7.76h，衰减比例达到31.9％，当航行器下潜至100m时续航时间将衰减至5.55h，衰减比例达到51.3％。由此可见，耦合压缩气体储能与人工通气超空泡系统受航行深度的负面影响较大，不利于航行器深海航行。
8、此外可见，航行深度会同时影响动力和阻力，进而影响其耦合特性。在同一航速下，随着航行深度加深，压缩气体流量整体增大，在高航速时会使得超空泡提前进入自由闭合超空泡阶段，此时减阻率接近最大减阻率，随着航速的进一步提高或下潜深度的进一步加深，通气量继续增大时减阻率几乎不再改变，此时超空泡减阻对续航时间的增益效果减弱，这是限制航行器深海高速航行的主要关键技术问题之一。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器及其驱动方法。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，包括储能压缩气体装置、液体射流装置和压缩气体流量调节装置；
3、水下航行器头部空化器处同时实现通过储能压缩气体装置进行径向气体通气，以及前端面通过液体射流装置向来流方向喷射细长液体流；
4、所述储能压缩气体装置用于将压缩气体经过若干个膨胀换热单元后，通过航行器头部空化器的用于增大空泡内压力的通气孔排入航行器外界流场，形成超空泡实现减阻的效果；储能压缩气体装置连接推进装置，压缩气体经过多个膨胀换热单元中膨胀机膨胀做功输出转矩，为航行器提供推力；
5、所述液体射流装置水箱、高压泵以及航行器头部空化器的液体射流孔；所述高压泵入口连接水箱，出口连接航行器头部空化器的液体射流孔，在头部向来流方向喷射细长液体流，使超空泡前端在空化器前部生成，减小航行器沾湿面面积，并增大超空泡特征直径和特征长度，耦合人工通气超空泡进一步减小空化数，使超空泡更易生成和获得更大的减阻率，提高续航时间，续航时间提高比例与液体射流速度和航速之比成正比；
6、所述压缩气体流量调节装置用于基于航行深度并结合动力和阻力关系，根据期望航速反馈调节压缩气体流量，补充动力，保持航速稳定。
7、进一步地，相邻两个膨胀换热单元的膨胀机之间通过变速箱连接；膨胀换热单元包括控制阀、膨胀机、换热器和三通接头；
8、每个膨胀换热单元的换热器通过三通接头分别连接控制阀的出口ⅰ、和膨胀机，膨胀机的出口连接下一膨胀换热单元的换热器；每个膨胀换热单元控制阀的出口ⅱ连接到下一膨胀换热单元的控制阀入口；
9、压缩气体储气罐的气体出口通过气动开关阀连接第一膨胀换热单元的换热器；经过若干个膨胀换热单元的压缩气体膨胀和换热处理，最后一个膨胀换热单元的膨胀机的出口通过气体管路连接航行器头部空化器的通气孔，气体排入航行器外界流场。
10、进一步地，当航行速度增大时，需同步增大液体射流速度以达到同样理想的减阻效果；所述的液体射流速度与来流速度，即航行速度相关，在减阻率相同的情况下，液体射流速度与来流速度成正相关关系。
11、进一步地，用液体射流速度与航速之比作为调节射流速度的标准，液体射流速度与航速比为0～5，当速度比为0时为单纯通气的超空泡效应。
12、进一步地，随着航行深度的加深和航速增加，人工通气超空泡所需通气质量上升，超空泡减阻对续航时间的增益效果变弱，耦合液体射流，将超空泡由自由闭合阶段退至柱段闭合阶段，即基于不同深度和不同航速对应的进入超空泡由自由闭合阶段时间，根据实际需求来设置液体射流速度，期望达到所需的续航时间。
13、进一步地，所述的推进装置为定距桨或调距桨。
14、另一方面，本专利技术还提供了一种基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器的驱动方法，该驱动方法包括气体膨胀与通气过程、液体射流过程、压缩气体流量调节过程以及转矩传动过程；
15、所述气体膨胀与通气过程包括：压缩气体储气罐释放高压气体，释放过程气体温度降低，压缩气体经过多个膨胀换热单元反复换热升温与膨胀做功过程，最后流向航行器头部空化器的通气孔后排入航行器外界流场，形成超空泡实现减阻的效果；
16、所述液体射流过程包括：液体储存在水箱中，当需要液体射流时，液体由高压泵加速至所需流速，通过航行器头部空化器的液体射流孔射流至外流场，使超空泡前端在空化器前部生成，减小航行器沾本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，包括储能压缩气体装置、液体射流装置和压缩气体流量调节装置；
2.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，相邻两个膨胀换热单元的膨胀机之间通过变速箱连接；膨胀换热单元包括控制阀、膨胀机、换热器和三通接头；
3.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，当航行速度增大时，需同步增大液体射流速度以达到同样理想的减阻效果；所述的液体射流速度与来流速度，即航行速度相关，在减阻率相同的情况下，液体射流速度与来流速度成正相关关系。
4.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，用液体射流速度与航速之比作为调节射流速度的标准，液体射流速度与航速比为0～5，当速度比为0时为单纯通气的超空泡效应。
5.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，随着航行深度的加深和航速增加，人工通气超空泡所需通气质量上升，超空泡减阻对续航时间的增益效果
6.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，所述的推进装置(18)为定距桨或调距桨。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器的驱动方法，其特征在于，该驱动方法包括气体膨胀与通气过程、液体射流过程、压缩气体流量调节过程以及转矩传动过程；
...【技术特征摘要】
1.一种基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，包括储能压缩气体装置、液体射流装置和压缩气体流量调节装置；
2.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，相邻两个膨胀换热单元的膨胀机之间通过变速箱连接；膨胀换热单元包括控制阀、膨胀机、换热器和三通接头；
3.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，当航行速度增大时，需同步增大液体射流速度以达到同样理想的减阻效果；所述的液体射流速度与来流速度，即航行速度相关，在减阻率相同的情况下，液体射流速度与来流速度成正相关关系。
4.根据权利要求1所述的基于液体射流与超空泡耦合减阻的大潜深水下航行器，其特征在于，用液体射流速度与航速之比作为调节射流速度的标准，液体射流速度与航速比为...
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