關(guān)于水下混合動(dòng)力多功能探測(cè)航行器的研究

關(guān)于水下混合動(dòng)力多功能探測(cè)航行器的研究一．項(xiàng)目名稱水下混合動(dòng)力多功能探測(cè)航行器二．項(xiàng)目背景水下航行器的研制工作起始于20世紀(jì)40．50年代。最初研制的是載人水下航行器，從20世紀(jì)60年代開始研制遙控水下航行器(ROY)。當(dāng)時(shí)，主要是代替潛水員進(jìn)行水探測(cè)、沉船打撈和水下電纜鋪設(shè)和維修。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，水下航行器技術(shù)得到很大發(fā)展，目前，世界上有十幾個(gè)國(guó)家正在從事無(wú)人水下航行器的研制，包括美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、挪威、瑞典、葡萄牙、丹麥、日本、加拿大、俄羅斯、韓國(guó)、澳大利亞等，其中以美國(guó)、俄羅斯、日本和西歐等國(guó)處于領(lǐng)先地位。本文著重論述了水下航行器依靠復(fù)合材料和混合動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)新型水下航行器的高速度，遠(yuǎn)航程，甚至可以達(dá)到“隱身”的效果。并可實(shí)現(xiàn)水下多功能探測(cè)。三． 基本設(shè)計(jì)一.水下航行器外形設(shè)計(jì)俯視圖側(cè)視圖前視圖后視圖外形總體在出水口出為磁流體發(fā)動(dòng)機(jī)，上側(cè)設(shè)有出水口和天線，在航行過(guò)程中可以收回航行體，前側(cè)裝有探測(cè)器，機(jī)械手臂等探測(cè)設(shè)備。外形整體下部為動(dòng)力裝置部分，前側(cè)為探測(cè)倉(cāng)，中部為控制倉(cāng)，整體采用流線型設(shè)計(jì)。二.水下航行器殼體表面設(shè)計(jì)柔性面減阻與隨行波減租復(fù)合技術(shù)柔性面一般為薄的彈性涂層或一層不滲透的薄膜，其減阻增推的最主要原因在于改變了附面層內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)，其減阻機(jī)理不同于一般的涂料。柔性面利用的是彈性涂層能抑制和吸收壓力脈動(dòng)[，盡可能延遲層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)捩，導(dǎo)致層流邊界層的增厚，維持層流邊界層流動(dòng)。從而利用層流邊界層固有的低摩擦性能，達(dá)到減阻的目的。國(guó)外很早就嘗試將柔性面技術(shù)用在艦船的減阻上，Kramer在1957年首先提出利用“人造海豚皮”進(jìn)行柔性面湍流減阻試驗(yàn)的設(shè)想。人們根據(jù)海豚的高泳速和體力推進(jìn)效率判斷：海豚必有一種能力使皮膚大部分區(qū)域保持層流狀態(tài)。Kramer正是根據(jù)這一推測(cè)模擬海豚皮膚制成有柔性外套的模型，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有明顯的減阻作用。在Kramer試驗(yàn)近三十年后，沃里克大學(xué)的Lucey，Carpenter和Garrad等研究了柔性面的轉(zhuǎn)捩延遲作用，從理論上證明Kramer型柔性面具有一定的延遲轉(zhuǎn)捩作用。他們的數(shù)值模擬結(jié)果與Gaster在1987年報(bào)導(dǎo)的水池牽曳模型試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的研究結(jié)果相吻合。上世紀(jì)80~90年代已有相當(dāng)多的論文涉及到柔性面的減阻和穩(wěn)定效應(yīng)。Taneda等人做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一塊充分柔軟的薄板放在湍流態(tài)的來(lái)流中，薄板順著外流作行波狀的上下擺動(dòng)，只要波動(dòng)的相速度c大于來(lái)流速度U，這塊柔順板上沒(méi)有流動(dòng)分離，而且湍流被抑制，因此摩阻減小。當(dāng)c/U比值越大，湍流的層流化越明顯，減阻效果越好。最近的數(shù)值模擬也證實(shí)了上述結(jié)果。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)的張慶利等用0.25mm厚的乳膠作了柔皮在風(fēng)洞有延遲邊界轉(zhuǎn)捩作用的試驗(yàn)研究[，試驗(yàn)結(jié)果證明柔皮的確有減阻作用。華中理工大學(xué)的李萬(wàn)平]等也對(duì)硅膠柔性壁減阻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在速度為1.25m/s時(shí)最大減阻為11%，但速度較高時(shí)減阻率趨于零。Cooper和Carpanter致力于從理論研究的角度優(yōu)化柔順涂層以達(dá)到最大程度的減低表面摩擦阻力；俄羅斯學(xué)者Kulick和Semonov的模擬計(jì)算研究證明：柔性壁能有效的降低表面摩阻和流動(dòng)噪聲。柔性面另有一種獨(dú)特的作用是降低航行器輻射的噪聲。柔性面使邊界層產(chǎn)生同步波動(dòng)，使邊界層的波動(dòng)頻率、波速、振幅分別與柔性表面的參數(shù)相等。在這種情況下，脈動(dòng)力和阻力可減小，從而減小牛頓剪切應(yīng)力，阻滯層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)捩，有效地減弱湍流猝發(fā)時(shí)的脈沖力對(duì)壁面作用的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致噪聲的降低。試驗(yàn)結(jié)果表明：在殼板表面涂敷一層能對(duì)隨機(jī)撞擊脈沖力起衰減作用的透聲橡膠類柔軟物質(zhì)，可降低腔內(nèi)噪聲5～15dB。就水下航行器采取的減阻技術(shù)而言，柔性面技術(shù)減阻的優(yōu)點(diǎn)是適用于運(yùn)動(dòng)的物體表面，如潛艇、魚雷等。設(shè)計(jì)柔性面減阻材料要滿足4個(gè)條件[7]：(1)剪切模量G應(yīng)與水動(dòng)壓力同量級(jí)；(2)密度與水接近；(3)小阻尼(即很小的柔面耗散)；(4)不透水。這意味著需要合成一種高柔軟，低阻尼(低損耗性)的低模量樹脂基料，而且涂層還應(yīng)具有優(yōu)良的力學(xué)和耐海水性能。文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)[77]柔性表皮一般僅0.25~3mm厚，剪切模量G約40N/m2。美國(guó)NOTS(NavyOrdnanceTestStation)測(cè)出柔性表皮對(duì)2～160Hz噪聲有效[80]。NavalResearchLab等做過(guò)各種柔性表皮的減阻降噪試驗(yàn)，并已公布一種典型的柔性表皮的配方和混煉工藝。國(guó)外報(bào)道有兩種方法生成柔性面，一種是配制成膠液涂在基材上，一種是直接制成柔性面。配制膠液：采用過(guò)聚氯乙烯(PVC)樹脂＋塑性劑(Plasticizer-Dop，雙-二乙基-已基酞酸鹽)＋穩(wěn)定劑(二丁基馬來(lái)酸酯)在室溫下混合比例為7：100：0.7(重量)，加熱到160℃，90秒噴涂在基材上，材料的剪切模量取決于塑性劑配置[80]。也有人采用過(guò)聚氧化乙烯(Ployox)涂液，濃度為0.5~100ppmw，雷諾數(shù)Re數(shù)1～8×106，發(fā)現(xiàn)聚合物濃度對(duì)邊界層厚度發(fā)展有影響，用Pitot管或激光Doppler在小循環(huán)水槽中測(cè)到的速度剖面顯示：當(dāng)濃度較大時(shí)，邊界層厚度變小，但有一個(gè)極限存在[81]。直接制成塑膠用于減阻的聚合物也曾用過(guò)，如聚氧化乙烯(PolyoxWSR-3d)，聚丙烯酰胺(SeparanAP-273及Magnifloc837A)，聚氯乙烯(加熱聚氯乙烯樹脂、二辛基酞酸脂和二丁錫馬來(lái)酸脂)，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲脂，聚酰胺66，聚二甲基硅氧烷(由端鍵化學(xué)形成)等[81]。也有形成雙層的柔性面材料，下層用多孔泡沫型耗散的粘彈性低模量的聚氨基甲酸乙酯(脲烷)或聚氨基甲酸酯，上面復(fù)以PVC塑料液與硅酮膠/硅酮油、家用明膠配成的薄涂層或乳膠橡膠[81]。我國(guó)在各類基金資助下，近年來(lái)也開始對(duì)柔性表皮減阻降噪進(jìn)行機(jī)理性研究和小樣試驗(yàn)。南京航空航天大學(xué)雖用乳膠作了柔皮有延遲邊界層轉(zhuǎn)捩的試驗(yàn)[74,82]，但無(wú)具體減阻數(shù)據(jù)可作比較。目前該技術(shù)研究主要朝柔性面材料及各向異性材料兩個(gè)方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各向異性柔性面比各向同性柔性面有明顯的穩(wěn)定影響[83]。各向異性柔性面可以制得輕些、彈性模量低些。計(jì)算也表明：各向異性柔性面轉(zhuǎn)捩延遲效果更好。隨行波減阻也屬于一種表面修形技術(shù)，一般用于水中。要注意的是隨行波減阻與溝槽面湍流減阻又有區(qū)別，兩者雖然都在物面形成規(guī)則的凹凸，但溝槽法的溝槽順流向；而隨行波減阻表面開的是與來(lái)流方向相垂直的縱向槽[84]。隨行波減阻和縱向溝槽減阻兩者谷槽的方向正好交成90o。事實(shí)上，海豚皮膚點(diǎn)狀突出物是成排成行地排列，隨行波方案和溝槽方案都只取了其中一個(gè)方面，加上現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)糙度對(duì)降噪有利[85-86]，因此從峰谷距、溝槽尺度都是相當(dāng)?shù)匦。谀撤N程度上可以將兩者加上糙度綜合考慮(空氣中，縱槽減阻也可達(dá)10～15%)。隨行波、柔性面都體現(xiàn)了對(duì)物面湍流減阻的研究，且恰好分別體現(xiàn)了這類從邊界層著手的兩種不同的途徑。柔性面利用的是層流邊界層固有的低摩擦性能，盡可能延遲邊界層轉(zhuǎn)捩，以維持層流邊界層流動(dòng)；而隨行波保持了邊界層的湍流特性，但對(duì)其流動(dòng)形態(tài)作了調(diào)整，利用垂直于流向的凹槽內(nèi)留駐的小渦形成滾珠[87](見圖1-3)，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，從而大大降低阻力。圖1-3隨行波減阻示意圖隨行波改變了湍流邊界層內(nèi)的水流動(dòng)形態(tài)，變流固之間的滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，這是使用隨行波技術(shù)的核心價(jià)值。無(wú)論怎樣對(duì)水中航行器外表面進(jìn)行精加工，或者涂上納米油漆使得沾水面光滑度大為提高，當(dāng)航行器行駛在水中時(shí)，流體和器壁產(chǎn)生的摩擦總是屬于滑動(dòng)摩擦。目前技術(shù)沒(méi)有可能直接去測(cè)量流體滾珠摩擦系數(shù)。但是對(duì)于干摩擦是很清楚的。精加工金屬之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)約0.10，它們之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)約0.005，兩者之間相差約20倍。如果制成軸承，則金屬間滾動(dòng)摩擦系數(shù)會(huì)更小，約0.0005～0.0010[88]。隨行波產(chǎn)生的留駐在波谷中的旋渦實(shí)際上就是水質(zhì)滾珠，許許多多的微型水珠軸承將水中航行體與水隔開。并且與濕摩擦總小于干摩擦一樣，濕滾動(dòng)摩擦也總小于濕滑動(dòng)摩擦。隨行波減阻降噪貼敷層對(duì)材料要求只是硬質(zhì)，關(guān)鍵是周期起伏不平的形狀設(shè)計(jì)，好的設(shè)計(jì)使得貼敷面起伏形狀一致于隨行波形狀，且在敷面起伏的波谷中留駐旋渦，不出現(xiàn)層面上旋渦飄散的現(xiàn)象。隨行波減阻技術(shù)是一項(xiàng)前沿技術(shù)，它模擬水中生物柔面上下自體振蕩產(chǎn)生的隨行波，減少了分離，抑制了湍流，從而實(shí)現(xiàn)減阻。隨行波使壁面上嵌有許許多多微小的水滾珠軸承，滾動(dòng)摩擦系數(shù)一般又與滾動(dòng)半徑無(wú)關(guān)，而且水珠尺寸微小基本上落在邊界層內(nèi)，不過(guò)度受來(lái)流大小的干擾。最新的實(shí)驗(yàn)表明：隨行波和柔性面技術(shù)是有效、方便的減阻方法[89]；邊界層底層流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示有可能成為減阻研究的重要手段；隨行波、柔性面都體現(xiàn)了對(duì)物面湍流減阻的研究，且恰好分別體現(xiàn)了這類從邊界層著手的兩種不同途徑。采用隨行波技術(shù)制成的船用減阻貼敷材料與柔性面技術(shù)集成，是一種方興未艾的減阻技術(shù)研究方向[90]。三．水下航行器殼體復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、韌性好、抗腐蝕與耐磨損等特性，已廣泛應(yīng)用于空間飛行器、艦（潛）艇、水下航行體（魚雷、誘餌、偵察器、靶雷、反魚雷魚雷）、導(dǎo)彈、民用客機(jī)等各種軍民用產(chǎn)品上。此水下航行器就用碳纖維-玻璃纖維-石墨協(xié)同改性PTFE作為殼體材料。玻纖和碳纖維使復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度下降;玻纖使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度下降,碳纖維則使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度稍有增強(qiáng);玻纖和碳纖維均使復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度增加,但碳纖維的增強(qiáng)效果更為明顯;石墨、玻纖和碳纖維協(xié)同增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較高,彈性模量較大,斷裂伸長(zhǎng)率較高,抗壓縮性能明顯提高,且材料拉伸時(shí)呈塑性斷裂,是綜合力學(xué)性能較好的高性能潤(rùn)滑密封材料。1.降低水下航行體噪聲。噪聲主要是來(lái)自動(dòng)力系統(tǒng)、螺旋槳和水下航行體表面的流動(dòng)。要降低水下航行體噪聲，必須合理設(shè)計(jì)水下航行體的內(nèi)外結(jié)構(gòu)，合理選用各部分材料。水下航行體傳動(dòng)裝置采用高比強(qiáng)、高比模的先進(jìn)復(fù)合材料能有效降低UUV的振動(dòng)，從而降低噪聲。而隨性波減租技術(shù)和柔性面技術(shù)有效減少UUV表面水流噪聲。2.降低水下航行體阻力。水下航行體航行過(guò)程中所受的阻力主要為形狀阻力及水下航行體與水的摩擦阻力。前者可以通過(guò)合理的外形設(shè)計(jì)來(lái)降低，后者則可通過(guò)采用降阻材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們通過(guò)航行器殼體柔性面和隨性波減租復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)降阻，同時(shí)也降低了水下航行體表明的流動(dòng)噪聲，且提高了航速。3.降低水下航行體的主動(dòng)聲反射能力。水下航行體殼體通過(guò)柔性面涂層可吸收主動(dòng)聲納對(duì)水下航行體的探測(cè)信號(hào)，從而降低了水下航行體的聲反射能力。4.碳纖維-玻璃纖維-石墨協(xié)同改性PTFE可以抑制磁異常變化屬于無(wú)磁性材料，用于水下航行體殼體，磁異常探測(cè)儀就探測(cè)不到水下航行體，從而達(dá)到另外途徑隱形的目的。四．水下航行器混合動(dòng)力此水下航行器的動(dòng)力采用核動(dòng)力為主動(dòng)力，磁流體噴水推進(jìn)動(dòng)力為備用動(dòng)力的動(dòng)力設(shè)計(jì)。此水下航行器以核反應(yīng)堆為主動(dòng)力來(lái)源設(shè)計(jì)的，依靠此項(xiàng)技術(shù)，可以使此水下航行器的隱蔽性大大地提高，噪聲級(jí)降低，航速提高，水下續(xù)航能力和自持力也可以達(dá)到軍用核潛艇的標(biāo)準(zhǔn)。此水下航行器的輔動(dòng)力采用了磁流體噴水推進(jìn)。此技術(shù)是中國(guó)擬定的第四代常規(guī)潛艇上的動(dòng)力源。所謂的“磁流體推進(jìn)器”就是貫通海水的通道內(nèi)建有一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)能對(duì)導(dǎo)電的海水產(chǎn)生電磁力作用，使之在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，若運(yùn)動(dòng)方向指向船艉，則反作用力便會(huì)推動(dòng)船舶前進(jìn)。與傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)類推進(jìn)器(譬如螺旋槳、水泵噴水推進(jìn)器等)相比較，磁流體推進(jìn)器的不同點(diǎn)在于：前者使用機(jī)械動(dòng)力作為推力而后者使用電磁力。正因?yàn)槿绱?，磁流體推進(jìn)器無(wú)須配備螺旋槳槳葉、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸泵等，是一個(gè)完全靜止的設(shè)備。一旦現(xiàn)代航行器使用了這種推進(jìn)器，便從根本上消除了因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪音以及功率限制，而能在幾乎絕對(duì)安靜的狀態(tài)下以極高的航速航行。據(jù)理論計(jì)算其航速可達(dá)150節(jié)，而這是任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)類推進(jìn)器不可能實(shí)現(xiàn)的。所以此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水下航行器的超高航速五．機(jī)械手臂的實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)水下航行的探測(cè)功能，完成海底資源勘探，水下考古，海底地形測(cè)量需要靈活的操作能力，我們采用德國(guó)機(jī)器人與機(jī)械電子研究所科學(xué)家日前成功研制出一種功能強(qiáng)勁的機(jī)器人手臂，其功能強(qiáng)勁，擁有驚人的活動(dòng)范圍。它的手指由38根腱控制，每一根腱由前臂內(nèi)部自帶的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)由2根腱組成。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，這些關(guān)節(jié)就可以進(jìn)行相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反方向時(shí)，這些關(guān)節(jié)也會(huì)進(jìn)行調(diào)整。這只機(jī)器人手臂不僅僅可以抓住皮球，而且柔韌到可以完成許多精細(xì)的操作。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員用一根棒球棒猛烈擊打這只機(jī)器人手臂，結(jié)果手臂完好無(wú)損。除了可以承受如此猛烈的打擊外，這只機(jī)器人手臂還擁有許多驚人的功能，比如它的手指可以產(chǎn)生30牛頓的壓力，可以完成刺激按摩，手指抓緊時(shí)可以使人窒息死亡。此外，它的動(dòng)作相當(dāng)敏捷、靈活。它的關(guān)節(jié)每秒種可以旋轉(zhuǎn)500度。如果它將彈簧收緊至各個(gè)腱都結(jié)合到一起的程度，然后再釋放，此時(shí)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)每秒2000度(約合每分鐘333轉(zhuǎn))。如此靈活的實(shí)現(xiàn)完成水下各種功能輕而易舉。六．探測(cè)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)探測(cè)設(shè)備裝載水下美國(guó)諾斯羅普公司為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局研制的ALARMS機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)，我們將其裝載到水下航行器上在近距離對(duì)水下的探測(cè)成像具有一定的實(shí)用性。此設(shè)備具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和三維定位能力，定位分辨率高，可以24小時(shí)工作，采用卵形掃描方式探測(cè)目標(biāo)。可用于海底打撈，水下礦物質(zhì)的采集。美國(guó)卡曼航天公司研制成功的機(jī)載水下成像激光雷達(dá)，最大特點(diǎn)是可對(duì)水下目標(biāo)成像。由于成像激光雷達(dá)的每個(gè)激光脈沖覆蓋面積大，因此其搜索效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)。另外，成像激光雷達(dá)可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征，更加便于識(shí)別目標(biāo)，我們將其適用于海底地形成像，效果應(yīng)該很好。四．水下航行器的特點(diǎn)1.降低水下航行體噪聲。噪聲主要是來(lái)自動(dòng)力系統(tǒng)、螺旋槳和水下航行體表面的流動(dòng)。要降低水下航行體噪聲，必須合理設(shè)計(jì)水下航行體的內(nèi)外結(jié)構(gòu)，合理選用各部分材料。水下航行體傳動(dòng)裝置采用高比強(qiáng)、高比模的先進(jìn)復(fù)合材料能有效降低UUV的振動(dòng)，從而降低噪聲。而隨性波減租技術(shù)和柔性面技術(shù)有效減少UUV表面水流噪聲。2.降低水下航行體阻力。水下航行體航行過(guò)程中所受的阻力主要為形狀阻力及水下航行體與水的摩擦阻力。前者可以通過(guò)合理的外形設(shè)計(jì)來(lái)降低，后者則可通過(guò)采用降阻材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們通過(guò)航行器殼體柔性面和隨性波減租復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)降阻，同時(shí)也降低了水下航行體表明的流動(dòng)噪聲，且提高了航