关于水下混合动力多功能探测航行器的研究

关于水下混合动力多功能探测航行器的研究一．项目名称水下混合动力多功能探测航行器二．项目背景水下航行器的研制工作起始于20世纪40．50年代。最初研制的是载人水下航行器，从20世纪60年代开始研制遥控水下航行器(ROY)。当时，主要是代替潜水员进行水探测、沉船打捞和水下电缆铺设和维修。自20世纪80年代以来，水下航行器技术得到很大发展，目前，世界上有十几个国家正在从事无人水下航行器的研制，包括美国、英国、法国、德国、意大利、挪威、瑞典、葡萄牙、丹麦、日本、加拿大、俄罗斯、韩国、澳大利亚等，其中以美国、俄罗斯、日本和西欧等国处于领先地位。本文着重论述了水下航行器依靠复合材料和混合动力来实现新型水下航行器的高速度，远航程，甚至可以达到“隐身”的效果。并可实现水下多功能探测。三． 基本设计一.水下航行器外形设计俯视图侧视图前视图后视图外形总体在出水口出为磁流体发动机，上侧设有出水口和天线，在航行过程中可以收回航行体，前侧装有探测器，机械手臂等探测设备。外形整体下部为动力装置部分，前侧为探测仓，中部为控制仓，整体采用流线型设计。二.水下航行器壳体表面设计柔性面减阻与随行波减租复合技术柔性面一般为薄的弹性涂层或一层不渗透的薄膜，其减阻增推的最主要原因在于改变了附面层内湍流结构，其减阻机理不同于一般的涂料。柔性面利用的是弹性涂层能抑制和吸收压力脉动[，尽可能延迟层流边界层向湍流边界层的转捩，导致层流边界层的增厚，维持层流边界层流动。从而利用层流边界层固有的低摩擦性能，达到减阻的目的。国外很早就尝试将柔性面技术用在舰船的减阻上，Kramer在1957年首先提出利用“人造海豚皮”进行柔性面湍流减阻试验的设想。人们根据海豚的高泳速和体力推进效率判断：海豚必有一种能力使皮肤大部分区域保持层流状态。Kramer正是根据这一推测模拟海豚皮肤制成有柔性外套的模型，试验发现具有明显的减阻作用。在Kramer试验近三十年后，沃里克大学的Lucey，Carpenter和Garrad等研究了柔性面的转捩延迟作用，从理论上证明Kramer型柔性面具有一定的延迟转捩作用。他们的数值模拟结果与Gaster在1987年报导的水池牵曳模型试验与计算相结合的研究结果相吻合。上世纪80~90年代已有相当多的论文涉及到柔性面的减阻和稳定效应。Taneda等人做过一个实验：将一块充分柔软的薄板放在湍流态的来流中，薄板顺着外流作行波状的上下摆动，只要波动的相速度c大于来流速度U，这块柔顺板上没有流动分离，而且湍流被抑制，因此摩阻减小。当c/U比值越大，湍流的层流化越明显，减阻效果越好。最近的数值模拟也证实了上述结果。国内南京航空航天大学的张庆利等用0.25mm厚的乳胶作了柔皮在风洞有延迟边界转捩作用的试验研究[，试验结果证明柔皮的确有减阻作用。华中理工大学的李万平]等也对硅胶柔性壁减阻进行了试验研究，在速度为1.25m/s时最大减阻为11%，但速度较高时减阻率趋于零。Cooper和Carpanter致力于从理论研究的角度优化柔顺涂层以达到最大程度的减低表面摩擦阻力；俄罗斯学者Kulick和Semonov的模拟计算研究证明：柔性壁能有效的降低表面摩阻和流动噪声。柔性面另有一种独特的作用是降低航行器辐射的噪声。柔性面使边界层产生同步波动，使边界层的波动频率、波速、振幅分别与柔性表面的参数相等。在这种情况下，脉动力和阻力可减小，从而减小牛顿剪切应力，阻滞层流边界层向湍流边界层的转捩，有效地减弱湍流猝发时的脉冲力对壁面作用的强度，从而导致噪声的降低。试验结果表明：在壳板表面涂敷一层能对随机撞击脉冲力起衰减作用的透声橡胶类柔软物质，可降低腔内噪声5～15dB。就水下航行器采取的减阻技术而言，柔性面技术减阻的优点是适用于运动的物体表面，如潜艇、鱼雷等。设计柔性面减阻材料要满足4个条件[7]：(1)剪切模量G应与水动压力同量级；(2)密度与水接近；(3)小阻尼(即很小的柔面耗散)；(4)不透水。这意味着需要合成一种高柔软，低阻尼(低损耗性)的低模量树脂基料，而且涂层还应具有优良的力学和耐海水性能。文献中报导[77]柔性表皮一般仅0.25~3mm厚，剪切模量G约40N/m2。美国NOTS(NavyOrdnanceTestStation)测出柔性表皮对2～160Hz噪声有效[80]。NavalResearchLab等做过各种柔性表皮的减阻降噪试验，并已公布一种典型的柔性表皮的配方和混炼工艺。国外报道有两种方法生成柔性面，一种是配制成胶液涂在基材上，一种是直接制成柔性面。配制胶液：采用过聚氯乙烯(PVC)树脂＋塑性剂(Plasticizer-Dop，双-二乙基-已基酞酸盐)＋稳定剂(二丁基马来酸酯)在室温下混合比例为7：100：0.7(重量)，加热到160℃，90秒喷涂在基材上，材料的剪切模量取决于塑性剂配置[80]。也有人采用过聚氧化乙烯(Ployox)涂液，浓度为0.5~100ppmw，雷诺数Re数1～8×106，发现聚合物浓度对边界层厚度发展有影响，用Pitot管或激光Doppler在小循环水槽中测到的速度剖面显示：当浓度较大时，边界层厚度变小，但有一个极限存在[81]。直接制成塑胶用于减阻的聚合物也曾用过，如聚氧化乙烯(PolyoxWSR-3d)，聚丙烯酰胺(SeparanAP-273及Magnifloc837A)，聚氯乙烯(加热聚氯乙烯树脂、二辛基酞酸脂和二丁锡马来酸脂)，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(由端键化学形成)等[81]。也有形成双层的柔性面材料，下层用多孔泡沫型耗散的粘弹性低模量的聚氨基甲酸乙酯(脲烷)或聚氨基甲酸酯，上面复以PVC塑料液与硅酮胶/硅酮油、家用明胶配成的薄涂层或乳胶橡胶[81]。我国在各类基金资助下，近年来也开始对柔性表皮减阻降噪进行机理性研究和小样试验。南京航空航天大学虽用乳胶作了柔皮有延迟边界层转捩的试验[74,82]，但无具体减阻数据可作比较。目前该技术研究主要朝柔性面材料及各向异性材料两个方向发展。实验发现各向异性柔性面比各向同性柔性面有明显的稳定影响[83]。各向异性柔性面可以制得轻些、弹性模量低些。计算也表明：各向异性柔性面转捩延迟效果更好。随行波减阻也属于一种表面修形技术，一般用于水中。要注意的是随行波减阻与沟槽面湍流减阻又有区别，两者虽然都在物面形成规则的凹凸，但沟槽法的沟槽顺流向；而随行波减阻表面开的是与来流方向相垂直的纵向槽[84]。随行波减阻和纵向沟槽减阻两者谷槽的方向正好交成90o。事实上，海豚皮肤点状突出物是成排成行地排列，随行波方案和沟槽方案都只取了其中一个方面，加上现在已发现糙度对降噪有利[85-86]，因此从峰谷距、沟槽尺度都是相当地小，在某种程度上可以将两者加上糙度综合考虑(空气中，纵槽减阻也可达10～15%)。随行波、柔性面都体现了对物面湍流减阻的研究，且恰好分别体现了这类从边界层着手的两种不同的途径。柔性面利用的是层流边界层固有的低摩擦性能，尽可能延迟边界层转捩，以维持层流边界层流动；而随行波保持了边界层的湍流特性，但对其流动形态作了调整，利用垂直于流向的凹槽内留驻的小涡形成滚珠[87](见图1-3)，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而大大降低阻力。图1-3随行波减阻示意图随行波改变了湍流边界层内的水流动形态，变流固之间的滑动摩擦为滚动摩擦，这是使用随行波技术的核心价值。无论怎样对水中航行器外表面进行精加工，或者涂上纳米油漆使得沾水面光滑度大为提高，当航行器行驶在水中时，流体和器壁产生的摩擦总是属于滑动摩擦。目前技术没有可能直接去测量流体滚珠摩擦系数。但是对于干摩擦是很清楚的。精加工金属之间的滑动摩擦系数约0.10，它们之间的滚动摩擦系数约0.005，两者之间相差约20倍。如果制成轴承，则金属间滚动摩擦系数会更小，约0.0005～0.0010[88]。随行波产生的留驻在波谷中的旋涡实际上就是水质滚珠，许许多多的微型水珠轴承将水中航行体与水隔开。并且与湿摩擦总小于干摩擦一样，湿滚动摩擦也总小于湿滑动摩擦。随行波减阻降噪贴敷层对材料要求只是硬质，关键是周期起伏不平的形状设计，好的设计使得贴敷面起伏形状一致于随行波形状，且在敷面起伏的波谷中留驻旋涡，不出现层面上旋涡飘散的现象。随行波减阻技术是一项前沿技术，它模拟水中生物柔面上下自体振荡产生的随行波，减少了分离，抑制了湍流，从而实现减阻。随行波使壁面上嵌有许许多多微小的水滚珠轴承，滚动摩擦系数一般又与滚动半径无关，而且水珠尺寸微小基本上落在边界层内，不过度受来流大小的干扰。最新的实验表明：随行波和柔性面技术是有效、方便的减阻方法[89]；边界层底层流动结构显示有可能成为减阻研究的重要手段；随行波、柔性面都体现了对物面湍流减阻的研究，且恰好分别体现了这类从边界层着手的两种不同途径。采用随行波技术制成的船用减阻贴敷材料与柔性面技术集成，是一种方兴未艾的减阻技术研究方向[90]。三．水下航行器壳体复合材料具有高比强、高比模、耐高温、韧性好、抗腐蚀与耐磨损等特性，已广泛应用于空间飞行器、舰（潜）艇、水下航行体（鱼雷、诱饵、侦察器、靶雷、反鱼雷鱼雷）、导弹、民用客机等各种军民用产品上。此水下航行器就用碳纤维-玻璃纤维-石墨协同改性PTFE作为壳体材料。玻纤和碳纤维使复合材料冲击强度下降;玻纤使复合材料拉伸强度下降,碳纤维则使复合材料拉伸强度稍有增强;玻纤和碳纤维均使复合材料压缩强度增加,但碳纤维的增强效果更为明显;石墨、玻纤和碳纤维协同增强PTFE复合材料的拉伸强度较高,弹性模量较大,断裂伸长率较高,抗压缩性能明显提高,且材料拉伸时呈塑性断裂,是综合力学性能较好的高性能润滑密封材料。1.降低水下航行体噪声。噪声主要是来自动力系统、螺旋桨和水下航行体表面的流动。要降低水下航行体噪声，必须合理设计水下航行体的内外结构，合理选用各部分材料。水下航行体传动装置采用高比强、高比模的先进复合材料能有效降低UUV的振动，从而降低噪声。而随性波减租技术和柔性面技术有效减少UUV表面水流噪声。2.降低水下航行体阻力。水下航行体航行过程中所受的阻力主要为形状阻力及水下航行体与水的摩擦阻力。前者可以通过合理的外形设计来降低，后者则可通过采用降阻材料来实现，我们通过航行器壳体柔性面和随性波减租复合技术实现降阻，同时也降低了水下航行体表明的流动噪声，且提高了航速。3.降低水下航行体的主动声反射能力。水下航行体壳体通过柔性面涂层可吸收主动声纳对水下航行体的探测信号，从而降低了水下航行体的声反射能力。4.碳纤维-玻璃纤维-石墨协同改性PTFE可以抑制磁异常变化属于无磁性材料，用于水下航行体壳体，磁异常探测仪就探测不到水下航行体，从而达到另外途径隐形的目的。四．水下航行器混合动力此水下航行器的动力采用核动力为主动力，磁流体喷水推进动力为备用动力的动力设计。此水下航行器以核反应堆为主动力来源设计的，依靠此项技术，可以使此水下航行器的隐蔽性大大地提高，噪声级降低，航速提高，水下续航能力和自持力也可以达到军用核潜艇的标准。此水下航行器的辅动力采用了磁流体喷水推进。此技术是中国拟定的第四代常规潜艇上的动力源。所谓的“磁流体推进器”就是贯通海水的通道内建有一个磁场，这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用，使之在通道内运动，若运动方向指向船艉，则反作用力便会推动船舶前进。与传统机械转动类推进器(譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等)相比较，磁流体推进器的不同点在于：前者使用机械动力作为推力而后者使用电磁力。正因为如此，磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等，是一个完全静止的设备。一旦现代航行器使用了这种推进器，便从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制，而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。据理论计算其航速可达150节，而这是任何机械转动类推进器不可能实现的。所以此技术可以实现水下航行器的超高航速五．机械手臂的实现为实现水下航行的探测功能，完成海底资源勘探，水下考古，海底地形测量需要灵活的操作能力，我们采用德国机器人与机械电子研究所科学家日前成功研制出一种功能强劲的机器人手臂，其功能强劲，拥有惊人的活动范围。它的手指由38根腱控制，每一根腱由前臂内部自带的发动机驱动，每个关节由2根腱组成。当发动机启动时，这些关节就可以进行相应方向的运动。当发动机转向相反方向时，这些关节也会进行调整。这只机器人手臂不仅仅可以抓住皮球，而且柔韧到可以完成许多精细的操作。在实验中，研究人员用一根棒球棒猛烈击打这只机器人手臂，结果手臂完好无损。除了可以承受如此猛烈的打击外，这只机器人手臂还拥有许多惊人的功能，比如它的手指可以产生30牛顿的压力，可以完成刺激按摩，手指抓紧时可以使人窒息死亡。此外，它的动作相当敏捷、灵活。它的关节每秒种可以旋转500度。如果它将弹簧收紧至各个腱都结合到一起的程度，然后再释放，此时关节的旋转速度可达每秒2000度(约合每分钟333转)。如此灵活的实现完成水下各种功能轻而易举。六．探测设备的实现探测设备装载水下美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载探测系统，我们将其装载到水下航行器上在近距离对水下的探测成像具有一定的实用性。此设备具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测目标。可用于海底打捞，水下矿物质的采集。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，我们将其适用于海底地形成像，效果应该很好。四．水下航行器的特点1.降低水下航行体噪声。噪声主要是来自动力系统、螺旋桨和水下航行体表面的流动。要降低水下航行体噪声，必须合理设计水下航行体的内外结构，合理选用各部分材料。水下航行体传动装置采用高比强、高比模的先进复合材料能有效降低UUV的振动，从而降低噪声。而随性波减租技术和柔性面技术有效减少UUV表面水流噪声。2.降低水下航行体阻力。水下航行体航行过程中所受的阻力主要为形状阻力及水下航行体与水的摩擦阻力。前者可以通过合理的外形设计来降低，后者则可通过采用降阻材料来实现，我们通过航行器壳体柔性面和随性波减租复合技术实现降阻，同时也降低了水下航行体表明的流动噪声，且提高了航