專利名稱:減阻推進(jìn)射流航具的制作方法
本發(fā)明屬于水中潛行、水面航行、大氣中飛行、能夠懸停、能垂直起落、轉(zhuǎn)彎靈活、可以航天的高速運輸工具。
目前的航具在航行時由于流體繞流的物面邊介條件為零，因而產(chǎn)生摩擦阻力損失和壓差阻力損失。在大氣中起聲速飛行時產(chǎn)生激波波阻，高超聲速航行時引起介質(zhì)高溫離解。由于阻力大，進(jìn)一步提高航具速度十分困難。為了減阻，把航具制成細(xì)長形狀，至使航具結(jié)構(gòu)強度減弱，載物空間縮小。在空氣中飛行時依靠機翼獲得升力，更增加了航具尺度和重量，起落需要專用機場。轉(zhuǎn)彎靠尾舵，轉(zhuǎn)彎力小，轉(zhuǎn)向不靈活。目前雖然在機翼尾端的上側(cè)面使用了間接局部射流，但只用于補償流體繞流的動量損失，減少渦流損失，遠(yuǎn)未發(fā)揮射流的減阻推進(jìn)作用。
本發(fā)明的目的在于充分發(fā)揮射流的減阻推進(jìn)作用，制造能夠在水中高速潛行，在水面高速航行、在大氣中高速飛行、能夠懸停、能垂直起落、轉(zhuǎn)彎靈活、可以航天的高速航具，并且改造現(xiàn)有船、艦、潛艇，使之減少阻力、提高速度、轉(zhuǎn)彎靈活。
利用射流的附壁效應(yīng)，把航具推進(jìn)時產(chǎn)生的射流切向分布在航具外表面上，形成完整的表面射流層。把航具外表面設(shè)計成為對于表面射流層的跡線來說是向外凸出的形狀，使得表面射流層延壁面運動時，動量方向不斷改變，產(chǎn)生延流線主法線方向的壓力梯度。其值等于壓力梯度在流線主法向上的投影
其中，ρ是射流密度，v是射流速度，R是射流跡線曲率半徑，
是流線單位主法向量，其方向指向跡線彎曲的一方。在跡線主法向壓力梯度的作用下，航具表面壓力降低，對于不可壓縮流體，當(dāng)射流速度接近V =Pa/δR(1+12δR) ρ]]>時，壁面壓力接近于零。其中ρa是射流外層壓強，δ是射流層厚度，R是射流外層跡線曲率半徑，由于壁面壓力接近于零，靠近壁面射流發(fā)生低壓沸騰。沸騰的汽泡在射流層法向壓力梯度的作用下向壁面運動，產(chǎn)生汽泡的附壁效應(yīng)，在壁面形成含泡液，減少壁面摩擦阻力。如果所需射流速度不足以使射流層產(chǎn)生低壓沸騰，可以使用含泡水作為表面射流層。當(dāng)航具航行在大氣中時，表面射流層可以使用壓縮氣體，這適宜于航具的起落階段，也可以使用高溫等離子體，這適宜于航具高速飛行階段。當(dāng)壁面壓力低到氣體極稀薄的時候，表面摩擦阻力下降;當(dāng)使用高溫等離子體時，可以在航具壁面附近表面射流層所占空間加上強磁場，其磁力線方向與射流運動方向相同或略偏向外，利用磁凍結(jié)效應(yīng)，射流延磁力線運動，減少射流與壁面的接觸，改變空氣動力學(xué)系數(shù)，減少熱傳遞率，降低物面溫度，減少壁面摩擦阻力。表面射流層在航具尾端匯合，壓力升高，離開航具向后運動，給航具以升力和推力。當(dāng)航具進(jìn)入航天階段時，表面射流層解體，只需使用少數(shù)幾個噴咀，即可控制航具速度，操縱飛行狀態(tài)。把帶有表面射流層的航具視為一個整體，流體繞流的邊界條件將發(fā)生變化?？梢宰C明，在粘性不可壓縮流體中，如果初始條件無旋，物面邊界滿足滑移條件，繞流流體對航具的阻力為零;如果使表面射流層運動速度超過滑移速度，其阻力為負(fù)，獲得附加推進(jìn)力;當(dāng)航具在大氣中作亞聲速、超聲速、高超聲速運動時，表面射流層可以起到消除旋渦損失，減少激波波阻，減少繞流介質(zhì)升溫和離解的作用，從而減少航具機械能的耗散。這種減阻推進(jìn)方法還可以用于改造現(xiàn)有船、艦和潛艇，使之減少阻力，轉(zhuǎn)向靈活，成為高速、靈活、節(jié)能的航具;如果把航具設(shè)計成圓球形，可以獲得最大的容積，運動更加機動靈活，適宜制成小型、輕便的航具;如果把航具設(shè)計成旋轉(zhuǎn)橢球形，用于大、中型航具，有較大的適用空間。有較好的滑翔性能;如果把航具設(shè)計成圓柱形，用于大、中型航具，其兩端作為圓球形航具的門孔，可以作為母船使用;還可以把航具設(shè)計成以上形狀的組合例如雙扣著的盤子形、草帽形等等，制成大、中型航具，也能獲得較大的適用空間和較好的滑翔性能。表面射流層所用物質(zhì)，最好與繞流介質(zhì)同態(tài)，在液態(tài)介質(zhì)中航行的航具，使用液態(tài)射流層，在大氣中航行的航具，使用氣態(tài)或等離子態(tài)射流層。射流的產(chǎn)生，可以用直接加壓的方法，也可以用燃燒的方法，這兩種方法均具有吸入口，加壓泵和一套噴咀;當(dāng)航具具有軸對稱的外形時，所述表面射流層還可以通過一組能夠繞航具對稱軸旋轉(zhuǎn)的漿葉和帶動槳葉旋轉(zhuǎn)的動力裝置來產(chǎn)生，槳葉的葉面應(yīng)靠近航具并與航具外表面大體垂直，航具上還應(yīng)裝上使航具不致產(chǎn)生與槳葉反向轉(zhuǎn)動的附屬裝置例如尾舵等;當(dāng)航具使用含泡液作為表面射流層時，氣液混合可以在液體加壓之前完成，例如在液體吸入口裝上吸氣管，氣液混合在吸入管中進(jìn)行;也可以在氣液分別加壓之后混合，以減少液泵的氣蝕作用;對于淺水航船，還可以在液體剛噴射之后混合，從壁面供給適當(dāng)氣體，在近壁面的射流層中混合成含泡液。吸入口的位置，不同的航具有不同的要求。對于船、艦和潛艇，吸入口可以安裝在航具前端，以降低流體繞流的正面壓力;對于圓球形、橢球形、盤制，可以利用船、艦兩側(cè)射流的動量差，這種方法轉(zhuǎn)動力矩大，阻力小，因而轉(zhuǎn)向速度快，同時航具兩側(cè)速度差產(chǎn)生的速度環(huán)量使其航具水下部份產(chǎn)生側(cè)向升力，此力與航具轉(zhuǎn)彎時的離心力方向相同，可以減少船、艦轉(zhuǎn)彎時船身的傾斜度;對于潛艇和各種旋轉(zhuǎn)對稱的航具，如使用噴咀產(chǎn)生表面射流層，則可以用控制表面射流層動量分布的方法，使吸入口偏向欲前進(jìn)的一方，從而控制航向。例如欲向左轉(zhuǎn)，則加大右邊射流動量，減少左邊射流動量，使吸入口偏向左邊，欲上升，則加大下部射流動量，減少上部射流動量，使吸入口偏向上方;對于槳葉式航具，可以利用舵來控制航向，也可以用改變重心的方法，讓重心偏向待前進(jìn)的一側(cè);對于圓柱形航具，正常航行時其軸成水平態(tài)，并與運動方向垂直，在空氣中起落時，吸入口一側(cè)向上，水平前進(jìn)時吸入口偏向前進(jìn)方向，其控制的方法，可以移動重心，使吸入口向運動方向偏移，也可以增加吸入口一側(cè)噴口噴射動量，稍減另一側(cè)噴射口噴射動量，使航具獲得轉(zhuǎn)動力矩，使吸入口偏向待前進(jìn)的一方，需要轉(zhuǎn)彎時，可增加航具一端的射流層厚度，使航具獲得豎直方向轉(zhuǎn)動力矩，因此可以把航具的噴咀按照柱形兩端，吸入口兩側(cè)分成四個區(qū)域進(jìn)行控制。大氣中航行的航具還應(yīng)在航具底部裝上至少包括三條腿的支承架，這些支承架應(yīng)具有彈性，各條腿的長度和角度可以按著陸地形進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使航具著陸時吸入口向上。門孔的位置，對于柱形航具，應(yīng)在柱形兩端;旋轉(zhuǎn)體航具，大氣中飛行的應(yīng)設(shè)在航具底端旋轉(zhuǎn)軸線上至少三條支承腿中間，水中潛行的航具以及既能潛水又能航空的航具，可以在航具軸線頂端和底端各開設(shè)一個門孔，在水下潛行時，噴咀向上噴射液體，在大氣中飛行時，噴咀向下噴射氣體或等離子體。
子形、草帽形等旋轉(zhuǎn)對稱航具，當(dāng)航行在大氣中時，吸入口可以安裝在航具的頂端軸線上，當(dāng)航具在水中潛行時，吸入口可以設(shè)計在航具底端軸線上，使航具能垂直下潛，對于圓柱形航具，吸入口可以設(shè)計在圓柱形的一則，延軸向均勻分布，射流延周向運動，如果吸入口處需要安裝門孔時，吸入口可環(huán)繞門孔，對稱裝在門孔周圍。噴射射流的噴咀，可以分成若干個組，以吸入口為中心，第一組噴咀緊靠吸入口;第二組距吸入口稍遠(yuǎn);第三組更遠(yuǎn)……，一直排列到航具尾端，每組噴咀均以吸入口為中心，在航具壁面上對稱分布，噴射方向大體上離開吸入口延著壁面切向，相鄰噴咀之間的距離需使射流層厚度基本均勻，噴咀開設(shè)的大小及方向可適當(dāng)調(diào)節(jié)，用以調(diào)節(jié)射流層的速度，厚度及方向;對于旋轉(zhuǎn)對稱航具，可以讓第一組噴咀噴射的射流方向偏向一側(cè)，使之能掃過該組相鄰的一個噴咀，以使每個噴咀外的壓力均能低于流體繞流的壓力。其他各組噴咀的方向與前一組射流繞流到當(dāng)?shù)氐乃俣确较虼篌w相同。這些噴咀也可以排列得十分密集，以致成為蜂窩狀，使射流不能與壁面接觸。如果航具上需要產(chǎn)生磁場，可以在噴咀上纏繞導(dǎo)電線圈。其電流的產(chǎn)生，可以利用噴射流體的能量。使磁場方向略向外偏斜，當(dāng)噴咀噴射等離子體射流時產(chǎn)生電流，把同組噴咀產(chǎn)生的電流依次串聯(lián)起來，形成環(huán)繞航具對稱軸的環(huán)形電流，每個組產(chǎn)生的環(huán)形電流與導(dǎo)電表面射流層中感應(yīng)的電流合起來，加強原始的磁場。把噴咀上纏繞的導(dǎo)電線圈就近串聯(lián)在上述電流上，也可形成與射流方向大體相同且略偏向外的磁場。在航具的控制方面，改變表面射流層的速度分布，可以獲得任意方向的速度環(huán)量，獲得升力和轉(zhuǎn)彎力，控制表面射流層的厚度分布，也可以改變航具運行的姿態(tài)。對于船、艦轉(zhuǎn)彎的控本發(fā)明與目前的航具例如船、艦、潛艇、飛機、火箭、導(dǎo)彈、航天飛機比較，具有如下優(yōu)點第一，由于本航具前端和側(cè)面壓力降低，后端壓力提高，使航具本身能獲得升力和推力，因而在大氣中飛行時可以取消機翼，在水中潛行時可以取消加重裝置;第二，由于流體繞流的物面邊介條件可以變?yōu)榛七吔闂l件，可以消除或大幅度減少航具的阻力，使航具速度提高，能耗降低;第三，由于航具能獲得較大的轉(zhuǎn)向力矩，轉(zhuǎn)向速度快，使航具不僅速度高，而且運動靈活;第四，航具可以制成圓球形、橢球形、圓柱形等向外凸出的形狀，使得航具內(nèi)部空間較大，結(jié)構(gòu)強度提高，因而具有較高的體積重量比;第五，這種航具可以制成既能潛水，又能航空、又能航天，可以在大氣中懸停，可以垂直起落，轉(zhuǎn)向靈活，速度高的運載工具;第六，在大氣中飛行時，不需要機場，將來不僅可以發(fā)展成大型航具，還可以制成個人使用的航具，取代目前的汽車、飛機、船艦、潛艇，可以使人類能夠常年居住在林間別墅，有利于生態(tài)系統(tǒng)的平衡，消除城鄉(xiāng)差別;第七，可望在廿一世紀(jì)實現(xiàn)人類的水下遷居，使人們可以居住在四季如春的水下環(huán)境之中，并且能夠自由往來于太陽系各行星及其衛(wèi)星之間。
本發(fā)明宜首先用于改造現(xiàn)有小型機動船舶，進(jìn)而改造大中型船、艦、潛艇，同時還可以進(jìn)行球形高速潛艇的研制工作以及以壓縮空氣為動力的球形飛行器;在這個基礎(chǔ)上研制使用等離子體射流層具有強磁場的高速航具，然后使這種航具進(jìn)入宇宙空間，之后使航具進(jìn)入水面和水下。
權(quán)利要求
1.一種利用射流對航具進(jìn)行減阻、推進(jìn)的海、空、宇高速運載工具，其特征在于當(dāng)航具航行在介質(zhì)中時，利用射流的附壁效應(yīng)，把航具推進(jìn)時產(chǎn)生的射流切向分布在航具外表面上，形成完整的表面射流層。
2.按權(quán)利要求
1規(guī)定的航具，其特征在于航具外表面對于表面射流層的跡線來說是向外凸出的，使得表面射流層延凸面運動時能夠由于動量方向不斷改變而降低壁面壓力，降低射流與壁面的摩擦阻力，降低壁面溫度。
3.按權(quán)利要求
1、2規(guī)定的航具，其特征在于可以利用現(xiàn)行使用的各種船、艦、潛艇改造而成，表面射流層分布于與水接觸的表面上。
4.按權(quán)利要求
2規(guī)定的航具，其特征在于可以設(shè)計成圓球形，制成小型輕便的航具，具有較大的容積和運動的靈活性。
5.按權(quán)利要求
2規(guī)定的航具，其特征在于可以設(shè)計成旋轉(zhuǎn)橢球形，這種外形適用于大、中型航具，可以獲得較大的適用空間和較好的滑翔性能。
6.按權(quán)利要求
2規(guī)定的航具，其特征在于可以設(shè)計成圓柱形，用于大、中型航具，兩端作為門孔，適宜于其他小型航具出入，作為母船使用。
7.按權(quán)利要求
2規(guī)定的航具，其特征在于可以設(shè)計成雙扣著的草帽形、盤子形等等，用于大、中型航具，具有較大的適用空間和較好的滑翔性能。
8.按權(quán)利要求
1規(guī)定的表面射流層，其特征在于當(dāng)航具航行在水面或水下時，與水接觸的表面可以使用水作為表面射流層，也可以用含泡水作為表面射流層;當(dāng)航具在大氣中航行時，可以用壓縮氣體作為表面射流層，也可以用等離子體作為表面射流層。
9.按權(quán)利要求
8規(guī)定的水質(zhì)射流層，其特征在于當(dāng)射流層的速度接近Paa/δR(1+12δR) ρ]]>時。壁面壓力接近于零，靠近壁面的液體發(fā)生低壓沸騰，減少壁面摩擦阻力。
10.按權(quán)利要求
1規(guī)定的表面射流層，其特征在于當(dāng)使用等離子體等導(dǎo)電良好的流體作為表面射流層時，可以在射流所占區(qū)域加上強磁場，其磁力線方向與射流方向一致或略偏向外，利用磁凍結(jié)效應(yīng)，消除壁面摩擦阻力，減少熱傳遞率，降低物面溫度。
11.按權(quán)利要求
1規(guī)定的表面射流層，其特征在于可以通過一組噴咀來實現(xiàn)，也可以使用槳葉，槳葉葉面應(yīng)靠近航具外表面并與外表面大體垂直。
12.按權(quán)利要求
11規(guī)定使用噴咀實現(xiàn)表面射流層時，其特征在于需要吸入口，對于船、艦、潛艇，吸入口安裝在船首，以降低流體繞流的壓力，對于旋轉(zhuǎn)對稱航具，當(dāng)航具在空氣中時，吸入口在航具頂端軸線上，當(dāng)航具在水中潛行時，吸入口在航具底端軸線上，對于柱形航具，吸入口在柱面同側(cè)均勻分布，射流延周向運動。
13.按權(quán)利要求
11規(guī)定的噴咀，其特征在于按噴咀與吸入口的距離分成若干個組，以吸入口為中心，第一組噴咀緊鄰吸入口，第二組稍遠(yuǎn)，第二組更遠(yuǎn)……，直排列到航具尾端，每組噴咀都以吸入口為中心，在航具壁面上對稱分布，噴咀方向大體上離開吸入口延著壁面切向，相鄰噴咀之間的距離需使射流層基本均勻，也可以讓第一組噴咀方向偏向一側(cè)，使其噴出的射流能掃過該組中鄰近的噴咀，使每個噴咀的外介壓力均低于流體繞流的壓力，其他各組噴咀的方向均與表面射流層到當(dāng)?shù)氐姆较虼篌w相同。
14.按權(quán)利要求
13規(guī)定的噴咀，其特征在于噴咀可以十分密集，排列成蜂窩狀，使射流不能與壁面接觸。
15.按權(quán)利要求
10規(guī)定的磁場，其特征在于可以在噴咀上纏繞導(dǎo)電線圈而獲得，也可以由壁面上環(huán)繞航具中心軸的電流與導(dǎo)電表面射流層中感應(yīng)的電流共同形成，也可以兩者同時存在。
16.按權(quán)利要求
15規(guī)定的電流，其特征在于可以利用噴咀中的射流來產(chǎn)生，這時磁場方向應(yīng)與射流方向交叉一個角度，延射流方向并略偏向外或略偏一側(cè)。
17.按權(quán)利要求
1規(guī)定的航具在大氣中飛行時，其特征在于航具底部應(yīng)裝上至少包括三條腿的支承架。
18.按權(quán)利要求
17規(guī)定的支承架，其特征在于支承架應(yīng)具有彈性。
19.按權(quán)利要求
17規(guī)定的支承架，其特征在于當(dāng)航具離開地面后，支承架可以收縮到航具壁內(nèi)。
20.按權(quán)利要求
17規(guī)定的支承架，其特征在于支承架每條腿的長度和角度可以根據(jù)著陸地形進(jìn)行調(diào)節(jié)。
21.按權(quán)利要求
20規(guī)定的支承架，其特征在于支承架上每條支承腿在航具降落時由地面推動改變其長度和垂直角度，并且在支承腿與地面接觸的部份裝有觸地感測裝置，當(dāng)至少三條腿都觸及地面時支承腿的位置自動固定。
22.按權(quán)利要求
1規(guī)定的航具，其特征在于當(dāng)航具外形成旋轉(zhuǎn)體在大氣中飛行時，其門孔可以開在航具底部旋轉(zhuǎn)軸線上至少三條腿之間;在水中潛行時，其門孔可以開設(shè)在航具頂端和底端旋轉(zhuǎn)軸線上;如果門孔與吸入口位置重合，把吸入口開在門孔周圍。
專利摘要
減阻推進(jìn)射流航具屬于海、空、宇運輸工具，目的在于減少阻力，提高航運速度和轉(zhuǎn)向速度。其特征在于利用射流的附壁效應(yīng)，在航具外表面加上一完整的表面射流層，改變流體繞流的物面邊介條件，使繞流阻力消失；利用二相流原理或磁流體原理，消除射流阻力；表面射流層在航具尾部匯合，壓力提高，使航具獲得推力和升力。本發(fā)明可用于改造船、艦、潛艇，可制造能潛水、能航海、能航空、能航天、能懸停、能垂直起落、轉(zhuǎn)彎靈活的高速運輸工具。
文檔編號B63B35/00GK85105602SQ85105602
公開日1986年3月10日 申請日期1985年7月20日
發(fā)明者馬瑞安 申請人:貴州省科學(xué)院新技術(shù)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan