一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置

1.本发明涉及水下航行器技术领域，特别是涉及一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置。


背景技术：

2.大型水下航行器是一种水下综合无人平台，可为水下小型无人集群提供停靠补给、环境评估、平台发射，能搭载包括武器在内的各类任务载荷，直径超过533mm、排水量在10t以上。大型水下航行器在各国海洋装备中占有举足轻重的地位，在水下攻防、环境探测、远场补给等方面有着广泛而深入的应用，在海洋战略中具有深远意义。
3.大型水下航行器鳍舵设计与其操纵性、稳定性密切相关。现有鳍舵设计在大型水下航行器上表现出明显的缺陷。首先，现有鳍舵极限舵角基本稳定在15
°
～20
°
范围内，舵角进一步加大时会出现舵片失效的情况。其次，在快速机动条件下，鳍舵对航行器产生了一定的不利影响。主要包括：1、大舵角条件下鳍舵后方流场水流分离，螺旋桨进流出现严重不均，航行体与桨之间的匹配性削弱，削弱了螺旋桨性能；2、大舵角条件下鳍舵产生的阻力大大增加，附加阻力大大增加；3、大舵角条件下，舵片处湍流程度加剧，流噪声大大增加。因此，亟需寻求一种提高舵片舵效、延迟舵片失效、降低舵片大舵角不利影响的方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高舵片舵效、延迟舵片失效、降低舵片大舵角不利影响。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，包括主动流动控制系统和多个喷吸执行机构，所述鳍舵表面设置有多个喷吸口，所述喷吸执行机构设置于所述喷吸口处并能够通过所述喷吸口向所述鳍舵外喷射流体，也能够通过所述喷吸口将外界的流体向所述鳍舵内吸流，所述主动流动控制系统控制所述喷吸执行机构向外喷流或向内吸流。
7.优选的，所述主动流动控制系统为液压控制系统。
8.优选的，所述喷吸口设置有多列，各列喷吸口中的所述喷吸口均沿着远离水下航行器本体的方向依次设置于鳍舵表面，一个所述喷吸执行机构对应于一个所述喷吸口，不同列的所述喷吸执行机构由所述主动流动控制系统独立控制其流体流向以及流速。
9.优选的，所述主动流动控制系统包括一个主液路和多个分支液路，所述主液路的一端和水箱连通，另一端和多个所述分支液路连通，所述水箱内盛装有经过过滤的海水，所述主液路上设置有动力源和调压稳压装置，所述分支液路上设置有方向控制装置和节流调速装置，一个所述分支液路对应于一列所述喷吸口。
10.优选的，所述动力源包括双向定量泵、电机和联轴器，所述双向定量泵由所述电机通过所述联轴器驱动；
11.所述调压稳压装置包括可调式电磁溢流阀和旁通回路，所述旁通回路的一端和所述主液路连通，另一端通向所述水箱，所述可调式电磁溢流阀设置于所述旁通回路上；
12.所述方向控制装置包括设置于主液路上的第一电磁换向阀和设置于分支液路上的第二电磁换向阀；
13.所述节流调速装置包括单向调速阀。
14.优选的，所述第一电磁换向阀为三位四通电磁换向阀；所述第二电磁换向阀设置有两个，两个所述第二电磁换向阀均为两位三通电磁换向阀。
15.优选的，所述主动流动控制系统还包括液位液温计、吸水过滤器、回水过滤器和冷却器；所述回水过滤器设置于所述旁通回路上，所述吸水过滤器设置于所述主液路上，所述液位液温计用于检测水箱内的水温以及液位。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明通过在鳍舵不同部位布置喷吸执行机构，结合主动流动控制系统实现不同流动控制策略下的水下航行器鳍舵不同部位的流动控制目标；再通过主动流动控制系统同时实现多目标控制，使得鳍舵各部位喷吸执行机构协调工作并发挥最大效率，最终实现水下大型航行器鳍舵的优化设计，通过主动流动控制契合解决提高舵片舵效、延迟舵片失效、降低舵片大舵角不利影响等工程实际问题。
附图说明
18.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获得其他的附图。
19.图1为液压控制系统原理图；
20.图2为将本发明提供一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置应用于水下航行器时的外观示意图；
21.图3为液压控制系统安装示意图；
22.图中：1-电机；2-联轴器；3-双向定量泵；4-水箱；5-液位液温计；6-吸水过滤器；7-回水过滤器；8-溢流阀；9-冷却器；10-单向阀；11-三位四通电磁换向阀；12-单向调速阀；13-两位三通电磁换向阀；14-水下航行器本体；15-鳍舵；16-喷吸口；17-液压控制系统。
具体实施方式
23.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做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。
24.本发明的目的是提供一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高舵片舵效、延迟舵片失效、降低舵片大舵角不利影响。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.本发明提供一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，如图1和图2所示，包括主动流动控制系统和多个喷吸执行机构；鳍舵15表面设置有多个喷吸口16，喷吸口16可设置于一侧表面，也可设置于两侧表面，喷吸口16设置有多列，各列喷吸口16中的喷吸口16均沿着远离水下航行器本体14的方向依次设置于鳍舵15表面，一个喷吸执行机构对应于一个喷吸口16，不同列的喷吸执行机构由主动流动控制系统独立控制其流体流向以及流速，喷吸执行机构设置于喷吸口16处并能够通过喷吸口16向鳍舵15外喷射流体，也能够通过喷吸口16将外界的流体向鳍舵15内吸流，主动流动控制系统控制喷吸执行机构向外喷流或向内吸流，在其他实施例中，也设置为一个喷吸执行机构对应于一列喷吸口16，喷吸执行机构可为进出液管。
27.其中，主动流动控制系统优选为液压控制系统17，主动流动控制系统为液压控制系统17时，包括一个主液路、多个分支液路、液位液温计5、吸水过滤器6、回水过滤器7和冷却器9；主液路的一端和水箱4连通，另一端和多个分支液路连通，水箱4内盛装有经过过滤的海水，水箱和液压控制系统17设置于水下航行器本体内，以海水作为工作介质，主液路上设置有动力源和调压稳压装置，分支液路上设置有方向控制装置和节流调速装置，一个分支液路对应于一列喷吸口16，吸水过滤器6设置于主液路上，液位液温计5用于检测水箱4内的水温以及液位。另外，还可设置一个抽吸管路来向水箱内抽水以备用，抽吸管路上设置有过滤装置以实现对海水进行过滤的作用。
28.具体的，动力源包括双向定量泵3、电机1和联轴器2，双向定量泵3由电机1通过联轴器2驱动；
29.调压稳压装置包括可调式电磁溢流阀8和旁通回路，旁通回路的一端和主液路连通，另一端通向水箱4，回水过滤器7和可调式电磁溢流阀8设置于旁通回路上；回水过滤器7能够对从喷吸口16处吸流来的海水进行过滤，以减少水箱4内的杂质，系统内各类液压元件的耐用性。
30.方向控制装置包括设置于主液路上的第一电磁换向阀和设置于分支液路上的第二电磁换向阀；
31.节流调速装置包括单向调速阀12。
32.更为具体的，如图1所示，第一电磁换向阀为三位四通电磁换向阀11；第二电磁换向阀设置有两个，两个第二电磁换向阀均为两位三通电磁换向阀13。
33.停止工况时，三位四通电磁换向阀11处于中位，由于其中位机能为o型，故工作介质将通过电磁溢流阀8回到水箱4中，电磁溢流阀8处于常开状态，三位四通换向阀无动作。
34.定常出流工况时，三位四通电磁换向阀11处于左位，电机1正转通过联轴器2带动双向定量泵3工作，电磁溢流阀8处于常开状态起到稳压阀的作用，通过三位四通电磁换向阀11后工作介质被分为四路连接每一列喷吸执行机构。以最左侧一列管路为例进行工作机理的说明，路径中单向调速阀12起到流速调节的作用，两个两位三通电磁换向阀13都处于失电状态处于原位，此时工作介质正常通过且满足单向调速阀12进出口顺序。通过调节不同组的调速阀的状态可实现每一列喷吸口16定常出流流速不同。
35.定常吸流工况时，三位四通电磁换向阀11处于左位，电机1反转通过联轴器2带动双向定量泵3工作，电磁溢流阀8处于常开状态起到稳压阀的作用，通过三位四通电磁换向阀11后工作介质被分为四路连接每一列喷吸执行机构。以最左侧一列管路为例进行工作机
理的说明，路径中单向调速阀12起到流速调节的作用，两个两位三通电磁换向阀13都处于得电状态处于得电位，此时执行机构处吸入工作介质，工作介质正常通过且满足调速阀单向进出口顺序。通过调节不同组的单向调速阀12的状态可实现每一列喷吸口16定常吸流流速不同。
36.在其他扩展实施例中，主动流动控制系统可为控制系统控制水泵来对流体进行喷射和吸流，具体的，可设置一个水泵向多个喷吸口泵水或从多个喷吸口抽水，也可设置多个水泵来分别向每列喷吸口进行泵水和抽水以实现独立控制流速，当仅设置一个水泵时，可通过设置节流阀来进行独立调速。
37.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：包括主动流动控制系统和多个喷吸执行机构，所述鳍舵表面设置有多个喷吸口，所述喷吸执行机构设置于所述喷吸口处并能够通过所述喷吸口向所述鳍舵外喷射流体，也能够通过所述喷吸口将外界的流体向所述鳍舵内吸流，所述主动流动控制系统控制所述喷吸执行机构向外喷流或向内吸流。2.根据权利要求1所述的基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：所述主动流动控制系统为液压控制系统。3.根据权利要求2所述的基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：所述喷吸口设置有多列，各列喷吸口中的所述喷吸口均沿着远离水下航行器本体的方向依次设置于鳍舵表面，一个所述喷吸执行机构对应于一个所述喷吸口，不同列的所述喷吸执行机构由所述主动流动控制系统独立控制其流体流向以及流速。4.根据权利要求2所述的基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：所述主动流动控制系统包括一个主液路和多个分支液路，所述主液路的一端和水箱连通，另一端和多个所述分支液路连通，所述水箱内盛装有经过过滤的海水，所述主液路上设置有动力源和调压稳压装置，所述分支液路上设置有方向控制装置和节流调速装置，一个所述分支液路对应于一列所述喷吸口。5.根据权利要求4所述的基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：所述动力源包括双向定量泵、电机和联轴器，所述双向定量泵由所述电机通过所述联轴器驱动；所述调压稳压装置包括可调式电磁溢流阀和旁通回路，所述旁通回路的一端和所述主液路连通，另一端通向所述水箱，所述可调式电磁溢流阀设置于所述旁通回路上；所述方向控制装置包括设置于主液路上的第一电磁换向阀和设置于分支液路上的第二电磁换向阀；所述节流调速装置包括单向调速阀。6.根据权利要求5所述的基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：所述第一电磁换向阀为三位四通电磁换向阀；所述第二电磁换向阀设置有两个，两个所述第二电磁换向阀均为两位三通电磁换向阀。7.根据权利要求5所述的基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，其特征在于：所述主动流动控制系统还包括液位液温计、吸水过滤器、回水过滤器和冷却器；所述回水过滤器设置于所述旁通回路上，所述吸水过滤器设置于所述主液路上，所述液位液温计用于检测水箱内的水温以及液位。

技术总结
本发明提供一种基于定常主动流动控制的水下航行器鳍舵优化装置，涉及水下航行器技术领域，包括主动流动控制系统和多个喷吸执行机构，鳍舵表面设置有多个喷吸口，喷吸执行机构设置于喷吸口处并能够通过喷吸口向鳍舵外喷射流体，也能够通过喷吸口将外界的流体向鳍舵内吸流，主动流动控制系统控制喷吸执行机构向外喷流或向内吸流。本发明通过在鳍舵不同部位布置喷吸执行机构，结合主动流动控制系统实现不同流动控制策略下的水下航行器鳍舵不同部位的流动控制目标；最终实现水下大型航行器鳍舵的优化设计，通过主动流动控制契合解决提高舵片舵效、延迟舵片失效、降低舵片大舵角不利影响等工程实际问题。影响等工程实际问题。影响等工程实际问题。


技术研发人员：宋东 刘鑫 李华宇 杜晓旭 宋保维 潘光
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/5/4