一种超空泡鱼雷的制作方法

本发明属于水下超空泡航行领域，具体涉及一种超空泡鱼雷。

背景技术：

航行体在水下航行速度越快，绕物体流动的液体速度会随之增加，根据流体力学规律，其压力会降低。当压力降低于水的临界压力时，水便由液相变为气相，形成水蒸汽泡，这一现象有助于减小航行体的航行阻力。自然空化产生的气泡数量有限，不致密、不均匀，无法完全包裹水下航行体，且无法对其尺寸、大小和厚度进行调整，因此降阻效果难以精确控制。为了达到理想的降阻效果，必须对气泡的产生进行定量控制。目前主要方法是由航行体头部的通气孔向环境水体射入气体，使气泡在来流作用下，贴着壁面向下游发展，形成覆盖在航行体表面的气囊。一旦空泡尺寸大到能够覆盖航行体大部分或全部表面时，便称其为超空泡。航行体在水中的摩擦阻力约为空气中摩擦阻力的850倍，形成超空泡后，航行体的水下摩擦阻力会大幅减小。超空泡鱼雷即是利用超空泡原理设计的一种水下武器。

超空泡鱼雷内应用的发动机原为火箭发动机，但火箭发动机在水中推进效率极低，且推进剂的消耗量大，发动机工作时间短，当深度增加时推力随着压力的增加而下降使鱼雷的航程大幅度减小。金属燃料水冲压发动机是水下航行器的一种新型动力系统，具有能量密度高、结构简单等特点，与超空泡技术一起成为研制水下高速航行器的重要技术支撑，但目前技术尚不成熟，存在明显的缺陷。例如反应启动困难，在低温情况下，金属燃料与水发生难以发生反应，因此要先将金属燃料粉末加热到熔融或者气化状态，采用铝作为水反应金属燃料时，由于铝表面易形成一层致密氧化膜(氧化铝)，这层氧化膜可阻止铝与水的反应。水冲压发动机技术尚不成熟，载气/载液给料方式但燃料进入燃烧室的初始燃温低,因此反应启动困难,而且金属颗粒氧化物膜难以去除,影响反应效率；固体药柱给料方式药柱不便于长期储存,危险性大,整个反应过程不便于控制,药柱成分确定以后不容易控制反应速率。

超空泡鱼雷中的舵机为传统舵机，传统的舵机控制装置采用液压驱动，占用空间大，对环境要求高。如公开号为cn103926051a的发明专利提出的带有内置舵机的超空泡航行体模型，其内置舵机无法实现两舵轴同步同向转动和同步异向转动的自动切换，操作复杂。另一方面，传统的超空泡鱼雷的通气装置包括通气碗和气体喷口，装配密闭性要求高，制造难度大，且通入超空泡内的气体可控性差且不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超空泡鱼雷。该鱼雷采用燃气涡轮发动机、电机驱动控制的舵机装置、沿通气碗碗壁内周向均匀布置的气体喷口等装置，使得该鱼雷行驶起来更加稳健，提高了鱼雷前进的速度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种超空泡鱼雷，其特征在于，包括：前舱段和后舱段，前舱段的后端和后舱段的前端固定连接；前舱段和后舱段的连接处设置有舵机装置；

舵机装置包括控制机构，控制机构的两端分别固定连接有左方向舵和右方向舵，左方向舵从前舱段和后舱段连接处的上端穿出超空泡鱼雷，右方向舵从前舱段和后舱段连接处的下端穿出超空泡鱼雷；控制机构固定在基座上，基座固定在超空泡鱼雷内部；

前舱段内包括弹药舱和第一空间，弹药舱和第一空间被弹药舱的后侧壁隔离，二者的外侧壁为一体；弹药舱与第一空间共同的外侧壁和前舱段内壁之间为通气道前段，通气道前段为缝隙状空间；前舱段外侧的前端固定设置有通气碗；

后舱段内设置有第二空间，第二空间的外壁和后舱段的内壁之间为通气道后段，通气道后段为缝隙状空间；通气道后段和通气道前段连通；第二空间内从前到后设置有连通的压缩气体存储罐和燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机的后端和通气道后段连通；后舱段外侧的后端固定设置有减速器，所述超空泡鱼雷外侧的后端固定设置有螺旋桨；燃气涡轮发动机、减速器和螺旋桨通过连接杆实现连动。

本发明的进一步改进在于：

优选的，前舱段在弹药舱的外侧前端设置有尾气聚集舱，尾气聚集舱的前端开设有通气口，通气口和通气碗连通；尾气聚集舱的后端和通气道前段连通；第一空间在弹药舱的后侧壁上固定设置有控制系统和电池系统。

优选的，通气碗设置有相对的大端面和小端面，大端面朝向前舱段；通气碗中心处开设有垂直于大端面的气体通道；通气碗的大端面上沿周向平均分布有若干个气体喷口，气体喷口和气体通道在通气碗的内部连通；气体通道的外侧和通气口连通；通气碗的前端固定设置有空化器；通气碗通过3d打印制成。

优选的，燃气涡轮发动机设置有发动机外壳，发动机外壳内从前到后依次设置有燃烧室、瓦尔喷管和排气道；拉瓦尔喷管的前端和燃烧室连通，拉瓦尔喷管的后端和排气道连通，拉瓦尔喷管和排气道的连通处设置有涡轮导向器和涡轮；排气道的后端和通气道后段连通。

优选的，压缩气体存储罐的后端开设有气体通道连通至燃烧室；压缩气体存储罐的后端面固定设置有气体调速阀，围绕气体调速阀固定设置有环形燃油箱，环形燃油箱上固定设置有燃油流速调节阀；压缩气体存储罐内充装有压缩氧气，环形燃油箱内充装有燃油。

优选的，控制机构包括驱动部分和换向部分，驱动部分包括均固定在基座上的第一底座和换向齿轮固定座；第一底座一端的外部固定安装有电机，电机通过第一联轴器带动第一丝杆转动，第一丝杆的两端架装在第一底座的两端上；第一丝杆上安装有丝杆螺母，丝杆螺母能够相对第一底座做直线运动；丝杆螺母的左右两端分别装有左齿条和右齿条；换向齿轮固定座上安装有换向齿轮，换向齿轮能够相对换向齿轮固定座转动；右方向舵上固定设置有右舵机齿轮，换向齿轮均和右舵机齿轮及右齿条啮合。

优选的，丝杆螺母的下端固定设置第一滑块上，第一底座上固定设置有第一导轨，第一滑块和第一导轨滑动配合。

优选的，换向部分包括固定在基座上的第二底座，第二底座的一端外部固定设置有同步异向转动电机，同步异向转动电机通过第二联轴器带动第二丝杆在第二底座上旋转；第二丝杆上设置有拨杆，拨杆能够在第二底座上做直线运动；拨杆的上端套装在传动销的外部，传动销的一端套装有齿轮移动件，齿轮移动件内固定设置有左方向舵齿轮，左方向舵齿轮的内部和左方向舵的一端连接，左方向舵齿轮能够沿着左方向舵的轴向移动，进而和左齿条啮合。

优选的，传动销从一侧到另一侧设置有左方形销、第一环形槽、第二环形槽和右方形销，第一环形槽和第二环形槽的横截面直径不同；左方形销能够插入至左方向舵的第一方形槽内，齿轮移动件的端部套装在第一环形槽上，拨杆套装在第二环形槽上，右方形销能够插入至右方向舵的第二方形槽内。

优选的，拨杆的下端固定连接有第二滑块，第二底座上沿长度方向固定设置有第二导轨，第二滑块和第二导轨滑动配合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种超空泡鱼雷，该鱼雷内设置有燃气涡轮发动机、舵机装置和能够将发动机产生的高温气体传送至前舱段的气体通道。燃气涡轮机的结构相对于活塞机比较简单，并且功率大、低噪声、耗气量低、焓降大、能够长时间工作、可靠性高。使用燃气涡轮机作为动力，能够实现重型热动力鱼雷的高速运动和超远行程，可以实现鱼雷大范围的换速或变深。同时燃气涡轮机技术成熟，易于启动，安全可靠性高。该动力系统中的燃气涡轮发动机燃烧所需要的气体由压缩气体存储罐提供，省去了压气轮和扩压器；燃烧室内连续进气燃烧，工作过程平稳，没有往复运动的零件，不产生惯性力，整机振动和冲击较小，减少了的噪声，提高了隐蔽性；产生超空泡的气体由发动机燃烧尾气提供，不需要额外的气体产生装置。

进一步的，本发明的前舱段内设置有尾气聚集舱，使得发动机产生的尾气在这里聚集后通过前端的通气碗排出，通气碗上均匀分布有气体喷口，使得超空泡鱼雷外侧形成的超空泡更加均匀稳定的气体包围，使超空泡鱼雷外侧形成的超空泡更加均匀稳定，从而大幅减小鱼雷前进的阻力，提升鱼雷前进的航速和航程。

进一步的，采用3d打印技术制作的通气碗及其上的通气喷口，该制作方式较传统通气装置简化了结构，易于加工，且不必考虑通气装置的装配密闭性，且喷出的气体沿舱体外侧的周向更加连续均匀稳定，且能够调整气孔的在通气碗内的开设角度，进而喷出的气泡方向进行控制，该喷出方向能够随着前舱段的前端锥体的锥度而变化。

进一步的，本发明中的舵机装置通过电机驱动控制，操作简单，体积小重量轻，易于实现，且其采用的丝杆滑台驱动方式使方向舵在行驶过程中能稳定自锁，减小因方向舵受力晃动而产生的误差。

【附图说明】

图1为本发明的超空泡航行体整体剖视图；

图2为本发明的超空泡航行体前舱段剖视图；

图3为本发明的图2的ⅰ部放大外观图；

图4为本发明的通气碗的剖视图；

图5为本发明的超空泡航行体后舱段剖视图；

图6为本发明的舵机装置的一侧视图；

图7为本发明的舵机装置的另一侧视图；

图8为本发明的传动销零件图；

图9为本发明的传动销零件的剖视图；

图10为本发明的传动销和齿轮移动件装配图；

图11为本发明的换向装置图；

其中：1为空化器；2为通气碗；3为气体喷口；4为尾气聚集舱；5为弹药舱；6-1为通气道前段；6-2为通气道后段；7为前舱段；8为控制系统；9为电池系统；10为舵机装置；11为后舱段；12为压缩气体存储罐；13为环形燃油箱；14为气体调速阀；15为燃油流速调节阀；16为发动机外壳；17为燃烧室，18为拉瓦尔喷管；19为排气道；20为减速器；21为螺旋桨；22为涡轮导向器；23为涡轮；24-第一空间；25-第二空间；26-连接杆；

10-1为电机；10-2为第一底座；10-3为第一联轴器；10-4为右齿条；10-5为丝杆螺母；10-6为第一丝杆；10-7为左齿条；10-8为左方向舵齿轮；10-9为左方向舵；10-10为右方向舵；10-11为换向齿轮固定座；10-12为换向齿轮；10-13为右舵机齿轮；10-14为第一滑块；10-15为第一导轨；10-16为第二丝杆；10-17为第二导轨；10-18为第二滑块；10-19为拨杆；10-20为第二底座；10-21为第二联轴器；10-22为同步异向转动电机；10-23为传动销；10-23-1为第一环形槽；10-23-2为第二环形槽；10-23-3为左方形销；10-23-4为右方形销；10-24为齿轮移动件；10-24-1为齿轮固定槽；10-25为第一方形槽；10-26为第二方形槽；10-27为控制机构。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，舱体包括前舱段7和后舱段11，前后舱段固接形成整个舱体，前舱段7和后舱段11之间设置有舵机装置10，前舱段7的后端装有方向舵，前舱段7的头部锥段前端套接有通气碗2，通气碗2前端安装有一个空化器1。舱体内沿轴向从前舱段7到后舱段11依次设置有尾气聚集舱4，通气道前段6-1，弹药舱5，控制系统8，电池系统9，舵机装置10，压缩气体存储罐12，环形燃油箱13，气体调速阀14，燃油流速调节阀15，发动机外壳16燃烧室17，拉瓦尔喷管18，涡轮导向器22，涡轮23，排气道19，通气道后端6-2，减速器20和螺旋桨21；

参见图2，前舱段7的头部为横截面向前缩小的锥形，前舱段7的头部锥段前端固定连接有通气碗2；参见图3和图4，通气碗2上开有沿周向均布的18个气体喷口3，内部开设有气体通道2-1，该气体通道2-1和前舱段7头部最前端的气体通道连通；气体喷口3在通气碗2的内部和气体通道2-1连通；该气体喷口3朝鱼雷尾部沿着平行于头部锥段舱体方向，整个通气碗2通过3d打印技术制作，密闭性好，成型性好，同时气体喷口3在通气碗2内部的走向可调整，通过调整气体喷口3的轴向和通气碗2的大端面之间的角度，能够调整气体喷口3喷出的气体的方向，保证喷出的气泡沿着前舱段的侧壁，在通气碗2前端固定安装有一个空化器1，随着液体相对流动速度增加，根据伯努利方程，空化器1边缘也液体便会自然出现汽化现象。前舱段7的内部从前到后依次被隔离为尾气聚集舱4、弹药舱5和第一空间24；第一空间24在弹药舱5的后侧壁和舵机装置10之间；弹药舱5的后侧壁的外部固定设置有控制系统8和电池系统9，控制系统8和电池系统9在第一空间24内，控制系统8实现自动化控制；弹药舱5的外侧壁和及第一空间24的外侧壁为一体，被弹药舱5的后侧壁隔开，弹药舱5的外侧壁和及第一空间24的外侧壁和前舱段7的舱壁之间为通气道前段6-1；通气道前段6-1和通气道后段6-2连通；弹药舱5装填有攻击所需的炸药。

参见图5，后舱段11内设置有第二空间25，第二空间25的外壁围绕着后舱段11布置，第二空间25的外壁和后舱段11内壁之间为通气道后端；第二空间25内从前到后依次设置有由压缩气体存储罐12，环形燃油箱13，气体调速阀14，燃油流速调节阀15，发动机外壳16，燃烧室17，拉瓦尔喷管18，涡轮导向器22，涡轮23，排气道19，通气道后段6-2，减速器20和螺旋桨21组成的整个超空泡鱼雷的动力系统。燃气涡轮发动机由发动机外壳16，燃烧室17，拉瓦尔喷管18，涡轮导向器22，涡轮23和排气道19组成。压缩气体存储罐12的后端开设有气体通道连通至燃烧室17；压缩气体存储罐12的后端面固定设置有气体调速阀14，围绕气体调速阀14固定设置有环形燃油箱13；压缩气体存储罐12的后侧设置有发动机，发动机外壳16内设置有燃烧室17、拉瓦尔喷管18排气道19；拉瓦尔喷管18的前端和燃烧室17连通，拉瓦尔喷管18的后端和排气道19连通，二者的外壳连通为一体，二者的连通处内部设置有涡轮导向器22和涡轮23；排气道19的后端和通气道后段6-2连通，后舱段11的后端固定设置有减速器20，超空泡鱼雷的后端设置有螺旋桨21，螺旋桨21和减速器20之间留有空间；从后到前，螺旋桨21、减速器20和燃烧室17通过连接杆26固定连接连动；连接杆26穿过拉瓦尔喷管18和排气道19。压缩气体存储罐12内充装有压缩氧气，环形燃油箱13内充装有燃油。

鱼雷前进的工作原理：

工作时，压缩气体存储罐12内的压缩氧气在气体调速阀14的控制下，依据工作情况向燃烧室17充入定量定压的压缩氧气，环形燃油箱13在燃油流速调节阀15的控制下，依据工作情况向燃烧室17充入适量的燃油，燃油和氧气在燃烧室17内燃烧产生高温高压气体，高温高压气体在流经拉瓦尔喷管18时被进一步加速得到超音速高温气体，超音速气体在涡轮导向器22的导向下带动涡轮23高速旋转，高速旋转的涡轮23产生的高速旋转运动经减速器20的减速后带动螺旋桨21旋转产生前进的动力，鱼雷前进的过程中，舵机装置10在控制系统8和电池系统9的控制和驱动下实现方向舵的自动同步、异步转动从而实现鱼雷前进轨迹的控制，实现躲避拦截和对目标的定向追踪。

工作后产生的高温尾气经排气道19后依次流入通气道后段6-2和通气道前段6-1，到达尾气聚集舱4聚集稳定后，以同样的流速和压强通气碗2上开有沿周向均布的从18个燃气喷口3喷出，使超空泡鱼雷外侧形成的超空泡更加连续均匀稳定的气体包围，减小鱼雷前进的阻力，大幅鱼雷前进的航速和航程，形成超空泡鱼雷。

由排气道19排出的高温尾气由紧贴舱体外壁内侧的通气道后段6-2和通气道后段6-2流向尾气聚集舱4，高温尾气在通气道后段6-2内流动过程中与后舱段11外壁的内侧直接接触使后舱段11外壁外侧加热到高温，高速运动的后舱段11外壁外侧与鱼雷运动所在的液体接触,将剪切力、压力、惯性力和热传递给该液体,使该流体有效雾化，从而在后舱段11外壁的外侧形成许多小气泡，更有利于超空泡的形成，同时高温尾气在后舱段11的通气道后段6-2内得到冷却，当尾气流到前舱段7时降低到较低的温度，不会对弹药舱5内存放的炸药产生过热影响。

参加图6和图7，舵机装置10包括控制机构10-27，控制机构10-27包括驱动部分和换向部分。驱动部分由电机10-1，第一底座10-2，第一联轴器10-3，右齿条10-4，丝杆螺母10-5，第一丝杆10-6，左齿条10-7，右方向舵10-10，换向齿轮固定座10-11，换向齿轮10-12，右舵机齿轮10-13，滑块10-14和导轨10-15；第一底座10-2和换向齿轮固定座10-11均固定安装在基座上，基座固定安装在舱体内部；电机10-1安装在第一底座10-2上，通过第一联轴器10-3带动第一丝杆10-6在第一底座10-2上旋转，丝杆螺母10-5安装在第一丝杆10-6上，第一丝杆10-6转动进而带动丝杆螺母10-5做直线运动；丝杆螺母10-5的下部安装在由第一滑块10-14和第一导轨10-15组成的第一丝杆滑块的第一滑块10-14上，第一导轨10-15固定在第一底座10-2上，丝杆螺母10-5的左右两端分别装有左齿条10-7和右齿条10-4，换向齿轮10-12安装在换向齿轮固定座10-11上，右齿条10-4和换向齿轮10-12啮合，换向齿轮10-12和安装在右方向舵10-10上的右舵机齿轮10-13啮合。

换向部分由同步异向转动电机10-22，第二底座10-20，第二联轴器10-21，拨杆10-19，第二滑块10-18，第二导轨10-17，第二丝杆10-16，拨杆10-19，齿轮移动件10-24，传动销10-23，左方向舵齿轮10-8和左方向舵10-9；第二底座10-20固定安装在舱体内部的基座上，同步异向转动电机10-22安装在第二底座10-20上，通过第二联轴器10-21带动第二丝杆10-16在底座10-20上旋转，拨杆10-19安装在第二丝杆10-16上，第二丝杆10-16转动能够带动拨杆10-19做直线运动，拨杆10-19的下部安装有由第二滑块10-18和第二导轨10-17组成的丝杆滑块的第二滑块10-18上，第二导轨10-17固定在底座10-20上；

参加图8和图9，传动销23从左到右依次为10-23-3为左方形销，第一环形槽10-23-1，第二环形槽10-23-2和右方形销10-23-4；

参见图10和图11，传动销10-23通过其上的第二环形槽10-23-2套装在拨杆10-19上；齿轮移动件10-24的端部套装在传动销10-23上的第一环形槽10-23-1上，其上的齿轮固定槽10-24-1内安装有左方向舵齿轮10-8，同时左方向舵齿轮10-8安装在左方向舵10-9上，且可在齿轮移动件10-24的驱动下在左方向舵10-9上的轴上移动来实现与左齿条10-7的啮合和脱离，左方形销10-23-3能够插入在左方向舵19中的第一方形槽10-25中，在拨杆10-19的移动下左方形销10-23-3可实现与左方向舵10-9上的第一方形槽10-25插入和脱离；右方形销10-23-4能够插入在右方向舵10-10端部开设的第二方形槽10-26中；在拨杆10-19的移动下右方形销10-23-4可实现与右方向舵10-10上的第二方形槽10-26插入和脱离；

同步异向转动：同步异向转动电机10-22通过联轴器10-21带动丝杆10-16旋转来驱动拨杆10-19在导轨10-17和滑块10-18组成的滑块导轨上向右移动，带动传动销10-23向右移动使传动销上的左方形销10-23-3脱离左方向舵上的第一方形槽10-25，但此时右方形销10-23-4仍未脱离右方向舵10-10的第二方形槽10-26，并具备足够长度，传动销10-23带动齿轮移动件10-24从而带动左方向舵齿轮10-8移动至左方向舵10-9的最右端与左齿条10-7啮合，此时丝杆螺母10-5上安装的左齿条10-7和右齿条10-4在电机10-1的带动下，在滑块10-14和导轨10-15组成的滑块导轨的导向下前后平移，从而驱动左方向舵齿轮10-8和右方向舵齿轮10-13同步异向转动，从而实现左右方向舵的同步异向转动。

同步同向转动：同步异向转动电机10-22通过联轴器10-21带动丝杆10-16旋转来驱动拨杆10-19在滑块10-17和导轨10-18组成的滑块导轨上向左移动，带动传动销10-23向左移动使传动销上的左方形销10-23-3进入左方向舵上的第一方形槽10-25，传动销10-23带动齿轮移动件10-24从而带动左方向舵齿轮10-8向左移动，与左齿条10-7脱离啮合，此时丝杆螺母10-5上安装的右齿条10-4的在电机10-1的带动下，在滑块10-14和导轨10-15组成的滑块导轨的导向下前后平移，从而驱动换向齿轮10-12带动右方向舵齿轮10-13旋转带动右方向舵10-10旋转，右方向舵10-10通过传动销10-23带动左方向舵10-9实现同步转动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。