一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚及其安装方法与流程

本发明属于深海锚泊技术领域，尤其涉及一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚及其安装方法。

背景技术：

近年来随着海上能源开采逐渐向深海推进，适用深海采油平台的锚泊系统受到海洋工业界的广泛关注。鱼雷锚因其安装简单、便于操作、成本低的优点已在海洋工程建设中得到大量应用。

负泊松比材料是一种与传统正泊松比材料特性相反的新型超材料，受拉时垂直于拉力方向发生膨胀、受压时垂直于压力方向产生收缩。研究人员最早在黄铁矿晶体中证明负泊松比特性的存在；随后发现69％的立方体结构金属和有面心立方结构的固态稀有金属都具有负泊松比特性。直到上世纪80年代，实验室获得泊松比数为-0.7的负泊松比材料，从此进入了快速发展阶段。目前负泊松比材料因其特殊的性能已在岩土工程的矿山开采，土工合成材料加固边坡以及锚索加固方面展开应用。然而，目前尚未应用于海洋锚固技术领域。

章鱼有“水中火箭”之称，它在游动时尾部向前，触手成带状紧贴头部，肌肉收缩后水从腹腔下方漏斗状管子喷出，由此产生的反作用力推动其前进。喷气式飞机、火箭和喷水船都是根据章鱼游动原理设计制造。水冲压发动机的工作原理类同于章鱼游动原理，将海水引入储水仓，在燃烧室内金属燃料与水反应放出大量的高压气体，通过直接或者间接方式排出高压气体，推动水下结构前进。水冲压发动机直接从外界引入水作为氧化剂，减少携带氧化剂进的载荷。上世纪40年代起世界各国学者先后开展了水反应金属燃料和水冲压发动机的研究。活性金属燃料主要集中在：na、li、k、al、mg和be，be与水反应提供能量密度最大，但是因为be是一种剧毒物质，并且价格昂贵较为少用，na和k能量密度相对较低，li、al和mg是最有发展潜力的活性金属。

本发明专利之前，中国发明专利“一种吸水式固体燃料冲压发动机性能试验装置”(专利号：zl201910988615.2)，“一种半包覆式多级动力水下高速推进器及控制方法”(专利号：zl201811560299.0)和中国实用新型专利“旋流式水冲压发动机”(专利号：zl201520981286.6)提出三种水冲压发动机模式，但是三种模式需要点燃装置点燃金属固料仓、水阀来调节水量控制反应速度或搅拌金属固料装置。上述装置工作均需额外动力源(例如：电源)，很难在鱼雷锚中实现，因为深海鱼雷锚将贯入海床3-4倍的锚长很难接收额外动力源，并且额外动力源将大大增加锚固系统的成本。中国发明专利“钠水反应喷水发动机”(专利号：zl201610533751.9)提供了一种以钠为金属燃料的装置，虽然钠易与水在常温下发生反应，但是钠与海水反应的能量密度远远低于铝或镁。中国实用新型专利“新型水驱旋转式鱼雷锚”(专利号：zl201521132419.9)提出鱼雷锚在下落过程中水流通过螺旋的锚翼推动锚体旋转增大贯入动力，然而旋转的锚翼仅提高水中下落速度。针对上述技术创新在鱼雷锚中应用的不足，研发一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚及其安装方法，显得尤为重要。

技术实现要素：

为了解决传统鱼雷锚安装贯入深度不足、一定程度上限制了其抗拔承载力的问题，本发明提出了一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚及其安装方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚，包括锚翼、锚杆、旋转锚尖和简易水冲压发动机。所述的简易水冲压发动机分为锚杆处水冲压发动机和锚尖处水冲压发动机。

所述的锚杆尾端外表面设有锚翼，锚杆的前端通过旋转轴与旋转锚尖相连；锚杆处水冲压发动机位于锚杆上部1/3～1/2处，锚杆的顶部漏斗状排气口排出高压气体推动鱼雷锚前进。锚尖处水冲压发动机位于旋转锚尖内，锚尖处水冲压发动机的2组对称的斜管状排气口给予旋转锚尖斜侧方推动力，从而使旋转锚尖旋转。

所述的锚杆处水冲压发动机包括锚杆金属固料仓、锚杆水仓、锚杆水仓入水口、锚杆金属固料仓入水口、锚杆金属固料仓过滤网、锚杆排气仓、锚杆水仓入水口塞以及锚杆端排气口。

所述的锚杆金属固料仓的上表面通过锚杆金属固料仓过滤网与锚杆排气仓相连，锚杆排气仓的顶端设有锚杆端排气口，锚杆金属固料仓内置于锚杆中，两种之间设有锚杆水仓，锚杆水仓的低端两侧设有锚杆水仓入水口，且通过锚杆水仓入水口塞堵住；锚杆金属固料仓的上端两侧设有锚杆金属固料仓入水口。

所述的锚杆金属固料仓可拆卸单独运输安装，其通过锚杆水冲压发动机舱门和锚燃螺丝完成锚杆处水冲压发动机组装。

所述的锚尖处水冲压发动机包括锚尖金属固料仓、锚尖入水口、锚尖金属固料仓过滤网、锚尖入水口塞、锚尖排气通道和锚尖排气口。

所述的锚尖金属固料仓为圆锥状结构，位于旋转锚尖的中心，锚尖金属固料仓的上表面设有锚尖金属固料仓过滤网，锚尖金属固料仓的侧表面设有2组对称的斜管状锚尖排气口，锚尖排气口之间通过锚尖排气通道相连；锚尖入水口位于锚尖排气口的下方，通过锚尖入水口塞堵住。

所述锚翼和锚杆外连接一层蜂窝状负泊松比材料。

所述的锚杆金属固料仓，可拆卸单独安装运输，避免运输过程中活性金属燃料的倾撒和氧化，又保证模块化生产和分装运输，从而降低成本。金属固料仓设置密封盖，仅可单向对外打开。

所述的旋转锚尖，带有2～4个螺旋刀片，呈两端窄、中间宽，外缘薄、里侧厚，水中下落时水流也将推动锚尖旋转。锚尖与锚杆可分离，锚尖处金属固料仓随锚尖一起安装运输。

所述的锚翼，由2～4个梯形、矩形或三角形钢板组成，翼宽为0.5m～1.5m、翼长为1/3～2/3的锚长、翼厚为0.07m～0.08m。

所述的锚杆，为钢管，其直径为0.75m～1.20m、长为15.0m～17.5m，上部1/3～1/2处安装锚杆处水冲压发动机，下部1/2～2/3部分以混凝土或碎石作为填充物增加配重。

金属固料仓内置活性金属燃料，所述的活性金属燃料，为al、mg、li、na、k，或者al、mg、li合金，na、al合金，k、na合金；合金活性金属燃料的优势是在相对较低温度下开始与水反应，并能获得较高能量密度。本发明优选al、mg和li合金活性金属燃料。

一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚的安装方法，包括以下步骤：

第一步：锚体下放前，在锚杆设计位置安装锚杆金属固料仓和旋转锚尖。

第二步：将锚体吊至设计的下落高度。

第三步：撤去锚杆和锚尖入水口塞后，在15～30秒内释放，锚体自由下落的同时海水在水压作用下进入水仓后，通过入水口进入锚杆金属固料仓与活性金属燃料发生反应。

第四步：水和活性金属燃料反应产生混合氢气和水蒸气的高压气体，锚杆金属固料仓内压力将大于外界水压，压紧闭合入水口处的密封盖，使得海水不能继续流入锚杆金属固料仓，与此同时，高压气体冲开排气口处的密封盖排出气体。

第五步：高压气体排出后，锚杆金属固料仓压力减小，排气口密封盖在海水压力作用下闭合，外界海水继续从入水口补给到金属固料仓，再次生成高压气体，循环往复推动锚体前进和旋转锚尖旋转。

第六步：当工作锚链拉紧时，锚杆和锚翼处负泊松比材料受拉膨胀增大受力面积；内凹结构增加界面摩擦力，进而提高抗拔承载力。

优选地，其中第～的安装步骤可以在锚体释放初期进行，或在自由下落过程中进行。

所述的负泊松比材料，为内凹多边形结构、旋转多边形结构、手性结构、穿孔板结构、联锁多边形结构、节点-纤维结构或褶皱结构的金属材料、fcc晶体、多重泊松比材料、聚氨脂泡沫或聚四氟乙烯复合负泊松比材料，负泊松比材料可以其中的一种或几种的组合，厚度为0.02m～0.03m。锚翼和锚杆处可增设整体负泊松比材料；或者间隔增设2～5块负泊松比材料，两块负泊松比材料之间的间距为0～0.5m；以确保增大承载力的同时控制成本。

本发明优点在于：联合运用自重贯入和动力贯入的新型动力模式，使鱼雷锚获得更大贯入初速度和安装深度；简易水冲压发动装置使锚尖快速旋转，加大安装动力；采用新型负泊松比材料增大鱼雷锚的抗拔承载力，进而扩大了鱼雷锚的适用土体范围。

附图说明

图1为本发明新型动力式鱼雷锚正视图。

图2为本发明新型动力式鱼雷锚锚杆图。

图3为本发明新型动力式鱼雷锚剖面图。

图4为本发明锚杆水冲压发动机结构示意图。

图5为本发明的俯视图。

图6为本发明锚尖水冲压发动机结构示意图。

图中：1-锚翼；2-锚杆；3-旋转锚尖；4-螺旋刀片；5-锚杆端排气口；6-锚尖排气口，7-旋转轴；8-锚杆水冲压发动机舱门；9-锚杆金属固料仓；10-锚杆水仓；11-锚杆水仓入水口；12-锚杆金属固料仓入水口；13-锚杆金属固料仓过滤网；14-锚杆排气仓；15-锚尖金属固料仓；16-锚尖入水口；17-锚尖金属固料仓过滤网；18-锚杆水仓入水口塞；19-锚燃螺丝；20-锚尖入水口塞；21-锚尖排气通道。

具体实施方法

下面结合附图和技术方案，详述本发明的具体实施方式：

实施例1：

一种基于仿生学的新型动力式鱼雷锚，包括锚翼1、锚杆2、旋转锚尖3、和简易水冲压发动机。简易水冲压发动机分为锚杆处水冲压发动机和锚尖处水冲压发动机。锚杆处水冲压发动机由锚杆金属固料仓9、锚杆水仓10、锚杆水仓入水口11、锚杆金属固料仓入水口12、锚杆金属固料仓过滤网13、锚杆排气仓14、锚杆水仓入水口塞18以及锚杆端排气口5组成。锚尖处水冲压发动机由锚尖金属固料仓15、锚尖入水口16、锚尖金属固料仓过滤网17、锚尖入水口塞20、锚尖排气通道21和锚尖排气口6组成。锚杆金属固料仓9可拆卸单独运输安装，其通过锚杆水冲压发动机舱门8和锚燃螺丝19完成锚杆处水冲压发动机组装。如图1所示，所述锚翼1和锚杆2外连接一层蜂窝状负泊松比材料。旋转锚尖3带有4片螺栓刀片4，呈两端窄中间宽，外缘薄里侧厚；锚尖3与锚杆2通过旋转轴7连接。

实施例2：

本发明所述的一种新型动力式鱼雷锚的安装方法，主要包括以下步骤：

首先，锚体下放前安装锚杆2处金属固料仓9和旋转锚尖3。锚杆2长为12.0m～17.5m(本实施例为12.5m)、锚径为0.75m～1.20m(本实施例为1m)、锚翼1宽为0.5m～1.5m(本实施例为1.2m)、锚翼1长为1/3～2/3的锚长(本实施例为1/2的锚长)、锚翼1厚为0.07m～0.08m(本实施例为0.08m)，本实施例旋转锚尖3长2.5m，锚翼增设1～5块蜂窝状金属负泊松比材料(本实施例为整体增设)厚为0.02m～0.03m(本实施例为0.02m)，锚尖3与螺旋刀片的竖向投影最大直径为1m，金属固料仓安装在锚杆2上部1/3～1/2处(本实施例为锚杆上部1/3处)。

其次，将锚体吊至设计的下落高度为50m～150m(本实施例为海床表面以上100m)。

接着，撤去锚杆水仓入水口塞18和锚尖入水口塞20后，15秒内释放。新型动力式鱼雷锚在自由下落的同时，海水通过锚杆水仓入水口11进入锚杆水仓10，后在水压作用下通过锚杆金属固料仓入水口12进入锚杆金属固料仓9与li、al、mg合金燃料发生反应。锚尖处，海水通过锚尖入水口16进入锚尖金属固料仓15与li、al、mg合金燃料发生反应。

表1li、al、mg合金与水反应方程式

再次，水和li、al、mg合金燃料反应产生混合氢气和水蒸气的高压气体，金属固料仓内压力将大于外界水压，压紧闭合锚杆金属固料仓入水口12和锚尖入水口16处密封盖(此密封盖仅单向向内打开)，使得海水不能继续流入金属固料仓，高压气体分别通过锚杆排气仓14和锚尖排气通道21并冲开锚杆端排气口5和锚尖排气口6处密封盖(此密封盖仅单向向外打开)直接排出。

然后，高压气体排出后，锚杆金属固料仓9和锚尖金属固料仓15的压力减小，锚杆端排气口5和锚尖排气口6处的密封盖在海水压力作用下闭合外界海水继续从锚杆水仓入水口11和锚尖入水口16补给到金属固料仓，再次生成高压气体，循环往复推动锚体前进和锚尖3旋转。

最后，当工作锚链拉紧时，新型动力式鱼雷锚锚杆2和锚翼1处蜂窝状金属负泊松比材料受拉膨胀增大受力面积；内凹结构增加界面摩擦力，进而提高抗拔承载力。

实施例3：

本发明所述的一种新型动力式鱼雷锚的安装方法，主要包括以下步骤：

首先，锚体下放前安装锚杆2处金属固料仓9和旋转锚尖3。锚杆2长为12.0m、锚径为0.75m、锚翼1宽为0.5m、锚翼1长为1/3的锚长、锚翼1厚为0.07m，本实施例旋转锚尖3长2.5m，锚翼增设1～5块蜂窝状金属负泊松比材料(本实施例为整体增设)厚为0.03m，锚尖3与螺旋刀片的竖向投影最大直径为1m，金属固料仓安装在锚杆2上部1/2处。

其次，将锚体吊至设计的下落高度为150m。

接着，撤去锚杆水仓入水口塞18和锚尖入水口塞20后，15秒内释放。新型动力式鱼雷锚在自由下落的同时，海水通过锚杆水仓入水口11进入锚杆水仓10，后在水压作用下通过锚杆金属固料仓入水口12进入锚杆金属固料仓9与li、al、mg合金燃料发生反应。锚尖处，海水通过锚尖入水口16进入锚尖金属固料仓15与li、al、mg合金燃料发生反应。

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