一种基于三段式超空泡水翼的超高速水面航行器的制作方法

本发明涉及船舶领域，特别是涉及一种以新型超空泡翼型作为升力部件且基于三段式超空泡水翼的超高速水面航行器。

背景技术：

根据船舶阻力规律，船舶粘性阻力与航速的二次方成正比，兴波阻力与航速的六次方成正比。这意味着，航速越高，所需克服的阻力就越大。此外，航行阻力与船舶沉浸在水面以下的湿表面积密切相关。水面航行器通过水翼在航行过程中产生的升力来抬升船体，减小湿表面积，进而减小粘性阻力和兴波阻力，在快速性和适航性等方面具有独特的优点。

目前在提高航速方面，一般有增大推进动力和降低航行阻力这两种技术途径。

现有船舶的动力推进装置一般以螺旋桨或喷水推进为主，当航速超过50节时，常规的动力推进装置将产生空泡现象，进而造成推力的降低。

超空泡减阻技术是利用超空泡将物体包裹，让物体不再与水直接接触，使物体所受阻力较全湿状态降低90％左右。专利cn201210319158.6提供了一种超高速超空泡双体水面航行器，用通气装置向水翼和两船底面的前横缘充气，使水翼的升力面和两船体的底面形成很薄的气膜覆盖，即水翼和两船底形成超空泡，从而达到降低粘性阻力的目的。

专利zl201710608120.3公布了一种新型超空泡水面高速艇，通过空泡发生器产生包裹下潜体的超空泡，从而达到减阻的效果，并引入涡轮喷气发动机作为快艇的动力系统，进一步提升航速。

但是上述实现超空泡减阻的方案均采用人工通气，需要附加空泡发生器、空气压缩机等配套设备，机构复杂，增大了成本和冗余设备。

技术实现要素：

本文发明的目的是提供一种以新型超空泡翼型作为升力部件且基于三段式超空泡水翼的超高速水面航行器。

具体地，本发明提供一种基于三段式超空泡水翼的超高速水面航行器，包括船舶主体，在船舶主体的前部两侧分别安装有两个对称的前水翼，后部两侧分别安装有两个对称后水翼，前水翼包括一端与船舶主体连接的水平平翼、通过一端与平翼另一端连接且向船舶主体方向倾斜的斜翼、连接在斜翼另一端且垂直于水平面的垂翼，其中斜翼的另一端延伸至船舶主体的船底下方，垂翼的长度为斜翼长度的四分之一，斜翼和垂翼为超空泡翼型；

后水翼和前水翼结构相同，但后水翼的平翼翼展长度大于前水翼的平翼翼展长度；

在两个后水翼之间的船舶主体上并排安装有两台喷气发动机，在船舶主体的尾部安装有半浸桨。

在本发明的一个实施方式中，所述超空泡翼型包括两块一端相接另一端张开的吸力面和受力面，以及与吸力面和受力面的张开端连接并形成弧形收缩的收缩端，吸力面和受力面分别为由接触端向张开端方向弧形凸起的弧形面，其中吸力面通过数值模拟方法确定轮廓，受力面通过约翰逊三阶设计方法确定轮廓，收缩端利用naca设计方法确定轮廓，进而确定吸力面和受力面的长度和两者之间夹角的角度大小，以及收缩端的长度。

在本发明的一个实施方式中，所述平翼连接在所述船舶主体的上边沿处，所述船舶主体为圆舭艇型。

在本发明的一个实施方式中，所述斜翼与所述平翼通过两边形成一个固定夹角的折板连接，折板的两边上设置有螺栓孔，在所述平翼和所述斜翼的连接端上设置有同样的螺栓孔，三者通过穿过螺栓孔的螺栓固定在一起，折板的夹角为45度，使固定后的所述斜翼与所述平翼之间的夹角保持在45度。

在本发明的一个实施方式中，所述斜翼上的螺栓孔设置有多个，通过不同的螺栓孔与所述折板固定，可实现所述斜翼伸出长度的调整。

在本发明的一个实施方式中，所述前水翼和所述后水翼均采用鸭式配置，两者的负荷相等。

在本发明的一个实施方式中，所述斜翼包括矩形段和收缩段，设矩形段的宽度等于弦长，则长度为2.5个弦长，收缩段的一端宽度等于弦长，另一端宽度等于三分之一弦长，两端之间在1.2个弦长的距离内连接，且其中一侧的倾斜角度大于另一侧的倾斜角度。

在本发明的一个实施方式中，所述垂翼的一端与所述斜翼的收缩段连接，另一端在0.3个弦长距离内收缩为一个弧形凸起。

在本发明的一个实施方式中，两个所述前水翼的所述垂翼之间距离等于弦长，两个所述后水翼的所述垂翼之间的距离为3.5个弦长。

在本发明的一个实施方式中，所述前水翼连接在所述船舶主体上距离前端三分之一处，所述后水翼与所述船舶主体的尾端对齐，且与所述前水翼相隔10个弦长。

本发明采用半浸桨和涡轮喷气发动机的组合推进模式，可为水面航行器在不同的工作要求下提供强劲的推力，从而实现水面航行器低速和超高速航行的效果。半浸桨在桨叶不断穿越水气交界面的同时卷吸空气，从而有效避免自然空化现象。此外，涡轮喷气发动机作为水上部分的动力推进装置，具有推力大、质量小、速度性能好的优点。

超空泡翼型不仅在超空泡状态下能起到减阻的效果，而且在完全湿润状态下能够保持较高的升力和较低的阻力，克服了传统的截断式超空泡水翼在完全湿润状态下的工作效率低的不足。

在低速时的水面航行器所需升力由船舶主体、前水翼和后水翼的平翼、斜翼、垂翼提供；高速时的水面航行器离开水面，水面航行器所需升力由前水翼和后水翼的斜翼、垂翼提供。具体的前、后水翼设计长度及弦长需要根据工作需求和工作强度设计满足条件的参数。

前水翼和后水翼的三段式结构可根据不同航速来自适应地调节升力，有利于降低航行器对速度的敏感性，提高航行的稳定性。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的水面航行器的侧面示意图；

图2是图1所示水面船行器的右视图；

图3是本发明一个实施方式的超空泡翼型剖面示意图；

图4是本发明一个实施方式的斜翼结构示意图；

图5是本发明一个实施方式的折板结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1、2所示，在本发明的一个实施方式中公开一种基于三段式超空泡水翼的超高速水面航行器100，包括圆舭艇型的船舶主体1，在船舶主体1的前部两侧分别安装有两个对称前水翼2，前水翼2连接在船舶主体1上距离前端三分之一处，且靠近船舶主体1的上边沿；具体的前水翼2包括一端与船舶主体1连接的水平平翼21、通过一端与平翼21另一端连接且向船舶主体1方向倾斜的斜翼22、以及连接在斜翼22的另一端且垂直于水平面的垂翼23，其中斜翼22与垂翼23连接的一端延伸至船舶主体1的船底下方，垂翼23的长度为斜翼22长度的四分之一。

在船舶主体1的后部两侧分别安装有两个对称后水翼3，后水翼3与船舶主体1的尾端对齐且位于船舶主体1的上边沿。后水翼3和前水翼2结构相同，区别在于后水翼3的平翼21翼展长度大于前水翼2的平翼21翼展长度，同时后水翼3的斜翼22与前水翼2的斜翼22平行且倾斜角度一致。在以下的描述中都以前水翼2的结构进行说明。

在两个后水翼3之间的船舶主体1上并排安装有两台喷气发动机4，在船舶主体1的尾部安装有半浸桨5。

在本实施方式中，前水翼2和后水翼3均采用鸭式配置，使得前水翼2和后水翼3负荷大致相等，前水翼2和后水翼3的负荷由各自距船舶主体1的重心距离而定。

在低速时(低于航速100节)，水面航行器100所需升力由船舶主体1、前水翼2和后水翼3的平翼21、斜翼22、垂翼23提供；高速时(大于航速100节)，水面航行器100离开水面，水面航行器100所需升力由前水翼2和后水翼3的斜翼22、垂翼23提供，具体的前、后水翼2、3设计长度及弦长需要根据工作需求和工作强度设计满足条件的参数。

采用半浸桨5和涡轮喷气发动机4构成组合动力推进模式，其中，半浸桨5安装在船舶主体1的尾部中间，具有体积小、转速高、推力大的特点；涡轮喷气发动机4安装在船舶主体1的尾端上部，左右对称各一个。当航速低于100kn时，水面航行器100采用半浸桨5推进模式，当航速大于100kn时，水面航行器100采用半浸桨5和涡轮喷气发动机4的组合推进模式。

采用半浸桨5和涡轮喷气发动机4的组合推进模式，可为水面航行器100在不同的工作要求下提供强劲的推力，从而实现水面航行器100低速和超高速航行的效果。半浸桨5在桨叶不断穿越水气交界面的同时卷吸空气，从而有效避免自然空化现象。此外，涡轮喷气发动机4作为水上部分的动力推进装置，具有推力大、质量小、速度性能好的优点。

如图3所示，在本发明的一个实施方式中，前水翼2和后水翼3的斜翼22、垂翼23分别采用超空泡翼型，超空泡翼型包括两块一端相接另一端张开的吸力面223和受力面224，以及与吸力面223和受力面224的张开端227连接并形成弧形收缩的收缩端225，吸力面223和受力面224分别为由接触端226向张开端227方向弧形凸起的弧形面，其中吸力面223通过现有技术中的数值模拟方法确定轮廓，受力面224通过约翰逊三阶设计方法确定轮廓，收缩端225利用naca设计方法确定轮廓，进而可以确定三者结合后吸力面223和受力面224的长度、两者之间夹角(即接触端226)的角度大小、以及收缩端225的长度。

一般地，吸力面223与受力面224形成的夹角大小在5度左右，该角度可以尽量减低剖水面，而吸力面223与受力面224的长度为收缩端225长度的三倍左右，该设置可以快速形成超空泡以减少阻力，收缩端225的夹角为30度左右。吸力面223可以整体过渡到收缩端225的端点处，以形成收缩端225的上顶面，而收缩端225的下顶面则由张开端227处的受力面224边沿弧形连接到收缩端225的端点，形成一个内凹面。

该结构的超空泡翼型形成的空泡长度沿着翼尖方向而逐渐变短，这是由于静水压力增加而导致局部空化数的增加。相比较于现有技术的直翼结构，斜翼22和垂翼23形成的超空泡水翼减少了前水翼2和后水翼3的阻力前水翼和后水翼的垂翼有助于减少能量耗散、降低航行阻力。

前水翼2和后水翼3的厚度和弦长沿着翼尖方向逐渐减小，对空化产生二次影响，可减少漩涡的产生，同时不会产生现有技术中直翼底部产生的分离流，因此，本结构的空化长度随着深度而线性减小，与现有技术中的直翼在翼尖空化长度变大的效果相反。

在本实施方式中，采用新型超空泡翼型作为基础翼型，其设计方法结合了传统超空泡翼型和普通naca翼型设计方法：即吸力面223和受力面224的设计采用传统超空泡翼型设计方法实现，而收缩端225则采用普通naca翼型设计方法实现。整体的超空泡翼型水动力性能可通过数值模拟方法根据具体工作需求进行评估，如果不满足设计要求，则进行改型优化；如此循环，直到满足具体的设计要求为止。

高速时(航速大于100节)，超空泡翼型的吸力面223和受力面224与传统超空泡翼型一样产生超空泡，低速时(航速低于100节)，超空泡翼型的收缩端225与常规naca翼型一样为前水翼2和后水翼3提供额外的升力，从而可提高前水翼2和后水翼3的工作效率。本方案中的超空泡翼型综合了普通水翼和传统超空泡水翼的优点，既能在低速时具有较高的水动力性能，又能在高速时具有较高的水动力性能，克服了现有技术中普通naca水翼在高速时会产生空泡，影响水翼性能的问题，同时解决了现有技术中超空泡水翼在低速时工作效率低下的问题。

如图4所示，在本发明的一个实施方式中，斜翼22由矩形段221和收缩段222组成，矩形段221的一端与平翼21连接另一端与收缩段222一体连接。以矩形段221的宽度作为弦长c，那么其长度为2.5c，收缩段222与矩形段221连接的一端宽度等于c，另一端的宽度等于0.3c，两端之间在1.2c的距离内连接，且其中一侧的倾斜角度大于另一侧的倾斜角度，整体为梯形的展向结构。

而垂翼23的一端与斜翼22的收缩段222连接后与水面保持垂直，另一端在0.3c距离内收缩为一个弧形凸起，前水翼2和后水翼3的垂翼23高度相同。

斜翼22和垂翼23在整体上一体制作成型，且在结构上可分为由矩形段221、收缩段222和垂翼23构成的三段式结构。

本实施方式虽然是以斜翼22的宽度(弦长)作为弦长c，但在其它的实施方式中，可以根据船舶主体的尺寸，选择其它部件的宽度作为弦长c。

上述的数据，是与前述实施例中的水面航行器100形状尺寸对应的数据，在其它的实施例中，上述数据需要根据具体的船舶主体1形状尺寸通过实验确定。

在本实施方式中，将斜翼22和垂翼23在展长方向分成三段式，从安装位置开始，矩形段221的弦长c不变，收缩段222成梯形的展向结构、弦长由c逐渐减小到0.35c；垂翼23为垂直于水面的尖锐小翼，可以减少诱导阻力。

上述水翼的三段式设计结构能够满足水面航行器100不同工作状态的需求。由于前水翼2和后水翼3的升力与速度的平方、升力系数及浸湿面积成正比，但是船舶主体1的排水量保持不变，因此所需要前水翼2和后水翼3产生的升力总值也没有变化。

水面航行器100在低速时需要前水翼2和后水翼3的升力系数和浸湿面积比较大，因此矩形段221的展向结构可增加前水翼2和后水翼3浸湿面积来提高前水翼2和后水翼3升力；而高速时，需要前水翼2和后水翼3的升力系数与浸湿面积较小，前水翼2和后水翼3的收缩段222成梯形的展向结构可以减小浸湿面积。同时高速时，由于前水翼2和后水翼3对速度相当敏感，容易造成水面航行器100的不稳定性，而设计成梯形形状收缩段222和垂直水面的垂翼23有助于降低航速敏感性，有效地提高航行的稳定性。前水翼2和后水翼3的长度和宽度既要满足设计的水面航行器100要求的升力，也要满足水面航行器100设计航速下的结构强度。

本实施方式的前水翼2和后水翼3的展向结构，与现有技术的直水翼相比，其能够满足不同工作状态的要求。在低航速时，对前水翼2和后水翼3的升力系数和浸湿面积需求较大，此时斜翼22和垂翼23的超空泡水翼结构处于完全湿润状态下，可通过自适应调节浸湿面积使水气交界面处于矩形段221位置来提高水翼的升力。在高航速时，对前水翼2和后水翼3的升力系数需求较小，可通过自适应调节浸湿面积使水气交界面处于收缩段222位置来保证足够的升力。此外，梯形形状收缩段222和垂直水面的垂翼23有助于降低水翼对航速的敏感性，有效地提高航行的稳定性。

在前述结构下，两个前水翼2的垂翼23之间的间隔距离等于弦长c，两个后水翼3的垂翼23之间的距离为3.5c。

以船舶主体1整长为18c计算，前水翼2连接在船舶主体1上距离前端三分之一处，而后水翼3则与船舶主体1的尾端对齐。前水翼2与后水翼3之间的间隔在10c左右。两个喷气发动机4之间的距离为3c左右。

如图5所示，在本发明的一个实施方式中，斜翼22与平翼21通过两边形成一个固定夹角的折板6连接，折板6的两边上设置有螺栓孔，在平翼21和斜翼22的连接端上分别设置有同样的螺栓孔，三者通过穿过螺栓孔的螺栓固定在一起。

折板6与平翼21连接的一边为直边61，另一边为相对直边61形成45度夹角的折边62，使固定后的斜翼22与平翼21之间的夹角保持在45度。本实施方式方便调整斜翼22的倾斜角度，同时方便安装和拆卸。

进一步地，斜翼22上的螺栓孔可沿长度方向设置有多个，通过不同的螺栓孔与折板6固定，可调整斜翼22相对平翼21的伸出长度。该结构使得斜翼22可以根据船舶主体1的大小及航行参数，调整相对于水面的割划位置，提高船舶主体1的升力。

本方案中的水面航行器100的最高航速可达到120节的超高速，并能够保持稳定航行姿态。水面航行器100在低速时收起水翼，依靠船体航行，由于船体为圆舭艇型，摩擦阻力较小且小于槽道滑行艇，同时在高速时，船体依靠前水翼2和后水翼3完全托出水面，前水翼2和后水翼3所受的阻力为全船阻力主要成分，由于前水翼2和后水翼3湿表面积较小，因此该水面航行器100在高速时阻力依旧很小，加上半浸桨5和涡轮喷气发动机4的联合推进，可为整个船体提供充足的推力，因此该水面航行器100的最高航速可达到120节，远远大于目前槽道滑行艇的最高航行60节。所以，本发明所提供的基于三段式超空泡水翼的超高速水面航行器100在快速性方面相对于传统滑行艇具有显著的优势。

以下以一个具体实施例说明受力面224通过约翰逊三阶设计方法实现的过程：

超空泡翼型的受力面224设计采用johnson理论，此理论基于保角映射方法,第一次被tulin和burkart线性化并推广，将超空泡水翼复平面{z}内的流动转化为完全湿润的水翼复平面内的流动：

根据薄剖面理论，完全湿润剖面周围的势流用连续涡度分布表示，对于完全浸湿水翼一般的涡量分布ω(x)通过正弦系列表示:

格劳厄特坐标变换进行坐标x(沿翼型弦长方向)和角坐标θ的转换：

薄剖面理论用于解决全浸湿水翼周围的流动,即找到一个系数an来表述未知的涡量分布.由于保角变换,超空泡水翼的升力系数结果等于完全润湿的水翼的俯仰力矩系数：

类似地，超空泡水翼的阻力系数对应于全浸湿水翼的升力系数的关系如下:

为了消除(2)和(4)、(5)中的a0，首先在零度攻角和适当的参考线(而不是弦线)的前提下，找到最优的受力面；第二，寻找能够使水翼效率最大化的系数的值，水翼效率定义为升力系数(4)与(无粘性)阻力(5)之比，即:

找到最大效率等于找到[-a2/a1]的最大值。寻找最大值需要满足翼型叶面(面)任意点处的涡度为正的物理条件，以避免在面上产生空泡。实际上，在这种渐近的方法中，表面的动压与环流成正比，空化指数为零。

根据涡度分布表达式中保留的项数在公式(2)，可以找到不同的最高效率值。tulin-burkart仅保留了该系列的前两项，对于这个剖面图族，最大理想效率(在0攻角处)为:

约翰逊的三项是保留在a3在公式(2)，这导致1.44倍的效率(在理想的攻角等于0)，事实上:

三项解对应受力面的形状:如下

在本发明的一个实施方式中，利用数值模拟方法确定吸力面的步骤如下：

步骤100，吸力面和受力面形成的开口端处为最大厚度，且开口端取值为吸力面的0.1倍长，由此确定吸力面的前缘与后缘位置，通过软件建立前缘及后缘的参数化曲线，建立只包含吸力面和受力面的二维水翼模型；

这里的软件可以是cad软件。

步骤110：建立将新型超空泡翼型截面包围起来的长方体区域形状的二维流域，截面在二维流域内，其前缘、尾缘分别距离邻近的侧边5倍弦长和10倍弦长，而开口端的上下边分别距离二维流域的上下面为0.6倍弦长；

步骤120，采用切割体网格对二维流域内进行网格划分，并对截面的前缘、尾缘和尾迹区域增加网格密度；

步骤130，在计算流体动力学求解器中，对计算参数进行初始化：流场入口给定流体来流速度，出口给定平均静压，水翼表面和流场区域边界均给定无滑移、光滑壁面边界条件；基于上述边界条件和初始条件，利用计算流体动力学求解器及空化求解器进行水翼空化数值计算，得到流场区域的速度、压力和空化分布情况以及水翼的水动力性能；

步骤140，改变吸力面曲线参数，然后重复步骤100到130，确定曲线形状最优解下的吸力面轮廓。

在本发明的一个实施方式中，通过naca设计方法设计收缩端的步骤如下：

步骤200，设收缩端的长度为吸力面的0.36倍长，由此确定尖锐尾翼的前缘与后缘位置，通过软件建立前缘及后缘的参数化曲线，生成具有吸力面、受力面和尖锐尾翼的二维水翼模型；

步骤210，建立将新型超空泡翼型截面包围起来的长方体区域形状的二维流域，截面在二维流域内，其前缘、尾缘分别距离邻近的侧边5倍弦长和10倍弦长，而开口端的上下边分别距离二维流域的上下面为0.6倍弦长；

步骤220，采用切割体网格对二维流域内进行网格划分，并对截面的前缘、尾缘和尾迹区域增加网格密度；

步骤230，在计算流体动力学求解器中，对计算参数进行初始化：流场入口给定流体来流速度，出口给定平均静压，水翼表面和流场区域边界均给定无滑移、光滑壁面边界条件；基于上述边界条件和初始条件，利用计算流体动力学求解器及空化求解器进行水翼空化数值计算，得到流场区域的速度、压力和空化分布情况以及水翼的水动力性能；

步骤240，改变收缩端参数，然后重复步骤200到230，找到收缩端的最优解。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

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