兩棲車輛中高壓噴水推進(jìn)技術(shù)研究

李春旭

摘 要：本文旨在將中高壓射流噴水推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于兩棲車輛上，從而探究這種新型噴水推進(jìn)方式對兩棲車輛的矢量控制效果。首先闡述了中高壓噴水推進(jìn)技術(shù)研究現(xiàn)狀，其次研究并設(shè)計(jì)了中高壓噴水技術(shù)推進(jìn)兩棲車輛方案，最后通過計(jì)算對兩棲車輛的動力性研究，驗(yàn)證該方案可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：兩棲車輛；中高壓噴水 ；推進(jìn)技術(shù)

一、中高壓噴水推進(jìn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

（一）噴水推進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

近些年來，隨著噴水推進(jìn)技術(shù)所受到的關(guān)注度不斷加深，當(dāng)前在噴水推進(jìn)器的研制發(fā)展上，各個(gè)主要制造商都取得了非常大的進(jìn)展，并且其取得的進(jìn)步都各有特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)研究方面，國外有學(xué)者采用模擬實(shí)驗(yàn)的方法對入口、噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，著重探究了由進(jìn)水口滲入空氣對噴水推進(jìn)效率的影響，結(jié)合CFD技術(shù)對噴泵葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了葉片的氣蝕現(xiàn)象。

（二）兩棲車輛的推進(jìn)特性研究現(xiàn)狀

由于采用實(shí)驗(yàn)的方法對兩棲車輛的推進(jìn)性能進(jìn)行研究存在周期長、花費(fèi)大的問題，目前利用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行兩棲車輛推進(jìn)性能研究取得了較大的進(jìn)展。在噴水推進(jìn)矢量控制領(lǐng)域比較常見的射流偏轉(zhuǎn)裝置有兩種：機(jī)械導(dǎo)流板和轉(zhuǎn)動噴管。機(jī)械導(dǎo)流板雖有推力損失，但結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，因此廣泛應(yīng)用于水面艦船以及水下航行器。

二、中高壓噴水推進(jìn)兩棲車輛方案研究

兩棲車輛樣機(jī)采用雙噴嘴噴水推進(jìn)方式， 同時(shí)考慮到樣機(jī)在水中的穩(wěn)定性、 樣機(jī)排水量等因素，樣機(jī)元件采用軸對稱方式布置，布置方式如圖 2-1所示。每個(gè)噴嘴都使用一臺容積式高壓泵單獨(dú)提供高壓噴射流體，兩臺高壓泵也是通過兩個(gè)電機(jī)單獨(dú)提供動力源， 兩個(gè)進(jìn)水口單獨(dú)進(jìn)水。 采取這種布置方式， 不僅可以由矢量噴嘴控制兩棲車輛的航向， 而且每個(gè)噴嘴單獨(dú)由一個(gè)系統(tǒng)為其提供高壓噴射流體， 可以單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)噴嘴的噴射功率，從而實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)控制。

由于樣機(jī)采用軸對稱結(jié)構(gòu)布置方式，則樣機(jī)橫搖就可以不用考慮，但重心的縱向坐標(biāo)通過計(jì)算分析只能得到大概的位置。 為保證樣機(jī)在水中的縱傾角為零， 該樣機(jī)設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，如圖 2-2所示。高壓泵、電機(jī)等通過支架固定在導(dǎo)軌上，通過調(diào)節(jié)支架在導(dǎo)軌上的位置， 就可以保證高壓泵、 電機(jī)等元件前后位置可調(diào)， 通過調(diào)節(jié)就可以保證樣機(jī)在水面上的浮態(tài)。

三、推進(jìn)方案計(jì)算與總結(jié)

（一）噴水推進(jìn)裝置水動力計(jì)算

選定兩棲車輛模型為前端進(jìn)水的雙矢量噴嘴射流推進(jìn)形式， 將經(jīng)過仿真優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于兩棲車輛整體模型。 兩棲車輛模型的主要尺度參數(shù)如表 3-1 所示：

以兩棲車輛模型左側(cè)的噴嘴為例來分析噴水推進(jìn)裝置作用于車體的縱向力、側(cè)向力和回轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)矢量噴嘴的射流角為零時(shí)，產(chǎn)生的射流反推力 為：

要實(shí)現(xiàn)兩棲車輛的矢量推進(jìn)， 一方面可以通過調(diào)節(jié)噴嘴的偏轉(zhuǎn)角度， 另一方面可以調(diào)節(jié)兩臺推進(jìn)泵的輸出功率來形成回轉(zhuǎn)力矩，或者同時(shí)改變這兩個(gè)因素來控制兩棲車輛的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。取兩棲車輛的初始航速為 4m/s，入水漂角為15 度，若噴嘴有偏轉(zhuǎn)角度，則偏轉(zhuǎn)角度均取為 30度，計(jì)算出各組噴嘴偏轉(zhuǎn)組合條件下兩棲車輛的縱向合力、橫向合力及回轉(zhuǎn)力矩，結(jié)果如表 3-2 所示。

（二）研究總結(jié)

通過上上述計(jì)算分析得出，當(dāng)兩棲車輛采用噴水推進(jìn)方式時(shí)具有優(yōu)異的動力性能，并且該方案配置中高壓噴水推進(jìn)系統(tǒng)的兩棲車輛不僅具有噪聲小、 推重比大、 效率高、 適應(yīng)變工況強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更加適宜兩棲車輛處于水面作戰(zhàn)，具備優(yōu)良的水上操縱性能才可保證其在水上航行時(shí)的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及戰(zhàn)斗力和生命力。

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